Header Image

Выявление, описание и анализ рисков является обычным явлением на развитых рынках строительных услуг. Тем не менее, на российском рынке на сегодняшний день этой области уделяется мало внимания.

Подробнее ...
4.4. Снижение содержания сульфатов в технических водах месторождения бурого угля (Бурятия) Печать E-mail
14.12.2014 19:25

Для снижения содержания сульфатов в технических водах на Холбольджинском разрезе Гусиноозерского месторождении бурого угля в Бурятии также был применен сульфатный барьер.

Климат территории резко континентальный. Следствием этого является небольшое количество осадков, большая величина испарения при высоких летних температурах, малая мощность снежного покрова. Все эти факторы отрицательно сказываются на пополнении запасов подземных и поверхностных вод, поэтому актуальной является проблема очистки сточных вод с помощью дешевых и эффективных методов.
Территория Забайкалья представляет собой гетерогенную складчатую область догерцинской и послегерцинской консолидации, интенсивно активизированную в мезозое, слабее – в кайнозое. На ней развиты допалеозойские и палеозойские метаморфические и магматические породы, которые слагают возвышенные части рельефа, а также служат ложем вулканогенным, осадочным безугольным и гленостным формациям мезозоя и кайнозоя, выполняющим разобщенные депрессии, совпадающие с долинными впадинами современных рек (Геология СССР, 1964).
Угольные пласты Хольбоджинского разреза мощностью 2-20 м залегают под углом 25-300 в направлении от оз. Гусиного к Моностойскому хребту. В процессе угледобычи производится вскрытие угленосных пластов, отсыпка породных отвалов в береговой зоне оз. Гусиного, входящего в водоохранную зону оз. Байкал. Разработка угля ведется с 1963 г. Общий объем добычи составлял около 3 млн. т угля в год. Пласты вскрываются и отрабатываются несколькими траншеями максимальной глубиной до 110 м.
Средний элементарный состав углей Хольбоджинского разреза, не затронутых процессами выветривания, колеблется: углерода – от 69,3 до 73%, , водорода – от 4,9 до 5,4 %, сумма кислорода и азота – от 22,0 до 25,8 %. По содержанию серы угли характеризуются как малосернистые: по отдельным пластам содержание серы изменяется от 0,3 % до 0,7 % при среднем значении 0,5 %.
Горные выработки дренируются в основном подземными водами продуктивных угленосных отложений (песчаники, угли, алевролиты, аргиллиты). Водообильность угленосных отложений изменяется в широких пределах. Коэффициент фильтрации составляет 0,14-9,5 м/сут. Глубина залегания уровня подземных вод в естественных (до начала отработки угля) условиях составляла 0-40 м, в среднем 15-17 м от поверхности земли.
Поскольку атмосферные осадки весьма незначительны (260-320 мм/год), динамические притоки воды в бассейне составляют небольшую часть массы подземных вод (8-10 %). Основная часть запаса подземных вод относится к разряду статических, накопленных за длительный период существования бассейна. Это определяет химический состав подземных вод. Общая минерализация изменяется от 1 до 2,5 г/л, содержание сульфатов – от 346 до 1194 мг/л. Преобладают гидрокарбонатно-сульфатные и сульфатно-гидрокарбонатные типы вод. По своему химическому составу подземные воды не пригодны для хозяйственно-питьевого использования.
При изучении влияния разработки угля на гидросферу комплекс методов исследования включал: исследование геолого-гидрогеологических условий, методом естественного поля для выявления участков сосредоточенной фильтрации по положительным аномалиям, термои резистивиметрию, определение направления и скорости грунтового потока методом заряженного тела в скважинах; гидрохимическое опробование грунтовых вод; геохимическое исследование породных отвалов, участвующих в загрязнении, с изучением минерального состава (рентгеноструктурный анализ) и состава водной вытяжки.
Комплексные исследования техногенного воздействия угольного разреза на оз. Гусином показало, что происходит изменение гидродинамического и гидрохимического режимов подземных и поверхностных вод (рис. 4.11) (Максимович, Блинов, 2001).
В результате эксплуатации разреза уровни (напоры) подземных вод понизились на 2-56 м в зависимости от расстояния до центра дренажа. Изменилось направление движения и разгрузки подземного потока. В ненарушенных условиях разгрузка подземных вод происходила в оз. Гусиное. В настоящее время, областью разгрузки являются действующие горные выработки разреза, где формируются карьерные водоемы. Карьерные воды собираются в выработанном пространстве пластов и по мере накопления перекачиваются в главный водосборник. Величина среднегодового водопритока в целом по разрезу составляет 300 м3/ч.


