Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Кафедра безопасности жизнедеятельности

Применение карбонатного геохимического барьера для очистки сточных вод горно-обогатительных комбинатов

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к выпускной квалификационной работе

Существующие в настоящее время технологии по добыче и переработке полезных ископаемых, какими бы передовыми они не являлись, представляют собой мощные источники негативного воздействия на окружающую среду.

Горно-обогатительные комбинаты являются одним из наиболее мощных источников антропогенного загрязнения окружающей среды. Специфика добычи и обогащения руд заключается в извлечении и переработке огромных масс горных пород, из которых используется лишь небольшая часть, все остальное накапливается в виде сбросов и отходов загрязняет и окружающую среду.

Значительный вклад в загрязнение окружающей среды вносят сбросы шахтного, рудничного и карьерного водоотлива, которые зачастую сбрасываются в неочищенном виде. Это приводит к загрязнению водоёма-приёмника сточных вод.

Снизить антропогенное влияние тяжёлых металлов на биосферу можно путем их эффективного удаления на локальных очистных сооружениях в месте их образования. Однако анализ литературных данных показал, что в настоящее время достаточно эффективных и экономичных методов удаления тяжёлых металлов для предприятий горнопромышленного комплекса не существует. Известные методы связаны с образованием большого количества токсичных шламов и низкой эффективностью. Поэтому выбранная тема является актуальной.

Целью дипломного проекта является исследование применения карбонатного геохимического барьера для очистки сточных вод Учалинского горно-обогатительного комбината.

Для решения поставленной цели ставились следующие основные задачи:

провести анализ воздействия горно-обогатительных предприятий на гидросферу;

определить объемы и виды загрязнения;

рассмотреть основные методы очистки сточных вод;

произвести оценку существующей системы очистки рудничных вод на предприятии;

выявить закономерности удаления тяжёлых металлов из сточных вод

спроектировать искусственный геохимический барьер на основе исследований и экспериментальных данных

провести анализ производства по пожаровзрывоопасности

разработать мероприятия по охране труда на рабочем месте

- произвести эколого-экономическую оценку технологии очистки.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

В данном разделе рассмотрены условия образования и состав сточных вод горных предприятий, основные методы очистки сточных вод, содержащих тяжелые металлы, способы и методы очистки и обеззараживания сточных вод горной промышленности, аспекты загрязнения гидросферы, краткая характеристика объекта исследования.

1.1 Условия образования и состав сточных вод горных предприятий

К наиболее опасным источникам загрязнения подземных и поверхностных вод относятся обогатительные и рудоподготовительные фабрики и связанные с ним хвостохранилища. Последние представляют собой гидротехнические аккумулирующие сооружения не только для отходов обогащения полезных ископаемых, но и для технических вод, в которых под действием сил тяжести оседает твёрдая фаза. При этом осветлённый слив непрерывно откачивается через водозаборные устройства и используется как оборотная вода. Кроме того, он может частично сбрасываться в естественные водоёмы.

Однако использование осветлённого слива хвостохранилищ отдельных фабрик цветной металлургии не всегда возможно без очистки или разбавления чистой водой, т.к. в нём может содержаться большое количество тяжелых металлов, цианидов, флотореагентов и нефтепродуктов.

Воды хвостохранилищ имеют повышенную минерализацию, которая в отдельных случаях достигает значительных величин. Следует отметить, что фильтрационные процессы техногенных вод из хвостохранилищ часто приводят к загрязнению водного бассейна, а также подтоплению и заболачиванию прилегающих территорий в радиусе 7-10 км и более.

В хвостохранилищах под действием температуры и кислородного воздуха, солнечной радиации, биологических и других факторов концентрация реагентов в сточных водах уменьшается.

На хвостохранилищах также наблюдается адсорбция вредных веществ на грунтах. Установлено, что процесс осаждения на грунтах является ведущим в отношении очистки подземных фильтрационных вод, доступ воздуха и органических веществ к которым ограничен.

Было установлено, что адсорбция в основном связана с мелкодисперсными супесчаными и суглинистыми разностями, причем действие ее сказывается более в отношении ионов тяжелых металлов. Они накапливаются в подстилающих грунтах.

В горнодобывающих районах резко меняются характер и интенсивность поставки химических элементов в водотоки. Это обусловливается изменением условий и соотношения механической и водной миграции, вызванных перемещением больших масс горных пород и их последующим перераспределением в отвалах под действием гравитационных процессов, разрушением хвостохранилищ под действием экзогенных факторов, сливами с рудников, обогатительных фабрик и хвостохранилищ, поверхностным стоком с территорий горных отводов. Различные виды сливов -- основной источник поступления техногенных веществ в водотоки.

Значительная часть периодически сбрасываемых стоков приходится на сливы рудничных вод и сливы с хвостохранилищ. Существенным источником загрязнения является поверхностный сток с породных и рудных отвалов, дорог и других объектов в пределах горных отвалов. Большую роль в поставке химических элементов в водные системы играет отмечавшееся выше техногенное усиление процессов выветривания на разрабатываемых месторождениях.

Характерная особенность стоков - резкое обогащение их взвешенным твердым веществом, играющим существенную роль в техногенной миграции элементов. Содержание твердых взвесей в стоках может достигать десятков грамм на литр, т.е. на два - три порядка превышать мутность природных водотоков.

