Технологические подходы к очистке карьерных и подотвальных вод при добыче руд цветных металлов
Рудничные воды, образующиеся в большом количестве при эксплуатации месторождений цветных металлов, по происхождению являются грунтовыми и атмосферными и характеризуются высокой минерализацией. Очистка данного вида вод до ПДК «Рыбхоз» либо СанПиН 2.1.4.1074 01 - сложный процесс, требующий от предприятий отрасли значительных капитальных и эксплуатационных затрат. В статье рассматриваются различные технологические подходы к очистке карьерных вод, отличающиеся друг от друга экономическими параметрами эксплуатации, а также целесообразностью их применения в зависимости от особенностей таких вод и экологических задач предприятия. Обобщен российский и зарубежный опыт эксплуатации очистных сооружений карьерных вод.
Ключевые слова: добыча руд цветных металлов, очистка карьерных вод, известкование, ионный обмен, баромембранные технологии, защита окружающей среды.
При разработке карьеров под нужды промышленности образуются большие объемы рудничных вод с высокой степенью минерализации. Технология их очистки зависит от особенностей образующихся в каждом конкретном случае вод и экологических задач предприятия. Так как стремление свести затраты к минимуму является вполне естественным, инженерные компании прибегают к комбинированию различных систем очистки карьерных вод с целью найти их оптимальное сочетание. Но при этом преимущественно выделяют три метода эффективной очистки: известкование, ионный обмен и баромембранная технология.
Химический состав рудничных вод определяется видом добываемой руды и химическим составом воды водоносных горизонтов, вскрываемых при проведении горных работ. Рудничные воды содержат частицы породы, песок, глину, минеральные соли, тяжелые металлы, органические вещества, минерализация существенно превышает 1000 мг/л. Большой объем вод такого состава, преимущественно сбрасываемый в водоемы без очистки (либо с низким ее качеством), негативно сказывается на состоянии окружающей (водной) среды. Рассмотрим три основных метода очистки карьерных вод.
Известкование
Это реагентный метод, достаточно распространенный в России: вода обрабатывается известковым молоком - суспензией гашеной извести - (Ca(OH)2). Известь - наиболее дешевый и доступный материал, использующийся в качестве коагулянта, осадителя тяжелых металлов и как химический реагент. В рудничные воды вводится определенное количество известкового молока. Это позволяет провести осветление сточных вод, частично удалить из них нефтепродукты и синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), связать катионы тяжелых металлов в виде нерастворимых соединений [1]. Интенсификация процесса осветления может быть достигнута путем введения коагулянтов и флокулянтов.
Другим эффектом известкования является связывание сульфат-ионов в нерастворимую форму при перещелачивании сточных вод. Образующийся при этом осадок сульфата кальция может быть использован при получении строительного гипса. Избыточное количество кальция, вводимое при перещелачивании с известковым молоком, выделяется из воды в виде карбоната кальция при рекарбонизации, которая проводится в пруде-стабилизаторе: при взаимодействии с СO2 осуществляется осаждение кальция в виде карбонатов, которые могут быть использованы в качестве добавки при производстве строительных материалов [2]
Для финальной очистки предусматривается обработка воды на ботанической площадке, заселенной высшими водными растениями, позволяющими снизить концентрацию тяжелых металлов и сульфатов до нормативов сброса в водоемы хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения. Для очистки 1 м3/час сточных вод требуется 120 м2 площади ботанической площадки [3] (рис. 1).
Подход эффективен для рудничных вод с преимущественным содержанием ионов кальция, магния и сульфат-ионов при наличии свободных природных или техногенных ландшафтов для устройства прудов-накопителей и ботанических площадок, при условии отведения очищенных рудничных вод в водоемы хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения (таблица 1).
Ионный обмен
Снижение минерализации рудничных вод, обусловленной хлоридами натрия и калия, возможно только при применении технологий обессоливания. В частности, в России большое распространение в 1990-2000 гг. приобрел метод ионного обмена, принцип которого заключается в пропускании воды через слой катионита [Кат] в H+ форме, а затем через слой анионита [Ан] в OH- форме. При этом катионит обменивает катионы металлов на ионы H+, а анионит - анионы солей (хлориды, сульфаты) на ионы OH-
[Кат]H + Me+ + А- ---- [Кат]Ме + H+ +A-, [Ан]OH+ + H+A- ----- [Ан]A + H2O.
Перед подачей на ионообменные фильтры рудничные воды должны быть тщательно очищены от взвешенных, коллоидных, а также органических веществ.
Взвешенные и коллоидные вещества удаляются при осветлении (коагулирование, отстаивание, фильтрация), при этом частично может быть снижено и значение окисляемости воды. Для полного соответствия требованиям по этому показателю (7 мгО/л) должны применяться сорбционные и окислительные методы очистки, характеризующиеся высокими капитальными и эксплуатационными затратами. Существенной статьей расхода является приобретение кислоты и щелочи, требующихся для регенерации ионообменной смолы. Количество каждого из них доходит до 120 кг на 1 м3 ионообменной смолы на одну регенерацию, при этом количество регенераций в сутки может достигать трех. Количество отработанных регенерационных растворов составляет до 5% от производительности (рис. 2).
