Header Image

В мае 2010 г. на сайте Минрегионразвития РФ был опубликован проект «Стратегии развития промышленности строительных материалов до 2020 г.» (далее – Стратегия).

Подробнее ...
4.3. Пути решения экологических проблем (на примере Кизеловского угольного бассейна) Печать E-mail
14.12.2014 04:49

4.3.1. Характеристика бассейна
Кизеловский угольный бассейн площадью 200 км2 находится в Восточной части Пермского края. Угленосные отложения протянулись узкой полосой 5-20 км вдоль западного склона Урала на расстоянии около 150 км. Для бассейна характерно сложное складчато-надвиговое строение. Уголь залегает среди терригенных отложений визейского яруса нижнего карбона, сложенного в основном песчаниками, алевролитами и аргиллитами. Средняя суммарная мощность линзовидных рабочих пластов составляет 2,6 м. Угленосная толща интенсивно дислоцирована.

Угли гумусовые, плотные, преимущественно дюреновые, обладают повышенной зольностью (28-36%), сернистостью (до 10%) и выходом летучих компонентов (36-47%).
Условия разработки осложнены интенсивной нарушенностью толщ, больших глубин (до 1020 м), интенсивных водопритоков, связанных с закарстованностью перекрывающих карбонатных отложений.
Добыча угля была начата в 1797 г. и достигла максимума (12 млн. т) в 1959 г., после чего постепенно пошла на убыль (Сафин, 2002). На 1984 г. запасы угля оценивались в 464 млн.т. Угледобывающая и углеперерабатывающая промышленность сформировали неблагоприятную экологическую ситуацию в районе. После ликвидации угольных шахт в период с 1993 г. по 2000 г. влияние угледобывающих предприятий на окружающую среду не прекратилось. Территория Кизеловского угольного бассейна является экологически наиболее неблагоприятной в России.
Как было отмечено выше (см. раздел 4.1.1), специфика воздействия угледобычи на окружающую среду во многом определяется геохимическими особенностями угленосной толщи. Знание закономерностей формирования геолого-геохимических условий территории в значительной степени позволяет прогнозировать развитие неблагоприятных с экологической точки зрения процессов и явлений как при разработке месторождения, так и после его закрытия. Историко- геологический подход (Максимович и др., 2000) был использован при анализе складывающейся экологической ситуации на территории Кизеловского угольного бассейна.
Геологические условия. Кизеловский каменноугольный бассейн расположен в пределах Западно-Уральской зоны складчатости, прилегающей к Предуральскому краевому прогибу (рис. 4.2). Преобладающими формами тектоники района являются складки меридионального и близкого к нему простирания, иногда вытянутые на десятки километров. Складки осложнены многочисленными разрывными нарушениями, которые в большинстве случаев имеют простирание, согласное с простиранием складчатости.
Занятая бассейном область земной коры, является западной краевой частью Уральской геосинклинали, стабилизировавшейся к началу мезозоя. На протяжении очень длительного времени (от силура до перми) часть литосферы, соответствующая современным контурам бассейна, погружалась под уровень моря и почти непрерывно заполнялась карбонатными и обломочными осадками, достигшими мощности 4000 м. Опускание бассейна продолжалось почти в течение всего палеозоя. Складчатость проявилась в первой половине пермского периода (Геология месторождений угля, 1967).


