Выбор типа, конструкции и числа отстойников производится на основе их технико-экономического сравнения с учетом местных условий. К основным условиям эффективной работы отстойника относятся:

· установление оптимальной гидравлической нагрузки на отстой ник (для заданной начальной концентрации твердого компонента в воде);

· равномерное распределение питания между секциями отстойника.

Очищенные шахтные и карьерные воды используются на производственные нужды предприятия (тушения отвалов, гидрозакладки, борьбы с пылью на поверхности шахт и карьеров, мокрого обогащения полезных ископаемых и т.п.). Осадок, удаляемый из отстойников, направляется в пруды - шламонакопители, на иловые площадки (для использования) или в отвалы.

При выборе технологических схем и устройств для отстаивания вод горнопромышленного комплекса необходимо использовать принцип дифференциации, основным критерием которого служит тип добываемого полезного ископаемого. Например, производственные сточные воды нефтепромыслов состоят в основном () из высокоминерализованных пластовых вод, извлеченных на земную поверхность вместе с нефтью. Поэтому нефтепромысловые сточные воды (даже после их очистки от нефти и механических примесей) не могут сбрасываться в поверхностные водоемы, так как это приведет к их засолению, и подлежат обратной закачке в продуктивные горизонты, что предусматривается технологической схемой разработки нефтяных месторождений. Отстойники нефтепромысловых сточных вод подразделяются на напорные (работающие под избыточным давлением ) и безнапорные (работающие под атмосферным давлением). В качестве напорных отстойников применяются горизонтальные цилиндрические емкости объемом 100 или . Безнапорные отстойники представляют собой в основном стальные вертикальные резервуары объемом от 1000 до .

Загрязненная нефтью и механическими примесями вода подается в отстойники по трубопроводу через лучевой распределитель. Очищенная вода через сифонный регулятор отводится к водяному насосу и закачивается в пласт. Уловленная нефть через кольцевой короб и трубопровод направляется на установку подготовки нефти. Механические примеси, оседающие в нижней части отстойника, периодически размываются струей воды и сбрасываются по трубопроводу в илонакопитель.

За отстаиванием часто следует операция осветления воды - технологический процесс обработки шламовых вод горнопромышленных предприятий под действием гравитационных или центробежных сил, сгущение полученного осадка и отделение его. Осветлением воды называют также процесс разделения жидкой и твердой фаз суспензии (пульпы).

В зависимости от технических, технологических или экологических требований вода до разной степени осветляется дальнейшим отстаиванием, фильтрованием, центрифугированием и флотацией. Наиболее распространены процессы отстаивания и флотации (главным образом в углеобогащении). Фильтрация и центрифугирование используются в основном для получения требуемого качества сгущенного продукта или кека.

Выбор способа осветления воды зависит от степени дисперсности частиц, физико-химических свойств и концентрации взвесей, расхода воды, требуемой степени осветления.

Грубодисперсные взвеси выделяют из шламовых вод чаще всего отстаиванием (без применения реагентов) и флотацией, тонкодисперсные - отстаиванием (с применением реагентов), осаждением в центробежном поле и фильтрованием.

При осветлении получают осветленную воду и сгущенный продукт с максимально возможным содержанием твердого компонента в нем по условиям транспортировки, конструктивным возможностям

аппарата, в котором происходит процесс осветления, и по технологическим требованиям при дальнейшем переделе твердого компонента.

При разделении твердой и жидкой фаз пульпы в гравитационном и центробежном поле условно различают три зоны: осветления; осаждения; уплотнения осадка. В зоне осветления концентрация частиц шлама в воде невысока и поэтому частицы свободно осаждаются. В зоне осаждения концентрация частиц шлама увеличивается, осаждение происходит в условиях стесненного падения, характеризуемого оседанием частиц всей массой. В зоне уплотнения осадка концентрация частиц шлама достигает максимума, а скорость их осаждения приближается к нулю; осадок обезвоживается под действием веса частиц. Концентрация осадка зависит от структуры и размера твердых частиц.

На процесс осветления вод влияют гранулометрический и минералогический состав твердого компонента, его плотность и концентрация, вязкость, температура и рН пульпы, наличие в растворах реагентов. Эффективность осветления воды во многом зависит от правильного приготовления реагента и его дозировки, конструктивных особенностей выбранного аппарата и его удельной производительности.

Для осветления воды в основном применяют устройства и аппараты, в которых расслоение пульпы производят под действием силы тяжести (непрерывного действия - пирамидальные отстойники, конусные и радиальные сгустители; периодического действия - наружные отстойники, шламовые бассейны, пруды); аппараты, в которых расслоение происходит под действием центробежной силы (гидроциклоны, осадительные центрифуги); флотационные машины (вывод грубодисперсного шлама).

Прогрессивным направлением очистки является удаление взвешенных веществ под действием центробежных сил, при этом в несколько раз повышается производительность и уменьшаются размеры отстойника. В качестве таких аппаратов используют гидроциклоны и центрифуги, в которых вода, поданная под давлением , вращательно движется в цилиндрической части вместе с примесями. Крупные примеси отжимаются возникающей центробежной силой к стенкам и вместе с жидкостью по винтовой спирали поступают к сливу. Осветленная вода движется вверх по оси гидроциклона. Эффективность таких аппаратов равна

Для ускорения осаждения тонкодисперсной взвеси в шламовую воду добавляют различные реагенты, вызывающие коагуляцию или флокуляцию, т.е. образование относительно крупных быстро осаждающихся агрегатов. В горной промышленности используются в основном реагентные, сорбционные, электрохимические и другие физико-химические методы очистки вод.

