Водное хозяйство горно-обогатительных комбинатов: проблемы и пути решения

УДК 628.316.12

В статье представлена технология очистки сточных вод горно-обогатительных комбинатов от сульфатов и тяжелых металлов. Приведены результаты лабораторных исследований.

Ключевые слова: горно-обогатительный комбинат, шахтные и подотваль- ные сточные воды, очистка сточных вод, нейтрализация, ионы тяжелых ме- таллов, сульфаты.

Переработка сточных вод горно-обогатительных комбинатов (ГОК) - проблема, которая является актуальной во всем мире и которая на сегодняшний день не имеет удовлетворительного решения. В результате переработки руд образуются отходы, в том числе сточные воды, загрязненные кислотами и солями тяжелых металлов. Практически всегда стоки ГОК – шахтно-рудничные, подотвальные, технологические (дебалансные) - имеют сложный состав: ионы тяжелых металлов, кислоты, растворенные сульфаты, остатки реагентов, используемых при обогащении руд [1].

Проведенный анализ работы очистных сооружений ряда действующих ГОКов (таких как ОАО «Учалинский ГОК», КОО «Предприятие Эрдэнэт» и др.) показал, что наибольшие технические трудности связаны с обработкой шахтных и подотвальных вод. Основными проблемами, осложняющими процесс очистки, являются:
1. Расход шахтных и подотвальных вод может достигать 1000 м3/час и более. Указанные производственные сточные воды образуются круглосуточно и независимо от сезона.
2. Шахтные и подотвальные воды являются высокоминерализованными, содержат свободную серную кислоту, соединения тяжелых металлов (железа, меди, цинка), сульфаты, а также другие специфические примеси. При этом традиционная схема нейтрализации смеси шахтных и подотвальных вод известковым «молоком», реализованная на большинстве ГОКов, не позволяет получить очищенную воду, пригодную для сброса в водный объект.
3. Использование воды после очистных сооружений (станций нейтрализации) в производственном водоснабжении затруднено из-за ее высокой минерализации, незначительных потребностей ГОКов в свежей технической воде, а также удаленностью очистных сооружений ГОК от других крупных водопотребителей, например, металлургических предприятий. В настоящее время в качестве решения широко применяется сброс этой воды в водоем, что негативно сказывается на окружающей среде ввиду низкого качества очищенной воды.
4. В процессе очистки сточных вод образуется большое количество осадков (например, на Учалинском ГОК - до 3000 м3/сут.), содержащих тяжелые металлы и гипс. При этом утилизация таких осадков с последующим применением в других отраслях промышленности практически не используется в связи с нестабильностью состава, а также необходимостью транспортировки жидких осадков на большие расстояния. Это приводит к постоянному увеличению площадей отвалов и загрязнению почв.

Решение задачи разработки эффективной технологии даст возможность создавать очистные сооружения практически любой производительности для стоков с различной минерализацией и позволит очищать сточные воды ГОКов до ПДК рыбохозяйственных водоемов.

Исследования по разработке технологии обработки шахтных и подотвальных сточных вод проводились в основном на сточных водах ОАО «Учалинский горно-обогатительный комбинат» (Республика Башкортостан).

Из данных среднемноголетнего анализа следует, что состав шахтных вод значительно различается в зависимости от горизонта, с которого происходит их откачка на дневную поверхность. Для подотвальных вод выявлено, что содержание загрязняющих веществ увеличивается при уменьшении количества атмосферных осадков [2]. Концентрация сульфатов в стоках варьируется в широких пределах и в разные периоды года значительно превышает ПДК водоемов культурно-бытового значения. Известно, что в подотвальных сточных водах некоторых ГОК, например, Куль-Юрт-Тау (Республика Башкортостан, Баймакский район), содержание сульфатов может превышать 20 г/дм3 [3]. Высокое содержание сульфатов в стоках приводит не только к загрязнению водоемов и почв, но и к снижению эффективности очистных сооружений в связи с постоянным образованием гипсовых отложений в коммуникациях и аппаратах. При этом именно удаление сульфатов является наиболее сложным процессом при очистке высокоминерализованных сточных вод.