Рис. 4.2. Схема геологического строения Кизеловского угольного бассейна

Прогибание в значительной мере компенсировалось осадконакоплением. Оно было неравномерным, с замедлениями, остановками и кратковременными поднятиями. С непродолжительными выходами области накопления на дневную поверхность в раннекарбоновое время (конец турнейского века) было связано образование угленосной толщи. Оно сопровождалось соответствующей сменой палеогеографической обстановки с развитием прибрежно-морских, дельтовых, речных и болотных фаций, т. е. созданием континентальной угленосной формации в огромном по мощности, преимущественно морском, осадочном комплексе среднего и верхнего палеозоя.
Накопление осадочного материала будущей угленосной толщи (песка, глины, торфа) происходило в условиях огромной плоской и широкой речной дельты огромной палеореки, текущей в мелководное море. Торфяники возникали в низинных плоских болотах; жаркий и влажный субтропический климат, господствовавший в то время, благоприятствовал зарастанию их преимущественно древесной болотной растительностью. Каменный уголь произошел, главным образом, из спорового и стеблевого материла наземных растений. В спорадически возникавших мелководных, застойных водоемах происходило отложение сапропелей.
Существенным моментом в восстановлении условий накопления угленосных отложений Кизеловского бассейна является определение местоположения суши, служившей в угленосное время областью сноса. По этому вопросу существует ряд мнений. А.П. Карпинский (1919) считал, что в каменноугольный период Урал представлял собой цепь островов среди открытого моря. Острова и отмели неоднократно меняли свое положение, обусловливая разнообразие одновременных отложений. В прибрежных частях такого моря в это время происходило накопление угленосных отложений.
Д.В. Наливкин (1942) предполагал, что угленосные отложения Кизеловского бассейна являются дельтовыми отложениями большой реки, стекающей с Сибирского материка, который в нижнекаменноугольную эпоху существовал на месте Западно-Сибирской низменности и Сибирской платформы. Этого же мнения придерживается П. В. Васильев.
Н.С. Городецкая, Г.А. Смирнов (1956), И.В. Пахомов (1957), О.А. Щербаков (1964) считают, что снос обломочного материала происходил с запада и северо-запада, со стороны Русской платформы. В.В. Еремеев (1972) указывает, что основными источниками сноса терригенного материала угленосной формации были главным образом девонские песчаные породы, развитые западнее Кизеловского угольного бассейна. Дополнительным источником при накоплении верхней части формации послужили сильно выветрелые выступы пород фундамента, сложенные гранитами и гранито-гнейсами, а также додевонские песчаники нижне- и верхнебавлинской и ашинской серий.
Под влиянием колебательного погружения местности и соответствующего перемещения береговой линии мелководного моря в пределах дельты происходило последовательное смещение фаций, от которых остались соответствующие литологические отложения.
Накопление осадков всей этой континентальной толщи в целом произошло под влиянием одного основного, наиболее крупного колебательного движения — поднятия и опускания области накопления по отношению к базису эрозии. Это движение поверхности имело общие для бассейна характер и масштаб и заключалось в выходе на дневную поверхность дна турнейского моря, накоплении песчано-глинистой угленосной толщи при компенсационном поддержании поверхности суши на уровне, близком к морскому, в последующем погружении площади под уровень моря и перекрытии угленосных отложений морскими осадками поздневизейское время.
В результате такого главного полного осадочного цикла накопилась вся толща, а в ее средней части — основная (VI центральная угольсодержащая свита с двумя основными для бассейна рабочими пластами угля 13 и 11 и перекрывающая эту свиту мощная наиболее выдержанная в бассейне маркирующая VII свита «кровельных» кварцевых песчаников. Этот процесс главного цикла осадконакопления был сложным и состоял, в свою очередь, из более мелких периодических движений на фоне общего длительного опускания местности.
Стратиграфический разрез угленосных отложений, наиболее полный в центральных частях дельты (Кизеловский район), к краевым частям теряет свою четкость. При этом вместе с уменьшением мощности угленосных отложений происходят фациальные ее изменения. Эти изменения состоят в постепенном переходе надводных дельтовых отложений в подводные, а затем в морские отложения.
После континентального периода накопления нижнекарбоновой песчано-глинистой угленосной толщи, в средневизейское время, снова наступает длительный непрерывный морской режим, продолжавшийся до артинского времени. За период от визе до позднего карбона и сакмарского века включительно накопилась толща известняков. Только на сравнительно короткий промежуток времени в среднем карбоне море сильно мелело и его дно подступало близко к дневной поверхности. Это нашло свое отражение в накоплении 40- метровой толщи известково-глинисто-песчанистых осадков с морской фауной, залегающих среди известняков московского яруса. В то время нижнекарбоновая угленосная толща была погружена на глубину около 1,5 км, претерпевая соответствующие геотемпературные изменения (Геология месторождений угля, 1967).
На рубеже между сакмарским и артинским веками спокойный эпейрогенный колебательный режим сменяется резкими и повсеместными изменениями, вызвавшими размыв ранее образовавшихся осадков и отложение артинской толщи, сложной по литологическому составу со своеобразной фауной.
К концу артинского века угольные пласты были погребены под двухкилометровой толщей карбоновых известняков и нижнепермских песчаников. Дальнейшее накопление верхне- пермских морских отложений (кунгурский, казанский и татарский ярусы) происходило в условиях продолжавшихся герцинских тектонических движений, при одновременном прогибании поверхности. Это привело к еще большему погружению нижнекарбоновой продуктивной толщи до глубины 3–5 км, судя по достаточно высокой стадии метаморфизма кизеловских углей (в диапазоне от длиннопламенных до жирных).
Заключительные фазы герцинского орогенеза на границе палеозоя и мезозоя завершили создание всех основных структурных форм бассейна. Последующая длительная денудация при общем поднятии Урала удалила мощный покров вышележащих отложений карбона и перми (возможно, и мезозоя) и вывела продуктивный нижний карбон на дневную поверхность, обнажив угольные пласты в крыльях и замках современных складок.
Под влиянием очень продолжительного воздействия атмосферных агентов и подземных вод, продолжавшегося параллельно с денудацией со времени кайнозоя, а возможно, и с конца мезозоя угольные пласты и вмещающие их горные породы претерпели существенные изменения на выходах в зоне окисления, опускающейся до глубины нескольких десятков метров, а иногда до 100 и более метров от дневной поверхности.
Таким образом, особенности состава угленосной толщи обусловлены фациальными условиями образования угленосной формации. Высокое содержание серы обусловлено широким развитием биохимических процессов сульфатредукции, наиболее благоприятные условия для которого существуют при торфонакоплении в прибрежно-морской зоне. Именно сера является одним из главных активных элементов угленосной толщи, который в значительной мере предопределяет рН и окислительно-восстановительные условия накопления и изменения осадков, концентрацию элементов на сероводородном барьере и их выщелачивание в зоне окисления.
Высокое содержание в угленосных отложениях железа (прежде всего в форме пирита) обусловлено источником формирования обломочного материала, которым выступали коры выветривания на осадочных породах и выступах кристаллического фундамента (Еремеев, 1972). В условиях гумидного осадконакопления железо мигрирует в виде золя Fe(OH)33+ и в виде коллоидов железоорганических соединений. После захоронения в осадках за счет существования процессов сульфатредукции, формирующихся при разложении органического вещества, происходило осаждение железа на сероводородном геохимическом барьере.
Пирит в угленосных отложениях представлен двумя генерациями. Пирит первой генерации присутствует в виде таблитчатых кристаллов и микроконкреций, приуроченных к поровым и базальным участкам среди глинистого вещества, и развивается по органическим остаткам. Пирит второй генерации развивается по глинистому цементу и заполняет поровые промежутки и участки цемента базального типа (Еремеев, 1972).
В постседиментационных преобразованиях песчано- алевритовых угленосных отложений по особенностям преобразования терригенного и глинистого материала выделяются ряд этапов: диагенез – начальный эпигенез; глубинный эпигенез; начальный метагенез (Еремеев, 1972).
Процессы диагенеза – начального эпигенеза проявились главным образом в преобразовании глинистых минералов. В морских условиях шли процессы дегидратации каолинита, в условиях застойных озер и болот гидрослюды стадийно переходили в каолинит. Происходили также процессы гидратации слюдистых минералов и формирование пирита первой генерации по растительным остаткам, карбонатов (анкерита) и сульфатов (гипса).
Процессы глубинного эпигенеза в угленосных отложениях Кизеловского угольного бассейна, наиболее широко развитые в песчаных породах различного генезиса, выразились в конформации и регенерации обломков кварца, что привело к исчезновению первичных обломочных структур и возникновению несвойственных осадочным породам псевдогранобластовых структур. В ходе глубинного эпигенеза существенные изменения претерпело и глинистое вещество цемента: в условиях всестороннего сжатия происходили процессы перекристаллизации каолинита глинистого цемента в диккит. С более поздними стадиями глубинного эпигенеза связаны процессы формирования значительных количеств пирита (второй генерации), кальцита, сидерита и гипса. Благоприятными условиями для выделения пирита и сидерита были свободные поровые промежутки и участки неизмененного глинистого цемента базального типа.
Процессы метагенеза – результат раннекаменноугольных складкообразовательных движений – имеют локальное развитие и проявляются в самой ранней его стадии. Они выразились в бластической перекристаллизации участков зерен и дальнейшем усложнении конформно-регенерационных структур. Таким образом, наиболее существенные преобразования минерального вещества угленосных отложений Кизеловского бассейна происходили на стадии глубинного эпигенеза.
В районе распространения угленосной формации развиты породы палеозойского − от среднедевонского до позднепермского − возраста, представленные песчаниками, аргиллитами, алевролитами, сланцами, известняками, доломитами, мергелями, углем и другими, общей мощностью до 3-4 км. Карбонатные породы интенсивно закарстованы, особенно в верхней части разреза. Четвертичные отложения представлены в основном песками, суглинками, глинами, часто с большим содержанием гравия и гальки (Гидрогеология СССР, 1972).
Все литологические разновидности пород угольной толщи включают пирит и органическую серу, что играет важнейшую роль в формировании кислых шахтных вод. Содержание сульфидной и органической серы достигает 12-15%, при среднем уровне 5-8% (Металлогения …, 1988; Металлогения …, 1987). Основной формой нахождения серы является пирит, который неустойчив в окислительных условиях.
Среднее содержание многих микроэлементов в углях превышает средние концентрации по угольным месторождениям бывшего СССР (рис. 4.3). В результате этого на территории Кизеловского угольного бассейна происходит интенсивное загрязнение окружающей среды микроэлементами.


