Исследование процессов формирования химического загрязнения дренажных вод соединениями азотана примере карьера крупного горного предприятия

News of the Ural State Mining University 4

УДК 502/504 DOI 10.21440/2307-2091-2016-4-35-37

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ДРЕНАЖНЫХ ВОД СОЕДИНЕНИЯМИ АЗОТА НА ПРИМЕРЕ КАРЬЕРА КРУПНОГО ГОРНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

А. В. Хохряков, А. Г. Студенок, Г. А. Студенок

Investigation of formation processes of drainage waters chemical contamination with nitrogen compounds on the example of major mining enterprise

A. V. Hohryakov, A. G. Studenok, G. A. Studenok

An important ecological aspect of work of all mining enterprises that use drilling-and-blasting mining of rock mass with the application of industrial explosive agents (poremite, granemite, igdanite and others) based on ammonium nitrate is inevitable contamination of drainage waters with nitrogen compounds (ammonium ion NH4+, ion nitrate NO2- and ion nitrate NO3-). These drainage waters that are pumped out during drainage of deposits as a rule are discharged into surface water bodies which leads to their contamination. Execution of stringent requirements of environmental regulation based on protection of water bodies from contamination with nitrogen compounds during discharge of drainage waters dictates the need for selection and development of optimal from the standpoint of eco-economic positions technology of purification. Researching of formation processes of their chemical composition based on contaminated compounds and volume of drainage waters that are subject for cleaning for mining enterprises is necessary for this purpose. This article explores formation processes of chemical contamination of drainage waters with nitrogen compounds that are done in conditions of large pit of construction industry for the purpose of determining possible drainage water purification technologies. Results of research are used by the investigated enterprise during development of drainage water purification technology from nitrogen compounds and optimization of water treatment facilities work depending on the natural and man-caused factors taking into consideration specific conditions of enterprise and its infrastructure (connection of mass of nitrogen compound losses with the seasonality of water inflows, volume of rock mass, types of applied explosive agents).

Keywords: contamination of aquatic resources; drilling and blasting operations; drainage waters of pits; ammonia nitrogen; nitrite-nitrogen; nitrate-nitrogen; pit sump.

Важным экологическим аспектом работы всех горнодобывающих предприятий, использующих буровзрывную подготовку горной массы с применением промышленных взрывчатых веществ (порэмит, гранэмит, игданит и др.) на основе аммиачной селитры, является неизбежное загрязнение дренажных вод соединениями азота (ион аммония ЫИ4+, ион нитрита Ы02- и ион нитрата Ы03-). Эти дренажные воды, откачиваемые при осушении месторождений, как правило, сбрасываются в поверхностные водные объекты, приводя к их загрязнению. Выполнение ужесточающихся требований природоохранного законодательства по охране водных объектов от загрязнения соединениями азота при сбросе дренажных вод обусловливает необходимость выбора и разработки оптимальной с эколого-экономических позиций технологии их очистки. Для этого необходимо изучение процессов формирования их химического состава по загрязняющим веществам и объема дренажных вод, подлежащих очистке, для горнодобывающих предприятий. В статье рассмотрены процессы формирования химического загрязнения дренажных вод соединениями азота, исследованные в условиях крупного карьера строительной индустрии с целью определения возможных технологий очистки дренажных вод. Результаты исследований использованы рассматриваемым предприятием при разработке технологии очистки дренажных вод от соединений азота и оптимизации работы очистных сооружений в зависимости от природных и техногенных факторов с учетом конкретных условий предприятия и его инфраструктуры (связь массы выноса соединений азота с сезонностью водоприто-ков, объемом горной массы, видов применяемых ВВ).

Ключевые слова: загрязнение водных ресурсов; буровзрывные работы; дренажные воды карьеров; аммонийный азот; нитритный азот; нитратный азот; карьерный водоотлив.