Эти растворы подлежат обязательной нейтрализации и последующей утилизации. Общее количество воды, потребляемое на собственные нужды, составляет около 35% от производительности: сюда входит исходная осветленная вода на взрыхление смолы, а также обессоленная вода для получения регенерационных растворов, медленной и быстрой отмывки. В связи с этим требуются достаточно большие емкости для обессоленной воды и для приготовления и подачи регенерационных растворов; также требуется ввод дополнительных комплектов насосного оборудования. Эксплуатационные расходы технологии ионного обмена растут пропорционально солесодержанию обрабатываемой рудничной воды. Применение технологии целесообразно в случае достаточно малой минерализации рудничных вод (1,5- 2,0 г/л), характеризующихся низким значением окисляемости (табоица 2).
Баромембранная технология
Включает в себя обратный осмос, нанофильтрацию, микро- и ультрафильтрацию. Сочетание мембранных и традиционных технологий (коагулирование, отстаивание, фильтрация через песчануюили иную зернистую загрузку) позволяет решить широкий спектр задач, возникающих при очистке «соленых» рудничных вод. Данный подход к деминерализации - устоявшаяся зарубежная практика, широко применяемая в Европе, на Ближнем Востоке, в Китае.
Для удаления из рудничных вод хлорида калия и натрия требуется применение технологии обратного осмоса. В обессоливаемой воде не должно быть взвешенных и коллоидных частиц, растворенных органических веществ, а также большого количества солей жесткости. Эти требования достигаются при предочистке воды с помощью микро- или ультрафильтрации (удаление взвешенных и коллоидных частиц) и нанофильтрации (удаление органических растворенных веществ и солей жесткости). Перед этим вода должна пройти стадию осветления для удаления основной массы взвешенных и коллоидных частиц. Именно на этом этапе целесообразно применение коагулирования с последующим отстаиванием, фильтрации на песчаных фильтрах или контактного осветления (рис. 3).
Образующиеся в процессе баромембранной очистки жидкие высокоминерализованные растворы совместно со шламами осветления могут быть переработаны до влажности 30-40% с помощью многостадийной выпарной установки, спроектированной специально для такого типа отходов. Другим способом утилизации высоко минерализованных растворов является получение из них полезных продуктов. Например, известен способ получения сульфата натрия из концентрата стадии обратного осмоса [4]. Шламы процесса осветления в таком случае перерабатываются отдельно.
Применение баромембранных технологий выгодно отличается отсутствием потребности в большом количестве реагентов, при этом полная автоматизация оборудования позволяет существенно сократить трудозатраты обслуживающего персонала, а также проводить диагностику и контроль состояния оборудования из удаленного центра. Применение технологии целесообразно при минерализации рудничных вод свыше 2 г/л, обусловленной хлоридами натрия и калия, при необходимости сброса очищенных рудничных вод в водоемы рыбохозяйственного назначения (таблица 3).
Литература:
1. Милованов Л.В. Очистка и использование сточных вод предприятий цветной металлургии. М.: Металлургия, 1971. С. 384.
2. Аксенов В.И., Вараева Е.А. Особенности очистки сточных вод горно-обогатительных комбинатов // Сб. мат.XIIIМежд. научн.-практ. симпозиума и выставки «Чистая вода России». 2015. С. 360-364.
3. Селицкий Г.А. Технологическая схема очистки карьерных и подотвальных вод// Экология производства. 2005. № 9.
4. Десятов А.В. и др. Опыт использования мембранных технологий для очистки и опреснения воды. М.: Химия, 2008. С. 240.
Process solutions of mining and underspoil water treatment in extraction of non-ferrous metal ores
Mine water, produced in large quantities in the exploitation the field of non-ferrous metals, originally was groundwater and atmospheric, and are characterized by high salinity. Cleaning this type of water to the MАC "Fish farm" or SanPin 2.1.4.1074J01 – a complex process requires the industry significant costs of capital and operating. The article discusses various technological approaches to the quarry waters, differing from other economic parameters of operation, and relevance of their use depending on the characteristics of such waters and environmental objectives of the enterprise. There is also generalized Russian and foreign experience of operation water treatment plants dump.
Keywords: production of non-ferrous metals, pit water purification, lime, ion exchange, baromembrane technology, environment protection, ion exchange, baromembrane technology, environment protection.
Kondrashkin Aleksei Vladimirovich, General Director, «NPP Bi-TEK» LLC.
Kuzovkov Sergei Vladimirovich, engineer, R&D department, «NPP Bi-TEK» LLC.
Журнал «Вода Magazine», №6 (94), 2015 г.
