СПОСОБ НИЗКОЗАТРАТНОЙ ОЧИСТКИ И УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
METHOD FOR LOW-COST TREATMENT AND DISPOSAL OF MINING WASTES

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и позволяет повысить эффективность утилизации и очистки слабокислых карьерных вод с повышенным содержанием металлов, снизить опасность техногенного загрязнения поверхностных вод в процессе освоения минеральных ресурсов.
В настоящее время слабокислые металлоносные карьерные воды, как правило, перед сбросом в поверхностную гидросеть (реки), проходят обработку известкованием, либо сбрасываются без всякой очистки напрямую. Это привело к тому, что все реки Свердловской области в той или иной степени загрязнены солями металлов, а в местах «старых» сбросов донные отложения, накопившие в себе соли металлов, являются источниками вторичного загрязнения речных вод.
Для организации такого сброса необходима разработка предельно допустимых сбросов (ПДС) по стандартной методике (рассчитанной на разбавление с речной водой).
Недостатком такого подхода является недоучет сорбционной торфяной залежи болота. К тому же запасы торфяной залежи низинных болот в Уральском регионе значительны. Поэтому в интересах устойчивого развития региона предлагаемый ниже способ низкозатратной очистки и утилизации отходов горного производства позволяет вовлечь в использование местные ресурсы возобновляемого сырья, каким является торф - один из немногих воспроизводимых видов полезных ископаемых.
Известен способ нейтрализации сточных вод, содержащих сульфатионы, щелочным реагентом - известью (Яковлев С.В., Карелин Я.А., Ласков Ю.М. Очистка производственных сточных вод. М. Стройиздат, 1985. С.104).
Существенными недостатками способа являются образование перенасыщенного раствора гипса, а также большой объем осадка, представляющего собой взвесь коллоидных частиц. Осадок чрезвычайно трудно уплотняется и обезвоживается для дальнейшей утилизации.
Известен способ нейтрализации кислых карьерных и подотвальных вод горнодобывающих предприятий, содержащих сульфаты.
Для осуществления способа кислые карьерные воды нейтрализуют известковым молоком и осаждают образовавшиеся взвешенные частицы в присутствии флокулянта и пиритных отвальных хвостов горнообогатительного производства, после чего перемешивают и отстаивают.
Этот способ позволяет уменьшить объем осадка, но требует дальнейшего его обезвоживания и утилизации (патент №2355647, C02F 1/66, C02F 1/56, опубл. 20.05. 2009 г.).
Известен способ бездамбового хранения и утилизации отходов золотодобычи в условиях горного рельефа.
Способ включает смешение отходов производства с карбонатами, затем дополнительный ввод крошки брусита, лигнин, при этом место хранения покрывают слоем изоляционной водонепроницаемой пленки и уплотняют. Для безопасного функционирования хранилища в условиях горного рельефа обеспечивается дренирование и водоотведение ливневых и талых вод в виде водоотводной траншеи с последующей их очисткой в прудах-отстойниках (патент №2277020, В09В 1/00, В09В 3/00, опубл. 27.05.2006 г.).
Однако для реализации этого способа необходимо создание искусственных сооружений, использование комплекса технических средств, разработка проекта узла дозировки реагентов, способа их внесения, а также необходима организация обслуживания станции нейтрализации.
Все это требует значительных затрат не только на приготовление отходов к хранению, но также и на их долговременное обслуживание. Причем не исключается нарушение защиты хранилища с нарушением экологической безопасности.
Наиболее близким по технической сущности является способ очистки кислых шахтных вод, включающий подачу кислых шахтных вод и углесодержащего сорбента в натрий-форме, их смешивание до нейтрализации вод. Сорбент включает бурый уголь, гидроксид натрия и технологическую воду (патент №2319669, C02F 1/28, опубл. 20.03.2008 г. - прототип).
