Применение искусственных фильтрующих массивов для очистки карьерных сточных вод разреза «Шестаки»

© А.Н. Попов, Ю.В. Лесин, 2015

УДК 628.33

А.Н. Попов, Ю.В. Лесин

ПРИМЕНЕНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ФИЛЬТРУЮЩИХ МАССИВОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ КАРЬЕРНЫХ СТОЧНЫХ ВОД РАЗРЕЗА «ШЕСТАКИ»

Из всех отраслей промышленности в Кузбассе наибольшую нагрузку на окружающую среду создает угледобывающая отрасль. Однако строительство новых и эксплуатация существующих разрезов зачастую не соответствует задачам повышения экологической безопасности открытых горных работ. В данной статье для условий разреза «Шестаки» рассчитаны параметры искусственного фильтрующего массива, использование которого позволит значительно повысить степень очистки карьерных сточных вод.

Ключевые слова: открытые горные работы, карьерные сточные воды, искусственный фильтрующий массив.

В двадцать первом веке охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов становится одной из важнейших задач общества. Наиболее остро стоит вопрос охраны природы в крупных промышленных регионах, таких как Кемеровская область. Стратегия социально-экономического развития региона предусматривает к 2025 году довести объем добываемого угля в регионе до 250-300 млн т [1, 11].

Одним из сдерживающих факторов наращивания объемов добываемого угля является интенсивное загрязнение окружающей среды, которое приводит к изменению ландшафта, нарушению воздушной среды, однако, наибольший вред горные работы наносят качеству гидросферы. Это обусловлено сложным составом сбрасываемой сточной карьерной воды, которая загрязнена взвешенными веществами, маслами, тяжелыми металлами и нефтепродуктами одновременно. Ежегодно в водные объекты Кемеровской области поступает 2033,8 млн м3 таких вод, из них более 500 млн м3 предприятия сбрасывают без какой либо очистки, вместе с водой поступает 606,12 тыс. т загрязняющих веществ. Основной загрязняющей примесью сточных карьерных

560

вод являются взвешенные вещества, представленные тонкодисперсными породными и угольными частицами. Концентрация взвешенных веществ в карьерных водах составляет 50—250 мг/ дм3, достигая в отдельных случаях 2000-3000 мг/дм3 [2].

Для очистки сточных карьерных вод в настоящее время в Кузбассе используются различные методы и способы очистки, в том числе отстаивание в прудах-отстойниках и фильтрование в массивах, возведенных из коренных пород вскрыши.

Достоинствами такого искусственного фильтра в сравнении с прудами-отстойниками являются: малая землеемкость, стационарность, простота возведения, низкая себестоимость очистки сточных вод, что подтверждается проведенными научными исследованиями [3-6] и повсеместным внедрением данной технологии [7].

Процесс очистки воды основан на явлении кольматации (рис. 1).

В породных массивах происходит осаждение взвесей в порах и осветление фильтрующей воды, взвешенные частицы улавливаются в пористой среде в результате застревания в узких порах и прилипания к стенкам широких поровых каналов. После заиливания нижних слоев фильтрующего массива уровень воды в водоприемнике повышается, и в работу включаются новые, свежие слои породы. Содержание взвешенных веществ в исходной воде не ограничивается, а в осветленной соде составляет 0-10 мг/л. Размеры фильтров определяются в зависимости от притоков воды и требуемой степени осветления.

Конструкция фильтра зависит от рельефа и свойств верхних слоев грунта подстилающей поверхности, а параметры определяются величиной притоков воды, ее загрязненности и фильтрационными характеристиками фильтрующего материала.

Основными элементами фильтра являются устройство для подачи загрязненной воды, фильтрующий массив, корпус фильтра, устройство для сбора и отвода очищенной воды (рис. 2).

Рис. 1. Схематичное изображение принципа кольматации

561

А-А

Рис. 2. Общий вид фильтрующего массива: 1 — прудок в точке поступления воды в фильтр; 2 — фильтрующий массив; 3 — водосборник осветленной воды; 4 — водоудерживающая дамба

Фильтрующий массив состоит из дробленых скальных и полускальных пород с

крупностью кусков от 20 до 200 мм и более, способ его создания не отличается от технологии периферийного отвалообразования. Укладываемая в фильтрующий массив порода должна иметь коэффициент размягчения не менее 0,8 и не растворяться в воде. При отсыпке днища такого фильтра используются полускальные породы, которые при размягчении образуют плотный слабопроницаемый слой.