Рис. 4.3. Коэффициенты концентраций (КК) тяжелых металлов в углях Кизеловского бассейна и углях месторождений бывшего СССР (по данным Металлогения, 1988)

Кизеловский каменноугольный бассейн расположен на площади распространения подземных вод зон трещиноватости в породах верхнего и среднего палеозоя Западно-Уральской зоны складчатости (Гидрогеология …, 1972). Роль водоупоров играют терригенно-карбонатные отложения нижней части московского яруса среднего карбона мощностью 45-150 м и угленосные отложения, разделяющие карбонатные породы на три водоносные толщи (Гидрогеология …, 1972): верхнюю - водоносный комплекс зон трещиноватости отложений среднего карбона – артинского яруса нижней перми; среднюю – водоносный комплекс зон трещиноватости отложений визейского – башкирского ярусов; нижнюю – водоносный комплекс зон трещиноватости отложений среднего девона – турнейского яруса нижнего карбона.
Главной специфической особенностью гидрогеологии Кизеловского угольного бассейна является наличие над угленосным горизонтом двух карбонатных сильно обводненных толщ: средней и верхней. Высокая скорость водообмена в средней и нижней карбонатной толще обусловливает низкую минерализацию подземных вод 0,08-0,55 г/л и 0,09-0,8 г/л (соответственно), гидрокарбонатный кальциевый и гидрокарбонатный кальциево- магниевый состав.
Большая обводненность надугольных карбонатных толщ связана с их сильной закарстованностью. Карст региона относится к голому и покрытому типам, что является одним из факторов зависимости режима карстовых вод зоны активной циркуляции от режима атмосферной циркуляции осадков (Горбунова и др., 1992).
Режим поверхностных водотоков зависит в значительной степени от режима атмосферных осадков. В полной мере это относится к относительно крупным водотокам, поскольку сформировавшийся в их долинах аллювий изолирует воды от трещиноватого цоколя. Валунно-галечниковый аллювий с песчано-глинистым заполнителем и слоями песчанистой глины (до
4,0 м) в кровле и подошве является надежным экраном. В условиях искусственного понижения уровня подземных вод, реки оказываются подвешенными, изолированными от подземных вод. Малые реки, протекающие по территории распространения закарстованных пород, отличаются сменой поверхностного стока на подземный и наоборот. Карстовые потоки со смешанным атмосферным и подземным питанием, разгрузкой в виде источников в крупные реки, являются важным звеном в гидродинамической системе карстового массива, в частности, и в экологической системе региона в целом. Естественный состав поверхностных вод характеризуется HCO3 - Ca - Na гидрохимической фацией, и невысокой минерализацией – 0,1-0,3 г/л.
В естественных условиях гидрохимический и гидрологический режимы поверхностных вод во многом определялись их взаимосвязью с водоносным комплексом карстующихся отложений нижней перми-среднего карбона (верхней карбонатной обводненной толщи). Значительная закарстованность территории обусловливает понижение уровня подземных вод по отношению к руслам мелких боковых притоков, что привело к поглощению поверхностного стока и образованию суходолов на реках.
Формирование кислых шахтных вод. Шахты Кизеловского бассейна в период эксплуатации были одними из самых обводненных в стране. В силу особенностей геологических условий территории и интенсивной закарстованности они имели значительные водопритоки. В период эксплуатации шахты ежегодно сбрасывали в реки практически без очистки около 100 млн. м3 загрязненных шахтных вод, содержащих большое количество сульфатов, железа, алюминия, тяжелых металлов. Средний суммарный водоприток в шахты в период их работы составлял 12-14 тыс. м3/ч главную роль в формировании шахтных водопритоков играли карстовые воды визейского водоносного комплекса, которые поступали по техногенным трещинам, из зон крупных тектонических нарушений, по выроботкам, вскрывшим водоносные горизонты.
Природные подземные воды на территории Кизеловского бассейна обладают высоким окислительным потенциалом и нейтральной реакцией среды (рН=7,3-7,5), гидрокарбонатнокальциевым составом и минерализацией 0,06-1,5 г/л. В горных выработках они взаимодействуют с богатыми сульфидной и органической серой углем и горными породами, и преобразуются в сульфатные железо-алюминиевые натриево-кальциевые воды с минерализацией 2,5-19 г/л (табл. 4.6). В ходе эксплуатации минерализация может возрастать до 35 г/л (Максимович и др., 2006).
В кислой шахтной воде по сравнению с природной на несколько порядков повышается содержание свинца, меди, цинка, серебра, никеля, кобальта и др. (табл. 4.7).
Благодаря указанным особенностям шахтные воды при откачке их на поверхность приводили к активным геохимическим процессам, взаимодействуя с породами, поверхностными и подземными водами.
Постоянное и интенсивное поступление шахтных вод без очистки в местную гидросеть привело к тому, что химический состав рек в период эксплуатации шахт приблизился к химическому составу шахтных вод. Ниже по течению стока шахтных вод они приобретают сульфатный железисто-алюминиевый состав при минерализации от 0,64 до 6,0 г/л и более. Содержание сульфатов составляет до 3,7, железа - до 0,9, алюминия - до 0,16 г/л при рН 2,5-2,9.
Ликвидация шахт в 1990-х гг. не решила экологических проблем. Откачка кислых шахтных вод сменилась их изливам на поверхность. Шахтные воды затопленных горных выработок смешиваются с подземными водами и формируют техногенные водоносные горизонты мощностью 25-30 м (Имайкин и др., 2002). После восстановления уровня подземных вод в течение нескольких лет сформировался самопроизвольный излив шахтных вод. Величина самоизлива из затопленных шахт составляет от 20 до 80% объема шахтных вод во время эксплуатации. В ряде случаев максимальные отметки затопления горных выработок могут оказаться выше статического уровня подземных вод, вследствие этого на участках гидравлической связи между шахтными и подземными водами будет происходить движение шахтных вод из горных выработок в водоносные горизонты, загрязняя последние.
Формирование самоизливов вызывает ухудшение экологической ситуации в регионе. Это связано с изменением состава шахтных вод и значительным увеличением концентрации загрязнителей.

Таблица 4.6 Химический состав подземных и шахтных вод Кизеловского бассейна, мг/л (Металлогения, 1988)

Воды

HCO3-

SO42-

Cl-

Na+ + K+

Ca2+

Feî áù

Al3+

Mg2+

pH

Минерализация

Подземные

12-280

2-99

2-44

0,5-10

4-148

нет

нет

0,5-24

7,3-7,5

60-1500

Шахтные

-

644-6177

7-74

115-629

40-243

131-3727

29-494

17-115

2,2-3,1

2500-

19000

Таблица 4.7 Содержание микроэлементов в подземных и шахтных водах Кизеловского бассейна, мг/л (Металлогения, 1988)

Воды

Pb

Cu

Zn

Ag

Ni

Co

Подземные

0,0017

0,003

0,0079

0,00052

0,0071

0,00064

Шахтные

0,003-0,022

0,043-0,56

0,64-1,10

0,010-0,027

0,036-3,89

0,067-2,88

В настоящее время существует более 12 участков самоизлива шахтных вод на поверхность. Их суммарный среднегодовой расход составляет около 2,5 тыс. м3/ч, что в несколько раз меньше, чем в период работы бассейна. Однако значительно увеличилась их минерализация – до 25 г/л и более, химический состав изменился в худшую с экологической точки зрения сторону (рис. 4.4). Произошло резкое увеличение концентрации сульфатов (до 13 г/л) и двухвалентного железа (до 5 г/л).
При смешении с речными водами и увеличением рН, Fe2+ дольше, чем Fe3+, преобразуется в осадок, что приводит к загрязнению рек на протяжении десятков километров вплоть до самых устьев. Этого не наблюдалось при работе шахт. Шахтные воды поступают в 19 рек, 15 из которых практически выведены из водопользования. На природном геохимическом барьере ежесуточно формируются десятки тонн техногенных донных осадков. Выполненные исследования (Максимович и др., 1998; Максимович и др., 1999) показали, что на участках рек, расположенных ниже по течению от самоизливов, изменяется минеральный состав алеврито-глинистых и песчано-гравийных отложений.