Рис. 4.11. Техногенное воздействе угольного разреза Хольбодзинский на гидросферу

Гусиноозерский угленосный район представляет собой артезианский бассейн местного значения с этажным расположением водоносных горизонтов, приуроченных к пескам, песчаникам и пластам угля. Водоносные горизонты находятся в тесной гидравлической связи друг с другом, образуя водоносные зоны. В бассейне выделяются грунтовые, порово-пластовые воды четвертичных отложений; порово-пластовые и трещинно- пластовые напорные воды мезозойских угленосных отложений, а также напорные трещинные воды кристаллических пород фундамента и горного обрамления впадин. Все типы вод относятся к разряду инфильтрационных, и запасы их возобновляются и поддерживаются за счет атмосферных осадков.
Карьерные воды, формирующиеся в основном за счет подземных вод угольных отложений, имеют такой же солевой состав, что и подземные воды (табл. 4.11). В формировании карьерных вод участвуют и воды с поверхностного стока с отвалов. Карьерные воды, пре перекачке, свободно стекают по бортам траншей, увеличивая содержание взвешенных частиц, а также сульфат-ионов, нефтепродуктов, фенолов, нитритов.

Таблица 4.11 Химический состав подземных, карьерных и озерных вод Холбольджинского угольного месторождения, мг/л

Показатель

Карьерные воды

Подземные воды

Воды оз. Гусиное

рН

6,5-8,9

6,9-8,5

7,4-9,1

HCO3-

 

31-622

265-719

128-171

SO4-

 

72-1200

156-693

8,6-232

Cl-

3-61,2

4-288

3,8-25,2

K++Na+

3,3-349,8

96-457

22,6-42

Ca2+

14 -272

18-160

22,4-51

Mg2+

3-144

5-173

2-11

Взвешенные вещества

3-193

9-773

<3-18

Минерализация

167-2505

793-1920

254-300

Использование для полива технической воды, большие запасы которой сосредоточены в выработанном карьере, затруднено повышенным содержанием в ней сульфатов - до 1200 мг/л. Учитывая крайне высокую потрелность в водах для орошения была проведена оценка возможности снижения содержания сульфатов.
Для этого был предложен способ внесения растворимых солей бария, которые в водной среде при взаимодействии с сульфат-ионом образуют сульфат-бария (барит), практически нерастворимое (произведение растворимости 1,1∙ 10-10), химически устойчивое соединение в соответствии со следующей реакцией:
SO42-+Ba2+ = BaSO4
Природные аналоги процессов осаждения. Барит – устойчивый в гипергенных условиях минерал, обычно бесцветен или снежно-белый. Его химический состав: ВаО – 65,7 %, SO3 – 34,3 %. Характерна относительно высокая плотность – 4300-4500 кг/м3 (Бетехтин, 1950).
Низкое произведение растворимости показывает, что совместное нахождение в растворе ионов бария и сульфат-ионов практически невозможно. Эта особенность используется в аналитической химии для качественной реакции на нахождение сульфат-иона в растворе. При добавлении раствора бария мгновенно выпадает белый осадок сульфата бария и происходит помутнение раствора.
По данным исследователей, изучавших закономерности формирования барита (Учаменшвили Н.Е. и др., 1980), существует несколько принципиальных схем его образования.
 Смешение вод, несущих раздельно Ba2+ и SO42-;
 Раствор, содержащий Ba2+, воздействует на сульфатные породы;
 Раствор, содержащий SO42-, воздействует на барийсодержащие породы;
 Раствор, содержащий Ba2+ и S2-, подвергается окислению с последующим осаждением барита.
В больших количествах (1-5 г/л) барий содержится в глубинных высокоминерализованных водах хлоридно- кальциевого состава. Известны минеральные источники с концентрацией BaCl2, достигающей 0,31 г/л. На острове Челекен глубокими скважинами вскрыты теплые рассолы (40-92оС) с концентрацией Ba2+ 8-50 мг/л (Учаменшвили и др., 1980).
Образование барита происходит в различных геологических обстановках. Основные его залежи сформировались в гидротермальных условиях – на больших глубинах, в области высоких температур и давлений (Малинин и др., 1982; Тян и др., 1986). Больше половины массы бария сосредоточено в метаморфических породах гранитно- гнейсового слоя – 64,08%. В верхней части континентальной коры до 72% всего бария сконцентрировано в виде барита (Григорьев, 2006).
Большой интерес представляет образование барита в приповерхностных условиях. В осадочных породах барит встречается, главным образом, в виде конкреций в глинистых и песчаных отложениях прибрежных зон морей. Растворимые соли бария приносятся с суши с поверхностными водами и при встрече с ионами сульфатов морской воды образуют практически нерастворимый сульфат бария. Желваки барита обнаруживаются среди илов и в современных осадках.
Барит может возникать при химическом выветривании пород. В зоне окисления сульфидных месторождений могут образовываться так называемые «баритовые сыпучки» в результате реакции солей бария с растворенными сульфатами или серной кислотой (Петров, Делицин, 1986; Кравченко и др., 1986).
Известен случай отложения барита при смешении вод минерального источника Ляутенталь в Гарце, содержащего Ba2+, с сульфатными водами зоны окисления сульфидных жил. Барит может образовываться также в нефтяных скважинах (Бэтсон, Саратога – США) при окислении поверхностными водами растворенного сульфида бария (Бетехтин, 1950).
Формирование барита может происходить на месторождениях серы (Сребродольский, 1986). В условиях низких температур воздействие серной кислоты на ранее образовавшийся витерит ВаСО3 приводит к его замещению баритом (Петров, Делицин, 1986). Процесс образования вторичного барита протекает также при воздействии растворов, содержащих барий на ангидрит СаSO4 (Малинин и др., 1986).
В подземных водах, залегающих на небольших глубинах, Ba2+ практически отсутствует из-за наличия в них того или иного количества сульфатов. Очень редко незначительные концентрации Ba2+ (6-8 мг/л) отмечаются в хлоридных и гидрокарбонатно-хлоридных водах.
Таким образом, анализ природных условий образования барита указывает на необратимость процессов взаимодействия Ва2+ и сульфат-ионов.
Барит, как трудно растворимая соль сильной кислоты, практически нерастворим в кислотах. Влияние кислотности среды на процесс осаждения сульфатов выражено слабо. Из кислых растворов выпадает более крупнокристаллический осадок (Алексеев, 1963).
Для осаждения сульфат-ионов выбраны гидроокись и хлорид бария (табл. 4.12). Названные соединения бария имеют различную растворимость, что позволяет варьировать скорость действия нейтрализующего реагента.

