Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

На территории Садонского рудного района Республики Северная Осетия – Алания (РСО – Алания) поиски, разведка, добыча и переработка полиметаллических руд ведутся с середины XIX века. В районе известно около 300 жильных свинцово-цинковых месторождений и рудопроявлений. Вся инфраструктура горнодобывающих предприятий (рудники, обогатительные фабрики, хвостохранилища, дороги) приурочена к густо населенным долинам основных водных систем республики [1]. В состав Садонского свинцово-цинкового комбината, крупнейшего предприятия по добыче и обогащению полиметаллических руд, созданного в 1922 г., входят Мизурская и Фиагдонская обогатительные фабрики. В РСО-Алания на площади 250 га накоплено 10 млн т металлосодержащих хвостов Мизурской и Фиагдонской обогатительных фабрик и металлургических заводов [2, 3]. С 1984 г. отходы от переработки рудных материалов (хвосты) Мизурской обогатительной фабрики размещаются на территории Унальского хвостохранилища. Хвостохранилище расположено в центральной части Алагирского района, Республика Северная Осетия – Алания, в долине р. Ардон, на ее левом берегу между селениями Унал и Зинцар, в 12–15 км к северо-востоку от Мизурской обогатительной фабрики. Расстояние до города Владикавказ 60 км, до города Алагир – 40 км. Вблизи хвостохранилища проходит федеральная автомобильная магистраль «Транскам». На некоторых участках расстояние между телом хвостохранилища и дорогой составляет не более 20–30 м. Площадь Унальского хвостохранилища составляет около 0,2 км2. Большую часть поверхности хвостохранилища занимает пруд-отстойник. Глубина хранилища колеблется от 12 до 15 м. Объем хвостов около 3,2 млн т. С 1989 г. технологической службой комбината организовано водное орошение сухой части хвостохранилища, что существенно уменьшило ветровую эрозию. В настоящее время хвостохранилище имеет пляжную зону (около 40 % от его площади) и залитую водой (60 % площади) за счет непрерывного орошения с помощью водяных оросителей. Выходы относительно сухих хвостов обнажаются главным образом вдоль плотины, ограничивающей сооружение с восточной стороны. Ширина пляжной зоны, в зависимости от количества подаваемой опресняющей воды и погодных условий изменяется от 3 до 100 м. Хвосты представляют собой измельченную горную массу, по гранулометрическому составу близкую к мелкозернистым пылеватым пескам. В сухую жаркую погоду с пляжной зоны пыль попадает в воздушный бассейн местности. Запыленность в районе хвостохранилища в летнее время превышает ПДК в десятки раз [2].

Последние комплексные исследования на территории Садонского рудного района проводились с 1989 по 2003 гг. [4]. Показано, что важнейшим источником техногенного загрязнения окружающей среды в районе являются предприятия горнорудной промышленности. Вокруг них образовались ореолы химического загрязнения, где содержание металлов превышает фоновое в десятки и сотни раз. Выявлена решающая роль Унальского хвостохранилища в формировании техногенных аномалий свинца на нижних террасах р. Ардон. Вместе с тем хвостохранилища обогатительных фабрик и металлургических заводов Осетии являются техногенными месторождениями цинка, свинца, ванадия, титана, марганца, никеля, молибдена и др. металлов. По данным [5] в Унальском хвостохранилище находится 2600000 т хвостов с содержанием свинца 0,21 %, цинка 0,9 %, меди 0,10 % и др.

Цель исследования: изучение элементного состава отходов Мизурской обогатительной фабрики, складируемых на территории Унальского хвостохранилища.

Материалы и методы исследования

Опробование поверхности сухой части хвостохранилища проводили в 2015–2016 гг. Пробоотбор проводили в соответствии с общепринятыми методиками [6] в 10 точках: южной (т. 1–3), восточной (т. 4–6) и северо-восточной (т. 7–10) частях пляжной зоны. Каждая проба формировалась путем смешивания 5 точечных проб, отобранных на глубину 0–10 см. Кроме того, в точке 8 был дополнительно отобран образец с глубины 15 –20 см. Схема точек пробоотбора представлена на рисунке.