Для водотоков в зонах влияния ГОКов характерно резкое повышение содержаний Na, К, N, фосфатов (влияние бытовых стоков), взвешенных веществ, Са и хлоридов (влияние промышленных стоков). Высокие содержания хлоридов и кальция связаны с использованием хлорной извести при очистке жидкой части хвостов от фотореагентов. Отмечены также высокие содержания нефтепродуктов и различных органических веществ, применяемых в качестве агентов флотационного обогащения.

Для районов ГОКов характерны резкие пространственно-временные изменения кислотно-щелочных условий поверхностных вод, что приводит к заметной перестройке условий миграции химических элементов. Так, при обследовании реки, на которой расположен ГОК по добыче и обогащению вольфраммолибденовых руд, установлено, что все водотоки выше ГОКа характеризуются нейтральной реакцией (рН 7.2-7.5). Тенденция к возрастанию рН и содержания гидрокарбонат-иона наблюдается в районе открытых разработок, в месте слива вод из штолен в районе хвостохранилища. Это, в частности, приводит к увеличению подвижности молибдена на отдельных участках речной сети, миграционная способность которого повышается в соответствии с нарастанием рН.

Особую опасность представляют кислые рудничные воды. Так, в районах медно-цинкового сульфидного оруденения в Калифорнии в результате естественного выщелачивания руд рН вод снижается до 5ч3; эти воды выносят часть рудных компонентов в природные водотоки. Активная добыча руд еще более увеличила интенсивность выщелачивания, что привело к снижению рН природных вод до 3.5--1.4, что и обусловило контрастное возрастание содержаний многих химических элементов в водах.

Характерно то, что даже после прекращения функционирования ГОКов уровень загрязнения воды и донных отложений может оставаться достаточно высоким.

В районах развития добывающих предприятии, где качественный состав техногенных источников (отвалы, хвостохранилиша) аналогичен рудным, соотношение между элементами меняется, а общий уровень их накопления в техногенных потоках значительно выше, чем в рудных.

В заключении следует отметить, что уже сейчас имеется значительный арсенал способов и средств снижения водопроницаемости хвостовых отложений, что позволит резко снизить загрязнение почв и грунтовых вод.

1.2 Основные методы очистки сточных вод, содержащих тяжелые металлы

Проблема эффективной и дешевой очистки промышленных стоков от тяжелых металлов и других элементов с последующей их утилизацией имеет большое народно-хозяйственное значение. В настоящее время эта проблема решается с помощью различных химических методов: осаждения, экстракции, дистилляции, ионного обмена.

Применяемые в промышленности методы очистки сточных вод определяются объемами стоков, количеством, дисперсностью и составом примесей. Ввиду многочисленности примесей и сложностями их состава, используют комбинирование методов очистки, которые разделяют на: механические, физико-химические, химические, биологические и термические.

Механические методы - процеживание, отстаивание, осветление и фильтрация - применяют для очистки крупнодисперсных взвешенных частиц. Для этих целей используют решетки, отстойники, гидроциклоны, фильтры. Размер частиц 5-10 мкм.

Физико-химические методы служат для очистки вод от мелкодисперсных, коллоидных и растворенных веществ. Это ионообменная очистка, флотация, коагуляция, флокуляция, экстракция растворителями, дистилляция, ректификация, адсорбция, обратный осмос.

Для извлечения из сточных вод металлов (цинка, хрома, меди, никеля, свинца, ртути, кадмия, ванадия, марганца) используется ионообменная очистка, позволяющая не только освобождать воду от загрязнения токсичными элементами, но и улавливать для повторного использования ряд ценных химических соединений. Очистка воды методом ионного обмена основана на выделении из стоков катионов и анионов сорбцией на ионообменных смолах. Различают катионообменные и анионообменные смолы, которые представляют собой комплексные органические соединения. После насыщения катионообменных смол ионами металлов их регенерируют минеральными кислотами; регенерация ионообменных смол производится растворами щелочи и соды.

При использовании ионного обмена необходимо предотвращать попадание в аппарат взвешенных частиц, поверхностноактивных и других органических и неорганических веществ, способных “отравить” ионообменник. Необходимо также учитывать общую минерализацию воды и правильно выбрать смолу с учетом ее селективности к тем или иным из присутствующих в очищаемой воде ионов. Применение ионного обмена для удаления тяжелых металлов с использованием синтетических ионообменников позволяет извлекать их наиболее эффективно. Однако, способ получения синтетических ионитов многостадиен, реагент для синтеза очень дорог.

Экстракция с помощью растворителей избирательного действия основана на поглощении загрязнений жидкими, реже твердыми, экстрагентами. Сточную воду смешивают с экстрагентом, в котором загрязнения растворяются лучше, чем в воде, а сам экстрагент не смешивается водой. Отделяя экстрагент от воды, а с ним и загрязняющее вещество, можно добиться значительной степени очистки сточной воды. Экстрагент можно регенерировать, а экстрагированное из него вещество использовать для нужд производства. Лучшие показатели экстракции ионов металлов находятся в интервале значений рН их гидратообразования.

