Моделирование свойств техногенных геохимических барьеров

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2011 Геология Вып.3

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕОЛОГИЯ

УДК 556.535.8

Моделирование свойств техногенных геохимических барьеров

В.П. Тихонов, Т.И. Караваева

Естественнонаучный институт Пермского госуниверситета. 614990, Пермь, ул. Генкеля, 4. E-mail: georisk@psu.ru

Рассмотрена возможность использования продуктов принудительной дифференциации песчаных отложений в качестве техногенного геохимического барьера. Приведены основные принципы создания геохимических барьеров и моделирования их свойств, что позволяет управлять процессами осаждения веществ. Ключевые слова: техногенные механические барьеры, взвешенные вещества, адсорбция, дифференциация аллювия.

Фильтрование широко используется для очистки воды в различных целях и является одним из наиболее простых и экономичных методов. При фильтрации воды происходит изменение свойств фильтрующей среды, условий переноса вещества, увеличивается концентрация вещества в поровом пространстве. Техногенные отложения, используемые в качестве фильтрующего материала для осаждения взвешенных и растворенных веществ, можно рассматривать как техногенные геохимические барьеры - участки, где изменяются условия миграции примесей и происходит их накопление. Свойства техногенных барьеров зависят от используемого фильтрующего материала и могут моделироваться для наиболее успешного решения поставленной задачи фильтрования.

Теоретические аспекты геохимических методов разработаны А.И. Перельманом, который ввел понятия «геохимический барьер» и «техногенный геохимический барьер». Геохимические барьеры - участки земной коры, в которых на коротком

© Тихонов В.П., Караваева Т.И., 2011

расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и, как следствие, их концентрация. Геохимические барьеры биосферы разделяются на два основных типа: природные и техногенные, которые располагаются на участках изменения факторов миграции. Геохимические барьеры подразделяются А.И. Перельманом на три класса: физико-химические, биогеохими-ческие и механические [8].

Механические барьеры представляют собой участки с резким уменьшением интенсивности механического перемещения веществ и соответственно их отложения. В биосфере механические барьеры связаны в основном с миграцией элементов в минеральной или коллоидной форме. Миграция происходит в воздушной и водной средах, природных и техногенных фильтрующих отложениях.

Примером техногенного механического барьера могут служить песчаные аллювиально-техногенные отложения в долинах рек, образовавшиеся в результате дражной разработки месторождения, че-

рез которые фильтруется загрязненная взвешенными веществами вода. Способ использования аллювиально-техногенных отложений в качестве барьера для очистки вод от взвешенных веществ разработан специалистами Естественнонаучного института [9]. Опытные испытания барьера проведены в Красновишерском районе Пермского края в долине р. Бол. Колчим.

Аллювиально-техногенные отложения характеризуются низкой плотностью сложения, высокой пористостью и водопроницаемостью, низким содержанием алев-рито-пелитовых фракций. По результатам исследований аллювиально-техногенные отложения представлены песками крупными и средней крупности. В гранулометрическом составе песчаные фракции 0,05-2,0 мм составляют 90 % от общей массы, содержание глинистых частиц - в среднем около 0,5 %. Пористость аллювиально-техногенных отложений изменяется от 49 до 59 %, коэффициенты фильтрации находятся в пределах 7,5-22,1 м/сут. Проведенный анализ свойств отложений и сравнение их со свойствами фильтрующих загрузок промышленных

песчаных фильтров позволили сделать вывод о возможности использования аллювиально-техногенных отложений как механического барьера для осаждения взвешенных веществ и очистки дражных стоков.

Опытные испытания проводились на отработанном дражным способом участке месторождения алмазов. В качестве механического барьера для осаждения взвешенных веществ использовались аллювиально-техногенные отложения, расположенные между каналом, проходящим вдоль участка месторождения, и остаточным дражным водоемом. Уровень воды в канале поддерживался на более высоких абсолютных отметках по сравнению с уровнем в остаточном водоеме, что создавало разницу напоров и способствовало фильтрации загрязненной воды через механический барьер (рис. 1).

Уровни воды в канале и водоеме контролировались по мерным рейкам и поддерживались на определенных отметках, обеспечивающих такую скорость фильтрации воды, при которой происходит

Рис. 1. Профиль механического барьера

осаждение вещества в поровом пространстве [2].

Концентрация взвешенных веществ в загрязненных водах достигала 1975 мг/дм3. При напорном градиенте 0,040-

0,047 и длине пути фильтрации 26,5-39,6 м (на разных участках барьера) концентрация взвешенных веществ в очищенных водах составила 7-54 мг/дм3. В поровом пространстве песчаных аллювиальнотехногенных отложений было задержано 89,9-99,3 % взвешенных веществ [2].

Изменение пространственной структуры барьера позволяет наиболее эффективно применять его при решении различных задач: очистка воды от взвешенных и растворенных веществ, концентрирование химических элементов в барьере с последующим их извлечением и др. При создании техногенных механических барьеров возникает потребность в песчаном материале определенного гранулометрического состава. Получение песков заданной крупности возможно с помощью принудительной механической дифференциации природных песчаных отложений, например, на установке МЦМ (мелкие ценные минералы), разработанной сотрудниками Лаборатории осадочных полезных ископаемых ПГУ [4, 7].