Аналитические определения были выполнены в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ), г. Дубна Московской области. Многоэлементное определение состава образцов рентгенофлуоресцентным методом (РФА) проводилось в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова (ЛЯР ОИЯИ), инструментальный нейтронноактивационный анализ (ИНАА) – в Лаборатории нейтронной физики им. И.М. Франка (ЛНФ ОИЯИ). Рентгеновские спектры образцов измерялись с помощью стандартного спектрометра фирмы Canberra. Для возбуждения рентгеновского излучения использовались кольцевые радиоизотопные источники 109Cd (E = 22,16 кэВ, T1/2 = 453 дня) и 241Am (E = 59,6 кэВ, T1/2 = 458 лет) с общей активностью 20 мКи. Характеристическое рентгеновское излучение регистрировалось полупроводниковым Si(Li) детектором с площадью 30 мм2 и толщиной 3 мм, толщиной бериллиевого окна 25 мкм и с разрешением 145 эВ на линии 5,9 кэВ. Для обработки спектров и расчета концентраций элементов было использовано программное обеспечение для рентгенофлуоресцентного анализа WinAxil Canberra. Концентрации элементов определялись методом сравнения со стандартными образцами (ГСО) со схожими с определяемыми образцами матричными эффектами (СГ-1А, GnA, soil-5, GM, Sch-ST, Fe2O3 и др.). Для определения элементов, отсутствующих в эталонных образцах, была применена методика одновременного определения в насыщенных слоях вещества всех элементов, возбуждаемых радиоизотопными источниками, по единым калибровочным кривым, построенным на основании измерений стандартных образцов [7]. Инструментальный нейтронный активационный анализ (ИНАА) проводили на реакторе ИБР-2 ЛНФ ОИЯИ с использованием пневмотранспортной установки РЕГАТА [8]. Для определения короткоживущих изотопов элементов Al, Cl, Ca, Ti, V, Mn, Cu, In образцы облучали 1 минуту в канале реактора с плотностью потока нейтронов 1,3 s 1012 нейтрон/(см2•с). Для определения долгоживущих изотопов элементов Na, Sc, Cr, Co, Ni, As, Se, Sb, Cs, La, Ce, Tb, Ta, Ag, Th, U образцы облучали около трех суток в канале реактора с кадмиевым экраном и плотностью потока резонансных нейтронов 1,6 s 1012 нейтрон/(см2•с). После облучения образцы для измерения переупаковывали в чистые контейнеры. Наведенную гамма-активность образцов измеряли дважды: спустя 4–5 дней после выгрузки из канала облучения в течение 45 минут и спустя 20 дней в течение 1,5 часов. Для обработки гамма-спектров и расчета концентраций элементов использовали пакет программ, разработанных в ЛНФ ОИЯИ [9]. Качество анализа обеспечивалось с помощью сертифицированных эталонных материалов Coal fly ash (NIST, 1633c), Montana Soil (NIST, 2710), Estuarine sediment (BCR, 667), навески которых облучали в одинаковых условиях с исследуемыми образцами.

Результаты исследования и их обсуждение

Использование РФА и ИИНАА позволило получить данные по содержанию 39 элементов в составе отходов горной промышленности (хвостов Мизурской обогатительной фабрики). Результаты аналитических определений представлены в табл. 1. Содержание Ca, Ti, Cr, Mn, Cu, Sb в хвостах определяли двумя методами. Полученные результаты в пределах ошибок определения совпадают.

Унальское хвостохранилище представляет собой техногенную геохимическую аномалию с содержанием ряда элементов, превышающим их кларки в земной коре (табл. 1). Содержание таких элементов, как Zn, As, S, Cu, превышает кларковые концентрации более чем в сотни раз, содержание Sb, Se, Ag, In, Pb превышает кларковые значения в тысячи раз. Обращает на себя внимание обогащение техногенных образований Унальского хвостохранилища Cd, содержание которого более чем в двадцать тысяч раз превышает его кларк в земной коре, при этом Cd не входит в ассоциацию химических элементов (Pb, Zn, Fe, Cu, Ag, Bi, Al, Si), находящихся в повышенных концентрациях на свинцово-цинковых месторождениях [10].

