Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УТИЛИЗАЦИИ ШЛАМОВ ОЧИСТКИ ТЕХНОГЕННЫХ ВОД И СТОКОВ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ ЮЖНОГО УРАЛА

Медяник Н.Л. 1 Шевелин И.Ю. 1 Бодьян Л.А. 1
1 ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет имени. Г.И. Носова»
При добыче и переработке медно-цинково-колчеданных руд Южного Урала образуются значительные объёмы техногенных вод и стоков. Данный вид отходов представлен рудничными, шахтными, подотвальными водами и жидкими хвостами обогащения, содержащими в своём составе тяжелые и цветные металлы железа, меди, цинка, марганца, свинца, а также кальций, магний, хлориды, сульфаты и пр. компоненты. Приводятся среднегодовые показатели химического состава техногенных вод и стоков АО «Сибайский ГОК». Для очистки жидких техногенных образований от токсичных металлов применяют метод нейтрализации реагентами гашеной известью, известковым молоком и кальцинированной содой. При этом на горных предприятиях образуются многотоннажные шламы, которые в дальнейшем не утилизируются, а накапливаются в прудах-шламохранилищах и в конечном итоге безвозвратно теряются при захоронении. Для изучения возможности утилизации шламов очистки техногенных вод и стоков горных предприятий Южного Урала в статье приводятся результаты исследований шламов нейтрализации на примере АО «Сибайский ГОК»: химический и компонентный анализ, структурный, физико-механический анализ, в том числе измерялся показатель пластичности, отношение объёма осадка к объёму исходной суспензии, плотность суспензии, показатель упругости, порог структурообразования и пластическая прочность. По результатам комплексного исследования установлено, что шламы нейтрализации представляют собой высокодисперсную полиминеральную массу зернистой структуры, состоящую из гидроксида и карбоната кальция, минеральных солей щелочных, щелочноземельных металлов и гидроксидов тяжёлых и цветных металлов Ме(ОН)n, растворимых сульфатов и хлоридов тяжелых и цветных металлов. Шламы АО «Сибайский ГОК» характеризуются высокими показателями упругости, порога структурообразования и пластической прочности и могут использоваться в качестве упрочняющих добавок к асфальтобетонам и материалам при планировке рельефа местности. Перспективным направлением утилизации шламов нейтрализации горных предприятий является применение в виде минеральных связующих компонентов закладки выработанного пространства рудников.
техногенные воды
стоки горных предприятий
шламы нейтрализации
комплексные исследования
утилизация
1. Медяник Н.Л. Изучение коагуляционной структуры гидролитических осадков сточных вод медно-колчеданных месторождений Южного Урала / Н.Л. Медяник, О.В. Мунтяну, А.М. Строкань // Горный информ.-аналит. бюллетень. – 2008. – № 7. – С. 211–213.
2. Медяник Н.Л. Извлечение ионов меди из сточных вод с помощью осадителей-восстановителей / Н.Л. Медяник, Х.Я. Гиревая // Вестник Магнитогорского госуд. техн. ун-та. – 2007. – № 1. – С. 113–114.
3. Аксенов В.И. О переработке осадков сточных вод травильно-гальванических производств / В.И. Аксенов, С.В. Балакирев, В.Е. Лотош // Химия, технол. пром. экол. неорган. соед. – 2000. – № 3. – С. 143–150.
4. Перспективы использования промышленных отходов для получения керамических строительных материалов / Д.В. Макаров [и др.] // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2016. – № 5. – С. 254–281.
5. Медяник Н.Л., Калугина Н.Л., Варламова И.А. Изучение возможности селективного извлечения меди методом известкования из сточных вод горных предприятий гидрометаллургического комплекса / Н.Л. Медяник, Н.Л. Калугина, И.А. Варламова // Вестник Иркутского госуд. техн. ун-та. – 2010. – № 2 (42). – С. 188–193.
6. Доклад об экологической ситуации на территории республики Башкортостан в 2016 г. [Электронный ресурс] // Министерство природопользования и экологии республики Башкортостан. – URL: https://ecology.bashkortostan.ru/presscenter/lectures/ (дата обращения: 07.11.2017).
7. Чертес К.Л., Тупицына О.В., Пыстин В.Н. Геоэкологическая оценка накопителей шламов водного хозяйства и разработка технологий их ликвидации / К.Л. Чертес, О.В. Тупицына, В.Н. Пыстин // Вестник МГСУ. – 2015. – № 2. – С. 110–129.
8. Зубкова В.И. Природное и техногенное наносырьё в производстве смешанных вяжущих / В.И. Зубкова, С.Ф. Коренькова, Н.И. Малявский // Научно-технический Вестник Поволжья. – 2013. – № 1. – С. 174–176.
9. Тараканов О.В., Пронина Т.В. Применение минеральных шламов в строительных растворах и бетонах / О.В. Тараканов, Т.В. Пронина // Цемент и его применение. – 2008. – № 2. – С. 94–96.
10. Ranade V.V., Bhandar V.M. Industrial wastewater treatment, recycling and reuse // Oxford: Butterworth-Heinemann. – 2014. – 576 p.

