ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОД

К основным гидрогеологическим проблемам разведки и разработки месторождений полезных ископаемых относятся прогнозирование и предотвращение загрязнения и истощения подземных вод, имеющих хозяйственную ценность.

Гидрогеологическую обстановку формируют следующие процессы:

• • гидрогеохимические и санитарно-технические. Последствия — химическое, физическое и биологическое загрязнение вод под влиянием сброса неочищенных сточных вод шахт, рудников и карьеров в поверхностные водоемы;
• • осушение водоносных горизонтов и дренирование поверхности. Последствия — нарушение взаимосвязи подземных и поверхностных вод и условий питания подземных вод; изменение структуры баланса подземных вод;
• • взаимодействие осушительных сооружений с действующими водозаборами подземных вод.

Технические мероприятия по охране природных вод основываются на принципах:

• • сохранения водных ресурсов и предотвращение нарушения состояния и качества вод;
• • в случае неизбежности их нарушения — принципе рационального их использование;
• • восстановления качества и состояния, восполнения их запасов. При производстве добычных работ масштабы изменения водных

режимов значительно увеличиваются.

Значительны изменения гидрогеологических условий при строительстве карьеров. Поверхностные и подземные воды затрудняют вскрытие и выемку полезного ископаемого, поэтому до начала горных работ и в их процессе осуществляются мероприятия по осушению породных массивов.

При большой водоносности используются водопонижающие скважины, оборудованные погружаемыми насосами. На карьерах Германии для осушения карьеров широко применяются скважины большого диаметра и глубины (диаметр до 1 м, глубина до 200 м).

На действующих карьерах КМА за год откачивается около 100 млн м³ воды. В Германии при открытой добыче угля откачивалось 1,1 -1,3 млрд м³ в год, или около 5 м³ воды в год на 1 т добытого угля.

Во многих горнопромышленных районах России (КМА, Кузбасс и др.) формируются обширные региональные депрессии грунтовых вод. Осушение месторождений существенно влияет на истощение запасов качественных пресных вод. Появились серьезные симптомы негативного изменения качества режима подземных вод на больших площадях и при широком диапазоне глубин. Вследствие чрезмерного отбора уровень подземных вод местами понижается до 150—200 м. На горных предприятиях вследствие интенсивного сбора подземных вод образовались пустоты, что приводит к просадкам и образованию впадин на поверхности. Катастрофическая обстановка по этой причине сложилась в восточном Донбассе (г. Новошахтинск).

По окончании разработки месторождений депрессионные воронки со временем исчезают, восстанавливается режим подземных и поверхностных вод. На последний значительное влияние оказывает масштаб нарушений. При открытой разработке месторождений восстановительные процессы протекают медленно, а при подземной — быстрее.

Изоляция карьерного (шахтного) поля от подземных и поверхностных вод с помощью противофильтрационных завес позволяет уменьшить и предотвратить водоприток в зону горных работ, сохранить ресурсы подземных вод, а также их естественный режим. Про- тивофильтрационные завесы нашли широкое применение в России и в ряде зарубежных стран, преимущественно при производстве горных работ (рис. 5.1).

На Украине этот способ был успешно применен при строительстве Раздольского серного карьера. Длина барражной траншеи составила 11 м, ширина понизу в среднем 4 м, поверху 30 м. Способ эффективно используется в Германии, например на одном из карьеров Л аузиц- кого буроугольного бассейна; в Польше, Венгрии и других странах.

Экономическая целесообразность использования противофиль- трационых завес при открытой разработке месторождений и область их применения зависят от геологических, гидрогеологических и горнотехнических факторов. По мнению немецких специалистов, использование противофильтрационных завес, требует во много раз меньше затрат на 1 кубометр воды по сравнению со строительством и эксплуатацией поверхностных и подземных водохранилищ.