Состав хвостов в разных частях хвостохранилища значительно различается, в том числе и по содержание полезных компонентов (табл. 1). Хвосты в северо-восточной части хвостохранилища отличаются высоким содержанием таких элементов, как Pb, As, V, U, Mo, Tb. Максимальное количество таких элементов, как S, Na, Ca, Cu, Zn, Sn, Ba, Cl, Mn, Se, Te, Sr, In, Nd, Ag, отмечается в хвостах восточной части, при этом они бедны такими элементами как: Al, K, Ti, Ce, Rb, V, Sc, Th, Nb, Ta. Состав хвостов южной части, обогащен такими элементами как: К, Al, Rb, Zr, Ce, Th, Nb, Ta, при этом бедны Ag, Cu, Zn, Sn, Ba, Cl, Mn, Cd, As, Se, In, Te. Значительное варьирование содержания ряда элементов в разных точках опробования вероятно связано с разным удаление от зеркала воды, и воздействием флотационных процессов.

Полученные данные были обработаны методами математической статистики с использованием программного пакета Microsoft Excel. Анализ полученных статистических параметров показал, что распределение данных по всем показателям отклоняется от нормального распределения, наиболее показательной описательной статистикой является медиана, и именно она самым достоверным образом отражает положение центра вариационного ряда по всем показателям [11]. В качестве среднего по всем показателям принималось значение медианы.

Среднее содержание (медиана) элементов в техногенных образованиях хвостохранилища (на глубине до 10 см) составляет (в порядке убывания), %: S – 13; Fe – 6,19; Zn – 4,32; Al – 3,9; Pb – 2,71; Са – 2,5; К – 1,2; Cu – 1,1; Na – 0,92; As – 0,47; Sb – 0,39; Ba – 0,38; Ti – 0,28; Sn – 0,234; Mn – 0,21; Сr – 0,08; In – 0,07; Te – 0,056; Cd – 0,028; Cl – 0,028; Ni – 0,019, Se – 0,01; Sr – 0,0095; далее в ppm:; Nd – 94; Zr – 44; V – 33,7; Ce – 33; Ag – 30; La – 25; Co – 22; Th – 8; Sc – 6,4; U – 6,2; Rb – 3; Nb – 3; Ta-1,2; Tb – 1,04; Mo – 1.

Необходимо отметить, что большинство из элементов, присутствующих в сухой части хвостохранилища, относятся к высокотоксичным и токсичным элементам. В отсутствие увлажнения дисперсные частицы разносят на большие расстояние, загрязняя почву, поверхностные воды, растительность. Наибольшую опасность для здоровья человека представляют мелкодисперсные частицы (диаметром меньше 1 мкм) так как они достигают нижних дыхательных путей и оседают в альвеолах легких.

Отдельно был проведен анализ состава хвостов, отобранных на разной глубине хвостохранилища. В восточной части хвостохранилища было отобрано 2 пробы, с поверхности (0–10 см) и с глубины (15–20 см.) Результаты анализов представлены в табл. 2.