Сам фильтр работает следующим образом: загрязненная вода — суспензия поступает самотеком или по трубопроводу в водоприемник, откуда дренирует через фильтрующий массив. После заиливания нижних слоев фильтрующего массива уровень воды в водоприемнике повышается, и в работу включаются новые, свежие слои породы. Содержание взвешенных веществ в исходной воде не ограничивается, а в осветленной соде составляет 0-10 мг/л. Размеры фильтров определяются [8] в зависимости от притоков воды и требуемой степени осветления.

Рассмотрим проблему очистки карьерной воды на примере ОАО «Разрез Шестаки» [9].

ОАО «Разрез Шестаки» входит в состав группы предприятий ЗАО «Стройсервис» с 2000 года, расположен на Бачатском каменноугольном месторождении (Гурьевский муниципальный район, Кемеровская область). Предприятие добывает высококачественный уголь коксующихся и энергетических марок. Производственная мощность разреза — 1 млн т угля в год.

На 01.04.2015 года очистные сооружения ОАО «Разрез «Шестаки» представляют собой пруд-отстойник, который организован путем отсыпки грунтовой плотины из грунтов вскрышных пород разреза, с противофильтрационным экраном из суглин-

562

ков. В пруду-отстойнике происходит очистка сточной воды путем отстаивания (механического осаждения).

Качественная характеристика сточных вод, сбрасываемых после очистки в реку Малый Бачат, приводится в табл. 1.

Принимая во внимание приведенные в табл. 1 значения, определяем, что эффективность работы действующих очистных сооружений по основным загрязняющим веществам, составит:

- взвешенные вещества — 70,0%;

- нефтепродукты — 99,5%;

- сульфаты — 50,0%;

- хлориды — 50,0%.

Фактические и допустимые концентрации загрязняющих веществ в сбрасываемых сточных водах приняты на основании материалов, использованных при разработке нормативов ПДС.

Объем сточных вод, образующихся при отработке запасов угля на участке № 2, составит 6 118,56 тыс. м3/год. Использование очищенных сточных вод на технологическое водоснабжение (орошение взрываемого блока, гидрообеспыливание поверх-Таблица 1

Качественная характеристика сбрасываемых сточных вод ОАО «Разрез Шестаки»

№ п/п Определяемые ингредиенты Единицы измерения ПДС Концентрация до очистки Концентрация в сбрасываемой воде

1 рН ед. 6,5-8,5 7,5 7,21

2 Хлориды мг/л 300 86,85 19,1

3 Ион аммония мг/л 0,5 1,18 0,44

4 Нитрат-ион мг/л 40 321,84 8,5

5 Нитрит-ион мг/л 0,08 6,42 0,19

6 Железо мг/л 0,1 0,62 0,17

7 Сульфаты мг/л 100 389,42 76,1

8 Нефтепродукты мг/л 0,05 3,45 0,13

9 Взвешенные ве- мг/л Превышение 154,24 6,0

щества концентрации в

водоеме не более,

чем на 75 мг/л

10 Растворенный мг/л Не менее 4 4,5 8,5

кислород

11 Медь мг/л 0,001 0,006 0,0012

12 Марганец мг/л 0,01 0,029 0,001

563

ностей отвалов, полив дорог) позволит уменьшить количество сбрасываемых сточных вод. Расход воды на технологические цели составит 452,09 тыс. м3 в год. Следовательно, объем сточных вод, сбрасываемых в реку Малый Бачат после очистки, составит 5666,47 тыс. м3 в год.

Исходя из назначения искусственного фильтрующего массива, его возможное расположение на ОАО «Разрез Шестаки» должно соответствовать следующим критериям:

Положительный уклон (точка входа воды в массив выше точки выхода воды из него);

Благоприятное расположение относительно существующих водопроводов для минимизации затрат;

Так как мест с естественной природной выемкой, удобной для формирования массива, найти не представляется возможным, выбираем участок длиной 150 м с выдержанным уклоном (46,6%с) и относительно ровным рельефом.

Общий вид предлагаемого искусственного фильтрующего массива для ОАО «Разрез Шестаки» представлен на рис. 3.

