Обоснование эколого-защитной системы электрогидрофизической очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения от тяжелых металлов

При разработке рудных месторождений одной из главных составляющих ущерба окружающей среде является ее загрязнение тяжелыми металлами, распространяющимися в ней в различных формах преимущественно с поверхностными и подземными водами.

Тяжелые металлы, как известно, могут оказывать угнетающее действие на флору и фауну, начиная с почвенных микроорганизмов. Например, медь, цинк, серебро в форме простых ионов (в данном случае катионов) в почвенных водах резко подавляют активность азотфиксирующих бактерий, и, соответственно, ухудшают условия почвенного питания высших растений и далее по цепи питания — фауны. Но особенно чувствительны к наличию высоких концентраций тяжелых металлов в водной среде их непосредственные обитатели — рыбы и пресноводные моллюски.

В стоках горных предприятий содержание этих металлов превышает ПДК на порядки, например, по цинку превышение ПДК может достигать 400 раз. При объемах сброса в окружающую среду жидких отходов, имеющих порядок десятки миллионов м3/год, только при переработке медных и медно-цинковых колчеданных руд масштабы загрязнения окружающей среды медью, цинком и сопутствующим им кадмием определяются площадями порядка тысяч квадратных километров.

Миграция тяжелых металлов из техногенных образованийглавным образом, хвостохранилищ и нарушенных в процессе разработки массивов осуществляется в форме взвешенных частиц, содержащих или сорбировавших их минералов, а также в форме растворенных ионов. Причем наибольшей миграционной активностью обладают медь и цинк, что обусловлено сравнительно низкими значениями окислительно-восстановительного потенциала и высокой скоростью образования в водной среде их гидратированных катионов. В результате чего, эти минералообразующие элементы и сопутствующие им и близкие по свойствам кадмий и свинец переходят в подвижную форму, распространяясь с поверхностными и подземными водами на значительное расстояние.

Особо значимую роль в процессах миграции этих металлов играют процессы окисления железа и серы водой и растворенным в ней кислородом, а впоследствии и тионовыми бактериями и образующимися ионами трехвалентного железа, являющегося сильным окислителем. В результате этих процессов происходит интенсивное растворение катионообразующих меди и цинка, причем их содержание в шахтных водах и поровых водах «старых» хвостов и отвалов достигает нескольких сотен миллиграмм на литр, т. е. на 3−4 порядка превышает предельно допустимые концентрации.

Очистка шахтных вод и стоков обогатительной фабрики от тяжелых металлов и образовавшихся сульфатов осуществляется на практике сравнительно дешевым реагентным методом, основанным на реакциях гидратации ионов металлов и «связывания» сульфатов кальцием в щелочной среде. Однако при этом, во-первых, порождаются новые, хотя и не миграционноактивные отходы, а во-вторых, главное, не решается задача утилизации хвостов обогащения, являющихся источниками загрязнения вод этими металлами.

Принимая во внимание, что шахтные воды по существу являются кислотными растворами, содержащими, кроме того, двухвалентное железо, которое может быть источником получения сильного окислителя-трисульфата железа, целесообразно решать задачи очистки шахтных вод от тяжелых металлов и загрязнения ими окружающей среды, обусловленной миграционными процессами, в том числе и из хвостохранилищ в едином технологическом эколого-защитном комплексе, используя шахтные воды как выщелачивающие растворы.

В такой постановке задача снижения уровня загрязнений водной среды в районах действия горно-обогатительных предприятий Cu-Zn отрасли не ставилась, соответственно научное обоснование путей ее решения актуально.

В данной работе проблема загрязнения окружающей среды шахтными водами и лежалыми хвостами обогащения рассматривается для условий Урупского ГОКа.

Основная идея диссертации заключается в том, что существенное снижение загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами при разработке месторождений колчеданных медно-цинковых руд обеспечивается применением системы, объединяющей электродиффузионные и электросорбционные процессы для очистки шахтных вод с последующим их использованием как выщелачивающих растворов для извлечения меди, цинка и сопутствующих элементов из лежалых хвостов обогащения.