Сорбцию, как метод очистки сточных вод исппользуют когда необходима более глубокая очистка стоков. Сорбенты способны извлекать из воды многие неорганические и органические соединения, в том числе и биологически жесткие, не удаляемые их нее другими методами. Но при всех ее достоинствах, сорбцию нельзя использовать для очистки значительных объемов сточных вод крупных предприятий в связи с дефицитом сорбентов, кроме того, сорбция неэффективна при высоких концентрациях загрязняющих веществ. В настоящее время не решена также проблема утилизации элюата. Поэтому сорбция наиболее эффективна как вторая ступень после осуществления реагентных методов очистки сточных вод.

Химические методы очистки основаны на проведении химических реакций, в результате которых образуются новые вещества, легко удаляемые доступными методами. Химические методы очистки характеризуются большим расходом реагентов и громоздкой аппаратурой. Кроме того, возникает проблема хранения и применения образующихся осадков. Из химических методов важное значение имеют хлорирование и озонирование сточных вод. Их используют для доочистки и обезвреживания органических примесей, цианидов и дурно пахнущих неорганических веществ.

Реагентные методы основаны на осаждении ионов тяжелых металлов разнообразными реагентами в виде малорастворимых в воде соединений и дальнейшем отделении последних от воды с помощью различных типов отстойников и фильтрующих аппаратов. Осаждение тяжелых металлов осуществляют введением щелочей, карбонатов, сульфидов.

Обработка сточных вод щелочными реагентами является наиболее традиционным способом выделения тяжелых металлов из стоков. Среди щелочных агентов для нейтрализации сточных вод чаще всего применяют известковое молоко.

К преимуществам реагентных методов относится незначительная чувствительность к примесям органического характера, возможность автоматизации и относительная простота в эксплуатации.

Основные недостатки реагентных методов: большой расход дефицитных и дорогих реагентов; вторичное загрязнение воды (повышение солевого состава), вызывающее затруднения при возврате на повторное использование; потеря ценных веществ, содержащихся в обрабатываемых стоках и сложность их утилизации; образование больших количеств осадков при использовании ряда реагентов.

Для очистки промышленных сточных вод используют электрохимические методы (электрофлотация, электрокоагуляция, электродиализ). Эти методы позволяют проводить очистку сточных вод непрерывно и периодически использовать автоматизированные технологические схемы и извлекать из промышленных стоков ценные продукты.

Биологические методы очистки - очищают как промышленные, так и хозяйственно-бытовые сточные воды различными микроорганизмами.

Механизм влияния тяжелых металлов на процессы биохимической очистки еще недостаточно изучен. Согласно наиболее широко принятой теории, объясняющей тормозящее действие металлов на биологические организмы, катионы могут реагировать с активными клеточными компонентами, например, дыхательными ферментами, с образованием устойчивых неактивных комплексных соединений. Скорость образования этих комплексных соединений (металл-фермент) зависит, в основном от трех независимых параметров, а именно: концентрации ионов металла, взвешенных веществ в иловой смеси и количества биомассы. Такие металлы, как медь, ртуть, свинец блокируют место фермента, в котором идет каталитическая реакция. Постановка тяжелого металла меняет геометрию металлосодержащего фермента, что уменьшает его активность. Таким образом, тормозятся или совсем останавливаются важные биохимические реакции. Токсичное влияние ионов тяжелых металлов на микроорганизмы активного ила в конечном итоге снижает эффективность биохимической очистки бытовых сточных вод. При этом происходит нарушение работы аэробных очистных сооружений.

Некоторые микроорганизмы активного ила способны приспосабливаться к различным концентрациям тяжелых металлов. Влияние тяжелых металлов на микроорганизмы в процессе биохимической может быть уменьшено путем варьирования таких параметров, как концентрация бактериальной биомассы, органических компонентов и продолжительности контакта активного ила с тяжелыми металлами.

Высокая адсорбционная способность биомассы микроорганизмов активного ила в сочетании с избирательностью сорбируемых компонентов используется для очистки сточных вод. Удаление растворенных металлов адсорбцией активным илом зависит от формы нахождения металла в сточной воде. Например, медь в ионной форме сорбируется активным илом в большей степени, чем связанная в комплекс с цианионом. Удалению растворенных ионов тяжелых металлов мешает наличие в сточных водах органических соединений, образующих металлоорганические комплексы. Одновременно наблюдается снижение токсического воздействия тяжелых металлов, связанных в подобный комплекс, на активный ил. К уменьшению их токсичности также приводит введение хелатирующих агентов. Ионы тяжелых металлов в процессе биологической обработки активным илом могут быть удалены из раствора путем адсорбции на бактериальных клеточных полимерах, а также на стенках бактериальных клеток или накапливаются в цитоплазме клеток. Аэробная биологическая очистка с помощью активного ила используется для доочистки от небольших количеств ионов тяжелых металлов. Поступление же на очистные биологические сооружения значительных концентраций тяжелых металлов приводит к снижению эффективности биологической очистки вплоть до полного нарушения основных биохимических процессов.

1.3 Способы и методы очистки и обеззараживания сточных вод горной промышленности

В отличие от загрязнения атмосферы, загрязнение почв и водоемов в результате ведения горных работ характеризуется более значительным уровнем. Горные предприятия и промыслы выносят на земную поверхность из недр гамму загрязняющих веществ, опасных для флоры и фауны и, конечно, человека: нефть, минеральную и каменноугольную мелочь, соли, серную кислоту, вредные и ядовитые металлы и другие нежелательные для контакта с живой природой минеральные и органические образования.