5.2 Физико-химическая очистка

При физико-химической очистке сточных вод изменяют физическое состояние загрязнений, что облегчает их удаление из сточных вод. Для этого пользуются методами коагуляции, флокуляции, флотации, сорбции, экстракции, ионного обмена, диализа, осмоса, дистилляции, кристаллизации, магнитной обработки, электрокоагуляции и др.

Коагуляция основана на слипании мелкодисперсных частиц под воздействием специально добавляемых в сточные воды веществ - коагулянтов, в результате чего увеличиваются размеры частиц и интенсивность их осаждения. В качестве коагулянтов применяют соли аммония, железа, магния, известь, шламовые отходы и др.

Если процесс отстаивания протекает медленно, что может быть связано с присутствием мелкодисперсных примесей (угольная пыль), то прибегают к процессу коагулирования. При коагулировании учитывают факторы, влияющие на процесс: температуру, активную реакцию, среды, интенсивность перемешивания и солевой состав раствора. Процесс коагулирования можно ускорить добавлением флокулянтов -- веществ, образующих с водой коллоидные дисперсные системы.

Флокуляция -- один из видов коагуляции, когда в качестве флокулянта используют природные органические и синтетические высокомолекулярные вещества (полиакриламид, белки, полиэтиленамин и др.).

Флотация основана на процессах прилипания загрязненных веществ к поверхности раздела двух фаз, например воздуха и воды, образования комплексов и их удаления. Для усиления флотационного эффекта в обрабатываемую жидкость добавляют поверхностно-активные вещества (нефть, мазут, смолы, керосин и др.), которые снижают поверхностное натяжение жидкости, ослабляя связь воды с твердым или коллоидным веществом. Процесс флотации усиливают, вводя в жидкость пенообразователи (тяжелый пиридин, крезол, фенолы и т.д.), которые также понижают дисперсность пузырьков и их устойчивость. В зависимости от способа насыщения жидкости пузырьками воздуха или другого газа различают флотацию с выделением воздуха из раствора, с механическим диспергированием воздуха, с подачей воздуха через сопла или пористые материалы и электрофлотацию.

Метод флотации с выделением воздуха из раствора широко применяют в практике очистки жидкостей, содержащих очень мелкие частицы загрязнений, поскольку он позволяет получить пузырьки.

5.3 Общая схема борьбы с загрязнением воды

Общая схема очистки сточных вод от различных видов загрязнений состоит из первичной, вторичной и третичной очистки. При первичной очистке (очистке от веществ во взвеси) сточная вода поступает в систему решеток и сеток (процеживание, задержание крупных предметов: обуви, веток, одежды и др.), затем она подается в песколовку, где крупные посторонние включения, например гравий, выпадают на дно медленно текущего потока, и далее направляется в отстойник.

При вторичной очистке (очистке от веществ в растворе) удаляются растворенные органические вещества (биологически с помощью аэротенков или капельных биофильтров) или растворенные химические вещества (физико-химической очисткой с помощью ранее описанных способов).

Твердый осадок отстойников первичной и вторичной очисток перекачивают в перегниватель - большой подогреваемый резервуар (без доступа воздуха), в котором развивается особая культура микроорганизмов, превращающих органические загрязнения в конечные устойчивые продукты, включающие метан и сероводород. Метан сжигают для поддержания в перегнивателе требуемой температуры. Образующийся твердый неразложимый продукт высушивают и отправляют на свалку мусора или для дальнейшего использования. Эффективность очистки воды после первичной и вторичной очистки составляет примерно 90 %. При третичной очистке (мало распространена) из сточных вод удаляются элементы питания растений - соединения, содержащие азот и фосфор. Содержание этих элементов в воде приводит к бурному росту водорослей - эвтрофизации природных водоемов. Фосфор удаляется с помощью извести, солей железа, аммония. Доочистка Производится активированным углем.

На большинстве предприятий очистка сточных вод ограничена фторичной обработкой, лишь в последнее время стали создаваться (предприятия третичной обработки. Первичная и вторичная обработка сточных вод. До начала очистки |сточные воды отстаиваются в течение недели. При этом для уничтожения бактерий эффективно применяются хлор, озон и т.п., но эти (вещества почти не действуют на вирусы. Вирусы уничтожаются с помощью бактерий, последние же удаляются из вод фильтрованием и стерилизацией. После этого сточные воды проходят решетчатый фильтр грубой обработки, где отделяются крупные частицы, которые затем размалываются и в виде суспензии возвращаются в основной поток сточных вод. Далее сточные воды направляются в танки для удаления веществ, плавающих на поверхности или осевших на дно (жиры и масла), после чего попадают в первичные отстойники цилиндрической формы, снабженные устройствами для снятия пены и отбора осадка.

Донный скребок соединен с вращающейся крестовиной, которая подвешивается в центре отстойника или при помощи радиального моста над поверхностью воды. В первом случае привод осуществляется из центра отстойника, во втором -- с периферии.

Осадок выводится через дно отстойника с помощью телескопических затворов, которые позволяют регулировать скорость потока и предотвращают образование пробки. Широко применяются и диафрагменные затворы. Осадок из первичных отстойников поступает в автоклав для переработки его в метан либо непосредственно на сушку, а затем на сжигание. Поток жидкости из первичных отстойников поступает на предприятие биологической очистки. Для уменьшения объема осадка его обрабатывают в автоклаве при повышенном давлении.