Традиционная технология обработки стоков комбинатов основана на нейтрализации с последующим образованием гидроксидов тяжелых металлов и сульфата кальция [4]. На станцию нейтрализации поступает смесь образующихся стоков - шахтных и подотвальных. Анализ результатов работы станций показал, что технология обеспечивает эффективную очистку от тяжелых металлов и только частичную - от сульфатов.

При разработке технологии основным методом выделения примесей принято известкование. Целью нейтрализации является снижение содержания сульфатов за счет образования гипса (растворимость в воде при температуре 20°С составляет 2,0 г/дм3). При этом известкование позволяет попутно переводить в осадок тяжелые металлы.

Исследования по определению эффективности удаления сульфатов известкованием проводились на натурных пробах сточных вод ОАО «Учалинский ГОК»: подотвальные; шахтные с горизонта 460 м; шахтные с горизонта 144 м.

Для каждого из указанных стоков определена концентрация сульфатов и рН. Средние результаты представлены в таблице 2.

На основании таблиц 1, 2 установлено, что шахтные сточные воды содержат меньшее количество сульфатов, чем подотвальные. Поэтому основой предлагаемой технологии принята раздельная нейтрализация шахтных и подотвальных сточных вод. Смешивание производится на последнем этапе обработки. При этом очищенные шахтные сточные воды также используются для разбавления при смешивании стоков, что позволяет улучшить их показатели при сбросе в водоемы.

В ходе экспериментов на модельных растворах установлено, что при значении рН 12,0 концентрация сульфатов в пробах с исходным содержанием более 5,0 г/дм3 снижается до 1,20 г/дм3. Таким образом, требуемая концентрация сульфатов, а именно 1,13 г/дм3, в подотвальных сточных водах при применении только известкового молока не достигается. Необходимо интенсифицировать процесс. Для этой цели в нашей технологии применяется метод введения затравки из оборотного осадка.

С учетом результатов исследования по нейтрализации и введению затравки предложена технология очистки сточных вод, характеризующихся повышенным содержанием сульфатов. Основу составляют следующие процессы:
- при обработке подотвальных сточных вод требуется известкование до рН=12,0. При этом вероятно растворение гидроксидов цинка, хрома. Для эффективного перевода тяжелых металлов в осадок производится ступенчатая нейтрализация: первая ступень - до рН=9,0 для связывания ионов тяжелых металлов в гидроксиды и перевода их в осадок; вторая ступень - до рН=12,0 для дальнейшего перевода сульфатов в нерастворимую форму в виде гипса (СаSO4 х 2Н2О);
- при обработке смеси шахтных сточных вод производится одноступенчатое известкование до рН=9,0;
- для интенсификации процесса образования гипса в подотвальных и шахтных стоках применяется введение затравки из оборотного осадка.

Для выделения гидроксидов металлов и гипса из обрабатываемых стоков после нейтрализации применяются отстойники. Интенсификация процесса отстаивания производится путем добавки флокулянта. После проведения предварительных опытов по отбору флокулянтов для дальнейшей работы были отобраны: «Аквапол» ФТ2; Flopam AN905; Praestol 2540. В эксперименте применялись рабочие растворы флокулянтов с концентрацией 0,1%.

Определены оптимальные дозы флокулянтов: Praestol 2540 - 20 мл/дм3 (20 мг/дм3); «Аквапол» ФТ2 - 40 мл/дм3 (40 мг/дм3); Flopam AN905 SH - 25 мл/дм3 (25 мг/дм3).