Проблема техногенных вод и стоков породных вскрышных отвалов и забалансовых руд характерна для всех горно-обогатительных комбинатов (ГОКов) Южного Урала, добывающих и перерабатывающих медно-колчеданные руды Гайского, Учалинского, Маканского и Бурибаевского месторождений, а также медно-цинково-колчеданные руды Сибайского месторождения [1]. В составе техногенных вод и стоков ГОКов, представленных шахтными, рудничными, подотвальными водами и жидкими хвостами обогащения, находятся тяжелые и цветные металлы железа, меди, цинка, марганца, свинца, а также кальций, магний, хлориды, сульфаты и пр. компоненты [2–4].

Практически все горно-обогатительные комбинаты Южного Урала используют для удаления токсичных металлов из рудничных вод и стоков предприятий метод химического осаждения доступными реагентами: Ca(OH)2, известковым молоком, или Na2CO3 кальцинированной содой [5]. Шламы, получаемые в процессе нейтрализации, в дальнейшем не утилизируются, а накапливаются в прудах-шламохранилищах и в конечном итоге безвозвратно теряются при захоронении.

Основным источником образования шламов нейтрализации являются кислые техногенные воды и жидкие стоки медно-колчеданных горно-обогатительных комбинатов Южного Урала, согласно «Докладу об экологической ситуации на территории республики Башкортостан в 2016 г.» [6] за последние пять лет среднегодовые показатели токсичных металлов в рудничных водах по содержанию цинка превысили в 2 раза ПДК, что в пересчёте на концентрацию в техногенных водах составляет до 400 мг/дм3, меди – от 3 до 8 ПДК с концентрацией от 239 до 1914 мг/дм3, марганца – от 1 до 8 ПДК и соответственно концентрация его доходит до 900 мг/дм3.

Далее приводятся среднегодовые показатели химического состава техногенных вод и жидких стоков АО «Сибайский ГОК» за 2010–2015 гг. (табл. 1).

Согласно приведённым данным компонентного состава техногенных вод и жидких стоков ПДК рыб/хоз превышает в несколько раз по железу, меди, цинку, марганцу, свинцу, хлоридам и сульфатам, что требует обязательного их обеззараживания и последующей утилизации.

Анализ технической литературы показал, что минеральные шламы, образующиеся в процессе переработки техногенных вод различных предприятий возможно использовать в качестве источников сырья для производства грунтоподобных рекультивационных материалов [7], в строительных растворах и бетонах [8, 9], при производстве цемента [10].

Целью работы является изучение возможности утилизации шламов нейтрализации, образующихся после очистки кислых техногенных вод и стоков медно-колчеданных месторождений Южного Урала на примере АО «Сибайский ГОК».

Таблица 1

Среднегодовые показатели химического состава техногенных вод и стоков АО «Сибайский ГОК» за 2010–2015 гг.

Показатели состава

воды

Ед. изм.

Подотвальная вода

Хвостохранилище 1

Хвостохранилище 2

Хвостохранилище 3

Рудничная вода

Камаганский карьер

Карьерная и шахтная вода

рудника Сибайский

pH

 

2,35

6,0

2,65

медь

мг/дм3

530,0

7,2

34,8

19,3

0,5

14,8

цинк

мг/дм3

400,1

32,3

113,6

8,75

16,1

127,0

железообщ.

мг/дм3

675,3

56,7

82,3

112,4

702,0

313,3

марганец

мг/дм3

495,6

10,5

0,9

10,1

25,1

248,5

свинец

мг/дм3

1,5

0,5

2,6

1,5

1,3

3,28

кадмий

мг/дм3

0,006

0,005

0,006

кальций

мг/дм3

648,3

247,5

201,5

211,3

29,3

35,4

магний

мг/дм3

1182,7

130,1

124,8

117,2

1902,0

1007,4

хлориды

мг/дм3

603,2

65,6

70,5

66,2

499,5

436,1

сульфаты

мг/дм3

4023,5

3012,2

3099,7

3265,9

21107, 4

701,2

общая жесткость

мг×экв/дм3

283,4

10,6,

9,95

10,13

77,2

41,2

 