Для увеличения производительности автоклава смесь осадка и сточных вод нагревают паром или горячей водой (тем самым, увеличивая скорость ферментации) либо тщательно перемешивают для Достижения лучшей гомогенности и ликвидации пустот.

В общем случае при проектировании необходимым расчетным объемом автоклава является . Таким образом, для города с миллионным населением желательно иметь автоклавный объем . В настоящее время реальные объемы значительно уступают расчетным. Поэтому часто устанавливают каскад автоклавов.

Метан, получаемый из осадка, используют главным образом для производстве пара, необходимого для нагревания самого осадка. Только на очень больших предприятиях метан применяют для производства электроэнергии газовыми турбинами и лишь его избыто" расходуют на нагревание осадка. Установка газовых турбин экономически целесообразна при обслуживании не менее 300 тыс. человек.

Прошедший автоклав осадок поступает на сушку. В настоящее время намечается тенденция отказа от сушилок по нескольким причинам. Сушилки занимают большую площадь, появление при сушке неприятного запаха не способствует заселению окружающих районов. Даже сухой осадок неудобен в обращении и неприятен на вид. Поэтому в настоящее время осадок сгущают и затем фильтруют через вакуумный фильтр, где отделяется основная масса воды. Отфильтрованный осадок содержит около сухого вещества. Далее осадок гранулируется и поступает на хранение. Его можно непосредственно применять в качестве удобрения или использовать для получения компоста.

Обычно в фильтр поступает смесь первичного и вторичного осадков. Однако если процесс многостадийный и применяется биологическая обработка, фильтрование следует проводить в начале процесса.

Иногда для отделения осадка, прошедшего автоклав, используется центрифуга с последующей обработкой сточных вод.

Обычными способами стерилизации трудно или невозможно уничтожить коллоиды, личинки насекомых, водоросли, болезнетворные микробы, содержащиеся в воде после первых фильтров. Последующая фильтрация заключается в пропускании воды через пористые материалы, причем часто фильтрующая среда служит не только для задержания частиц, размеры которых больше размера пор, но и как матрица для осаждения микроорганизмов, выделяющих энзимы. Энзимы коагулируют большую часть коллоидов, облегчая последующее их удаление. Для адсорбции коллоидов часто используются фильтры, обладающие свойствами поверхностно-активных веществ.

В качестве основных фильтрующих материалов задействованы песок и кизельгур, которые отличаются от статичных фильтрующих сред (тканей, фарфора) тем, что легче промываются. Кизельгур чаще всего применяют в небольших фильтрах, например для очистки воды в бассейнах. В промышленных фильтрах используется песок или гравий; толщина фильтра составляет .

При очистке сточных вод используют медленную и быструю Фильтрацию. Медленная фильтрация состоит из трех этапов. На первом этапе с помощью грубых фильтров удаляются крупные частицы; скорость фильтрации . На втором этапе префильтрами удаляются все примеси, кроме коллоидов; скорость фильтрации . На последней стадии (скорость ) коллоиды коагулируют

бактериями и удаляют, одновременно на фильтре адсорбируются и прочие коллоиды. Для этой стадии характерно образование бактериальной мембраны, которая существует несколько дней после отмывки фильтра.

Быстрая фильтрации проходит при скорости . При такой скорости нельзя удалить коллоидные частицы, поэтому их следует подвергнуть коагуляции до того, как вода направляется на фильтрацию. Фильтр для быстрой фильтрации состоит из - частиц диаметром (диаметр частиц префильтра равен ).

Сточные воды, прошедшие первичную и вторичную обработки, сбрасываются в реки.

Считают, что для значительного уменьшения БПК достаточно естественных процессов очистки, проходящих в реках и других водоемах, однако необходимо признать, что для очистки сточных вод не следует ограничиваться лишь первичной и вторичной обработками. В настоящее время разрабатываются и внедряются в практику методы третичной обработки, которые, включая необходимые способы стерилизации, снижают значения БПК и ХПК до нуля. При этом весьма важно удалять основную массу токсичных азотных и фосфорных соединений, которые, попадая со сбросными водами в водоем, вызывают рост водорослей.

Таблица 2. Показатели сточных вод после первичной и вторичной обработки.

Показатель	До обработки	После обработки
Мутность, единиц	100	20
Взвеси	300	20
ХПК	400	50
БПК	300	25
Бактерии, число в 1 мл	150000	1000

Поскольку в результате первичной и вторичной обработок из сточных вод нитраты и фосфаты не удаляются, необходимость третичной очистки становится весьма актуальной.

Третичная обработка сточных вод, представляющая собой очистку органических питательных веществ бактериальными фильтрами или водорослями, электрохимическую обработку и стерилизацию (рис. 3.13), включает сорбцию активированным углем, микрофильтрацию, селективную коагуляцию, аэрацию, осаждение фосфатов, удаление соединений азота.

Сорбция на активированном угле - один из наиболее эффективных способов удаления растворенных и взвешенных примесей. Предварительно уголь активируется при нагревании до . Поверхность такого угля в общем случае более активна по отношению к ароматическим соединениям, нежели к алифатическим; соединения с разветвленной цепью адсорбируются лучше, чем с прямой. Легко адсорбируются и вещества, содержащие амино-, карбокси-, сульфо- и нитрогруппы.

В процессе обычной промышленной третичной обработки используются вертикальные стальные колонны, заполненные гранулированным активированным углем. Скорость потока не превышает ; высота слоя угля равна . Поверхность частиц угля , что соответствует среднему диаметру частицы . Кажущаяся плотность насадки равна ; эффективность активированного угля составляет ХПК на угля до регенерации.