Процесс очистки основан на том, что переход катионов металлов в нерастворимую форму происходит одновременно со стадией сорбции, нерастворимые соли металлов образуются непосредственно в процессе нейтрализации и выделяются из кислых шахтных вод путем осаждения углесодержащего сорбента в натрий-форме при интенсивном перемешивании. Отработанный сорбент, содержащий металлы, направляют на стадию термического окисления.
Способ очистки, взятый нами за прототип, трудоемкий, требует постоянного отвода отсорбированного металла на термическое окисление и, таким образом, больших затрат на очистку кислых шахтных вод и приготовление сорбента. К тому же способ не устраняет сброс технологических сточных вод в водоемы.
Цель изобретения - повышение эффективности способа при значительном снижении затрат с использованием низкостоимостного природного сорбента и снижение негативного воздействия слабокислых металлоносных карьерных вод на окружающую природную среду для обеспечения экологической безопасности ведения горнодобывающих работ.
Технический результат заключается в переводе слабокислых металлоносных карьерных вод горнодобывающих предприятий в слабощелочные для взаимодействия с торфом низинного болота. Это позволяет снизить затраты на очистку и техногенное воздействие горного производства на окружающую природную среду.
Технический результат изобретения достигается тем, что способ низкозатратной очистки и утилизации отходов горного производства, преимущественно слабокислых металлоносных карьерных вод в условиях болотно-горного рельефа, включающий нейтрализацию, обработку и аккумулирование отходов сорбентами и их осаждение, согласно предлагаемому изобретению, после нейтрализации щелочным реагентом слабокислые карьерные воды направляют в природный геохимический барьер болотно-горного рельефа в виде торфяной залежи низинного болота и используют торф в качестве природного геохимического сорбента, при этом соли металлов слабокислых металлоносных карьерных вод аккумулируют указанным природным сорбентом и осаждают в виде комплексного нерастворимого органо-минерального материала, а формирующийся постоянный или временный очищенный водоток направляют согласно рельефу в сторону ручья или реки, причем предварительно рассчитывают объем сброса слабокислых карьерных вод с учетом сорбционной способности торфа низинного болота через емкость катионного обмена торфа относительно емкости катионного обмена ионов металлов, содержащихся в карьерных водах.
Кроме того, в качестве щелочного реагента используют известь.
Существенным отличием является то, что предлагается без дополнительных затрат утилизировать и очищать слабокислые металлоносные карьерные воды в торфяной залежи низинного болота, выполняющего роль природного геохимического сорбента и обладающего высокой естественной сорбционной способностью.
Это позволяет использовать значительные и распространенные запасы залежи низинного торфа в Уральском регионе, то есть использовать местные ресурсы возобновляемого сырья, одним из немногих видов которого является торф.
Способ утилизации и очистки слабокислых металлоносных карьерных вод в торфяную залежь низинного болота представляется особо важным с геохимических позиций, так как способствует предотвращению интенсивной миграции токсикантов (солей металлов) в природные системы в условиях территорий с уже имеющимся высоким уровнем техногенной нагрузки, характерным для Уральского региона.
Кроме того, использование торфяной залежи низинного болота, которая, являясь природным сорбентом с очень высокой сорбционной способностью, активно аккумулирует соли металлов, переводя их в комплексное нерастворимое органо-минеральное состояние, благодаря чему уменьшается геохимическая подвижность опасных веществ, и снижается риск загрязнения окружающей природной среды.
Формирующийся постоянный или временный уже очищенный водоток направляют, согласно рельефу, из болота в сторону ручья или реки, он не загрязняет поверхностные воды.
Способ снижает риск загрязнения окружающей природной среды и не требует дополнительных затрат для очистки и утилизации металлоносных карьерных вод при сбросе в торфяную залежь низинного болота.
Существенным отличием также является то, что способ предусматривает предварительный объем сброса слабокислых металлоносных карьерных вод с учетом сорбционной способности торфа низинного болота через емкость катионного обмена, что указывает на бережное использование окружающей природной среды и снижение, таким образом, техногенной нагрузки на окружающую природную среду в долгосрочном режиме без дополнительных затрат и с одновременным удешевлением процесса очистки и утилизации карьерных вод.