Материалы и методы исследования

Для реализации данной цели в работе проводился комплекс исследований шламов нейтрализации: химический и компонентный анализ, структурный, физико-механический анализ, в том числе измерялось время истечения суспензии из воронки, определялся показатель пластичности, плотность суспензии, отношение объёма осадка к объёму суспензии исходной, показатель упругости, пластическая прочность, порог структурообразования. При проведении химического и компонентного анализа техногенных вод и стоков АО «Сибайский ГОК» (табл. 1) с целью необходимости достоверного определения аналитов на уровне ПДК, были рассчитаны их пределы обнаружения (пороги чувствительности) по серии единичных измерений (не меньше 5–6 и не больше 20 параллельных определений) для концентраций, близких к уровню холостого опыта, т.е. близких к пределу обнаружения. За предел обнаружения принимали минимальное количество аналита, присутствие которого в пробе может быть установлено с доверительной вероятностью 0,95. Обработка результатов измерений структурного, физико-механического анализов проводили в соответствии с требованиями ГОСТ Р 8.563-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Методики (методы) измерений».

Пробы подотвальной, шахтной воды и жидкой фазы стоков (фабричных хвостов) перемешивали с известковым молоком в контактном лабораторном чане в течение 5 минут при расходе осадителя 25 г/т. В качестве реагента в работе использовался стандарт-титр Ca(OН)2 (рН = 12,45) – аналог, применяемого реагентного режима на станции нейтрализации кислых стоков ГОКа. Для моделирования и изучения процессов, протекающих в пруде-отстойнике АО «Сибайский ГОК» проба гидролитического осадка отстаивалась естественным образом при нормальных условиях в течение 60 дней. По истечению этого срока проводились вышеуказанные исследования.

Все опыты проводили в трех параллелях.

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты изучения кинетики осаждения суспензий, полученных в процессе нейтрализации кислых рудничных вод, представлены на рис. 1.

Анализ кинетических кривых показал, что в течение первых 7 минут скорость осаждения практически неизменна, начальный участок кривой осаждения прямолинеен. Следовательно, образовавшиеся частицы дисперсной фазы имеют достаточно крупные размеры и примерно одинаковую форму. Через 10 минут осаждается 76,3 % суспензии. Быстрое осаждение осадка объясняется присутствием в матрице растворов таких ионов-коагуляторов, как Fe3+, SO42-.

med1.wmf

Рис. 1. Кинетические кривые осаждения суспензий: 1 – Fe(OH)3, 2 – Zn(OH)2, 3 – из кислой подотвальной воды АО «Сибайский ГОК» 4 – Cu(OH)2 из нейтрализованных однокомпонентных модельных систем;

med2a.tif med2b.tif med2c.tif

а) б) в)

Рис. 2. Структура шлама нейтрализации после 20 дней (а), 40 дней (б) и 60 дней (в) отстаивания

Жидкая фаза техногенных вод обогатительных фабрик до начала процесса нейтрализации часто представляет собой гетерогенную систему, содержащую наряду с истинно растворенными веществами взвеси и коллоиды (степень дисперсности 106 мм-1). В полученном осадке кроме рудных, металлсодержащих минералов присутствуют глинистые частицы, образовавшиеся в результате обогатительного передела из вмещающих пород: зерна крупностью 0,001–0,0002 мм составляют более 95 %.

Химический и компонентный анализ шламов нейтрализации АО «Сибайский ГОК» показал, что:

– содержание металлов (Ме) и оксидов (вес. %): Cu – 0,351, Zn – 0,756, Fe – 22,14, Mn – 1,43, Cd – 0,0017, Pb – 0,061, CuO – 0,61, ZnO – 1,12, FeO/Fe2O3 – 46,7, MnO – 0,38, CaO – 12,05, MgO – 2,5, Na2O – 0,61, BaO – 0,34, SiO2 – 39,9, Al2O3 – 7,1;

– гидролитические осадки представляют собой полиминеральную массу, твёрдой частью которой являются гипс, гидроксид и карбонат кальция, минеральные соли щелочных, щелочноземельных Ме и гидроксиды тяжёлых и цветных металлов Ме(ОН)n, металлы которых широко представлены в подотвальных водах;

– в шламах присутствуют растворимые сульфаты и хлориды тяжелых и цветных металлов.

В ходе проведения исследований было установлено, что наличие в осадках нейтрализации аморфных гидроксидов RO (CuO + ZnO + MnO2) и R2O3 (Al2O3 + Fe2O3) будет оказывать положительное воздействие на физико-механические свойства шламов, увеличивая сорбционную емкость микрочастиц шлама и тем самым повышая его пластичность.