Рис. 5.1. Профилактика смешения водных потоков при разработке Мичуринского уранового месторождения (Украина):

1 — отбитая руда; 2 — орт буро-доставочный; 3 — целик надортовый; 4 — временно замагазинированная отбитая руда; 5 — завеса противофильтрационная (стена в грунте)

В России и Германии осуществляется система мер по охране водных ресурсов с целью предохранения попадания загрязненных вод в окружающую среду. Строятся специальные очистительные сооружения (отстойники), использующие химический, биологический и другие методы очистки вод от загрязнителей. Сущность биологической очистки состоит в разрушении вредных веществ — загрязнителей микроорганизмами и бактериями. Эффективным средством очистки является использование воды по замкнутому циклу, т.е. очистка воды и возврат ее в производство.

Осветление воды достигается путем отстаивания и фильтрования. При отстаивании взвешенные грубодисперсные минеральные частицы осаждаются под действием гравитационных сил. Осаждение начинается при определенной скорости потока жидкости, в неподвижном потоке осветление осуществляется наиболее интенсивно. При фильтровании взвешенные частицы задерживаются в фильтрах. Мелкодисперсные и коллоидные частицы, содержащиеся в воде, осаждаются медленно или совершенно не осаждаются даже в неподвижном потоке и не задерживаются на фильтрах, поэтому для осветления их в воду добавляют в небольших количествах коагулянты или флокулянты — реагенты, переводящие мелкодисперсные и коллоидные частицы в относительно крупные хлопья, выпадающие в осадок или задерживаемые фильтрами.

На горных предприятиях России эксплуатируются сооружения, позволяющие очищать 39 млн м³ сточных вод в сутки. Эксплуатируется 520 очистных сооружений, в том числе 300 прудов-осветителей и 180 типовых горизонтальных отстойников. Ежегодно из рудничных вод извлекают 1 млн м³ взвесей.

В технологических схемах наиболее широко применяют механические, химические и биологические методы очистки. Для нейтрализации кислых рудничных вод обычно используют известковое молоко, а щелочные воды подкисляют.

Основными мероприятиями, уменьшающими влияние негативных факторов на окружающую среду при производстве горных работ, являются:

• • создание и внедрение различных типов бессточных технологических схем и способов очистки сточных вод;
• • разработка и внедрение технологических схем переработки отходов производства, в результате чего могут быть получены вторичные минеральные ресурсы;
• • создание и внедрение безводных технологических процессов;
• • разработка и создание комплексных систем водоснабжения, канализации и водоохранных мероприятий в масштабе промышленных регионов;
• • использование средств защиты водных объектов от нерегулируемого стока;
• • создание и внедрение процессов, снижающих количество отходов;
• • разработка и внедрение автоматизированных систем контроля и регулирование состава природных и сточных вод.

Особое внимание уделяется рационализации использования водных ресурсов за счет повышения эффективности работы очистных сооружений и установок, расширения повторного водоснабжения производства, использования очищенных сточных и рудничных вод для отопления и других нужд народного хозяйства.

Эффективен термический метод очистки особотоксичных сточных вод на многих горнообогатительных комбинатах России. На горных предприятиях построены мощные очистительные сооружения, основанные на принципах химической, биологической и другой очистки вод. Так, если на нефтеперерабатывающих заводах, построенных 30 лет назад, расход свежей воды доходил до 6 м³ на 1 т перерабатываемой нефти, то на современных заводах он снижен до 0,1—0,2 м³.

Радиоэкологическое воздействие на окружающую среду оказывает дренаж дамбовых вод хвостохранилищ, в которых складируют отходы переработки уранового сырья на гидрометаллургических заводах, в местах возможных утечек через гидроизоляции фильтрационных вод. Здесь более значимым фактором, в сравнении с радиационным, является химическое загрязнение дамбовых вод сульфатами, нитратами, марганцем, молибденом и другими элементами.

Наиболее серьезными последствиями изменения гидрогеологического и теплового режимов, условий существования речной флоры и фауны, а также затопления значительных площадей пойменных земель, переувлажнения и подтопления почв, прилегающих угодий, является ухудшение гидробиологической обстановки в морях и озерах, куда впадают реки. С целью минимизации загрязнения рек применяется система мер, позволяющая уменьшить загрязнение водоемов и почв.