Загрязнение почв и водоемов горными предприятиями содержащей вредные металлы и минеральные образования пылью, выносимой в атмосферу вентиляционными струями и ветрами при разработке месторождений, первичной переработке полезных ископаемых, их перевалке, транспортировке и складировании не столь велико, как загрязнение их рудничными (шахтными) водами, а также водами разведочных и промысловых скважин.

Учитывая в целом напряженный водный баланс страны, создание систем оборотного водоснабжения, систем водоснабжения с использованием очищенных шахтных и дренажных вод в технологических целях и нейтрализация вод представляют собой важную систему мер в общем решении проблемы сохранения окружающей среды от ее загрязнения рудничными водами (рисунок 1).

Дебит рудничных вод зависит от многих природных и технологических факторов. К природным факторам относятся: режим обводненности района месторождения, наличие в пределах месторождения запертых вод, открытых водоисточников в зоне влияния горных работ, количество выпадающих осадков, проницаемость грунтов и вмещающих пород. Основные технологические факторы -- бурение с промывкой, гидравлическая закладка, гидравлическое подавление пыли.

Все поступающие в горные выработки воды направляют, как правило, в водосборники, из которых их откачивают на поверхность. Далее судьба рудничных вод может быть различной. До недавнего времени в большинстве случаев рудничные воды направлялись в местную гидрографическую сеть или, при отсутствии последней, в пониженные участки рельефа, независимо от степени загрязненности этих вод. Какая-то их часть могла путем инфильтрации снова поступать в выработки рудников, но, главное, они особенно сильно загрязняли почву и грунтовые воды, не позволяя использовать поверхность в традиционных для данного района направлениях.

Рисунок 1 Основные источники формирования загрязненных сточных вод горных предприятий и методы борьбы с загрязнением вод

В настоящее время этим простейшим способом рудничные воды удаляют только в том случае, если они практически не содержат загрязняющих веществ или содержат их, но находящийся поблизости водоток, принимая весь объем рудничных вод, не может загрязниться выше допустимой нормы. Иногда, при достаточно высокой чистоте, рудничные воды используют в технологических и хозяйственных целях и даже в быту.

Обычно же рудничные воды несут в себе разного рода загрязнители, и их перед сбросом нужно очищать или перерабатывать как сырье на тот или иной металл. Наиболее распространенными загрязнителями рудничных вод считаются хлористые соединения и свободная серная кислота, которой часто сопутствуют растворимые соли, главным образом сульфаты тяжелых металлов -- железа, меди, цинка, марганца, никеля, урана и др. Типичный состав шахтных вод в сравнении с технической водой приведен в таблице 1.

Таблица 1 Типичный состав шахтных вод в сравнении с технической водой

Таким образом, по хлористым и сернистым соединениям, а также по содержанию Са, Мg, Na и К шахтные воды превосходят техническую воду в 515 раз, что исключает их непосредственное использование без предварительной очистки и нейтрализации даже в технологических целях.

Кислые рудничные воды свойственны всем рудникам, добывающим сульфидные руды, а также шахтам и разрезам, разрабатывающим угольные пласты, содержащие серу в количестве 22,5% и более.

Кислотность и засоленность вод, хотя и не портят природную красоту поверхностных водоемов, тем не менее пагубно влияют на их экологическую систему: воды становятся совершенно непригодными для питья, рыбоводства, использования в промышленных целях [20].

Тяжелые металлы, выброшенные в атмосферу или в водоемы, не остаются на месте, а включаются в природный кругооборот веществ.

Часто в благоприятных условиях они накапливаются, образуя аномальные формирования, как следствие индустриальной деятельности человека. Накопление в почве или в воде таких тяжелых металлов, как кадмий, никель, молибден, цинк, марганец, ванадий, бериллий, теллур, может быть опасно для всего живого. Еще опаснее накопление металлов -- ядов: ртути, свинца, мышьяка, селена. Ряд металлов отнесен к веществам, вызывающим раковые заболевания, в частности мышьяк и хром.

Эти обстоятельства обусловливают необходимость чрезвычайно осторожного использования отходов горной промышленности, пустых пород, хвостов обогащения и забалансовых руд в качестве строительных материалов. Такое использование возможно лишь с учетом результатов обширных и всесторонних биофизических исследований с учетом всех отдаленных последствий накопления тех или иных соединений и металлов в окружающей среде.

В различных природных условиях тяжелые металлы ведут себя по-разному. В окислительной природной обстановке (высокая кислотность почвы и придонных вод) свинец, медь, никель, цинк и ртуть более подвижны, чем в нейтральной или щелочной среде (например, в степной полосе). Наоборот, молибден, ванадий и селен легче перемещаются в щелочной среде. Мышьяк же образует растворимые соединения в любой природной обстановке. На поверхности северных болот его ядовитые соединения могут сохраняться сотнями лет, а в жарких пустынных областях они разрушаются меньше чем за год.

К сточным водам горных предприятий нужно отнести и воды поверхностного стока, т. е. воды естественного стока с породных и рудных отвалов, дорог и со всех других объектов, находящихся в пределах горных отводов. Загрязнение водоемов водами поверхностного стока особенно велико в местностях с большим количеством атмосферных осадков.

Горные предприятия могут загрязнять водоемы также отработанными промышленными водами и обычными канализационными стоками, которые в очистные сооружения поступают неритмично и поэтому могут быть подвергнуты необходимой обработке не в полном объеме.