Расчет параметров искусственных фильтрующих массивов проводился по методике, приведенной в [8]:

- Определение длины фильтрующего массива фильтра (необходимой длины фильтрации Ь);

- Определение ширины и высоты фильтрующего массива;

- Определение срока службы фильтра;

Рис. 3. Общий вид предлагаемого искусственного фильтрующего массива для ОАО «Разрез Шестаки»: 1 — сбрасывающая воду труба; 2 — водоприемник; 3 — фильтрующий массив; 4 — водосборник

564

Длина фильтрующего массива определяется исходя из условия очистки загрязненной воды до предельно допустимой концентрации:

Ь = П 1п= -^ыЩ24 = 92,7 м, п спдк 0,035 6

где С0 — исходная концентрация взвесей в фильтруемой воде (по данным протокола анализа качества воды разреза «Шестаки» № 318а от 30.09.2014 года С0 = 154,24 мг/дм3); Спдк — ПДК по взвешенным частицам (Спдк = 6 мг/дм3); п — показатель фильтрования (в среднем по Кузбассу принимается равным 0,035).

Принимаем длину искусственного фильтрующего массива по верху Ь = 95 м.

Определение ширины и высоты фильтрующего массива производится исходя из условий пропуска всей поступающей на очистку воды без перелива по верхней площадке массива или через гребень ограждающей дамбы (в случае возведения фильтра на горизонтальной поверхности). При этом задается ширина фильтрующего массива В.

Учитывая рельеф поверхности, примем ширину фильтрующего массива В = 50 м.

Затем находится искомое значение глубины фильтрационного потока в месте инфильтрации воды в фильтрующий массив.

=_64М5_=

ч 3600Ж/ 3600 • 50 • 0,015 • 0,0466 ' '

П_ = 95  0 0466 = 0,86 .

1 И+ 5,141 '

По таблице 98 [8] находим искомое значение: Нср = 4,2 м.

Высота фильтрующего массива определяется как:

Н = Нср + Нпр = 4,2 + 0,8 = 5 м.

Превышение верхней площадки фильтрующего массива и гребня ограждающей дамбы фильтра над уровнем воды в прудке Лпр в соответствии с Временной инструкцией по проектированию сооружений для очистки поверхностных сточных вод СН 496-77 [10] следует принимать не менее 0,5 м.

565

Определяем примерный срок службы фильтра при данной высоте фильтрующего массива:

1000 Л' V Т V В V к V пдс

С помощью данного искусственного фильтрующего массива на ОАО «Разрез Шестаки» можно значительно улучшить качество воды, сбрасываемой в реку Малый Бачат. В комплексе с действующими водоочистными сооружениями такой фильтр позволит на порядок снизить значение взвешенных частиц, а также всех прочих нормативов, доведя их до уровня значительно ниже ПДС. В конечном итоге технологические инновации в процессе открытой угледобычи дают возможность повысить инвестиционную привлекательность горных предприятий, ускорить модернизацию угольного кластера Кузбасса [12] и вывести экологическую составляющую горных работ на современный международный уровень.

1. Кемеровская область. Законы. Об утверждении стратегии социально-экономического развития Кемеровской области до 2025 года [Текст]: от 11.07.2008г. № 74-Оз // Законодательный вестник Совета народных депутатов Кемеровской области. — 2008. — № 78, I часть.

2. Доклад о состоянии и охране окружающей среды Кемеровской области в 2014 году [Электронный ресурс] // Департамент природных ресурсов и экологии Кемеровской области [Сайт]. — Режим доступа: http://kuzbasseco.ru/wp-content/uploads/2015/08/NEW_DOKLAD-2014.pdf (23.09.2015).

3. Tyulenev M.A. Justification complex purification technology open-pit mines wastewater / Tyulenev M.A., Lesin Y.V. // Taishan Academic Forum — Project on Mine Disaster Prevention and Control 2014. — С. 441-444. doi:10.2991/ mining-14.2014.66

4. Тюленев М.А. Перенос загрязняющих веществ при фильтрации сточных карьерных вод во вскрышных породах / М.А. Тюленев, С.Ю. Лукьянова, А.В. Папин, Е.А. Макаревич // Вестник Кузбасского государственного технического университета. — 2011. — № 2. — С. 22-30.

5. Лесин Ю.В. Сравнительная оценка содержания загрязняющих примесей в карьерных сточных водах при использовании различных методов

T

= 46 812 ч = 5,34 года.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

566

их очистки / Ю.В. Лесин, М.А. Тюленев, С.Ю. Лукьянова // ГИАБ. — 2012. — № S7. — С. 76-95.

6. Lesin Y.V. Formation of the composition and properties of dumps on the open-pit mines of Kuzbass / Y.V. Lesin, S.Y. Luk'yanova, M.A. Tyulenev // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2015. Т. 91. № 1. С. 012093. doi:10.1088/1757-899X/91/1/012093

7. Тюленев М.А. Технология очистки сточных вод на действующих разрезах Кузбасса / М.А. Тюленев, Ю.В. Лесин // ГИАБ. — 2012. — № S6. — С. 104-109.