Рис. 4.4. Состав шахтных вод до и после закрытия шахт Кизеловского угольного бассейна: (а) шахты г. Гремячинска, (б) шахты им. Калинина

По сравнению с фоновыми участками наблюдается снижение содержания основных минералов естественной минеральной ассоциации, за счет увеличения содержания вторичных минералов, рентгеноаморфного вещества (для алеврито- глинистых отложений) и техногенных включений песчано- гравийной размерности (Осовецкий, Меньшикова, 2006). Для алеврито-глинистых отложений содержание кварца снижается с 52-77 % до 4-34 %, полевых шпатов – с 4-23 % до 0-12 %. Увеличивается содержание, либо появляются новые вторичные минералы техногенного происхождения. Содержание гетита α-FeOOH , которое на фоновых участках составляет около 1 %, может возрастать до 15 %. Появляются лепидокрокит FeOOH – до 4 % и ярозит KFe3+(SO4)2(OH)6– до 11 % и даже 45 %. Обнаружены базалюминит
Al4[(OH)10SO4]·3,3 - 5H2O (8 %) и копиапит Fe2+Fe3+(SO4)2(OH)2·20H2O (2 %).
Отложения имеют ярко-оранжевый и ржавый цвет, накапливаются на плесовых участках. На перекатах они покрывают ржавым налетом грубообломочные отложения.
Содержание рентгеноаморфного вещества увеличивается с 0-18 % (фон) до 31-91 % на загрязненных участках, при среднем содержании 75 %. Рентгеноаморфное вещество представлено гидроксидами железа и алюминия, в основном – ферригидритом FeO(OH) (65 %).
Влияние пород шахтных отвалов. За время работы бассейна в более чем 70 отвалах накоплено свыше 35 млн. м3 пород (Красавин, Сафин, 2005). Возраст отвалов варьируется от 4 до 127 лет. Породы отвалов неоднородны, что определяется литологией угленосной толщи, технологией добычи и складирования, возрастом отвалов.
Породные отвалы состоят из обломков аргиллита, песчаника, известняка с включениями угля. Установлено около 60 минералов, среди которых выделены первичные, характерные для угленосной толщи и вмещающих пород: каолинит, иллит, серицит, монтмориллонит, мусковит, кварц, хлорит, пирит, марказит, кальцит, сидерит, олигоклаз, ортоклаз, арагонит, муассанит, циркон, ставролит, гиперстен, рутил, эпидот, цоизит, гранат, турмалин, анатаз, корунд, хромшпинелид, барит, магнетит, ксенотим.
Водные вытяжки из грунтов шахтных отвалов имеют в основном сильнокислую реакцию среды рН − 1,8-4,3, в отвалах, содержащих карбонаты, водородный показатель увеличивается до 5,2-7,8. Содержание сульфат-иона достигает 91 г/л, Fe2+ − 1 г/л, Fe3+ − 6 г/л; Al3+ − 11 г/л. Химические анализы водных вытяжек из негорелых грунтов отвалов показывают высокое содержание сульфат-иона (78,89%), железа двухвалентного (4,43%), трехвалентного (8,89%) железа, кальция (3,03%), натрия с калием (2,43%); минерализация − 5699 г/кг, рН среды − 2,8. В составе водных вытяжек из горелых грунтов отвалов преобладают сульфат-ион - 75,81%, кальций - 6,27%, натрий и калий - 5,91%, алюминий - 5,54%, железо трехвалентное - 2,54%, железо двухвалентное - 1,95%, магний - 0,99%.
Таким образом, в горелых грунтах отвалов повышается содержание растворимых соединений Al в 15 раз, Na+K в 2 раза, Ca в 2 раза; уменьшается содержание Fe2+ в 2 раза, Fe3+ - в 3 раза.
Увеличение содержания алюминия, по-видимому, связано с его высвобождением из алюмосиликатов в процессе горения и образованием растворимых сульфатов (алунит KAl3(SO4)2(OH)6, алуноген Al2(SO4)3×17H2O, к-квасцы KAl(SO4)2×12H2O и др.). Увеличение содержания кальция, возможно, связано с обжигом известняков и образованием окиси кальция (CaO), не устойчивой к воздействию воды. Снижение концентрации железа в водных вытяжках из пород горелых отвалов, скорее всего, связано с образованием в процессе горения значительного количества гематита Fe2O3 - минерала, устойчивого при взаимодействии с водой.
Атмосферные осадки, взаимодействуя с породными отвалами, обогащаются растворимыми соединениями. Стоки с отвалов характеризуются сильнокислой реакцией среды (рН 1-3), высокой концентрацией сульфат-иона (до 30 г/л), железа (до 8 г/л), тяжелых металлов и минерализацией свыше 40 г/л (табл. 4.8).

Таблица 4.8 Химический состав стоков с отвалов шахт Кизеловского угольного бассейна

Место отбора

pH

SO42-

Cl-

NO3-

Ca2+

Mg2+

Al3+

Na++K+

NH4+

Fe3+

Fe2+

Минерализация

1989-1991

ш. Ключевская

2,77

2065,3

117,3

-

160,3

60,8

497,5

 