На горнодобывающих предприятиях осваиваются перспективные технологии охраны гидросферы, включающие очистку сбросных вод и другие технологии. Очистка сточных вод от твердых частиц в зависимости от их свойств, концентрации и фракционного состава на предприятиях осуществляется методами процеживания, отстаивания, отделения твердых частиц в поле действия центробежных сил и фильтрования.

Процеживание — первичная стадия очистки сточных вод — предназначено для выделения из сточных вод крупных нерастворимых примесей размером до 25 мм, а также более мелких волокнистых загрязнений, которые в процессе дальнейшей обработки стоков препятствуют нормальной работе очистного оборудования. Процеживание сточных вод осуществляется пропусканием воды через решетки и волокноуловители. Решетки с зазором 5—25 мм, устанавливают в коллекторах сточных вод вертикально или под утлом 60—70° к горизонту. Размеры поперечного сечения решеток выбирают исходя из условия минимальных потерь давления потока на решетке. Скорость сточной воды в зазоре между стержнями решетки не должна превышать значений 0,8-1,0 м/с при максимальном расходе сточных вод.

Отстаивание основано на осаждении твердых частиц в жидкости. При этом может быть свободное осаждение неслипающихся частиц, сохранивших свои формы и размеры, и осаждение частиц, склонных к коагулированию и изменяющих при этом форму и размеры.

Очистку сточных вод отстаиванием осуществляют в песколовках и отстойниках. Песколовки применяют для выделения частиц песка (стоки литейных цехов), окалины (стоки кузнечно-прессовых и прокатных цехов) и т.д. В зависимости от направления движения сточной воды песколовки делят на горизонтальные с прямолинейным и круговым движением воды, вертикальные и аэрируемые.

Для разделения твердых частиц по фракционному составу или по плотности применяют аэрируемые песколовки, в состав которых входят: входная труба, воздуховод, воздухораспределители, выходная труба, шламосборник с отверстием для удаления шлама. Крупные фракции осаждаются, как и в горизонтальных песколовках. Мелкие же частицы, обволакиваясь пузырьками воздуха, всплывают наверх и с помощью скребковых механизмов удаляются с поверхности.

В вертикальном отстойнике сточная вода поступает по трубопроводу в кольцевую зону, образованную цилиндрической перегородкой и корпусом отстойника. В процессе вертикального движения сточная вода встречает на пути отражательное кольцо, направляющее поток воды во внутреннюю полость перегородки, а твердые частицы — в шламосборник.

Отделение твердых примесей в поле действия центробежных сил осуществляется в открытых или напорных гидроциклонах и центрифугах. Открытые гидроциклоны применяют для отделения из сточных вод крупных твердых частиц со скоростью осаждения более 0,02 м/с. Преимущества открытых гидроциклонов перед напорными — в большей производительности и малых потерях напора, не превышающих 0,5 кПа. Эффективность очистки сточных вод от твердых частиц в гидроциклонах зависит от характеристик примесей (вида материала, размеров и формы частиц и т.д.), а также от конструкционных и геометрических характеристик самого гидроциклона.

Фильтрование сточных вод предназначено для очистки их от тонкодисперсных твердых примесей с небольшой концентрацией. Процесс фильтрования применяется после физико-химических и биологических методов очистки, так как некоторые из этих методов сопровождаются механическими загрязнителями. Для очистки сточных вод предприятий используют два класса фильтров: зернистые, в которых очищаемую жидкость пропускают через насадки несвязанных пористых материалов, и микрофильтры, элементы которых изготовлены из связанных пористых материалов.

В зернистых фильтрах широко используют в качестве фильтрома- териалов кварцевый песок, дробленый шлак, гравий, антрацит и т.п. Зернистые фильтры изготавливают однослойными и многослойными.