Кроме того, проведение нейтрализации слабокислого карьерного раствора щелочным реагентом, например известью, повышает рН сбрасываемых вод, увеличивая сорбционную способность торфа и повышая ресурс болота для длительного использования действующего карьера.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволили установить в заявленном способе совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».
Способ осуществляется следующим образом.
Предварительно был проведен анализ топогеологических условий и выбор территории под хранилище для Северо-Западного участка Волковского рудника, определены границы низинного Черновского болота, которое использовалось бы как природный геохимический барьер со своей торфяной залежью в качестве природного сорбента для очистки и утилизации слабокислых металлоносных карьерных вод на весь срок (примерно 20 лет) действия Волковского рудника:
2
- площадь Черновского болота - 0,513 км,
- мощность торфа (средняя) - 2,5 м,
3
- объем торфа - 1,6 км,
3
- вес торфа при плотности 1 т/м (влажного) - 1282500 т,
- проектный срок работы карьера - 20 лет.
Лабораторные работы по определению сорбционных параметров торфа в границах низинного Черновского болота Северо-Западного участка Волковского рудника выполнялись в лаборатории физико-химических методов анализа УГГУ (аттестат №ROOC RU 0001. 517802, лицензия №Е04757, срок действия до 14.03.2013 г.) с учетом значительного по времени использования болота для очистки сбрасываемых карьерных вод.
Методика оценки сорбционных параметров торфов лабораторным способом изложена в монографии: Бочевер Ф.М., Лапшин Н.Н., Орадовская А.Е. Защита подземных вод от загрязнения. М. Недра. 1979.
Установлено:
3
Карьерные воды представляют собой слабокислый раствор (рН 5,85) с содержанием (в мг-экв/ дм) меди 0,00094, цинка - 0,00066.
2
Емкость обмена по выделенным гуминовым веществам в кислой среде составила 175 мг-экв/100 г, масса гуминовых веществ - 3,89×10 г.
Расчет сорбционной способности торфа низинного Черновского болота через емкость катионного обмена:
общ.
гум.вещ.
гум.вещ.
N=N×m,
общ.
где N - общая емкость катионного обмена торфа;
гум.вещ.
N - емкость катионного обмена торфа в расчете на содержание в торфе гуминовых веществ (мг-экв/100 г);
гум.вещ.
m - масса гуминовых веществ в торфе (г).
<mrow><msub><mi>N</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>щ</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>175</mn><mo>×</mo><mn>3,89</mn><mo>×</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mn>12</mn></mrow></msup></mrow><mrow><mn>100</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>6,81</mn><mo>×</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mn>12</mn></mrow></msup><mi>м</mi><mi>г</mi><mo>−</mo><mi>э</mi><mi>к</mi><mi>в</mi><mo>.</mo></mrow>
Емкость катионного обмена торфа относительно ионов меди:
по Cu
общ
экв.Cu
12
14
5
N = N×m = 6,81×10×32 = 2,18×10 мг = 2,18×10Т,
по Zn
общ.
экв.Zn
12
14
5
N = N×m= 6,81×10×36 = 2,45×10мг = 2,45×10Т,
экв.Cu
где m - эквивалентная масса ионов меди;
экв.Zn
m - эквивалентная масса ионов цинка.
Полученные результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1
Ингредиент
Исходная концентрация в карьерной воде, мг/дм<sup>3</sup>
Максимальная сорбционная емкость (лабор.), мг/кг
Остаточная сорбционная емкость торфа (вал), мг/кг
Фактическая концентрация в торфе (вал), мг/кг
Предельная сорбционная емкость торфа, кг
Предельная остаточная емкость торфа, мг/кг
Сброс скарьернымиводами за 20 лет, кг
Усредненный процентзаполнения ингредиентом емкости болота
Медь
0,06
250
169
80,88 (81)
390625
264062,5
964,3
0,5%
Цинк
1,19
300
266
323,98 (34)
468750
415656,25
315,4
0,2%
Основываясь на указанных выше цифрах, использование Черновского болота в качестве естественной очистительной системы карьерных вод Северо-Западного участка Волковского рудника является обоснованным.