Буровзрывная подготовка горной массы с применением промышленных взрывчатых веществ (порэмит, гранэмит, игданит) на основе аммиачной селитры (нитрат аммония N^N0^ при разработке обводненных месторождений приводит к загрязнению дренажных вод горных выработок соединениями азота (ионы аммония КИ4+, ионы нитрита N0^ и ионы нитрата N0^). Дренажные воды, откачиваемые при осушении месторождений, как правило, сбрасываются в поверхностные водные объекты, приводя к их загрязнению. Данная проблема характерна практически для всех предприятий горнодобывающего комплекса [1-4]. В Свердловской области это ОАО «Качканарский горно-обогатительный комбинат», ОАО «Ураласбест», ОАО «Высокогорский горно-обогатительный комбинат» и другие предприятия горнопромышленного комплекса, строительной индустрии с открытым и подземным способами добычи, использующе буровзрывную подготовку горной массы.

Выполнение требований природоохранного законодательства по охране водных объектов от загрязнения соединениями азота при сбросе дренажных вод обусловливает необходимость выбора и разработки оптимальной, с эколого-экономических позиций, технологии их очистки

[5]. Для этого необходимо изучение процессов формирования их химического состава по загрязняющим веществам и объема дренажных вод, подлежащих очистке.

По результатам раннее выполненных исследований в условиях крупного карьера установлено, что количество соединений азота, поступающих в дренажные воды при ведении взрывных работ, составляет от 3 до 4 % от количества азота, содержащегося в израсходованных взрывчатых веществах [6]. Поступление соединений азота в дренажные воды при ведении взрывных работ приводит к существенному превышению допустимого уровня их содержания в поверхностных и подземных водах, вызывая загрязнение водных объектов при сбросе в них дренажных вод.

Поступление в дренажные воды карьера ионов аммония (аммонийный азот) связано с растворением и вымыванием нитрата аммония при зарядке обводненных скважин. Загрязнение дренажных вод ионами нитрита (нитритный азот) связано с сорбцией горной массой образующихся при взрывах оксидов азота, их последующее вымыванием атмосферными осадками и поступлением образующихся ионов нитрита в дренажные воды [7]. Поступление ионов нитрата в дренажные воды связано как с процессом растворения нитрата аммония в обводненных скважинах, так и с вымывание атмосферными осадками сорбированных горной массой оксидов азота (рис. 1).

Осушение карьера рассматриваемого горного предприятия производится дренажной шахтой через сеть водоспускных скважин, пройденных из зон ведения работ в горизонтальные подземные выработки

Рисунок 1. Источники поступления соединений азота в дренажные воды при ведении взрывных работ.

ИЗВЕСТИЯ УРАЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

ДЕКАБРЬ 2016 | ВЫПУСК 4 (44) 35

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

A. V. Hohryakov et al. / News of the Ural State Mining University 4 (2016) 35-37

a

I I „

mi11 8

go.™

п; о <

в О 1 Ц

Месяцы

Рисунок 2. Среднемесячная динамика объема водоотлива.

(штреки), расположенные под дном карьера, с последующей откачкой воды на поверхность. Штреки в определенных местах разделены водонепроницаемыми переборками, оборудованными спускными трубами с задвижками, что позволяет затоплять часть выработок в периоды интенсивного притока и регулировать водоотлив, сглаживая пики паводков во времени. Откачка воды на поверхность производится насосами ЦНС-300/540, количественно объем откачиваемых дренажных вод определяется производительностью и временем работы насосов.

На рис. 2 приведена среднемесячная динамика объема водоотлива за период 2006-2015 гг.

Результаты наблюдений показывают, что в годовом разрезе за рассматриваемый период максимальные значения объемов образования дренажных вод (до 70 % годового объема дренажных вод) приходятся на теплый период года (апрель-октябрь), что связано с природными факторами - снеготаянием и атмосферными осадками, выпадающими на водосборную площадь карьера предприятия.

Дренажные воды имеют высокий уровень природного и техногенного загрязнения. Состав дренажных вод хлоридно-гидрокарбонатный или гидрокарбонатно-хлоридный магниевый, минерализация 0,4-1,3 г/ дм3, общая жесткость до 8,2-10,5 моль/дм3; рН до 8,5-9,5.

Анализ проб воды на соединения азота производится лабораторией по контролю производства с использованием следующих утвержденных методик серии ПНД Ф:

- аммонийный азот: фотометрический метод с реактивом Несслера;

- нитритный азот: фотометрический метод с сульфаниловой кислотой и а-нафтиламином;

- нитратный азот: фотометрический метод с салицилатом натрия.