Для очистки сточных вод от ферромагнитных примесей применяют электромагнитные фильтры, в которых используются пондермо- торные силы взаимодействия между намагниченной фильтровальной загрузкой и ферромагнитными примесями сточной воды. Сточная вода через трубопровод поступает в корпус из немагнитного материала, проходит через ограничительную решетку, фильтровальную загрузку из ферромагнитных частиц с толщиной слоя 0,15—0,2 м, опорную решетку и выводится из фильтра по трубопроводу. Намагничивание фильтровальной загрузки осуществляют магнитным полем, создаваемым катушкой индуктивности с ферромагнитным сердечником. Эффективность очистки сточных вод от ферромагнитных и немагнитных примесей составляет, соответственно, 95-98 и 40—60%. Регенерация фильтра производится при выключенном электромагнитном поле неочищенной сточной водой в направлении фильтрования или в обратном направлении чистой водой.

Очистка сточных вод от маслопродуктов осуществляется отстаиванием, обработкой в гидроциклонах, флотацией и фильтрованием.

Отстаивание основано на закономерностях всплывания маслопродуктов в воде по тем же законам, что и осаждение твердых частиц. Процесс отстаивания происходит в отстойниках и маслоловушках. При проектировании очистных сооружений предусматривают использование отстойников как для осаждения твердых частиц, так и для всплывания маслопродуктов.

Отделение маслопродуктов в поле действия центробежных сил осуществляют в напорных гидроциклонах. При этом целесообразно использовать напорный гидроциклон для одновременного выделения и твердых частиц и маслопродуктов, что необходимо учитывать в конструкции гидроциклона.

Очистка сточных вод от маслопримесей флотацией заключается в интенсификации процесса всплывания маслопродуктов при обволакивании их частиц пузырьками воздуха, подаваемого в сточную воду. В основе этого процесса лежит молекулярное слипание частиц масла и пузырьков тонкодиспергированного в воде воздуха. Образование агрегатов «частица — пузырьки воздуха» зависит от интенсивности их столкновения друг с другом, химического взаимодействия находящихся в воде веществ, избыточного давления воздуха в сточной воде и т.п.

В зависимости от способа образования пузырьков воздуха различают следующие виды флотации: напорная, пневматическая, пенная, химическая, биологическая, электрофлотация и т.д.

Преимущества метода электрофлотации заключаются в том, что протекающие при нем электрохимические окислительно-восстановительные процессы обеспечивают дополнительное обеззараживание сточных вод. Использование алюминиевых или железных электродов обусловливает переход ионов алюминия или железа в раствор, что способствует коагулированию мельчайших частиц загрязнений, содержащихся в сточной воде.

Очистка сточных вод от маслосодержащих примесей фильтрованием — заключительный этап очистки. Он необходим, поскольку концентрация маслопродуктов в сточной воде на выходе из отстойников или гидроциклонов достигает 0,01—0,2 кг/м³ и значительно превышает допустимые концентрации маслопродуктов в водоемах.

Адсорбция масел на поверхности материала происходит за счет сил межмолекулярного взаимодействия и ионных связей. Существенное влияние на процесс осаждения маслопродуктов на фильтрома- териал оказывают электрические явления, происходящие на поверхности раздела «кварцводная среда», связанные с возникновением разности электрических потенциалов на этой поверхности и образованием двойного электрического слоя. На процесс адсорбции маслопродуктов влияют поверхностно-активные вещества (ПАВ), содержащиеся в сточной воде.

В качестве фильтрующих материалов кроме кварцевого песка используют доломит, керамзит, глауконит. Эффективность очистки сточных вод от маслосодержащих примесей значительно повышается при добавлении волокнистых материалов (асбеста и отходов асбестоцементного производства).

Среди известных методов очистки шахтных вод (реагентный, ионообменный, электрохимический, мембранный и их сочетания) наиболее распространен реагентный, основной недостаток которого, однако, заключается в опасности загрязнения окружающей среды в случае потери реагентов и материалов.

Новая технология очистки промышленных сточных вод с осади- телем, содержащим алюминий-реагенты комплексно-осадительного типа опробована на предприятиях атомной энергетики.