Принудительная дифференциация приводит к механическому разделению аллювиальных осадков. При этом формируются более сортированные осадки с различными по крупности и выходу модальными фракциями. Разделение вещества происходит в результате продольнопоперечной циркуляции водного потока на винтовом шлюзе, за счет этого достигается значительное расслоение частиц по крупности [6]. В результате механической дифференциации увеличивается сортиро-ванность песков по плотности, гранулометрическому, минеральному и химическому составам. Разные размерные фракции аллювия имеют разный минеральный состав [5]. Например, на северо-западе Пермского края распространены юрские пески, состоящие в основном из кварца.

Крупнозернистые пески обогащены кремнями, средне- и мелкозернистые - слюдой [1]. Принудительная дифференциация на винтовом шлюзе способствует получению хорошо сортированных кварцевых песков [6]. С помощью принудительной дифференциации из исходных песков также возможно получение смеси более крупнозернистого и более мелкозернистого состава с большей степенью сортированно-сти частиц по размерным фракциям. В крупнозернистых песках сокращается количество частиц мелкопесчаной и алевритовой размерности. Содержание продуктов дифференциации зависит от исходного гранулометрического состава песков, который позволяет прогнозировать производство определенных объемов песков нового состава. В зависимости от потребностей производства, изменяя выход продуктов, можно варьировать состав песков и изменять их модуль крупности. Принудительная дифференциация может применяться к аллювиальным пескам различных литолого-генетических типов, в том числе и техногенного происхождения, возраста и территорий, и позволяет вести направленное формирование песков с заданным гранулометрическим составом [6].

Техногенный механический барьер можно изготовить, отсыпая по направлению фильтрации воды песок определенного гранулометрического состава, например, крупный с модальными фракциями 0,5-2,0 мм, средний с преобладанием частиц размером 0,25-0,5 мм и мелкий, где доминируют фракции 0,05-0,25 мм (рис. 2). Эти пески формируют основные участки барьера. Переходные участки от песков крупных к пескам средней крупности и от песков средней крупности к пескам мелким представлены продуктами механической дифференциации с меньшей степенью сортированности по сравнению с песками основных участков. Здесь в равной степени преобладают модальные размерные фракции смежных основных участков барьера. Наличие

Рис. 2. Соотношение процессов поглощения вещества в барьере

переходных участков предотвращает резкое изменение условий фильтрации суспензии и возникновение гидродинамических барьеров на границе песков разного гранулометрического состава, что позволяет эффективно использовать весь объем барьера. Изменяя степень сортированно-сти песчаных продуктов, последовательность расположения основных участков, можно моделировать свойства техногенных геохимических барьеров и максимально эффективно решать поставленные задачи.

В техногенном механическом барьере, созданном из подготовленных песков, в гранулометрическом составе которых практически отсутствуют глинистые частицы, в начальный период работы осаждение происходит в основном за счет механического задержания вещества в поро-

вом пространстве. Адсорбционные явления могут наблюдаться только в мелком песке [3]. Постепенно в процессе работы происходит насыщение барьера глинистыми частицами, и все большую роль приобретают процессы физической и химической сорбции, а роль механического осаждения существенно снижается (см. рис. 2). Барьер из механического превращается в физико-химический, что позволяет использовать его для осаждения растворенных веществ.

Таким образом, моделирование свойств геохимических барьеров и управление процессами осаждения веществ позволяют эффективно применять техногенные отложения для осаждения взвешенных веществ и концентрирования растворенных химических элементов.

Библиографический список

1. Ивашов П.В. Континентальные юрские отложения северо-востока Русской платформы. М.: Наука, 1981.

2. Караваева Т.И. Геологическое обоснование использования аллювиальнотехногенных отложений для очистки поверхностных вод от взвешенных веществ (на примере бассейна р. Вишеры): дис. ... к.г.-м.н. Пермь, 2010.

3. Куприна Г.А. Кольматация песков. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1968. 174 с.

4. Лунев Б.С., Наумов В.А., Наумова О.Б. Комплексно осваивать песчаные и песчано-гравийные месторождения Прикамья // Строительные материалы. 1996. № 3. С. 4-6.

5. Лунев Б.С., Кропачев А.М. Месторождения песка, гравия и глин в Пермской области. Пермь, 1959.

6. Наумов В.А. Минерагения, техногенез и перспективы комплексного освоения зо-

лотоносного аллювия: дис. ... д.г.-м.н. Пермь, 2010.

7. Наумов В.А., Наумова О.Б., Пушкин С.А., Голдырев В.В., Брюхов В.Н. Перспективы попутного получения минерального сырья при строительстве железной дороги «Белкомур» // Эколого-экономические проблемы освоения минеральносырьевых ресурсов: тез. докл. межунар. науч. конф. Пермь, 2005. С. 190-191.

8. Перельман А.И. Геохимия: учеб. для геол. спец. вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1989. 528 с.

9. Тихонов В.П., Караваева Т.И. Использование аллювиальных отложений для очистки сточных вод от взвешенных веществ // Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики: матер. Между-нар. науч. конф. Тольятти, 2005. С. 125129.

The Properties Modeling of Technogenic Geochemical Barriers

V.P. Tihonov, T.I. Karavaeva

Natural Sciences Institute of Perm State University, 614990, Perm, Genkelya st., 4. E-mail: georisk@psu.ru

The possibility of using of the technogenic sandy products as a man-made geochemical barrier has been considered. The basic principles of geochemical barriers and the modeling of their properties, which allows you to manage the processes of deposition of substances in the barrier have been given.

Key words: man-made mechanical barriers, properties of barriers, suspended, load, adsorption, differentiation of alluvium.

Рецензент - доктор геолого-минералогических наук О.Б. Наумова