217,0

40,0

3157,9

ш. Центральная

2,35

9905,6

17,7

-

248,5

253,3

-

-

-

0,0

874,9

11280,0

ш. Серова

1,79

29971,2

106,4

-

200,4

151,9

4203,5

-

302,0

7348,0

42283,4

2006

ш. Таежная

2,75

3430,8

35,4

0,0

300,6

91,1

175,3

353,1

10,0

0,0

237,3

4635,6

ш. Гремячинская

2,44

2039,9

46,1

0,0

300,6

60,7

0,0

200,4

1,2

0,0

209,4

2862,1

ш. Усьва-3

3,62

57,64

25,5

0,6

14,03

3,6

-

15,1

0,0

0,6

0,2

117,7

ш. им. 40 лет Октября

2,20

9968,3

140,3

0,0

460,9

182,9

364,2

575,8

3,2

27,9

1870,9

13600,5

ш. Шумихинская

1,99

26427,5

69,4

0,0

340,6

279,5

2091,0

615,2

5,6

1745,3

3351,0

34935,5

ш. Нагорная

2,70

12981,7

93,6

0,0

460,9

413,1

13335,5

959,8

12,6

97,7

363,0

16720,1

ш. Центральная

2,87

2781,9

99,2

0,0

140,2

85,0

267,1

234,9

5,1

0,0

96,3

3711,4

ш. Широковская

2,90

500,9

35,4

0,0

95,1

15,1

9,4

30,3

2,8

0,0

30,7

721,3

ш. Коспашская

2,39

5099,9

53,8

0,0

260,5

72,9

202,3

399,5

5,0

363,0

586,4

7047,7

В отвалах 50-летнего возраста по сравнению с 5-летними содержание сульфат-иона в стоках уменьшается примерно в 500 раз, а рН увеличивается в 2 раза (до 3,5) (Никифорова, Солнцева, 1986). Стоки с отвалов служат источником загрязнения поверхностных и подземных вод. Их инфильтрация в зону аэрации отражается на химическом составе подземных вод, физико- механических и фильтрационных свойствах грунтов. Воды приобретают агрессивность к бетону. С извлечением пород на поверхность многие элементы из-за своей неустойчивости в условиях земной поверхности переходят в подвижные формы и легко мигрируют в водных растворах.
При складировании отвалов по берегам рек значительная часть грубообломочных техногенных продуктов поступает в донные отложения за счет непосредственного размыва пород отвалов. В песчано-гравийной фракции донных отложений исследованных рек ниже участков складирования содержится значительное количество угольно-породных частиц (до 22%), шлаков (до 6,5%), магнитных сферул (до 1%) (Максимович и др., 1998; Максимович и др., 1999).
При смыве в реки бассейна Камы данные вещества являются вторичным источником загрязнения рек, что представляет угрозу для питьевого водоснабжения. Уже в настоящее время фиксируются превышения ПДК по концентрации Fe на водозаборах, расположенных на значительном расстоянии ниже по течению от мест поступления шахтной воды и стоков с шахтных отвалов.
В результате поступления породных стоков и шахтных вод в гидросеть даже для крупных рек, таких как р. Косьва и р. Вильва, постоянно наблюдаются высокий и экстремально- высокий уровень загрязнения поверхностных вод. Так, в р. Вильве из 12 отобранных проб в 2005 г. в 11 случаях зафиксированы концентрации железа на уровне экстремально высокого загрязнения в пределах 65648 ПДК, среднегодовое содержание марганца составило 36 ПДК. В р. Северной Вильве среднегодовое содержание железа составило 57 ПДК, марганца – 56 ПДК. Вода рек Вильвы и Северной Вильвы характеризуется как “очень грязная”, р. Косьвы – “грязная” (Государственный доклад, 2005).
4.3.2. Способы нейтрализации кислых вод самоизливов и стоков с породных отвалов
Очистка кислых шахтных вод. В настоящее время ведется поиск методов улучшения экологической ситуации Кизеловского угольного бассейна. Одним из наиболее эффективных методов решения целого комплекса экологических проблем, опробированных на территории Кизеловского бассейна, является создание искусственных геохимических барьеров.
В основу метода были положены процессы, встречающиеся в природе, когда нейтрализация кислых потоков вод происходит при взаимодействии с карбонатными породами (Перельман, 1989). Например, при окислении сульфидов туфолавовой формации Карпат резко возрастает минерализация вод (до 50 г/л), рН снижается до 1,0 и ниже, в водах растет содержание железа, алюминия, свинца, меди и других металлов. По периферии участков, на контакте карбонатных пород с сернокислыми водами, на щелочных геохимических барьерах образуются вторичные рудопроявления сульфатов железа − ярозит KFe3+(SO4)2(OH)6, свинца - англезит Pb(SO4) и других металлов (Щербаков, 1968).
Проявление сернокислотных процессов и их нейтрализация в природных условиях Нижнего Поволжья рассмотрены Ю.В. Ваньшиным (2002), где на поверхности пиритсодержащие юрские глинистые породы контактируют с карбонатами. Атмосферные осадки, фильтруясь через глинистые породы, изменяют химический состав и кислотность за счет окисления сульфидов при участии тионовых бактерий. Взаимодействие кислых сульфатных вод, содержащих аномальные концентрации Al и Si с карбонатами, приводит к формированию гетит-аллофан- гиббситовой минеральной ассоциации.
Нейтрализация избытков серы с последующим гидролизом основных солей железа и алюминия в обстановке щелочного геохимического барьера, сопровождающаяся образованием в качестве вторичных продуктов гипса, ярозита, гидроксидов железа и алюминия, выглядит следующим образом (Воронкевич, 2005):
CaCO3òâåðä + H2SO4 + 2H2O CaSO4 · 2H2O + CO2ãàç
Fe2(SO4)3 + 6H2O 2Fe(OH)3ò âåðä + 3H2SO4
Al2(SO4)3 + 6H2O 2 Al(OH)3ò âåðä + 3H2SO4
Кроме того, тяжелые металлы (Cu, Zn, Pb, Cd и др.) образуют труднорастворимые карбонаты, произведение растворимости которых значительно ниже по сравнению с карбонатом кальция – одним из наиболее распространенных в природе минералов. Вследствие этого при взаимодействии растворенных форм тяжелых металлов с карбонатными породами происходит осаждение на карбонатном геохимическом барьере (Сергеев и др., 2000):
Me2+ + CaCO3 = MeCO3 + Ca2+
где Me2+ = Cu, Zn, Pb, Cd, а также хемосорбционное удаление из раствора в форме поверхностных комплексов
MeCO3Me2+ + CaCO3 = MeCO3 + Ca2+
Me2+ + CaCO3 = MeCO3 + Ca2+
Взаимодействие кислых шахтных вод с карбонатными породами было изучено на примере изменения химических характеристик р. Берестянки на территории Кизеловского угольного бассейна (см. гл. 1). Однако естественные щелочные геохимические барьеры не могут полностью решить проблему очистки шахтных вод ввиду их малой емкости.
Известны примеры создания подобных искусственных геохимических барьеров с использованием карбонатных пород. Для предотвращения выноса загрязняющих веществ и поступления кислорода в сульфидосодержащие хвостохранилища на медно-цинковом месторождении на севере Швеции проводилось затопление с известкованием водной среды (MiMi-Mitigation…, 1989, Щербакова и др., 2004). Взаимодействие извести и растворенной в воде углекислоты приводит к образованию кальцита и гипса. Резкое повышение рН водной среды до 9-12 приводит к образованию и осаждению гидроксидов железа и марганца. Образующийся в результате указанных реакций кальцит, гипс, гидроксиды железа и марганца являются минеральной фазой, активно захватывающей растворенные в воде металлы. Осаждение новообразующейся минеральной фазы обусловливает значительное снижение концентраций металлов в воде и их захоронение в донных отложениях (Щербакова и др., 2004).
Использование карбонатных пород для иммобилизации тяжелых металлов было применено В. И. Сергеевым и др. (2000, 2002) для очистки сточных вод с высоким содержанием растворенного органического вещества, с которым тяжелые металлы образуют прочные комплексы, что снижает сорбционную активность тяжелых металлов. В качестве природного карбонатного материала ими использовался белый и желтый калькаринит, содержащий большое количество кальцита и доломита. Эксперименты показали, что калькаринит способен интенсивно извлекать Cu, Zn, Pb и Cd из водных растворов, включая растворы с высоким содержанием органического вещества.
Нейтрализация кислых шахтных вод отходами содового производства
В конце 1980-х гг. Н.Г. Максимовичем было предложено использовать в качестве реагента для очистки шахтных вод щелочные отходы содового производства, миллионы тонн которых накопились и продолжали поступать в шламонакопитель ОАО «Березниковский содовый завод» (БСЗ) (рис. 4.5). Проведенные в те годы лабораторные эксперименты показали высокую эффективность этого реагента, который можно использовать без специфической подготовки. Утилизация этих отходов (так называемых «белых морей») уже в то время представляла серьезную проблему.
Отходами производства кальцинированной соды аммиачным способом является дистиллярная суспензия, образующаяся в количестве 8-10 м3 на 1 т соды. Эта суспензия представляет собой дисперсную систему с соотношением жидкой и твердой фаз 85:15. Жидкая фаза суспензии – раствор хлоридов кальция и натрия, гидроксида и сульфата кальция с общей минерализацией около 180 г/л (Минерально-сырьевые ресурсы …, 2006).