Хотя и имеются примеры значительного загрязнения подземных вод металлами в районах разработки месторождений полезных ископаемых, все же горная промышленность в целом лишь интенсифицирует естественные процессы, обусловливающие миграцию металлов. Конечно, не бывает правил без исключений. Если, например, на горном предприятии не налажена очистка рудничных вод, без должного надзора находится отвальное хозяйство на руднике, плохо содержатся хвостохранилища обогатительной фабрики или гидрометаллургического завода и не «имеют крыши» рудные склады и склад концентратов, то, безусловно, вынос металлов в гидрографическую сеть и в недра будет весьма значительным.

Теплоэнергетика, химическое и нефтехимическое производство, транспорт, металлургическая промышленность, другие отрасли промышленности и сельское хозяйство поставляют во внешнюю среду, а следовательно, и в недра такие загрязняющие вещества, как сульфаты, хлориды, нитраты, нитриты, аммонийный азот, цианиды, нефтепродукты, разнообразные органические соединения, железо, медь, цинк, свинец, никель, кадмий, хром, мышьяк, ртуть и многие другие тяжелые и ядовитые металлы.

В последние годы для уменьшения вредного влияния горной промышленности на окружающую среду -- почву, воды и атмосферу все чаще пытаются применять такие принципы планирования и организации производства, при которых отходы одного предприятия используют в качестве сырья для другого. При этом системой государственных налогов, административных запретов и экономических санкций реализуется принцип «причинности», согласно которому ответственность за сохранение окружающей среды, ликвидацию отходов, обременяющих окружающую среду, ее очистку от них несет тот, кто это загрязнение вызвал.

Рудничные воды являются наиболее доступным объектом такой очистки, в результате которой представляется возможность получения некоторых дополнительных продуктов и сохранения окружающей среды. При этом сложным видам очистки подвергаются только те рудничные воды, которые по содержанию в них загрязняющих веществ действительно требуют очистки. Часто для очистки рудничные воды достаточно выдержать некоторое время в отстойниках, где они освобождаются от коллоидных компонентов, механических взвесей, а ионорастворенные вещества, представляющие наибольшую опасность для окружающей среды, уходят со сливом осветленных вод.

Кислые рудничные воды обычно нейтрализуют известковым молоком. Щелочные воды подкисляют. Во многих случаях рудничными водами пополняют оборотные системы водоснабжения обогатительных фабрик. Особо следует отметить способы очистки рудничных вод с целью извлечения из них полезных компонентов (рисунок 1). Здесь эффект природного выщелачивания металлов трансформирован в особый технологический процесс, который уже взят на вооружение некоторыми отраслями промышленности.

Глубокая очистка рудничных вод Иртышского рудника методом коагуляции, предложенная институтом Казмеханобр, обеспечила комплексное удаление в одну стадию всех загрязняющих токсических примесей. В качестве реагентов применена смесь: извести 5060 г (по активной СаО) на 1 м³ стоков и поверхностно-активных веществ 11,5 г на 1 м³ стоков. Необходимая длительность отстаивания -- около 30 мин. Очищенная вода подвергается обеззараживанию гипохлоритной пульпой: доза -- 5 г на 1 м³ стоков (по активному хлору).

Ленинградским горным институтом применительно к тихвинским бокситовым карьерам предложен метод осветления рудничных вод в электрокоагуляторе. Опробованный образец электрокоагулятора непрерывного действия производительностью 15 м³/ч показал хорошие результаты и рекомендован к изготовлению.

В установке для полной очистки сточных вод горно-технологического производства от ядовитых цианистых ионов и комплексов, разработанной и испытанной Сибирским технологическим институтом, в качестве сорбента использовано анионообменное волокно. Достигнуто высокое извлечение ядовитых веществ. Институтом Гипроникель для рудника Каула-Котсельваара запроектирована очистка рудничных вод известкованием, параллельно разработана также ионообменная технология. Применительно к Норильскому горно-металлургическому комбинату исследован метод обратного осмоса.

По данным обследования Иркутским институтом Гиредмет состояния водопотребления, водоотвода, очистных сооружений и очистных промстоков на рудниках золотодобывающей промышленности, рудничные воды многих рудников не нуждаются в специальной очистке и могут сбрасываться непосредственно в открытые водоемы (97 тыс. м³ в сутки). Очистке должно подвергаться не более 27 тыс. м³ воды в сутки, из которых 28,5 тыс. м³ может быть использовано на других производствах. Для очистки рудничных вод в качестве коагулянтов рекомендовано использовать известь, соду, сернокислый алюминий, железный купорос, которые обеспечивают очистку от основных загрязняющих примесей на 9099%.

В Карагандинском бассейне осаждение из рудничных вод взвешенных веществ достигается с помощью минеральных коагулянтов и флокулянта полиакриламида. Эффективность осаждения повышается при вибрационном воздействии на рудничную воду (амплитуда колебаний 0,2 мм, частота 20 Гц).

Пермским научно-исследовательским угольным институтом разработан портативный переносный фотоэлектронный мутномер ФЭМ-4 для непрерывного определения концентрации взвешенных веществ в рудничных водах, а также создана система очистки кислых рудничных вод. Содержание кислоты в них доводится до концентраций, удовлетворяющих требованиям для вод, сбрасываемых в водоемы общего пользования. В основу технологической схемы положен принцип двухрежимнои нейтрализации.