Адсорбция замедляется при увеличении раствора и прекращается при . На заводах использованный активированный уголь непрерывно отбирается с низа каждой колонны и нагревается до в атмосфере водяного пара. При этом вместе с паром отгоняются примеси, адсорбированные на поверхности угля. Печные газы, содержащие эти примеси, пройдя через форсажную камеру и скруббер, выбрасываются в атмосферу. Около угля (что соответствует 5 кг угля на обработанной воды) удаляются из колонны; в головную часть колонны загружают свежий активированный уголь.

Микрофильтрация - один из видов фильтрации, в котором используется ткань, сплетенная из нержавеющей стальной проволоки малого диаметра. Плетение микроволокна осуществляется на специальных прецизионных ткацких станках. Такая сетка из стальных нитей вместе с основной обладает хорошей пропускной способностью при малом гидравлическом сопротивлении и может задерживать твердые частицы, размер которых меньше ячейки сетки. Микроволокно высокого качества, имеющее на ячеек размером 65 мкм в поперечнике, может отфильтровать микроорганизмы размером от 7 до 12 мкм после частичного оседания твердых тел. Такой способ микрофильтрации употребителен при осветлении и даже при фильтровании питьевой воды, поскольку волокно задерживает как неорганические частицы (металлические опилки), так и живые организмы (водоросли, диатомы и даже бактерии больших размеров).

Коагуляция -- процесс агломерации мелких частиц -- сопровождается соосаждением их с большими частицами, т.е. они увлекаются на дно быстрее. Для этого используют , который при осаждении частиц реагирует с :

Хлопья захватывают коллоидные частицы и увлекают их за собой.

Помимо сульфата алюминия широко применяются такие коагулянты, как , , и др. Используются и смеси:

Гидроксид железа образует хлопья, которые осаждают коллоидные частицы, а избыток в растворе разрушает органические вещества.

Небольшие частицы (диаметром менее 2 мкм) несут на себе отрицательный электрический заряд, который препятствует их осаждению на дно. Коагулянты, содержащие положительно заряженные ионы (, ), притягивают такие частицы, они объединяются в большие агрегаты и осаждаются гораздо быстрее. Для улучшения осаждения к коагулянтам добавляют различные примеси: активированный кремнезем, бентонит, кизельгур, глину, осажденный карбонат кальция, реже соли металлов. Последние дороги и иногда тоже образуют коллоидные системы. В качестве коагулянтов используются также искусственные и природные полимеры. Они подразделяются на неионные (полиспирты, полиэфиры, полиамиды, поливинилгете-роциклические полимеры), содержащие анионные (карбоксилаты, сульфонаты, фосфонаты) и катионные группы (амины, четвертичные аммониевые, сульфо- и фосфоновые).

Органические коагулянты образуют «мосты» между соседними частицами и вызывают их осаждение.

Процесс аэрации заключается в пропускании через слой активированного осадка воздуха, чрезвычайно ускоряющего химические реакции благодаря постоянному и интенсивному перемешиванию осадка и сточных вод. При этом избыток кислорода создает благоприятные условия для протекания биохимических процессов.

Диффузор с электрическим приводом, вращаясь с частотой , засасывает жидкость из вертикальной трубы и с силой выбрасывает ее в резервуар. Тщательное перемешивание обеспечивает быстрое протекание биологических процессов.

При другом методе воздух под давлением нагнетается в жидкость. Когда давление в системе падает, растворенный воздух начинает выделяться в виде пузырьков, способствуя образованию слоя всплывшего на поверхности воды осадка. С помощью системы аэрации БПК снижается на в течение 24 ч.

Присутствие в сточных водах соединений фосфора способствует росту бактерий, что приводит к помутнению воды. Как правило, сточные воды содержат фосфора в пересчете на одного человека в сутки. При обычной обработке эти примеси не удаляются. И хотя содержание фосфора мало, реальная БПК оказывается очень высокой: каждый миллиграмм фосфора эквивалентен 160 мг ХПК.

Один из методов удаления фосфатов состоит в их коагуляции . Так, добавление 200 мл позволяет удалить фосфатов, а 300 мл - более фосфатов. При этом протекает следующая реакция:

При добавлении :

Выпадающий фосфат кальция удаляют фильтрованием.

В сточных водах часто содержится довольно много связанного азота, который, как и фосфаты, соединения азота ускоряет рост водорослей. Аммиак удаляется из сточных вод аэрацией в башнях, заполненных кольцами Рашига, при этом удается извлечь до . Для очистки от нитратов применяют коагуляцию соединениями железа и известью с последующей фильтрацией выделяющихся осадков, либо адсобрцию ионообменными смолами. Для этой цели широко используется смола амберлит ИРА410, хотя емкость ее невелика: на 1 часть нитратов расходуется частей смолы.

5.4 Очистка шахтных вод угольных месторождений

Происхождение шахтных вод. Из угольных шахт ежегодно откачивается более шахтных вод. Существует несколько гипотез о происхождении этих вод. В настоящее время общепризнанно, что появление подземных вод на глубине горных выработок обусловлено атмосферными осадками и поверхностными водами. Горные породы насыщаются водой и образуют напорные и безнапорные горизонты.

Подземные воды подразделяются натрещинно-пластовые, порово-пластовые, трещинные и карстовые.