Целью работы является научное обоснование возможности использования безреагентной схемы очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения, существенно снижающей загрязнение тяжелыми металлами окружающей среды.

В соответствии с этим в диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Анализ экологической ситуации на Урупском ГОКе.

2. Критический анализ существующих методов очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения от растворенных загрязнителей и, в частности, катионов цинка, а также катионов и комплексных анионов меди.

3. Теоретическое обоснование возможности повышения эффективности очистки от тяжелых металлов шахтных вод и лежалых хвостов обогащения (дренажных вод хвостохранилищ) на основе использования комбинированных схем, включающих гидрофизические процессы.

4. Создание технологии электроактивации растворов, приготовленных на основе шахтных вод для увеличения скорости очистки лежалых хвостов обогащения от растворенных форм металлов, загрязняющих окружающую среду, за счет повышения скорости окисления железа и серы.

5. Разработка комплексной эколого-защитной схемы очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения.

6. Теоретическое и экспериментальное исследование и обоснование возможности использования шахтных вод как исходного продукта для приготовления выщелачивающих медь и цинк кислых растворов, используемых с целью предотвращения миграции их в окружающую среду из хвостохранилищ.

7. Обоснование методики экономической оценки эффективности эколого-защитных мероприятий.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач принят комплексный метод исследований, который включает лабораторные и опытно-промышленные эксперименты, регрессионный анализ, математическое и эколого-экономическое моделирование.

Научные положения, защищаемые автором:

1. Глубокая очистка шахтных вод от ионов’меди и цинка достигается посредством их электродиффузии через мембранный слой ионообменной смолы и последующей сорбции ионов в основном объеме ионитов. При этом эффективная величина напряжения на электродах лабораторного электродиффузионного аппарата 30 В, толщина мембраны из ионообменной смолы — 2 см, удельная скорость фильтрации — 3,1 л час см2.

2. Насыщение подготовленных шахтных вод активным электролитическим кислородом обеспечивается за счет эффекта совместного воздействия кавитации и электролиза воды в специальном электрокавитационном аппарате. Оптимальное содержание кислорода достигается при напряжении на электродах аппарата и расходе шахтной воды соответственно 30 В и 10 м3/час и описывается обратно-пропорциональной зависимостью от указанных переменных.

3. Изменение содержания меди в растворе при выщелачивании лежалых хвостов зависит от времени воздействия и содержания кислорода по закону сложной функции вида ССи =-где К — коэффициент,.

1 4″ А." Схарактеризующий предельное содержание меди в растворе, зависящий по логарифмическому закону от величины насыщения раствора кислородом, А и В — коэффициенты, характеризующие динамику процесса выхода металла в раствор.

4. Эколого-защитная система очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения обеспечивает снижение загрязнения окружающей среды и создает возможность компенсации части затрат на очистку за счет прибыли, получаемой от реализации дополнительно извлекаемых ценных металлов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— с целыо предотвращения загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами из хвостохранилищ, обоснована возможность использования шахтных вод как выщелачивающих растворов для извлечения их из лежалых хвостов обогащения;

— теоретически и экспериментально доказана эффективность и установлены параметры очистки шахтных вод, лежалых хвостов от меди и цинка новым комбинированным методом, включающим электродиффузионное концентрирование с последующим сорбционным извлечением;

— обоснован новый комплексный показатель экономической оценки эффективности очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения от тяжелых металлов, позволяющий количественно оценить как затратную часть эколого-защитных мероприятий, так и прибыль, полученную при их реализации за счет извлекаемых из отходов горного производства металлов.

Обоснованность и достоверность научных положений обеспечивается значительным объемом экспериментальных исследований, корректным теоретическим обобщением их результатов и фактических технологических данных конкретного предприятия, подтверждением результатов лабораторных и полупромышленных экспериментов.