На поверхности сухой части хвостохранилища, возможно, в результате флотационных процессов в период максимального обводнения происходит обогащение хвостов. При этом отмечается резкое увеличение содержания таких компонентов, как: Te (в 221 раза) с 0,0002 до 0,0443 %, In (в 140 раз), с 0,0005 до 0,07 %, As (в 37 раз) с 0,022 до 0,82 %, Sn (в 27 раз) с 0,0085 до 0,2294 %. В меньшей степени, но значительно увеличивается содержание Cu (в 13,7) с 0,08 до 1,1 %, Ni (в 10,8 раз) с 23 до 250 ppm, Cd (в 8,7 раз) с 32 до 280 ppm. От 5 до 5,5 раз увеличивается содержание Zn (в 5,7 раз) с 0,758 до 4,32 %, Sb (в 5,5 раз) с 0,1336 до 0,7387 %, Ag (в 5,2 раза) с 5,7 до 30 ppm, Tb (в 5 раз) с 0,5 до 2,5 ppm. От 2,1 до 2,8 раз увеличивается содержание Fe (в 2,5 раз) с 2,34 до 5,83 %, Ba (в 2,7 раз) с 0,1416 до 0,3857 %, Pb (в 2,5 раз) с 1,18 до 2,93 %, Na (в 2,6 раза) с 0,36 до 0,92 %, Cl (в 2,8 раза) с 0,017 до 0,048 %, Mn (в 2,1 раза) с 0,096 до 0,2 %, Se (в 2,6 раза) с 0,004 до 0,0103 %, Sr (в 2,7 раза) с 29 до 78 ppm, Nd (в 2,5 раза) с 28 до 71 ppm, V (в 2,3 раза) с 38 до 89 ppm, Co (в 2,4 раза) с 12 до 29 ppm. Незначительно увеличивается содержание Са (в 1,5 раз) с 1,22 до 1,9 % и U (в 1,1 раз) с 5,9 до 6,7 ppm.

При этом содержание ряда компонентов увеличивается с глубиной: К (1,4 раза), Аl (в 1,3 раза), S (в 1,1 раза), Rb (в 30 раз), Zr (в 4,6 раза), Nb (в 3 раза), Th (в 2,1 раза).

Сравнение результатов опробования хвостов, проводимых ранее в пляжной зоне хвостохранилища (усредненные данные опробования до глубины 5–8 м) [3, 5] с полученными данными показало, что содержание Ti, As, V, Ni, Mo, Ag коррелирует с содержанием в образцах, взятых с глубины 15–20 см. В образцах с поверхности пляжной зоны хвостохранилища содержание таких высокотоксичных элементов, как Cd, Ni, As, Ag, Cu, Pb, в десятки и сотни раз выше имеющихся в литературе данных [3–5]. Дефляционные процессы, развивающиеся в сухой части пляжной зоны, несут серьезную угрозу прилегающим территориям.

Несмотря на то, что содержание полезных компонентов в составе хвостов обогащения крайне неравномерно, полученные результаты показали, что содержание Pb и Zn в верхней части пляжной зоны Унальского хвостохранилища соответствует рядовым рудам (Pb + Zn от 7 до 4 %). Радикальным способом защиты окружающей среды от влияния хвостохранилища является выщелачивание хвостов с утилизацией полезных продуктов переработки и последующей рекультивацией. Имеются положительный опыт использования хвостов в качестве техногенных месторождений [12]. Как отмечают многие авторы [13], реализация таких подходов требует диверсификации горного и перерабатывающего производства на Садонских месторождениях. На базе Унальского хвостохранилища развивается механохимическая переработка хвостов. Вовлечение в производство некондиционных для традиционных технологий ресурсов может стать приоритетным направлением горнорудной отрасли не только РСОА, но и всего Северо-Кавказского региона.

Выводы

1. Применение РФА и ИИНАА для анализа отходов горной промышленности позволило количественно определить содержание 39 элементов в составе хвостов Унальского хвостохранилища.

2. Унальское хвостохранилище представляет собой техногенную геохимическую аномалию с содержанием Zn, As, S, Cu, Sb, Se, Ag, In, Pb Cd, превышающим кларковые более чем в сотни и тысячи раз.

3. Содержание элементов в составе хвостов неравномерно, значительное варьирование содержания ряда элементов в разных точках опробования, вероятно, связано с разным удалением от зеркала воды и воздействием флотационных процессов.

4. Отмечается обогащение верхних 10 см пляжной зоны хвостохранилища высокотоксичными элементами (Zn, As, Cu, Sb, Ni, Pb), что представляет опасность для окружающей среды и здоровья населения.

5. Присутствие в составе хвостов полезных компонентов указывает на необходимость использования отходов Мизурской обогатительной фабрики, складируемых на территории Унальского хвостохранилища как источник полезных ископаемых.