Химический состав дренажных вод по соединениям азота, постоянно контролируемый лабораторией по контролю производства рассматриваемого горного предприятия (периодичность отбора проб 2 раза в месяц), позволяет установить количественные зависимости процессов загрязнения дренажных вод соединениями азота.

Анализ отчетных данных предприятия по качественному и количественному составу сбрасываемых дренажных вод показывает, что превышение концентраций соединений азота по сравнению с установленными нормативами ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения [8] составляет:

- аммонийный азот - в 15-30 раз;

- ион нитрита - в 50-150 раз;

- ион нитрата - в 2,0-3,5 раза.

Определяемые при проведении производственного контроля концентрации соединений азота в дренажных водах обусловлены вымыванием из горной массы соединений азота и позволяют оценить их количество как произведение среднемесячных концентраций на среднемесячный объем дренажных вод.

На рис. 3, а, б, в приведены данные по среднемесячным массам выноса соединений азота с дренажными водами карьера за период 2006-2015 гг.

Анализ результатов наблюдений за составом дренажных вод карьера по соединениям азота (рис. 3, а, б, в) показывает неравномерность их поступления в окружающую среду по периодам года (максимальная масса выноса характерна для теплого периода года).

» a if

I 1 !

iuf^S

1 Ц t

clx

Si P

I £ i i

100

I 80 f 60

Месяцы

Рисунок 3. Среднемесячные массы выноса соединений азота с дре-

+ _

нажными водами карьера. а - иона аммония ; б - иона нитрита N02;

в - иона нитрата N03.

Сводные результаты анализа приведены в таблице.

Анализ результатов показывает следующее:

- 21% от среднегодового выноса иона аммония приходится на холодный период (ноябрь-март) и 79 % от среднегодового выноса - на теплый период (апрель-октябрь);

- 31,5 % от среднегодового выноса иона нитрита приходится на холодный период (ноябрь-март) и 68,5 % от среднегодового выноса - на теплый период (апрель-октябрь);

- 31% от среднегодового выноса иона нитрата приходится на холодный период (ноябрь-март) и 69 % от среднегодового выноса - на теплый период (апрель-октябрь).

Увеличение выноса соединений азота для теплого периода года связано с увеличением объемов образования дренажных вод за счет атмосферных осадков, выпадающих на водосборную площадь карьера (дождевые осадки и весеннее снеготаяние).

На рис. 4, а, б, в представлены графики зависимости изменения массы выноса соединений азота от объема откачиваемых дренажных вод.

Анализ представленных графиков показывает, что между массами выноса соединений азота и объемом карьерного водоотлива наблюдаются тесные, практически линейные зависимости, характеризующиеся значениями коэффициентов парной линейной корреляции, близких к единице: ион аммония - 0,97; ион нитрита - 0,95; ион нитрата - 0,99.

Таким образом, количество соединений азота в виде ионов аммония, нитрита и нитрата, поступающих из горной массы в дренажные воды, может быть охарактеризовано следующей линейной эмпирической

Анализ результатов наблюдений за составом дренажных вод карьера по соединениям азота.

Период года Объем дренаж- Масса выноса соединений азота, т/период Доля от годового выноса, %

ных вод, тыс. м3 Ион аммония Ион нитрита Ион нитрата Ион аммония Ион нитрита Ион нитрата

Холодный период (ноябрь-март) 2048 15,9 19,2 212,5 21,0 31,5 31,0

Теплый период (апрель-октябрь) 4430 59,8 41,6 474,5 79,0 68,5 69,0

Итого 6478 75,7 60,8 687,0 100,0 100,0 100,0

4

2,0

б

3,1

35,6

36 Хохряков А. В. и др. И сследование процессов формирования химического загрязнения дренажных вод соединениями азота на примере карьера крупного горного предприятия // Известия УГГУ. 2016. Вып. 4(44). С. 35-37. 00! 10.21440/2307-2091-2016-4-35-37

A. V. Hohryakov et al. / News of the Ural State Mining University 4 (2016) 35-37

EARTH SCIENCES

10

300 400 500 600 700 Объем откачиваемых дренажных вод, тыс. м3/мес

2 300

400 500 600 700 Объем откачиваемых дренажных вод, тыс. м3/мес

о 60

ш

400 500 600 700 Объем откачиваемых дренажных вод, тыс. м3/мес

Рисунок 4. Зависимость массы выноса соединений азота от объема откачиваемых дренажных вод. а - иона аммония МН4; б - иона нитрита N02 в - иона нитрата N0,.