Рис. 4.5. Шламонакопитель ОАО «Березниковский содовый завод»

После размещения дистиллярной жидкости в шламонакопитель из нее осаждается твердая фаза, состоящая из кристаллического и скрытокристаллического кальцита, с примесью кварца, калиевых полевых шпатов. Кроме кальцита в шламе в небольших количествах присутствуют карбонаты - арагонит и доломит, которые могут принять участие в нейтрализации кислых вод (табл. 4.8).
Отходы БСЗ относятся к 5-му классу опасности. Оптимальными для нейтрализации составом и свойствами обладает промытый атмосферными осадками шлам верхнего 1,5 м слоя старой карты шламонакопителя (рис. 4.6). Он более чем на 90% состоит из тонкодисперсного карбоната кальция. Водородный показатель вытяжки составляет 9-12.


Рис. 4.6. Разрез старой карты шламонакопителя Березниковского содового завода

Содержание водорастворимых хлоридов, сульфатов, натрия в этом слое в 37-54 раза ниже, чем в отходах действующей карты. Содержание микроэлементов не превышает ПДК валового содержания в почвах (табл. 4.9). Вредных органических примесей в шламе не обнаружено. Объем шлама, готового к использованию в качестве реагента для очистки шахтных вод без какой-либо подготовки, превышает 1 млн. м3.

Таблица 4.8 Минеральный состав отходов шламонакопителя БСЗ, %

Подпись: 103

№ пробы

 

Интервал отбора, м

 

 

Кальцит

 

Арагонит

 

Доломит

 

Портландит

 

Эттрингит

 

Таумасит

 

Кварц

 

Кристобалит

 

Калиевые полевые шпаты

 

Иллит

 

Амфибол

Рентгено-аморфные вещества

 

всего

 

в т.ч. кальцит

1

0

50-58 (91-93)*

0,4-1,3

33-43

3

0,0-1,5

32 (97)

2

<1

65

63

2

1,6-2,4

26 (85)

1

6

<1

<1

66

59

5**

0,0-1,0

30 (98)

2

68

68

4

1,0-1,6

28 (94)

1

2

1

1

<1

66

66

8

0,0-1,0

29 (96)

2

1

<1

<1

<1

67

67

7

1,0-2,5

27 (88)

1

<1

1

2

<1

68

61

6

3,5-4,8

26 (91)

<1

 

3

<1

<1

2

68

65

11

0,0-1,5

28 (97)

1

<<1

<<1

<1

<1

69

69

10

1,5-2,5

26 (96)

1

1

2

<1

<1

70

70

9

4,0-4,8

22 (83)

2

5

1

1

69

61

12

0,0-1,5

37 (79)

2

<1

<1

6

54

42

13

2,5-3,2

24 (32)

27

2

3

7

2

1

1

33

8

14

3,5-4,8

19 (32)

1

12

2

3

8

1

1

 

53

13

П р и м е ч а н и я: * - в скобках указано общее количество кальцита, включая рентгеноаморфный;
** - не исключается примесь водного карбоната со структурой пироаурита.

Таблица 4.9 Валовое содержание микроэлементов в отходах из старой карты шламонакопителя БСЗ, мг/кг

N

пробы

Глуб., м

рН

Ni

Co

Cr

Mn

V

Sc

Ye

Cu

Zn

Pb

Ba

Sr

Ве

Zr

Y

La

Li

Nb

1

0

 

7

3

10

500

10

3

н.о.

20

70

10

5

500

н.о.

50

20

15

15

н.о.

3

0

8,8

10

5

30

700

10

н.о.

н.о.

15

50

4

200

500

<1

30

40

н.о.

н.о.

н.о.

2

1,6-

11,8

9

4

30

500

10

3

н.о.

18

н.о.

7

300

400

1

30

30

н.о.

н.о.

7

5

0

8,7

7

3

18

1000

10

3

н.о.

15

н.о.

7

200

400

н.о.

20

40

н.о.

н.о.

н.о.

4

1,0-

11,8

6

3

15

400

10

н.о.

н.о.

10

н.о.

30

200

300

1,5

20

30

н.о.

н.о.

7

8

0

9,9

6

3

30

700

10

н.о.

н.о.

10

н.о.

7

200

300

1

20

40

н.о.

н.о.

н.о.

7

1,0-

11,4

9

3

30

700

10

н.о.

н.о.

10

н.о.

70

200

300

1

50

40

н.о.

н.о.

н.о.

6

3,5-

11,8

10

3

40

1500

10

3

н.о.

20

50

180

200

400

1

20

40

н.о.

н.о.

7

11

0

9,2

7

3

30

1000

10

н.о.

н.о.

10

н.о.

20

200

300

н.о.

20

40

н.о.

н.о.

н.о.

10

1,5-

11,5

9

3

50

1000

10

3

н.о.

20

н.о.

180

200

300

15

20

50

н.о.

н.о.

н.о.

9

4,0-

11,6

9

3

70

1000

10

4

н.о.

18

н.о.

180

1500

500

1

30

50

н.о.

н.о.

н.о.

12

0

12,3

5

н.о.

15

1000

10

3

н.о.

18

н.о.

15

200

200

1

20

15

н.о.

н.о.

н.о.

13

2,5-

12,4

7

3

30

700

10

3

1

18

н.о.

100

200

200

1,5

40

18

н.о.

н.о.

н.о.

14

3,5-

12,4

9

3

30

900

10

3

н.о.

20

50

150

200

300

1

40

18

н.о.

н.о.

н.о.

ПДК*

 

 

50

50

100

1500

150

 

 

55

100

32

 

 

 

 

 

 

 

 

П р и м е ч а н и я: ПДК* - ПДК валового содержания в почвах; P, Ge, As, Sb, Cd, Bi, W, Cе, Tl, Ta, Hf, Sn, Be, Nb, Ag, Mo, – спектральным анализом не обнаружены;
н.о. – не обнаружено.

Для проведения опытно-промышленных работ по нейтрализации шахтной воды с применением отходов БСЗ был выбран самоизлив из штольни шахты «Им. 40 лет Октября» на восточном склоне увала Рудянский Спой, в междуречье р. Косьвы и р. Усьвы.
Характеристика шахтных вод. В меженные периоды года расход шахтных вод составляет 180-220 м3/ч, в период дождевых паводков – 300-400 м3/ч. Вода самоизлива за весь период наблюдений имеет сильнокислые значения рН – 2,6-2,9. Минерализация изменяется от 385 до 875 мг/л. Состав воды сульфатно-железисто-кальциевый. Содержание сульфатов изменяется в пределах 292-660 мг/л, железа трехвалентного – 22-109 мг/л, алюминия – 8-23 мг/л. Содержание двухвалентного железа может достигать 11 мг/л. В течение года минерализация воды самоизлива меняется. В летнюю межень минерализация составляет 750-875 мг/л, содержание сульфатов – 520-660, железа (суммарно) – 97-117, алюминия – 13-23 мг/л. В период осеннего дождевого паводка минерализация снижается до 385-600, сульфаты – до 292-450, железо – до 22-56 и алюминий до 10-14 мг/л. Наибольшее количество растворимых веществ, выносимых шахтными водами исследуемого самоизлива в окружающую среду (рис. 4.7), поступает после весеннего снеготаяния в начале лета – 230-290 кг/ч. В летнюю межень и период осеннего паводка количество выносимых веществ снижается до 130-180 кг/ч.
В микроэлементном составе шахтной воды бериллий и марганец в десятки, а литий, никель, кадмий, кобальт и барий в несколько раз превышают ПДКв.
Вода поступает в Рахматульский водоем техногенно-карстового происхождения. Он образовался в начале 1970-х гг. за счет закупорки осадком карстовой воронки. Осадок образуется при смешении природных и кислых шахтных вод. Кроме самоизлива из штольни шахты «им. 40 лет Октября» в водоем поступают шахтные воды из фонтанирующей скважины. Водородный показатель воды в начале июня составлял 3,2, в середине ноября – 5,2.