Наибольших успехов в отношении очистки шахтных вод добились угольные шахты Донбасса, где рудничные воды подразделены на три группы, после очистки используемые для технологических и бытовых нужд, а также в сельском хозяйстве. Для очистки используются в основном горизонтальные отстойники и пруды-осветлители вместимостью 20500 тыс. м³. Отстойники, рассчитанные на двух- и трехчасовое отстаивание воды, улавливают 3075% взвесей. В прудах вода выдерживается в течение 710 сут. Эффективность очистной системы достигает 9096%. В прудах высаживается водная растительность, а по берегам -- деревья, что благотворно влияет на эффективность очистки и обеззараживание шахтных вод. Кроме того, создаются условия для организации зон отдыха.

В последние годы ряд организаций проводят в Донбассе исследования по опреснению рудничных вод. Так, на шахте «Петровская» работает опытно-промышленная электродиализная опреснительная установка, на шахте «Терновская» -- опытно-промышленная адиабатическая опреснительная установка. Донецкий ботанический сад АН УССР исследует биологический метод очистки рудничных вод.

Угольные шахты Донбасса ежегодно сбрасывают 578 млн. м³ шахтных вод. Из этого количества 384 млн. м³ может быть использовано для орошения, 110 млн. м³ -- для мелиоративных мероприятий. В настоящее время вопросы очистки рудничных вод для их последующего использования в народном хозяйстве решаются комплексно. Использование рудничных вод на технические и технологические нужды дополнительно высвобождает в год до 60 млн. м³ питьевой и технической воды (из 160 млн. м³, потребляемых шахтами за год).

На шахтах, разрезах и обогатительных фабриках в настоящее время работает 675 очистных сооружений, в том числе 419 прудов-осветлителей и 256 типовых горизонтальных отстойников. Ежегодно из рудничных вод извлекается до 1 млн. м³ взвесей, из них 85% -- в подземных водосборниках и 15% -- в поверхностных очистных сооружениях. Перспективным является использование этих взвесей в качестве минеральных удобрений.

Одной из главных является задача очистки рудничных вод, содержащих большое количество минеральных солей. Уралмашзаводом разработан комплекс производительностью 100 м³/ч для получения из рудничной воды Западного Донбасса поваренной соли (0,8 т/ч) и смежных солей (0,5 т/ч).

В США в настоящее время очистке подвергается почти 50% рудничных вод, сбрасываемых горной промышленностью в гидрографическую сеть страны. Кислые рудничные воды в большинстве случаев обрабатывают известняком, негашеной и гашеной известью, каустической содой и поташом. Отмечается, что нейтрализация вод известняком в 2,6 раза дешевле обработки воды негашеной известью и в 3,8 раза дешевле нейтрализации гашеной известью.

В некоторых случаях для очистки рудничных вод намечено строить опреснительные установки, экономическая выгодность которых определяется тем, что очищенные рудничные воды могут быть использованы ТЭЦ. В Вестинхаузе (США) действует фабрика производственной мощностью 20 тыс. м³ дистиллированной воды в сутки. В числе других методов очистки рудничных вод используется ионообменная очистка, удаление дренажных вод в глубокие естественные подземные коллекторы, задержка образования кислоты путем бактериального воздействия, удаление озонированием железа из рудничных вод.

Для очистки рудничных вод от сероводорода на некоторых шахтах, наряду с аэрацией, применяют химические и бактериологические методы. Минерализованные рудничные воды очищают также с помощью обратного осмоса, часто в комбинации с нейтрализацией. Степень очистки при этом способе достигает 99%. В последние годы в США ведутся также работы по опреснению рудничных вод методом вымораживания и электролиза.

Заслуживает внимания также и метод очистки рудничных вод «живым» фильтром -- из тростников, камышей, ирисов, способных поглощать неорганические загрязняющие вещества, а также токсические соединения, например фенол.

Этот метод нельзя считать универсальным, способным снять проблему очистки сточных вод, хотя бы потому, что для его использования требуются большие площади. Кроме того, от воздействия загрязняющих веществ растения в конце концов погибают, а в умеренных и северных широтах растения функционируют непродолжительное время. Однако растения-очистители целесообразно использовать на последней стадии очистки рудничных вод для удаления остатков загрязняющих веществ, которые в настоящее время попадают в питьевую воду больших городов [40].

Для очистки загрязненных вод в научно-исследовательском центре фирмы «Дженерал электрик» на базе использования метода трансплантации генов получены бактерии, способные уничтожать нефтяные пятна. Задача состояла в том, чтобы собрать в один штамм (путем трансплантации генов) различные штаммы бактерий, каждая из которых «поедает» определенное органическое соединение, входящее в состав нефти. Новая «супер-бактерия» проверена в лабораторных условиях, опыт свидетельствует, что колония этих бактерий может за несколько дней или недель уничтожить нефтяную пленку, превратив ее, например, в корм для рыб. Обычно для уничтожения нефтяной пленки существующим в природе бактериям требуется год или два в связи с тем, что каждый штамм «поедает» определенное нефтяное соединение, а «работают» штаммы по очереди. Очередной штамм приступает к работе лишь в том случае, если предыдущий исчерпал запас пищи и погиб.

Как отмечается в «Уоллстрит джорнэл», разработанные и созданные человеком микроорганизмы с заданными свойствами могут найти применение в получении протеина из нефти, выделении из руд золота, урана и платины, а также в некоторых других областях.