8. Лесин Ю.В. Охрана и рациональное использование водных ресурсов при разработке угольных месторождений Кузбасса / Ю.В. Лесин, Л.С. Скрынник // Кемерово: Кузбассвузиздат, 2008. — 179 с.

9. Попов А.Н. Разработка мероприятий для повышения качества очистки карьерных сточных вод на разрезе «Шестаки»: Сб. материалов VII Всерос., науч.-практ. конференции с международным участием «Россия молодая», 21-24 апр. 2015 г., Кемерово [Электронный ресурс] // ФГБОУ ВПО «Куз-бас. гос. техн. ун-т им. Т.Ф. Горбачева»; редкол.: В.П. Тациенко (отв. ред.) [и др.]. — Кемерово, 2015.

10. Временная инструкция по проектированию сооружений для очистки поверхностных сточных вод СН 496-77.

11. Жиронкин С.А. Угольная отрасль Кузбасса / С.А. Жиронкин // ЭКО. — 2008. — № 5. — С. 81-86.

12. Жиронкин С.А. Структурно-отраслевые проблемы развития экономики Кузбасса / С.А. Жиронкин // Уголь. — 2009. — № 5 (997). — С. 18.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Попов Александр Николаевич — аспирант, ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева», e-mail: popov_alexandr@hotmail.com

Лесин Юрий Васильевич — д-р техн. наук, профессор кафедры маркшейдерского дела и геологии, ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева», e-mail: lyuv.geo@kuzstu.ru

UDC 628.33

USING OF ARTIFICIAL FILTER MASSIFS FOR PURIFICATION OF OPEN PIT MINE «SHESTAKI» WASTE WATER

Popov Aleksandr N., Postgraduate Student, Gorbachev Kuzbass State Technical University, e-mail: popov_alexandr@hotmail.com

Lesin Yuri V., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Surveying and Geology Department, Gorbachev Kuzbass State Technical University, e-mail: lyuv.geo@ kuzstu.ru

567

Of all the industries in the Kuzbass the coal industry creates highest load on the environment. However, the construction of new and maintenance of existing open-pit mines often do not correspond to the tasks of improving the environmental safety of surface mining. For the conditions of the open-pit mine «Shestaki» parameters of the artificial filter array, the use of which would significantly increase the degree of purification of waste water, are calculated in this article.

Key words: open pit mining, quarry waste water, artificial filter array.

References

1. Kemerovo Region. Laws. Approval of Strategy for Social-and-Economic Development in Kemerovo Region to 2025, no. 74-Oz, dated July 11, 2008, Legislative Bulletin of Kemerovo Region Council of People's Deputies, no. 78, Part I.

2. Report on Environmental Condition and Control in Kemerovo Region in 2014, Kemerovo Region Department of Natural Resources and Ecology, available at: http://kuzbasseco.ru/wp-content/uploads/2015/08/NEW_DOKLAD-2014. pdf (accessed September 23, 2015).

3. Tyulenev M.A., Lesin Yu.V. Justification of complex purification technology for open-pit mines wastewater, Taishan Academic Forum—Project on Mine Disaster Prevention and Control 2014, 2014, pp. 441-444, D0I:10.2991/min-ing-14.2014.66.

4. Tyulenev M.A., Luk'yanova S.Yu., Papin A.V., Makarevich E.A. Kuzbass State Technical University Bulletin, 2011, no. 2, pp. 22-30.

5. Lesin Yu.V., Tyulenev M.A., Luk'yanova S.Yu. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2012, no. S7, pp. 76-95.

6. Lesin Yu.V., Luk'yanov S.Yu., Tyulenev M.A. Formation of the composition and properties of dumps on the open-pit mines of Kuzbass, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2015, vol. 91, no. 1, D0I:10.1088/1757-899X/91/1/012093.

7. Tyulenev M.A., Lesin Yu.V. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2012, no. S6, pp. 104-109.

8. Lesin Yu.V., Skrynnik L.S. Protection and Rational Use of Water Resources in Open Pit Coal Mining in Kuzbass, Kemerovo, Kuzbassvuzizdat, 2008, 179 p.

9. Popov A.N. Development of measures towards improvement of wastewater treatment quality in Shestaki open pit mine, Young Russia: 7th International Conference Proceedings, Kemerovo, KGTU, 2015.

10. Temporal guidelines on design of surface wastewater treatment plants SN 496-77.

11. Zhironkin S.A. ECO, 2008, no. 5, pp. 81-86.

12. Zhironkin S.A. Coal, 2009, no. 5(997), p. 18.

568