После расчетов и определения предельной сорбционной емкости торфа приступают к спуску карьерных вод.
Вначале слабокислые карьерные воды нейтрализуют щелочным реагентом - из извести приготовленным известковым молоком и доводят рН раствора до 7-8. После этого воды направляют по трубопроводу к природному геохимическому барьеру в виде торфяной залежи низинного Черновского болота.
Пример 1
Способ-прототип опробован в шахтных условиях при очистке кислых шахтных вод, имеющих рН 2,7-3, Кизеловского бассейна. Для очистки был использован углеродсодержащий сорбент, полученный из бурых углей Березовского месторождения Южно-Уральского угольного бассейна на шахтных водах шахты «Центральная» ПО «Челябинскуголь».
В качестве сорбента использован щелочной экстракт (раствор гуматов) бурого угля (А° - 7%), отделенный от твердого остатка.
Нерастворимые соли металлов углеродосодержащего сорбента образовывались непосредственно в процессе нейтрализации и выделения металлов из кислых шахтных вод путем осаждения сорбента при интенсивном перемешивании.
Выделение сорбента проводили фильтрованием и центрифугированием, а затем его направляли на стадию термического окисления, часть маточного раствора использовали как оборотную технологическую воду, а часть - направляли в водоем.
Результаты очистки шахтных вод от катионов металлов представлены в таблице 2.
Пример 2
Слабокислые карьерные воды Северо-Западного участка Волковского рудника, загрязненные солями металлов, направлялись непосредственно в торфяную залежь низинного Черновского болота, представляющего собой понижение в рельефе с выраженным уклоном поверхности, в направлении которого и формировали водоток.
За счет естественной высокой сорбционной способности торфа (предварительно рассчитанной и представленной выше), играющего роль природного геохимического барьера, соли металлов осаждались из водного раствора в виде комплексного нерастворимого органо-минерального материала.
Результаты очистки карьерных вод от катионов металлов естественным сорбентом Черновского болота представлены в таблице 2.
Таблица 2
Ингредиент
Исходная концентрация, мг/л
Пример 1
Пример 2
Концентрация после очистки, мг/л
Степень извлечения, %
Концентрация после очистки, мг/л
Степень извлечения, %
Cu
0,06
0,03
50
следы
≈100
Zn
1,19
0,13
89
следы
≈100
Из таблицы видно, что высокая степень извлечения обеспечивает глубокую очистку карьерных вод до остаточных концентраций, сравнимых с предельно допустимыми концентрациями (ПДК).
Потенциальная сорбционная способность Черновского болота в отношении меди и цинка высока, при этом опыты показали, что сорбционная способность торфа низинного Черновского болота может быть увеличена в разы за счет повышения рН сбрасываемых вод до 7-8 и перевода их из слабокислых в слабощелочные. Это позволит повысить ресурс болота и продлит его использование на много лет вперед, до конца жизненного цикла карьера.
Таким образом, поставленная цель достигается тем, что без всякого дорогостоящего обустройства организуется сброс слабокислых металлоносных карьерных вод в торфяную залежь низинного болота, за счет чего снижаются затраты на их утилизацию и очистку, и в целом, без дополнительных затрат снижается техногенное воздействие горного производства на окружающую природную среду.
К тому же запасы залежи торфа низинных болот на Урале распространены и весьма значительны. Поэтому в интересах устойчивого эколого-экономического развития региона изобретение рекомендует к использованию местные залежи торфа низинных болот, одного из немногих возобновляемых видов полезных ископаемых.