зависимостью в пределах наблюдаемых значений массы выноса отдельных соединений азота и объема водоотлива дренажных вод, т/мес:

Мп = Ап + КУ,

где Мп - масса выноса соединений азота за рассматриваемый период времени, т; V - объем дренажных вод, тыс. м3/мес; Ап, Кп - коэффициенты, характеризующие физико-химические и гидродинамические условия выщелачивания соединений азота из горной массы:

- для ионов аммония Ап = -7,14; Кп = 0,025;

- для ионов нитрита Ап = -0,12; Кп = 0,0096;

- для ионов нитрата Ап = -3,9; Кп = 0,11.

Полученные численные значения коэффициентов в уравнениях линейной регрессии, характеризующих связь массы выноса соединений азота (ионы аммония, нитрита и нитрата) с объемом водоотлива дренажных вод в наблюдаемых пределах изменений значений, зависят от внешних и внутренних факторов.

К определяющим факторам относятся внешние факторы, зависящие от горнотехнических условий горного предприятия (расход и виды ВВ, водопритоки в горные выработки, обводненность взрываемых скважин).

Предварительное сравнение динамики количества использованных ВВ с динамикой массы выноса соединений азота не выявило тесной взаимосвязи между ними во времени ни в среднемесячном, ни в среднегодовом разрезе. По мнению авторов, это связано с тем, что в рассматриваемый длительный промежуток времени вынос соединений азота с дренажными водами сформирован с участием ВВ, использованных как значительно ранее, так и тех, что применены в рассматриваемый период (имеет место сформировавшееся загрязнение системы). Таким образом, решающим фактором, определяющим вынос соединений азота, является объем водоотлива, значительным образом связанный с атмосферными осадками.

Внутренние факторы, определяющие вынос соединений азота, связаны с гидродинамическими и физико-химическими условиями выщелачивания соединений азота из горной массы.

Вследствие этого при применении полученного уравнения для условий конкретного горного предприятия необходимо выполнение обработки результатов мониторинговых наблюдений за объемом и составом дренажных вод для определения числовых значений коэффициентов в уравнении регрессии.

Выполненные исследования положены в основу проектных решений при выборе способов очистки и технологических параметров системы очистки дренажных вод от соединений азота в условиях рассматриваемого предприятия.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кирюхин В. А. Прикладная гидрогеохимия. СПб.: СПбГИ, 2010. 201 с.

2. Лозовик П. А., Бородулина Г. С. Соединения азота в поверхностных и поземных водах Карелии // Водные ресурсы. 2009. Т. 36, № 6. С. 694-704.

3. Ревво А. В., Хохряков А. В., Медведева И. В. и др. Воздействие предприятий горно-металлургического комплекса на динамику загрязнения реки Чусовой // Изв. вузов. Горный журнал. 2015. № 2. С. 67-74.

4. Экологическая геология крупных горнодобывающих районов Северной Евразии (теория и практика) / под ред. И. И. Косиновой. Воронеж: ОАО «Воронежская областная типография», 2015. 576 с.

5. Студенок А. Г., Студенок Г. А., Ревво А. В. Оценка методов очистки сточных вод от соединений азота для дренажных вод горных предприятий.// Изв. УГГУ. 2013. № 2(30). С. 26-30.

6. Хохряков А. В., Студенок А. Г., Ольховский А. М. и др. Количественная оценка вклада взрывных работ в загрязнение дренажных вод карьеров соединениями азота // Изв. вузов. Горный журнал. 2005. № 6. C. 29-31.

7. Болкисева Е. В. Механизм образования ядовитых газов при проходке горностроительных выработок взрывным способом // Технология и безопасность взрывных работ: материалы науч.-техн. конф. Екатеринбург, 2012. С. 262-275.