Рис. 4.7. Количество растворенных веществ, выносимое водами самоизлива шахты «им. 40 лет Октября»

Минерализация воды в среднем в 4-6 раз превышает минерализацию самоизлива из штольни и составляет 3000-3240 мг/л. Содержание некоторых компонентов значительно превышает ПДКв (мг/л): сульфаты – в 4 раза (2050-2260); железо – в 1500-1600 раз (447-476). В микроэлементном составе воды из скважины марганец и бериллий в сотни, а никель, кобальт, барий, литий, свинец и титан в несколько раз превышают ПДКв.
Вода руч. Рахматулка, впадающего в водоем, имеет значения рН, близкие к нейтральному (рН-7,1). Значение сухого остатка составляет 70 мг/л, при содержании сульфатов – 9 мг/л, общего железа – 0,2 мг/л.
В результате взаимодействия с карбонатными породами и смешивания кислых шахтных вод с нейтральными природными происходит осаждение большинства элементов на дне Рахматульского водоема на щелочном геохимическом барьере, вызывая расслоение воды по химическому составу на различных глубинах. На поверхности водоема минерализация воды имеет значения 490-670 мг/л. Содержание железа составляет 17-25 мг/л, алюминия – 2-12 мг/л, сульфатов – 340-470 мг/л. В придонном слое минерализация увеличивается до 4400-12000 мг/л, при содержании железа – 1050-3200 мг/л, алюминия – 30-100 мг/л, сульфатов 2900-7900 мг/л. В микроэлементном составе воды придонного слоя Рахматульского водоема бериллий и марганец в сотни, медь, цинк и кадмий в десятки, а никель, кобальт, барий, литий, титан и свинец в несколько раз превышают ПДКв.
Для донных отложений Рахматульского водоема характерны кислая реакция среды – рН-2,9 и высокое содержание водорастворимых солей – 8,2 г/кг. В составе вытяжки преобладают сульфаты – 5368 мг/кг, двухвалентное железо – 2094 мг/кг, трехвалентное железо – 251 мг/кг, алюминий – 30 мг/кг.
Образование осадка вызвало закупорку карстовых каналов и формирование водоема протяженностью около 1,7 км при ширине 50-250 м. В настоящее время, на северо-западном окончании водоема, избыток воды переливается из него (рис. 4.8) и течет по дну карстового лога в направлении р. Косьвы. Через 1,2 км вода поглощается воронкой мощной карстовой системы Ладейного Лога (рис. 4.8) и на протяжении более 10 км осуществляется подземный сток. Разгрузка вод карстовой системы, в свою очередь, происходит в р. Косьву.
Для очистки шахтных вод была предложена и реализована простая технологическая схема. Отходы БСЗ добавлялись в поток шахтной воды, вытекающей из водоотлива, а образующийся осадок собирался в каскаде отстойников. Н.Г. Максимовичем, А.Б. Холостовым и В.Н. Басовым разработана специальная установка, позволяющая готовить пульпу определенной консистенции из отходов БСЗ и шахтной воды и выливать ее непосредственно в канал стока самоизлива в рассчитанных количествах в зависимости от расхода и состава воды (рис. 4.9) (Патент на изобретение № 2293063, 2007).
Лабораторные исследования. Количество реагента, необходимого для очистки шахтных вод, рассчитывалось на основании лабораторных исследований. Вода для лабораторных экспериментов была отобрана из штольни шахты «Им. 40 лет Октября» в летнюю межень. В этот период для нее характерны максимальные значения минерализации и концентрации загрязнителей.


Рис. 4.8. Общая технологическая схема очистки кислых шахтных вод Кизеловского угольного бассейна отходами ОАО «Березниковский содовый завод» на примере шахты «им. 40 лет Октября»


Рис. 4.9. Изменение рН воды самоизлива шахты «40 лет Октября»: (а, б) при добавлении различного количества реагента, (в) при добавлении оптимального количества реагента (1,35 г/л) в зависимости от времени

Исследования включали серии опытов по определению оптимального количества расхода реагента и времени, требующегося для нейтрализации шахтной воды. Эксперимент по определению оптимального количества реагента имитировал условия нейтрализации, которые по данным предварительного обследования будут существовать в реальном самоизливе. Для этого к 0,5 л шахтной воды добавлялась определенная навеска отходов БСЗ и интенсивно перемешивалась в течение 5 мин.
После чего вода отстаивалась в течение 20 мин и производилось измерение рН. Проведены две серии опытов с шахтной водой. Результаты эксперимента представлены на рис. 4.16. Установлено, что оптимальное количество отходов БСЗ для повышения рН шахтной воды до значений 6,5-7,0 составляет 1,2-1,5 г/л. Более 90 % повышения рН наблюдается в первые 20 мин проведения опыта.
Минерализация воды до нейтрализации составляла 801- 867 мг/л, водородный показатель – 2,8-2,9. Содержание сульфатов превышало ПДКв в 1,2 раза, железа – в 326-372 раза, алюминия – в 36-37 раз. В результате нейтрализации произошло повышение рН до 6,4-7,0. Содержание железа и алюминия находится в пределах ПДКв. Повышение содержания сульфатов, хлоридов, соединений азота не наблюдается, либо было незначительно.
Таким образом, проведение лабораторных экспериментов показало, что для нейтрализации 1 м3 шахтной воды необходимо 1,2-1,5 кг отхода, при этом происходит повышение рН до нейтральных значений, очистка воды от железа и алюминия.
Результаты опытно-промышленных испытаний. Проведенные работы показали, что рН шахтной воды повышается с 2,6-2,9 до нейтральных значений. В ходе испытаний суммарное содержание железа с 30-40 снизилось до 0,2-0,3 мг/л, что не превышает ПДК. После нейтрализации алюминия в шахтной воде не обнаружено, тогда как до нейтрализации его содержание составляло 10-14 мг/л. Содержание бериллия, лития, никеля, кадмия, кобальта и титана, которые в шахтных водах превышали нормативные концентрации, снижается до значений, не превышающих ПДК. Нейтрализованная вода после отстаивания удовлетворяет требованиям ПДК (рис. 4.8).
При смешивании шахтной воды со шламами БСЗ происходит повышение рН за счет взаимодействия с карбонатом и гидроксидом кальция, которые являются основными компонентами отходов БСЗ. При этом происходит частичная очистка воды от ряда загрязнителей, которые хорошо мигрируют в кислой среде и малоподвижны в нейтральной и щелочной. К ним относится большинство катионогенных металлов, таких как Fe, Al, Mn, Co, Zn, Cu, Ni, Pb, Cd, Ti и др. При повышении рН растворов, в которых присутствуют ионы этих металлов, происходит их осаждение в виде гидроксидов.
Для каждого из металлов характерны определенные значения рН среды, выше которых начинается осаждение их гидроксидов. В табл. 4.10 приведены рН начала осаждения гидроксидов металлов, концентрации которых в шахтных водах Кизеловского бассейна превышают ПДК. Приведенные данные показывают, что при повышении рН шахтной воды, в первую очередь, в осадок выпадают гидроксиды титана, трехвалентного железа и алюминия. Fe3+ и Al3+ являются основными загрязнителями шахтной воды, изливающейся из штольни шахты «Им. 40 лет Октября». При дальнейшем повышении рН из раствора последовательно осаждаются гидроксиды Zn, Cr, Cu, Fe, Be, Pb, Ni и Co.
Существенные коррективы в очистку шахтной воды могут вносить процессы сорбции. Значительная часть образующегося при нейтрализации осадка представлена гелем гидроксида железа. Коллоиды Fe(OH)3 обладают высокими сорбционными свойствами, что может приводить к совместному осаждению с гидроксидами железа других элементов.
В ряде случаев, когда исходная минерализация шахтных вод достаточно велика, ее состав при нейтрализации может регулироваться способностью к растворению веществ, ионы которых находятся в растворе.
Шахтная вода может содержать значительное количество сульфат-ионов, в некоторых случаях до 17 г/л. При нейтрализации шахтных вод в раствор поступают ионы кальция. Водный сульфат кальция или гипс (СаSO4 ∙2H2O) относится к малорастворимым соединениям. Его растворимость в воде составляет около 2 г/л. При отсутствии в нейтрализованной шахтной воде значительного количества каких-либо других ионов, совместное нахождение сульфатов и ионов кальция будет регулироваться растворимостью сульфата кальция. Избыточные ионы SO42- и Сa2+ будут выпадать в осадок в виде гипса. Это подтверждается рентгеноструктурными исследованиями осадка.