Гидрогеологические условия различных шахтных полей характеризуются многообразием сочетаний различных типов вод, что усложняет разработку месторождения и требует различных видов очистки сточных вод. Состав подземных вод определяется глубиной залегания и в зависимости от нее характеризуется зональностью, сложившейся в ходе геологической истории.

Состав и свойства шахтной воды. Химический состав минеральных и органических веществ шахтных вод условно можно разделить на следующие пять групп: главные ионы, которые содержатся в наибольшем количестве (хлористые, сульфатные, гидрокарбонатные, карбонатные, натрия, калия, магния и кальция); растворенные газы (кислород, азот, диоксид углерода, сероводород и другие); биогенные элементы (соединения азота, фосфора, кремния); микроэлементы -- соединения всех остальных химических элементов; органические вещества.

В зависимости от глубины залегания подземные воды разделяют натри зоны. В верхней зоне, характеризующейся активным водообменом, обычно распространены пресные гидрокарбонатные воды, образующиеся в процессе инфильтрации грунтовых вод. Минеральный состав этой зоны, простирающейся до 300 м в глубину, определяется климатическими условиями, составом горных пород и рельефом местности. С увеличением глубины гидрокарбонатные воды переходят в гидрокарбонатно-сульфатные и сульфатно-гидрокарбонатные. В засушливых районах минерализация фунтовых вод повышается. Шахтная вода содержит минеральные, органические и бактериальные загрязнения. К минеральным относятся частицы песка и глины, минеральные включения углей (кварц, пирит, карбонаты и др.), а также растворенные соли, щелочи, частицы угля, минеральные смазочные масла, продукты жизнедеятельности и др. К бактериальным загрязнениям относятся различные микроорганизмы, преимущественно плесневые грибы, микробы кишечной группы и др.

Содержание растворенных солей в шахтных водах изменяется в значительных пределах ( и более). В зависимости от солесодержания воды классифицируют на пресные - до ; слабосолоноватые - ; солоноватые - ; сильносолоноватые - ; соленые - ; сильносоленые - ; рассолы -- свыше .

По фазово-дисперсному состоянию загрязнения шахтных вод угольных месторождений можно подразделить на взвешенные вещества (), коллоидные частицы (), молекулярные () и ионные () растворы. Содержание взвешенных веществ в шахтной воде зависит от горно-геологических и технологических условий выработки и изменяется в широких пределах - от 0,045 до .

Химический состав вод прежде всего характеризуется минерализацией воды, под которой понимают выраженную в мг/л или г/кг (в случаях более одного грамма на килограмм) сумму всех минерализованных веществ, определенных при анализе. Минерализация шахтных вод изменяется в очень широких пределах как по содержанию солей, так и по их количественному составу (последнее даже в пределах одной шахты). Однако каждому угольному бассейну присуща своя минерализация шахтной воды. В Подмосковном, Кузнецком и Печорском угольных бассейнах встречаются в основном пресные воды, а шахтные воды Ростовской области относятся чаще к сульфатному классу натриевой группы II типа, реже - к гидрокарбонатному и хлоридному классу магниевой, натриевой, кальциевой групп. В микроэлементном составе шахтных вод обнаружено наличие железа, меди, титана, никеля, мышьяка, бериллия, цинка, кадмия, стронция, кобальта, ванадия, хрома, галлия, олова, свинца, молибдена, серебра, сурьмы, бария, теллура, висмута, марганца и др. В большинстве случаев их содержание не превышает предельно допустимых концентраций (ПДК). Однако в некоторых водах содержание микроэлементов выше допустимого, что следует учитывать при осуществлении комплексной переработки этих вод. Так, в шахтных водах Кузбасса в концентрациях выше допустимых содержатся стронций, кадмий, марганец, барий, медь, кобальт, хром, свинец и сурьма.

Шахтные воды Печорского, Подмосковного и Кузнецкого бассейнов имеют умеренную жесткость - . Повышенную () жесткость имеют шахтные воды Восточного Донбасса. Встречаются шахтные воды и с более высокой жесткостью.

Кислые шахтные воды, образуемые в результате окисления сульфидов железа под действием кислорода воздуха и воды встречаются в Кизеловском бассейне, а также на некоторых шахтах Подмосковного бассейна. Эти воды имеют повышенное содержание железа, изменяющееся от 90 до 713 мг/л и придающее воде бурую окраску.

Размер загрязнений шахтных вод органическими веществами определяют перманганатной или бихроматной окисляемостью (ХПК), а также биохимической потребностью в кислороде (БПК). Окисляемость выражается количеством кислорода в миллиграммах, затрачиваемого на окисление органических веществ в 1 л воды в стандартных условиях. В зависимости от содержания органических веществ окисляемость воды колеблется в широких пределах. Так, воды шахт Печорского и Челябинского бассейнов отличаются повышенной окисляемостью, составляющей . При наличии в шахтных водах трудноокисляемых органических загрязнений для определения химического потребления кислорода (ХПК) применяют в качестве окислителя бихромат калия.

Биохимическую потребность в кислороде (БПК) шахтных вод оценивают количеством кислорода, расходуемым на окисление не-ч стойких органических веществ в течение пяти () и двадцати () суток. Биохимическая потребность в кислороде значително изменяется даже в пределах одного бассейна.

Наличие азотнокислых солей в шахтных водах свидетельствует о загрязнении их продуктами распада животного и растительного происхождения. Нитраты и аммиак в шахтных водах содержатся в небольших количествах.