В обычной практике очистки рудничных вод на канадских рудниках применяется крупномасштабная очистка и химическая обработка кислых и содержащих металлы вод. На некоторых предприятиях организована работа по бессточным схемам. Так, система оборотного водоснабжения организована на никелевых рудниках и на ряде фабрик компании «Фалконбридж». Для использования очищенной воды организована специальная система складирования хвостов в заливах озера Мус и нейтрализация сливов известняком.

Для угольных шахт Великобритании обычны кислые железосодержащие шахтные воды, которые, как правило, обрабатываются кальцием или углекислым магнием, иногда известью (основными реагентами).

Нейтральные или щелочные рудничные воды, содержащие железо, с целью его осаждения иногда аэрируют перед сбросом в водоемы для осаждения. Например, на шахте «Мортон» в Северном Дербишире для очистки таких рудничных вод и их отстоя применен метод каскадной аэрации.

От взвешенных твердых частиц рудничные и поверхностные воды очищают в основном с помощью механических средств.

Фирмой «Эколоджикэл инжиниринг лтд.» разработана передвижная установка для извлечения из промышленных стоков золота, серебра, меди, цинка, свинца, никеля, олова, кадмия и хрома производительностью по извлекаемому металлу до 18,5 т в год. Установка поставляется в виде транспортабельных модулей, каждый из которых является электролитической ячейкой с концентрически расположенными анодом и катодом. Через образующееся электрическое поле пропускается очищаемый сток. Анод вмонтирован в стенки ячейки, катод представляет собой вращающийся в центре ячейки цилиндр. Металл осаждается на вращающемся катоде в виде порошка. При промышленных испытаниях чистота выделенного металла достигала 99%. Если необходимо выделение двух или более металлов, стоки пропускают последовательно через серию модулей, каждый из которых предназначен для выделения определенного металла. Установка рекомендуется для извлечения металлов из стоков цинковых заводов, гальваноцехов, отработанных растворов травления меди и латуни и других промышленных и хозяйственно-бытовых стоков, содержащих цветные металлы.

В Японии запатентован способ очистки рудничных вод от валентных ионов тяжелых металлов и сульфат-иона. При этом способе рудничные воды обрабатываются сульфидом бария в мешалке. Барий связывает сульфат-ион, а ионы металлов выпадают в виде сульфидов. Избыток ионов бария выводится из воды путем пенной флотации с жирной кислотой в присутствии вспенивателя. Выход очищенной воды составляет 90% от исходного раствора.

Соленые рудничные воды угольных месторождений Катовицкого воеводства обезвреживают гидротехническим методом. При этом методе рудничные воды, содержащие в 1 л менее 70 г соли, аккумулируют в водосборниках-дозаторах, из которых порциями сливают в водоемы-приемники.

На шахте «Дембенько» испытана полупромышленная установка по извлечению поваренной соли, содержащейся в рудничных водах в концентрациях свыше 70 г/л. С внедрением очистки рудничных вод предполагают сократить сброс солей в бассейны рек Одры и Вислы примерно на 600 т/сут.

Особое место в ряду источников загрязнения внешней среды занимают рудники, применяющие при разработке полезных ископаемых различные способы подземного выщелачивания. При этом в относительно глубоко залегающие породы вносится выщелачивающее вещество, главным образом серная кислота, продолжительное время остающаяся активной. В результате этого в районе разработки и за его пределами возможно загрязнение окружающей среды. Такое загрязнение является типичным примером искусственного распространения геохимической аномалии, связанной с первичным месторождением полезных ископаемых. Одним из возможных способов снижения влияния на окружающую среду этой технологии может стать ускорение процесса выщелачивания полезных компонентов. В связи с этим представляется интересной работа Нормана Лероукса в лаборатории Уоррен-Спрингс (США) по использованию высокотемпературных, или термофильных (5060°С), бактерий для окисления сульфидных руд. Первые опыты с такими бактериями, найденными в исландских горячих источниках, показали хорошие результаты: штаммы, способные окислять сульфиды никеля, урана, цинка и меди, по сравнению со штаммами среднетемпературных, или мезофильных (30° С), бактерий аналогичного действия, поддерживали более интенсивный процесс окисления. Существует также возможность направленной эволюции уже найденных бактерий или улучшения их на основе генетической инженерии.

По мере развития технологии разработки полезных ископаемых морского дна, наряду с механическими методами их извлечения, возможно найдет применение и метод придонного выщелачивания. В этом случае экологические системы в районах разрабатываемых донных полигонов будут нести урон не только от механического вмешательства, но и от привноса в водную среду химических веществ высокой концентрации.

Таким образом, отрицательное воздействие различных технологических процессов горных работ на атмосферу, воду, почвы прогнозируется достаточно точно, благоприятствуя разрешению проблем сохранения чистоты окружающей природной среды.

1.4 Аспекты проблемы загрязнения природных вод

Нынешнее поколение людей убедилось, наконец, в том, что окружающая нас среда - земля, вода и воздух не обладают бесконечным иммунитетом против антропогенной эксплуатации. И хотя сегодня еще проявляется беспечное и неосторожное обращение с природой, люди уже начали понимать и по-новому оценивать катастрофические последствия этого. Эта проблема имеет множество аспектов.