На основании экспериментальных данных к применению рекомендуются флокулянты «Аквапол» ФТ2, Flopam AN905 H (рис. 1). Выбор реагента для применения в технологической схеме произведен на основании сравнения стоимости: Praestol 2540 - 431,25 руб./кг; «Аквапол» ФТ2 - 390,00 руб./кг; Flopam AN905 SH - 383,00 руб./кг. К применению рекомендован Flopam AN905 SH.

При перещелачивании (на втором этапе нейтрализации подотвальных вод при доведении рН до 12) в сточные воды вводится избыточное количество гидроксида кальция, что приводит к значительному повышению жесткости воды. Для улучшения качества сточные воды поступают в узел рекарбонизации, вследствие чего рН среды снижается практически до нейтральной (рН=7,5A8,0). Рекарбонизация ведется путем барботажа углекислым газом с интенсивностью 2 м3 СО2 на 1 м3 стока в час в течение 5,0-5,5 мин. Окончание процесса рекарбонизации - при достижении требуемой реакции среды. В ходе рекарбонизации в сточных водах образуется карбонат кальция, который выпадает в осадок. На данном этапе потоки сточных вод смешиваются, в пруды рекарбонизации поступает смесь подотвальных, шахтных стоков.

Доочистку обрабатываемой воды предлагается проводить на биоплато, заселенных высшими водными растениями (эйхорния, тростник обыкновенный, рогоз узколистный, осока дернистая) [2]. Для организации прудов-усреднителей, сооружений для нейтрализации и рекарбонизации, биоплато предлагается использовать природные и природно-техногенные ландшафты. Качество очищенных стоков соответствует требованиям к сбросам в водоемы культурно-бытового и рыбохозяйственного значения по основным компонентам [2].

При необходимости получения воды высокого качества, например, для ее последующего использовании могут быть применены мембранные и термические методы очистки стоков.

В процессе очистки сточных вод образуются два вида гипсовых осадков: полученные на первом этапе нейтрализации подотвальных и смеси шахтных сточных вод; на втором этапе нейтрализации (перещелачивании) подотвальных сточных вод.

Осадки, образующиеся на первом этапе нейтрализации, содержат тяжелые металлы и небольшое количество гипса. При этом осадок имеет стабильный состав; разделение потоков на два этапа позволяет снизить его количество.

Для осадка, полученного на втором этапе нейтрализации, проведен анализ состава эмиссионным спектральным методом с индуктивно-связанной плазмой.

Результаты анализа состава полученного осадка показывают, что основными компонентами являются соединения кальция и магния, серы; более 50% общей массы осадка составляет вода.

Оба вида гипсовых осадков хорошо фильтруются. В зависимости от сезона могут быть более железистыми, которые также хорошо фильтруется. Эксперимент по обезвоживанию осадков показал целесообразность применения фильтр-пресса для обоих типов гипсовых осадков. На основании экспериментальных данных по качеству фильтрата и обезвоженного осадка к применению рекомендуется фильтровальная ткань Tamfelt (Финляндия) [5]. После обезвоживания гипсовые осадки рекомендуется использовать в качестве добавки при получении строительного гипса.

При рекарбонизации образуется третий тип осадка, состоящий на 99% из карбоната кальция. Представляет собой мелкокристаллический продукт; относится к хорошо фильтруемым осадкам.

Карбонатный осадок имеет выраженную кристаллическую структуру, хорошо обезвоживается без применений фильтров; пруд для рекарбонизации выполняется секционного типа, при разгрузке одной секции образующийся осадок обезвоживается в природных условиях и вынимается с помощью экскаваторов. Карбонатный осадок предлагается к применению в качестве добавки при производстве алебастра.

На основе проведенных исследований предложены варианты технологической схемы, учитывающие различный состав исходной воды. В ее основе лежат следующие процессы:
1. При концентрации сульфатов в исходной воде более 5000 мг/дм3 предлагается ступенчатая нейтрализация: первый этап - с доведением рН до 9,0 и выделением гидроксидов металлов и гипса; второй этап - с доведением рН до 12,0 и выделением гипса (рис. 2, например, ОАО «Учалинский ГОК», ОАО «Башкирский медно-серный комбинат», ЗАО «Бурибаевский ГОК»). Для интенсификации процесса образования осадка при нейтрализации производится введение затравки из оборотного осадка на обоих этапах.