Бактериальное загрязнение шахтных вод вызвано попаданием в них фекальных вод и продуктов гниения древесины и живых организмов. Последние создают благоприятную среду для развития патогенных бактерий, которые возбуждают различные желудочно-кишечные заболевания (брюшной тиф, дизентерию и др.). Степень загрязнения вод оценивается колититром, колииндексом и микробным числом (Солититр определяется количеством воды в миллилитрах, в котором обнаруживается одна кишечная палочка, колииндекс - количеством кишечных палочек в одном литре воды, микробное число определяется количеством микробов в 1 мл воды). Колититр шахтных вод обычно находится в пределах и менее, реже он составляет .

Мембранные методы опреснения шахтной воды. Этими методами опресняются солоноватые или соленые воды с минерализацией до 10 г/л, к которым относятся и воды шахтного водоотлива.

Обратный осмос (метод разделения растворов, ) - процесс преимущественного переноса растворителя через полупроницаемую мембрану, идущий в противоположном направлении по сравнению с широко распространенным в природе и давно известным осмотическим процессом. В обоих случаях полупроницаемая мембрана, пропуская молекулы растворителя, задерживает растворенные вещества.

Особенность обратного осмоса заключается в том, что поток исходной воды, омывая мембрану, разделяется на два: один проходит через мембрану, оставляя в исходной воде задержанные ею вещества, другой смывает эти вещества с поверхности мембраны и уносит их. Мембрана длительное время остается чистой и сохраняет свои технологические характеристики.

В зависимости от разделяемых сред, предъявляемых требований к качеству разделения, технологических условий эксплуатации используются различные мембраны:

· по форме (плоские, трубчатые с наружным диаметром от 0,5 до 25 мм и так называемые полые волокна с наружным диаметром и внутренним );

· по структуре (непористые - диффузионные; пористые - изотропные, низотропные, изопористые; уплотняющиеся; жестко-структурные; комбинированные);

· по технике изготовления (сухое или мокрое формование, термическая желатинизация, облучение пленок заряженными частицами с последующим химическим травлением, экструдирование и т.д.);

· по материалам (стекло, металлическая фольга, широкий спектр Полимеров - ацетаты целлюлозы, полиамиды, полисульфоны, поливинилы, полибензимидозолы, полипперазинамиды и др.).

Наиболее распространены мембраны из ацетил целлюлозы, ароматических полиамидов и композитные, представляющие собой один или несколько ультратонких слоев полиамидов на полисульфоновой или другой основе. Все они имеют анизотропную структуру, т.е. пронизаны порами с размерами, изменяющимися по толщине мембраны.

Для успешной работы технологической мембранной аппаратуры содержание взвешенных веществ в опресняемой воде должно отвечать нормам, принятым для питьевой воды (1,5 мг/л). Шахтные воды можно освободить от взвешенных и коллоидных загрязнений до указанного показателя, а также от микроорганизмов путем коагуляции взвесей и коллоидов сульфата алюминия или хлоридом железа (III), иногда целесообразно применять и флокулянт - полиакриламид.

При опреснении воды электролизом существуют два технологических барьера: карбонатный и сульфатный. Первый обусловлен отложением на мембранах карбоната кальция, второй -- сульфата кальция. Поэтому перед электродиализом из шахтной воды необходимо удалить ионы кальция до концентрации , что позволит получить одновременно пресную воду и концентрированный раствор солей. Этот предел может быть повышен до при опреснении воды обратным осмосом или дистилляцией. Высокую степень декальцинирования воды перед электродиализом можно обеспечить лишь натрий-катионированием или фосфатным доумягчением. Предпочтительным является первый метод, как не требующий дополнительных реагентов. Регенерационные растворы хлорида натрия для натрий-катионитовых фильтров могут быть получены непосредственно при комплексной переработке шахтных вод. Учитывая все же большой расход соли при регенерации катионов, целесообразно для декальцинирования воды использовать peaгентный метод, а для доумягчения ее - катионитовые фильтры.

Для предупреждения образования осадков карбоната кальция и гидроксида магния во всех случаях, вне зависимости от принятой схемы водоподготовки, рекомендуется предусмотреть подкисление рассола и катионита. Вместо подкисления или как дополнение к подкислению применяют периодическую переполюсовку аппаратов или так называемую пульсацию тока противоположного направления продолжительностью через каждые при одновременном отключении рабочего источника питания.

Ингибитором всех процессов, связанных с выделением твердых фаз минеральных веществ из шахтных вод, является повышенное содержание в растворенном состоянии органических веществ. Эти же вещества ухудшают и протекание процессов электродиализа. Поэтому количество органических веществ в воде, поступающих на деминерализационную установку, оснащенную мембранной аппаратурой, должно превышать норм, допустимых для питьевой воды. Иногда для удаления из опресняемой воды органических веществ использует активированный уголь.

В основном для устранения биологических загрязнений воду периодически хлорируют на всех сооружениях коагуляционной установки. Раствор хлорной воды или гипохлорита натрия в количестве «активного хлора» подают в регулирующий бачок с шаровым клапаном.

При опреснении воды мембранными методами особую опасность представляет высокое содержание в ней ионов железа и марганца. Ухудшение работы опреснительных установок наблюдается даже при содержании в воде 0,02 мг/л железа и марганца. Осаждаясь на катионитовых мембранах и внутри их, гидроксиды железа и марганца постепенно увеличивают электрическое сопротивление мембран. В связи с этим необходимо обратить особое внимание на предотвращение загрязнения опресняемой воды железом в результате коррозии технологической аппаратуры и трубопроводов.