1.4.1 Социально-политический аспект

Этот аспект связан с решением проблемы загрязнения гидросферы в масштабах всего человечества при наличии разных социальных систем. Возникновение социально-политической проблемы создания и внедрения в глобальном масштабе природоохранных мер по предотвращению истощения ресурсов и загрязнения среды обусловлено объективными факторами.

Во-вторых, каким бы мощным экономическим и научно-техническим потенциалом ни обладала отдельная страна, она не может полностью решить такую сложную и многогранную проблему, поэтому потребовалось принятие необходимых мер не только на национальном, но и на международном уровне.

1.4.2 Правовой аспект

Правовую основу охраны природных вод от загрязнения можно сформулировать как установленную законом систему мер, направленных на охрану гидросферы, рациональное использование и восстановление водных ресурсов. Устанавливая такую систему мер, закон регулирует общественные отношения в области охраны природы, в результате чего возникает совокупность природоохранных отношений.

Правовая основа охраны природы в России базируется на ряде принципов, среди которых можно выделить наиболее важные: природные ресурсы составляют государственную собственность и предоставляются только в пользование; охране подлежат все объекты природы - как вовлеченные в хозяйственный оборот, так и неэксплуатируемые; рациональное использование природных ресурсов; контроль за рациональным использованием природных ресурсов и охраной природы; ответственность за несоблюдение законодательства об охране природы и др.

1.4.3 Социально-гигиенический аспект

Этот аспект охраны природных вод в нашей стране отражает принцип приоритета в охране здоровья и сохранения благоприятных гигиенических условий жизни населения. Осуществление мероприятий по оздоровлению окружающей среды требует разработки количественных санитарно-гигиенических показателей состояния качества окружающей среды, критериев безвредности, обеспечивающих оптимальные условия жизнедеятельности человека. Социально-гигиенические исследования должны быть направлены на то, чтобы темпы изменения окружающей среды не опережали скорость приспособительных адаптационных возможностей организма - важный принцип в области изучения взаимодействия организма и окружающей среды.

Другим важным моментом данного аспекта является социально-гигиенический прогноз будущего состояния преобразованной окружающей среды с целью сохранения здоровья населения. Подобные прогнозы должны не только определять научно-техническое развитие, но и предсказывать наиболее оптимальные варианты путей научно-технического прогресса.

1.4.4 Технико-технологический аспект

Этот аспект проблемы загрязнения природных вод предполагает организацию производства по принципу безотходности.

Современная технико-технологическая база промышленности не позволяет осуществить на промышленных предприятиях глубокую очистку сточных вод ввиду исключительной дороговизны этих мероприятий. Разработка новых технологических процессов, на основе которых может быть создано безотходное производство, обеспечит не только высокие технико-экономические показатели, но и комплексное использование природных ресурсов. Однако по техническим и экономическим причинам переход к безотходной технологии сразу осуществить невозможно. Реальный путь экологизации технологии - это постепенный переход сначала к малоотходным, а затем - к безотходным замкнутым циклам. Тем самым могут быть достигнуты рациональное природопользование и охрана гидросферы от загрязнения.

1.4.5 Эколого-экономический аспект

Этот аспект охраны гидросферы от загрязнения стал формироваться относительно недавно и своим возникновением и развитием обусловлен бурным ростом производства и научно-технической революцией. Первоначально охрана окружающей среды развивалась в основном как биологическая область знания, преследующая цель «охранять живую природу». В период научно-технической революции, когда масштабы преобразовательной деятельности людей неизмеримо выросли, изменения природного равновесия стали сильно отражаться на развитии народного хозяйства (вследствие недостаточного учета экологического фактора), и проблема охраны водных ресурсов приобрела также большое экономическое значение.

Современные темпы экономического развития обострили проблему ограниченности водных ресурсов, в связи с чем возникла необходимость учета экологических требований к экономике. Следует подчеркнуть, что само экономическое развитие внутренне противоречиво: с одной стороны, оно порождает ряд острых экологических проблем, а с другой - в самом экономическом развитии заложена основа для устранения этих противоречий. Раскрыть природу этих противоречий - значит понять связь двух систем: общественного производства и окружающей среды. Необходимо обеспечить такое взаимодействие, при котором высокие темпы расширенного воспроизводства, экономического роста и повышения народного благосостояния сочетались бы не только с сохранением, но и непрерывным улучшением и развитием как отдельных компонентов, так и всей окружающей среды.

1.5 Краткая характеристика объекта исследования

Учалинский горно-обогатительный комбинат, преобразованный в 1993 г. в акционерное общество - одно из крупнейших предприятий Республики Башкортостан и России по добыче и переработке руд с получением медного, цинкового и пиритного концентратов.

Учалинское месторождение цветных металлов, на базе которого организован комбинат, было открыто в 1939 г. Оно относится к числу наиболее известных и хорошо изученных колчеданных месторождений Южного Урала, являясь характерным представителем месторождений так называемого уральского типа, основными признаками которых служат:

- медно-цинковый состав и массивное сложение руд;

- линзовидная форма и согласное положение рудных залежей;

- залегание среди вулканитов контрастной риолит-базальтовой формации [].

Научно-технический прогресс в горно-добывающей отрасли является причиной постоянного увеличения антропогенного воздействия на природную среду. Каждый технологический узел производства по переработке полезных ископаемых имеет свой характер воздействия [2].