2. При концентрации сульфатов в исходной воде выше предела растворимости гипса, т.е. 1130 мг/дм3, но менее 5000 мг/дм3 ступенчатая нейтрализация не требуется, применяется только первый этап нейтрализации с доведением рН до 9,0 (рис. 3, например, ОАО «Гайский ГОК»). Для интенсификации процесса образования осадка на этапе нейтрализации производится введение затравки из оборотного осадка.

3. При содержании сульфатов в шахтных и подотвальных стоках менее 1130 мг/дм3 разделение потоков не производится, нейтрализация выполняется в одну ступень (рис. 4, например, ООО «Березовское рудоуправление», КОО «Эрденет»).

Таким образом, проведены исследования по перещелачиванию и последующему кондиционированию стоков путем рекарбонизации, направленные на совершенствование технологии очистки сточных вод ГОК от растворенных загрязняющих веществ, главным образом, сульфатов, и повышение надежности очистных сооружений комбинатов, улучшение экологической обстановки в горнодобывающих регионах.

Эта технология основывается на известных методах, не требующих значительных экономических затрат, и позволяет улучшить качество обрабатываемых стоков до требований, предъявляемых для сброса в водоемы, с использованием существующих сооружений и естественных образований рельефа. При этом практически не требует капитального строительства на объекте.

Литература:
1. Абрамов А.А. Обогащение руд цветных металлов [Текст] / А.А. Абрамов, С.Б. Леонов - М. : Недра, 1991. 407 с.
2. Вдовина И.В. Снижение антропогенной нагрузки на малые реки в зоне влияния горнорудного промышленного предприятия: на примере Республики Башкортостан [Текст]: автореф. дис. … канд. техн. наук : 03.00.16 / И.В. Вдовина ; Уфа, 2009. - 24 с.
3. Мустафин А.Г. Экологические проблемы горнорудного региона Башкирского Зауралья и пути их решения [Текст] / А.Г. Мустафин, З.Ш. Сабитова, Т.В. Шарипов // Вестник Башкирского университета, 2011. №1. С. 43-46.
4. Селицкий Г.А. Технологии очистки сточных вод горнорудных предприятий [Текст] / Г.А. Селицкий, Е.А. Уласовец, Д.В. Ермаков // Инновационные технологии в системах производственного водоснабжения. Сб. статей. - Екатеринбург, 2013. С. 32-48.
5. Аксенов В.И. Обезвоживание осадков станции нейтрализации Учалинского ГОКа [Текст] / В.И. Аксенов, Е.А. Бондаренко, Т.А. Валенцева // Вода: проблемы и решения. Сборник докладов Всероссийской НПК, выпуск 8. - Тюмень: РИО ВПО ТюмГАСУ, 2011. С. 56-60.

Water management mining and processing plants: problems and solutions

The article describes the mine and underspoil dump water treatment technology. That technology allows to reduce concentration of heavy metals ions and sulphates to maximum concentration limit. Laboratory researches results are given.

Keywords: mining and processing enterprise; mine and underspoil dump water; wastewater treatment; neutralization; heavy metals ions; sulphates.

Varaeva Elena Aleksandrovna, postgraduate student, Department of «Water management and water technology». Ural Federal University named after first President of Russia B. N. Yeltsin. 620002, Russia, Ekaterinburg, Mira St., 19. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Aksenov Valentin Ivanovich, candidate of technical Sciences, Professor. The Department «Water management and water technology». Ural Federal University named after first President of Russia B. N. Yeltsin. 620002, Russia, Ekaterinburg, Mira St., 19.

Журнал «Вода Magazine», №1 (101), 2016 г.