Для предупреждения биологических обрастаний в мембранных аппаратах и трубопроводах опресняемую воду целесообразно предварительно хлорировать дозами, обеспечивающими концентрацию остаточного хлора в воде . Для этого в электродиализаторах можно использовать хлор, выделяющийся в анодной камере.

Осветление шахтных вод. Для сбора шахтных вод и улавливания крупных взвесей сооружаются подземные водосборники, вместимость которых рассчитана на четырехчасовой нормальный приток воды. Шахтная вода, отстоявшаяся в водосборниках и выданная на поверхность в отстойники или пруды-осветлители, содержит взвеси, в которых частиц менее 60 мкм. Пруды-осветлители с шести- , десятисуточным обменом воды улавливают до тонких взвесей, чем и объясняется такое интенсивное их строительство.

Следует отметить, что в угольной промышленности впервые в отечественной практике применены высокоэффективные отстойники с выделением взвеси в тонких слоях. Однако при естественном осветлении даже в наиболее совершенных отстойниках в шахтной воде всегда остается значительное количество тонкодисперсной взвеси в количестве, доходящем до 100 мг/л. Воду с таким содержанием взвешенных веществ невозможно опреснять мембранными методами. Для более полного осветления шахтных вод и одновременного извлечения из них микроорганизмов, а также для снижения содержания органических веществ необходимо использовать метод коагуляции

6. Охрана водной среды

6.1 Охрана поверхностных и подземных вод

Как известно, гидросфера включает в себя не только поверхностную гидросеть, но и подземные воды, которые с углублением горных работ тоже попадают в зону их воздействия. Влияние истощения подземных вод на природную среду очень наглядно: понижается уровень грунтовых вод, иссякают изолированные коллекторы подземных вод, оседают и уплотняются сдренированные массивы горных пород, появляются другие формы их подвижек, деградируют характерные ландшафты, растительный покров и животный мир. Поэтому необходимо различать охрану поверхностных вод и подземных. Мероприятия по охране подземных вод направлены на предотвращение проникновения вредных и вообще загрязняющих веществ в горизонты подземных вод и их дальнейшего распространения.

Охрана подземных вод включает:

· реализацию технических и технологических мер, направленных на многократное использование воды в технологическом цикле;

· утилизацию отходов; разработку эффективных методов очистки и обезвреживания отходов;

· предотвращение проникновения сточных вод с земной поверхности в подземные воды;

· уменьшение промышленных выбросов в атмосферу и водные объекты;

· рекультивацию загрязненных недр и почв;

· соблюдение регламента ведения горных работ и условий проекта эксплуатации месторождения;

· осуществление собственно водоохранных мероприятий; управление водосолевым режимом подземных вод.

К профилактическим мероприятиям относятся:

· систематический контроль за уровнем загрязнения подземных вод;

· оценка масштабов и прогнозов изменения загрязнения;

· тщательное обоснование размещения проектируемого крупного горнопромышленного объекта с тем, чтобы его отрицательное влияние на окружающую среду и подземные воды было минимальным;

· оборудование и строгое соблюдение зон санитарной защиты участка водозабора;

· оценка воздействия проектируемого объекта на подземные воды и окружающую среду;

· изучение защищенности подземных вод для обоснованного размещения горнопромышленных объектов;

· выделение и учет фактических и потенциальных источников загрязнения подземных вод;

· ликвидация заброшенных и бездействующих горнопромышленных объектов.

Важнейший вид этих мероприятий - создание специализированной сети наблюдательных скважин на крупных горнопромышленных объектах для контроля за состоянием подземных вод.

Специализированные защитные меры включают:

· ликвидацию области загрязнения подземных вод путем их откачки до практически полного стягивания контура загрязнения;

· локализацию области загрязнения (путем откачки загрязненных вод до стабилизации контура загрязнения и недопущения дальнейшего распространения загрязняющих веществ по водоносному горизонту);

· создание гидравлических водоразделов (завес) между областью загрязненных вод и эксплуатируемыми чистыми подземными водами;

· создание гидравлического водораздела по вертикали путем одновременного отбора чистых и загрязненных вод ярусной системой скважин;

· создание непроницаемых экранов (стенок) в водоносном горизонте вокруг области загрязнения.

Рассмотрим, как решаются затронутые проблемы на железорудных карьерах. Лебединский горно-обогатительный комбинат -- крупнейший водопотребитель в регионе. Расход технической и технологической воды на производственные нужды только за один год составил , в том числе оборотной воды -- , или . Из Старооскольского водохранилища было взято всего лишь свежей воды. При осушении Лебединского месторождения ежегодно откачивается около 60 млн м³ воды, которая используется в технологических процессах Лебединского комбината и на нужды расположенного рядом комбината «КМАруда». Техническая и технологическая оборотная вода употребительна непосредственно в технологии производства окатышей, концентратов и при разработке рыхлой вскрыши в карьере способом гидромеханизации. Речная вода расходуется практически только на компенсацию испарения и фильтрационных потерь в хвостохранилище.

Достижение таких показателей стало возможным благодаря эксплуатируемой системе оборотного водоснабжения с применением радиальных сгустителей диаметром 50 и 100 м и камер по распределению хвостов на мелкие и крупные фракции. Мелкие фракции используются для кольматации ложа хвостохранилища, а крупные -- для создания плотин. В результате снижения фильтрационных потерь значительно снизилось загрязнение подземных вод промышленными стоками.