8. Нормативы качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативы предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения: утв. приказом Росрыболовства от 18 января 2010 года № 20.

REFERENCES

1. Kiryukhin V.A., 2010, Prikladnaya gidrogeokhimiya [Applied hydrogeochemistry]. Saint Petersburg, 201 p.

2. Lozovik P. A., Borodulina G. S. 2009, Soedineniya azota v poverhnostnykh i podzevmnykh vodakh Karelii [Nitrogen compounds in surface and underground waters of Karelia]. Vodnye resursy [Water resources]. Vol. 36. No. 6. pp. 694-704.

3. Revvo A. V., Khokhryakov A. V., Medvedeva I. V., Tseitlin E. M. 2015, Vozdeistvie prepyatstviy gorno-metallurgicheskogo kompleksa na dinamiku zagryazneniya reki Chusovoi [Impact of mining and metals sector industry on the dynamics of Chusovaya river pollution]. Izvestiya vuzov. Gornyy zhurnal [News of the Higher Institutions. Mining journal]. No. 2, pp. 67-74.

4. Kosinova I. I. 2015, Ekologicheskaya geologiya krupnykh gornodobyvayushikh rayonov Severnoi Evrazii (teoriya i praktika) [Ecological geology of big mining districts of North Eurasia (theory and practice)]. Voronezh, 576 p.

5. Studenok A. G., Studenok G. A., Revvo A. V. 2013, Otsenka metodovochistki stochnykh vod ot soedineniy azota dlya drenazhnykh vod gornykh predpriyatiy [Evaluation of sewage water treatment from nitrogen compounds for drainage waters of mining companies]. Izvestiya Uralskogo gosudarstvennogo gornogo universiteta [News of the Ural State Mining University]. No. 2 (30). pp. 26-30.

6. Khokryakov A. V., Olkhovskiy A. M., Studenok A. G., Studenok G. A. 2005, Kolichestvennaya otsenka vklada vzryvnykh rabot v zagryazneniye drenazhnykh vod kar'erov soedineniyami azota [Quantitative evaluation of contribution of blasting operations into contamination of drainage waters of pits with nitrogen compounds]. Izvestiya vuzov. Gornyy zhurnal [News of the Higher Institutions. Mining journal]. No. 6. pp. 29-31.

7. Bolkiseva E. V. 2012, Mekhanizm obrazovaniya yadovitykh gazov pri prokhodke gorno-stroitelnykh vyrabotok vzryvnym sposobom [Mechanism of generation of toxic gases during boring of mountain construction productions with explosive methods]. Technology and safety during explosive operations: materials of scientific technical conferences]. iMa Ural Branch RAS. pp. 262-275.

8. 2010, Normativy kachestva vodi vodnykh obyektov rybohozyastvennogo znacheniya, v tom chisle normativy predel'no dopustimykh kontsentratsiy vrednykh veshestv v vodakh vodnykh ob'ektov rybokhozyastvennogo znacheniya, utverzhdennye prikazom Rosrybolovstva ot 18.01.2010 № 20 [Quality standards of aquatic areas waters of objects of commercial fishing importance, including standards of maximum allowable concentrations of hazardous substances in fishery waters, approved by the order of Russian Federal Fisheries Agency from 18th of January 2010, No. 20].

a

s

б

8

6

4

Александр Владимирович Хохряков, ief.ie@m.ursmu.ru Андрей Геннадьевич Студенок, Геннадий Андреевич Студенок,

genand@mail.ru

Уральский государственный горный университет Россия, Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30

Хохряков А. В. и др. Исследование процессов формирования химичес карьера крупного горного предприятия // Известия УГГУ.

Aleksandr Vladimirovich Hohryakov,

ief.ie@m.ursmu.ru

Andrey Gennadyevich Studenok,

Gennadiy Andreevich Studenok,

genand@mail.ru

Ural State Mining University

Ekaterinburg, Russia

загрязнения дренажных вод соединениями азота на примере 37 I. Вып. 4(44). С. 35-37. ЭО! 10.21440/2307-2091-2016-4-35-37