Практическая значимость работы.

1. Разработана эколого-защитная система очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения от тяжелых металлов.

2. Разработана конструкция электрокавитатора — аппарата для насыщения шахтных вод активным электролитическим кислородомэкспериментально доказана эффективность работы электродиффузионного аппарата и получены конкретные показатели по извлечению ионов металлов из растворов и снижению загрязнения окружающей среды.

3. Предложены конструкции аппаратов для эффективного концентрирования металлов при очистке шахтных вод и при выщелачивании металлов из лежалых хвостов обогащения.

Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались на научных конференциях МГГРУ (2002;2005 гг.), Урупском горно-обогатительном комбинате (2002;2004 гг.).

Реализация результатов работы.

Результаты исследований направлены на Урупский ГОК для использования при составлении технологического регламента по очистке и шахтных вод и лежалых хвостов обогащения в соответствии с предлагаемой системой.

Настоящая работа используется в учебном процессе при чтении лекций по курсу «Разработка техногенных месторождений полезных ископаемых» .

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в восьми печатных работах.

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 130 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 112 наименований, включает 21 таблицу, 17 рисунков.

Основные выводы и рекомендации:

1) шахтные воды, содержащие ионы железа, сульфат-анионы могут быть использованы как выщелачивающие медь и цинк растворы из хвостов обогащения колчеданных руд как в варианте кучного, так и кюветного выщелачивания;

2) эффективность использования шахтных вод в качестве выщелачивающих растворов повышается путем предварительного извлечения из них ионов меди и цинка и насыщения активным кислородом электроактивацией, что увеличивает скорость извлечения металлов из лежалых хвостов за счет повышения скорости окисления железа и серы и, соответственно ускоренного появления вторичного окисляющего агентатрисульфата железа;

3) окончательная очистка шахтных вод после их использования для извлечения тяжелых металлов из лежалых хвостов обогащения обеспечивается путем повышения их рН до 6 и более за счет введения в них мелкодробленного карбоната кальция и/или окиси кальция, что также обеспечит осаждение железа и снижение содержания сульфатов;

4) экономическая эффективность предлагаемой системы очистки должна производиться по суммарной приведенной прибыли от реализации концентратов и металлов, получаемых в процессе очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения, с распределением общих затрат на эколого-защитные мероприятия пропорционально причиняемому этими производствами ущербу окружающей среде.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе дано новое решение актуальной геоэкологической задачи очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения от тяжелых металлов при разработке месторождений колчеданных медно-цинковых руд, заключающееся в создании единой эколого-защитной системы управляемого извлечения меди и цинка электрогидрофизическими методами.

Решение данной задачи осуществлено на основе:

1) широкого обобщения, анализа и оценки ранее выполненных работ в области очистки промышленных стоков и, в частности, шахтных вод, а также геоэкологической ситуации на Урупеком ГОКе;

2) проведения значительного объема экспериментальных исследований процессов очистки шахтных вод от тяжелых металлов, включающих электродиффузионное концентрирование и последующую ионообменную сорбцию в электрическом поле, а также процессов выщелачивания из лежалых хвостов обогащения металлов шахтными водами, очищенными от значительной доли меди и цинка и предварительно насыщенными электролитическим кислородом;

3) экономической оценки эффективности эколого-защитной системы очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения.

Новизна решениянаучно-технической задачи заключается в получении лично соискателем следующих научных результатов:

1) теоретически и экспериментально обоснована возможность глубокой очистки шахтных вод от ионов тяжелых металлов посредством их электродиффузии и последующей сорбциинайдены оптимальные параметры аппарата;

2) установлены основные параметры насыщения шахтных вод активным электролитическим кислородом в специальном электрокавитационном аппарате;

3) выявлена зависимость изменения содержания меди от времени воздействия и содержания кислорода в растворе кучного выщелачивания лежалых хвостов;

4) обоснована эколого-защитная система очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения,-снижающая загрязнение окружающей среды.