6.2 Охрана водной среды методом тампонажа

Одним из примеров успешного осуществления природоохранных мероприятий является применение производственным объединением «Спецтампонажгеология» разработанного им комплексного метода тампонажа для водоизоляции обводненных трещиноватых и закарстованных горных пород.

Этот метод последние 25 лет применяют в угольной и химической промышленности, черной и цветной металлургии, транспортном строительстве, при добыче строительных материалов и минеральных удобрений для обеспечения безопасного строительства объектов шахтного и подземного строительства в сложных гидрогеологических условиях в заданные сроки, а также с целью реализации мер по охране среды.

При защите водной среды комплексный метод тампонажа способствует охране: подземных вод от истощения; поверхностных водоемов и рек от загрязнения кислыми шахтными водами, а также от истощения; термальных лечебных вод от истощения и от попадания в них холодных подземных вод; грунтовых вод, водоемов и рек от загрязнения хвостохранилищами и шламонакопителями.

7. Мероприятия по снижению уровня загрязнения воды

В комплекс мероприятий, обеспечивающих снижение загрязнения водной среды входят:

· создание маловодной и безотходной технологии промышленного производства с замкнутыми водооборотными схемами, включающими промежуточную очистку или охлаждение воды и утилизацию отходов;

· совершенствование технологических процессов для снижения отходов с захоронением в земных недрах обезвоженных или концентрированных растворов загрязнителей;

· использование различных методов очистки сточных вод, загрязненных промышленными и бытовыми отходами.

Таблица 3. Мероприятия инженерной защиты вод от загрязнений.

Источники формирования	Мероприятия
Профилактические	для рудничных вод
Грунтовые; запертые; из трещин и карстов; дренирующиеся из гидрографической сети; инфильтрующиеся атмосферные осадки; технологические (основного производства)	Уменьшение водопритоков в горные выработки путем предварительного осушения, заградительного дренажа (в том числе контурного и с использованием систем водопонизительных и водопоглощающих скважин, обеспечивающих минимальное нарушение гидрологии прилегающих территорий), поглощающего дренажа с обособленным отводом воды, изоляция водоисточников, например водонепроницаемыми завесами, отвод осадков с территории горного отвода, откачка талых и дождевых вод из зон проседания и обрушения поверхности, нормирование расхода технологической воды. Направление водопритока по путям, обеспечивающим минимальное попутное загрязнение (в том числе устройство промежуточных водосборников нестандартного типа для сбора незагрязненных вод, на карьерах), регулирование внутрикарьерного стока с устройством временных отстойников
Радикальные для	сточных вод
Технологические (вспомогательного производства); дождевые стоки с отвалов и территорий рудников; хозяйственно-бытовые стоки	Очистка рудничных вод: нейтрализация, осветление от механических примесей, извлечение органических соединений, солей и металлов химическими, физическими, биологическими методами. Использование рудничных вод в замкнутом цикле горного и обогатительного производства. Очистка от масел и других органических веществ, механических примесей, охлаждение до нормы. Сбор и осветление в специальных отстойных водоемах. Очистка от взвешенных частиц и органических веществ, подавление запахов

Заключение

Охрана водных ресурсов - система организационных, исследовательских, юридических, экономических и технических мер, направленных на предотвращение и устранение последствий загрязнения и истощения водных объектов. Для этого проводится мониторинг гидросферы, который в свою очередь представляет собой систему наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния водных объектов, находящихся в федеральной собственности, собственности субъектов Российской Федерации, муниципальных образований, физических и юридических лиц.

Мониторинг проводится в следующих целях:

1. Своевременное выявление и прогнозирование развития негативных процессов, влияющих на качество воды в водных объектах и их состояние, разработка и реализация мер по предотвращению негативных последствий этих процессов;

2. Оценка эффективности осуществляемых мероприятий по охране водных объектов;

3. Информационное обеспечение управления в области использования и охраны водных объектов, в том числе в целях государственного контроля и надзора за использованием и охраной водных объектов.

Мониторинг осуществляется в границах бассейновых округов с учетом особенностей режима водных объектов, их физико-географических, морфометрических и других особенностей.

Мониторинг гидросферы включает в себя:

1. Регулярные наблюдения за состоянием водных объектов, количественными и качественными показателями состояния водных ресурсов, а также за режимом использования водоохранных зон;

2. Сбор, обработку и хранение сведений, полученных в результате наблюдений;

3. Внесение сведений, полученных в результате наблюдений, в государственный водный реестр;

4. Оценку и прогнозирование изменений состояния водных объектов, количественных и качественных показателей состояния водных ресурсов. Мониторинг гидросферы состоит из:

1. Мониторинга поверхностных водных объектов с учетом данных мониторинга, осуществляемого при проведении работ в области гидрометеорологии и смежных с ней областях;

2. Мониторинга состояния дна и берегов водных объектов, а также состояния водоохранных зон;

3. Мониторинга подземных вод с учетом данных государственного мониторинга состояния недр;

4. Наблюдений за водохозяйственными системами, в том числе за гидротехническими сооружениями, а также за объемом вод при водопотреблении и водоотведении.

Организация и осуществление мониторинга проводятся Федеральным агентством водных ресурсов, Федеральным агентством по недропользованию, Федеральной службой по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды и Федеральной службой по надзору в сфере природопользования с участием уполномоченных органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации.

Список использованной литературы

1. Мирзаев Г.Г, Иванов Б.А. Экология горного производства. М.:Недра, 1991.

2. Статьи на http://www.purolat.ru/r/standard/eco-2.doc и http://www.ssu.samara.ru/~unc/book3/1_2.html