Таблица 4.12 Растворимость солей и гидроокисей бария

Название

Формула

Растворимость в г на 100 г воды

Температура, °С

азотнокислый

Ba(NO3)2

9.00

20

гидроокись

Ba(OH)2

1.65

0

101,4

80

гидроокись

Ba(OH)2∙8Н2О

5,60

15

окись

BaO

1.50

0

сернокислый

(барит)

BaSO4

0.000222

18

0.000413

100

углекислый

αβγ BaСO3

 

0.0020

 

0.0022

18

0.0022

18

хлористый

BaCl2

31.20

0

57.10

100

BaCl2∙Н2О

38.40

20

BaCl2∙2Н2О

42.80

20

В лабораторных условиях было подобрано оптимальное каличество реагентов для снижения содержания сульфатов до 500 мг/л согласно требованию к качеству воды для орошения в этом регионе. Хорошо растворимый хлорид бария быстрее осаждает сульфат-ионы. В случае необходимости замедления процесса осаждения рекомендуется гидроксид бария (баритовая вода).
Опытно-промышленные испытания. Опыты по снижению сульфатов соединениями бария были проведены в естественных условиях на территории Холбольджинского угольного разреза.
Площадка проведения работ была выбрана на пологом (10-15°) восточном склоне карьера IX пласта, который использовался в качестве резервуара технических вод. Обессульфачивание воды проводилось согласно технологической схеме, приведенной на рис. 4.12. Для проведения опыта были вырыты два искусственных водоема в виде канав.


Рис. 4.12. Схема снижения концентрации сульфатов в технической воде отработанного карьера разреза Холбольджинский

Расстояние между ними составило около 10 м. Для уменьшения фильтрации донная часть канав и частично борта были выложены полиэтиленовой пленкой. Объем каждой канавы составил 40 м3. Приготовление раствора проводилось порциями в смесителе объемом 1,4 м3.
После заполнения водой из затопленного карьера в канаву 1 последовательно было сброшено 36 кг растворенного BaCl2 и 20 кг Ва(OН)2. В канаву 2 было засыпано 24 кг Ва(OН)2, затем 45 кг BaCl2∙2H2O. Концентрации рассчитаны по результатам предватильно проведенных лабораторных работ. Из канав до и после опытных работ были отобраны пробы воды.
В результате опытных натурных работ содержание сульфатов снизилось до 400 мг (при максимально допустимой для полива концентрации 500 мг/л). Содержание остальных компонентов не превышало нормативных значений (рис. 4.12). Анализ образовавшегося на дне белого осадка показал, что он состоит из барита BaSO4 и витерита ВаСО3.
Таким образом, приведенные примеры показывают, что с помощью создания геохимического барьера могут быть решены ряд задач связанных с наиболее острыми экологическими проблемами угольной отрасли – очисткой сточных вод и снижение негативного влияния отвалов.

 
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.