Структурный анализ шламов нейтрализации показал наличие зернистой структуры. Структура шлама после 20, 40 и 60 дней естественного отстаивания представлена на рис. 2 (а, б, в).

По истечении первых 20 дней произошло отделение свободной воды и ориентированная кристаллизации новообразований размерностью: длиной от 180 до 1020 мкм и шириной в среднем 35–45 мкм. После 40 дней отстаивания наблюдается «созревание» осадков и их уплотнение. По истечению следующих 20 дней отмечается минерализация «созревающих» осадков за счёт удаления гигроскопической влаги из минеральных кристаллогидратов Ме (Fe Cu, Zn, Mn, Pb, Cd). Размерность образований характеризуется уменьшением длины в среднем от 170 до 550 мкм и ширины от 5 до 15 мкм.

Таким образом, при естественном отстаивании гидролитических осадков нейтрализации без введения дорогостоящих коагулянтов и флокулянтов прослеживается возможность получения продуктивных шламов, характеризующихся высокодисперсной структурой.

Следует отметить также, что шламы нейтрализации техногенных вод и стоков представляют собой гетерогенные гипсовые, гипсово-известковые, гипсово-карбонатные и гипсово-известково-карбонатные структуры с гидроксидами тяжёлых и цветных металлов и их неорганических солей.

Далее приводятся результаты физико-механического анализа шламов нейтрализации (табл. 2): время истечения суспензии из воронки, показатель пластичности, плотность суспензии, отношение объёма осадка к объёму суспензии исходной, показатель упругости, пластическая прочность, порог структурообразования.

Таблица 2

Физико-механические свойства осадков нейтрализации АО «Сибайский ГОК»

Показатель

Значение

Время истечения суспензии из воронки, с

7,42

Показатель пластичности

295,56

Плотность суспензии, г/см3

1,26

Отношение объема осадка к объему суспензии исходной

1,12

Показатель упругости

2,23

Пластическая прочность, мПа·10-2

0,86

Порог структурообразования, %

41,18

 

Согласно полученным результатам шламы нейтрализации АО «Сибайский ГОК» показывают время истечения суспензии из воронки в пределах 7,42 и отношение объёма осадка к объему суспензии исходной – 1,12, характеризуются высокими показателями пластичности – 295,56, упругости – 2,23 и порога структурообразования – 41,18 %, что позволяет отнести шламы нейтрализации к техногенному минеральному сырью, добавки которого положительно отразятся на свойствах строительных материалов.

Заключение

Проведенные исследования позволяют делать вывод о возможности утилизации шламов нейтрализации, образующихся после очистки кислых техногенных вод и стоков медноколчеданных месторождений Южного Урала на примере АО «Сибайский ГОК», как техногенного сырья для производства строительных материалов, а именно:

– шламы АО «Сибайский ГОК», характеризующиеся высокими показателями упругости, порогом структурообразования и пластической прочности, позволяют рекомендовать их в качестве упрочняющих добавок к асфальтобетонам и материалам при планировке рельефа местности;

– положительное действие на реологические свойства строительных смесей будут оказывать Al2O3, Fe2O3, RO (CuO + ZnO + MnO), находящиеся в шламах нейтрализации в виде аморфных гидроксидов и увеличивающие адсорбционную способность смесей, например частиц цементов, повышая тем самым их пластичность;

– полиминеральная масса шлама нейтрализации, содержащая гипс, карбонат кальция, минеральные соли щелочных, щелочноземельных Ме и гидроксиды тяжёлых и цветных металлов Ме(ОН)n, может быть использована в качестве наполнителей бетонов, способствуя экономии дорогостоящих вяжущих компонентов, снижению расхода воды и повышению подвижности бетонных растворов;

– многотоннажные высокодисперсные шламы нейтрализации горно-обогатительных комбинатов Южного Урала, содержащие гипсовые, гипсово-известковые, гипсово-карбонатные и гипсово-известково-карбонатные структуры с гидроксидами тяжёлых и цветных металлов и их неорганических солей возможно использовать в качестве минеральных связующих компонентов закладки выработанного пространства в рудниках самих горно-обогатительных комбинатов.


Библиографическая ссылка

Медяник Н.Л., Шевелин И.Ю., Бодьян Л.А. ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УТИЛИЗАЦИИ ШЛАМОВ ОЧИСТКИ ТЕХНОГЕННЫХ ВОД И СТОКОВ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ ЮЖНОГО УРАЛА // Успехи современного естествознания. – 2017. – № 12. – С. 201-206;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36629 (дата обращения: 24.05.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674