Интерес представляет электрохимическая очистка и утилизация шахтных вод, технология и аппараты которой апробированы на предприятиях Целинного горно-химического комбината (Казахстан). Для приготовления твердеющих закладочных смесей применяют сбросные шахтные воды, качественные характеристики которых оказывают влияние на физико-механические свойства искусственных массивов: при повышенной кислотности замедляется реакция схватывания вследствие выщелачивания цемента и нейтрализации его активности; щелочная реакция воды, наоборот, ускоряет этот процесс. Наименее благоприятное влияние на качество твердеющей закладочной смеси оказывают сульфаты. Свойства шахтных вод даже для одного месторождения могут изменяться в широких пределах, поэтому в технологической цепи закладочного комплекса целесообразно иметь аппараты по очистке шахтных вод.

Электрохимическая обработка в двухкамерном электролизере основана на осаждении солей и примесей в катодной камере при взаимодействии их с продуктами катодных и анодных реакций, снижении ионов и электродиффузии их через мембраны. После обработки в промышленной установке очищенная вода используется для приготовления твердеющей закладочной смеси. Технология позволяет удалить соли жесткости, которые являются осадителями примесей. В результате очистки получаются щелочный католит, кислый анолит и осадок. Анолит — водородный показатель 2, окислительно-восстановительный потенциал Eh =1100-1200 — аналогичен растворам сильных кислот, а католит — растворам сильных щелочей. При кислотности {pH), равной 12,3, общая жесткость воды снижается с 40 до 0,08 мг-экв/л, а общий солевой состав — на 30—50%.

Возможности установки характеризуются данными табл. 5.2.

Таблица 5.2

Технологическая характеристика установки

Побочным продуктом очистки шахтных вод в цепи приготовления твердеющих закладочных смесей является остаток католита. Кроме металла, извлекаемого из осадка, утилизируются минералы, являющиеся сырьем для цементной и керамической промышленности.

На предприятиях объединения «Дальполиметалл» Адрасманско- го свинцово-цинкового комбината воду очищают сульфатом железа. НИГРИ (Украина) в качестве основного предложен электрохимический метод опреснения шахтных вод, который представляет собой многостадийную обработку с отсадкой продуктов, элементов и их групп. Метод позволяет опреснять воду любой минерализации и утилизировать продукты процесса с получением коммерческого эффекта. Суммарный объем сухого остатка в Кривбассе достигает 1 млн т, поэтому утилизация заменяет собой разработку крупного месторождения.

На горном предприятии «Восток-Руда» (г. Желтые Воды) из шахтных водоотливов вода подается в отстойник емкостью V= 900 м³, предназначенный для очистки шахтной воды от песковой и части шламовой фракции методом отстаивания, затем насосами на колонне проходит через 9-струйный водоотделитель. Колонны работают в три цепочки, в которых установлено по 2, расположенные каскад- но. Процесс очистки шахтной воды от вредных примесей осуществляется сополимером ЭДЭ-10П в восходящем потоке воды при линейной скорости 8—12 м/час. Очищенная вода через сборный бак V— = 900 м³ поступает на насосы и откачивается на обогатительную фабрику.

После насыщения сополимера металлом, колонна отключается от технологического цикла сорбции, опорожняется от воды, и производится десорбция сополимера оборотными растворами. В схеме десорбции имеется склад для соды и селитры, 4 емкости по 170 м³ и емкость К =300 м³. Подача растворов из емкостей в сорбционные колонны осуществляется насосами. Десорбция производится путем пропускания растворов через слой сополимера сверху вниз со скоростью 1—1,5 м/ч и осуществляется по принципу противотока. Высота слоя раствора над уровнем сополимера — 0,5 м. Вывод десорб- ционных растворов из колонн производится насосом. Отмывка сополимера от остатков десорбционных растворов осуществляется очищенной водой, путем пропускания ее снизу вверх со скоростью 150-200 м³/ч.