Таблица 4.10 Значения рН начала осаждения гидроксидов из разбавленных растворов солей и произведение растворимости (ПР) гидроксидов при 25 °С (по А.И. Перельману)

Показа тель

 

Ti(ОН)4

 

Fe(ОН)3

 

А1(ОН)3

 

Zn(ОН)2

 

Сr(ОН)3

 

Сu(ОН)2

 

Fe(ОН)2

 

Be(ОН)2

 

Рb(ОН)2

 

Ni(ОН)2

 

Со(ОН)2

 

Мn(ОН)2

рН

1,4-1,6

2,48

4,1

5,2

5,3

5,4

5,5

5,7

6,0

6,7

6,8

9,0

ПР

110-30

410-38

1,910-42

4,510-17

710-31

1,6∙10-19

4,810-16

110-20

710-16

8,710-19

1,310-15

4,110-14

Таким образом, при определенных условиях происходит частичная очистка шахтной воды от SO42-.
Образующийся осадок представляет смесь тонкодисперсных частиц гидроксидов железа и гипса, частично не прореагировавшего карбоната кальция. Он имеет нейтральную реакцию среды. Подвижных форм железа, алюминия, марганца, свинца и др. практически не обнаружено, т.е. он не является источником вторичного загрязнения водных объектов (рис. 4.8).
Эксперименты с образующимся в результате нейтрализации осадком (В.И. Каменщикова и др.) показали, что он зарастает многолетними травами (тимофеевка, овсяница, пырей, люцерна) практически также, как и контрольные образцы почвы. Осадок предполагается использовать для рекультивации шахтных отвалов. Для этого осадок из отстойников без какой-либо подготовки наносится на поверхность отвалов и засаживается специально подобранными травосмесями. При этом уменьшается их развеивание, выделение парниковых газов, снижается инфильтрация атмосферных осадков и стоки с них.
Дополнительным плюсом данного метода является использование для очистки шахтных вод отходов содового производства, утилизация которых представляет серьезную проблему.
Таким образом, проведение опытно-экспериментальных работ еще раз показало перспективу использования геохимических барьеров для решения экологических проблем в угольной промышленности. Представленный метод позволяет комплексно решить ряд экологических проблем региона к которым относятся: очистка кислых шахтных вод, рекультивация отвалов угольных шахт и снижение загрязнения приповерхностной гидросферы, снижение выделения парниковых газов, утилизация отходов содового производства.
Следует отметить, что во многих случаях при реализации природоохранных технологий по охране окружающей среды оказывается негативное влияние. Образуются новые отходы, производятся выбросы в атмосферу и сбросы в гидросферу, создаются шум.ю вибрация электромагнитные и тепловые поля.
Предлагается технология практически лешеная этих недостатков. Кроме того электрозатраты на ее реализацию минимальны, что так же является положительным моментом с точки зрения охраны окружающей среды.
Очистка кислых стоков породных отвалов
Искусственные щелочные геохимические барьеры нашли применение для очистки кислых стоков в районах складирования отвалов угледобычи Кизеловского угольного бассейна (Максимович, 2006), характеристика которых дана выше.
Для оценки возможности применения карбонатных пород в условиях Кизеловского угольного бассейна был выполнен комплекс лабораторных и полевых исследований. Опытные работы проводились на участке, расположенном вблизи отвала шахты 4 ниже по потоку подземных вод.
Для создания щелочного барьера в качестве реагента использовались отсевы, образующиеся при добыче известняка. Карбонатные породы в пределах главной Кизеловской антиклинали и других геоструктур бассейна имеют достаточно широкое распространение. На территории региона имеется ряд крупных карьеров разрабатывающих известняк, поэтому использование отходов, образующихся при его добыче, обходится относительно дешево.
Подземные воды распространены в желтых и светло- серых суглинках с включениями дресвы и щебня кварцевого алевролита на глубине 0,3-0,4 м. Под данным режимных наблюдений вода на участке до начала опытных работ имела сульфатно-железисто-натриевый состав, содержание сульфатов достигало 19,7 г/л, железа - 5,3 г/л. Минерализация изменялась от 17 до 28 г/л, рН находится в пределах 1,7-2,1.
Для очистки подземных вод известняк укладывался в траншею, пройденную до водоупора, которым является черная плотная глина, залегающая на глубине 1,0-1,2 м. Выше и ниже по потоку от канавы проходились шурфы для наблюдения за составом подземных вод (рис. 4.10).
В результате применения метода на опытном участке водородный показатель подземных вод повысился с 1,8 до 6,8 и сохранял близкие значения в течение года наблюдений. Химический состав воды сменился на сульфатно-гидрокарбонатный кальциевый. Существенно снизилась минерализация воды - с 28 до 3,5 г/л, а также содержание основных загрязняющих компонентов (рис. 4.10).


Рис. 4.10. Схема проведения и результаты опытных работ по очистке стоков с породного отвала

По данным рентгеноструктурного анализа в составе суглинков приконтактной зоны обнаружены: гетит 7-32 %, ярозит - до 41 %, гипс - до 8 %, гематит - до 4 %. Образующийся осадок заполняет поровое пространство, что затрудняет фильтрацию и цементирует грунты. В результате этого изменились также деформационные свойства суглинков. По данным компрессионных испытаний модуль деформации грунтов увеличился в два и более раз.
Реализованная технологическая схема проста в исполнении и практически не требует эксплуатационных затрат.

 
Free template "Frozen New Year" by [ Anch ] Gorsk.net Studio. Please, don't remove this hidden copyleft! You have got this template gratis, so don't become a freak.