III Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2011

С ростом промышленного производства объемы отходов, как результат несовершенных технологических процессов, растут. Среднеуральский медеплавильный завод является одним из крупнейших производителей отходов переработки отвальных шлаков, причем в последние годы использование отходов существенно отстает от их образования. Вместе с тем образующиеся на медеплавильном заводе отходы переработки - пески строительные являются ценным сырьем и могут быть использованы в будущем для получения товарной продукции, их можно использовать как рекультивационный материал на нарушенных территориях.

Появление новых отходов - песков обогащения (песков строительных), определяет необходимость оценки их экологической опасности, изучения минерального состава и концентраций тяжелых металлов для изучения возможности их последующего использования в качестве материала для рекультивации земель, нарушенных в результате горнодобывающей деятельности.

Минеральный состав отходов обогащения во многом определяет их свойства, в том числе и миграционные особенности содержащихся в них тяжелых металлов. Согласно имеющимся данным ОАО «СУМЗ» минеральный состав песков следующий (%): фаялит - 49; кварц - 20; магнетит - 10; феррит цинка - 8; пирротин - 1; борнит - 0,5; халькопирит - 0,4; ковеллин - 0,05; прочие - 11,05. Вполне вероятно, что состав песков здесь полностью отвечает известному составу шлаков, где по другим источникам [2] в его минеральном составе присутствуют: магнетит, пирротин, фаялит, шпинель, виллемит, волластонит и некоторые другие рудные и нерудные минералы при преобладании фаялита (80 %) и магнетита (10 %).

Результаты анализа химического состава песков строительных приведены в таблице

Таблица 1. - Результаты анализа химического состава песков строительных Среднеуральского медеплавильного завода

Пески строительные характеризуются следующими показателями свойств: плотность - 3,5-3,7 г/см³, насыпной вес 2,0 - 2,3 т/м³, влажность 9 - 14 %, плотность частиц грунта 3,75 г/см³, максимальная плотность сухого грунта - 2,44 г/см³, оптимальная влажность - 0,144 д.ед., твердость частиц по шкале Протодьяконова 15-16. Гранулометрический состав песков (%): фракция 0,05 - 2,0 мм - 60,2; фракция 0,005 - 0,05 мм - 37,1; фракция менее 0,005 мм - 2,7. Угол естественного откоса составил 41º - в сухом состоянии, 30º - под водой. Пылеватый состав песков определяет их низкую водостойкость: они легко размываются, приобретают тиксотропные свойства при водонасыщении, склонны к плоскостному смыву и водной эрозии. В отвале углы откосов составляют 40-45 град. Коэффициенты фильтрации песков строительных составляют в рыхлом состоянии 0,39 - 1,8 м/сут, в плотном - 0,03 - 0,08 м/сут.

Главными опасными элементами-примесями в песках являются тяжелые металлы, которые вследствие особенностей технологического процесса медеплавильного производства и обогащения шлаков не могут быть извлечены из них. Химический анализ главных элементов-примесей (Cu, Zn, Pb, As), а также приближенно-количественный спектральный анализ песков показал в повышенных концентрациях следующий комплекс химических элементов: медь, цинк, свинец, мышьяк и сурьма, несколько ниже содержания олова, хрома, молибдена и кадмия. Содержания тяжелых металлов в немагнитной и магнитной фракциях совершенно идентичны, что свидетельствует об их равномерном рассеянии по массе частиц песков.

Определение подвижных форм тяжелых металлов в песках показывает, что они превышают ПДК почв только для цинка в пробе 1 (76,1 мг/кг - 3,3 ПДК для почв), содержание подвижных форм цинка в пробе 2 - 3,96 мг/кг, в пробе 3 - 1,04 мг/кг. Содержания подвижных форм свинца - 0,714-0,892 мг/кг, меди - 0,156-0,781 мг/кг, мышьяка - 0,0023-0,0130 мг/кг - не являются опасными для почв.

Пески строительные характеризуются повышенными концентрациями тяжелых металлов, рассеянными в минеральной части песков и поэтому не оказывающие значительного экологического воздействия на компоненты природной окружающей среды. Это подтверждается результатами биотестирования водной вытяжки пробы песков строительных, согласно которому пески строительные отнесены к 5 классу опасности [1].

С целью исследования возможностей и степени миграции тяжелых металлов из песков строительных Среднеуральского медеплавильного завода автором проводилось исследование взаимодействия строительных песков с водой и водными растворами в изменяющихся физико-химических условиях при различных соотношениях песок-вода. Для учета влияния элементного состава воды в опытах использовалась дистиллированная вода, и талая снеговая вода, характеризующая состав атмосферных осадков на исследуемой территории. Лабораторные эксперименты проводились при комнатной температуре и атмосферном давлении в закрытых поливиниловых стаканах (во избежание испарения растворов) в течение 30 суток при следующих соотношениях: песок/вода=1/10 (100 г песка к 1 л воды); песок/вода=1/5 (200 г песка к 1 л воды). Физико-химические параметры эксперимента соответствовали климатическим условиям таежно-лесной зоны. Имитация проточной системы, существующей на рассматриваемых объектах-аналогах, достигалась практически полной заменой растворов через 10, 20 и 30 суток.

В ходе эксперимента проводились измерения физико-химических параметров растворов (рН, температура, окислительно-восстановительный потенциал). По прошествии 10, 20 и 30 суток от начала эксперимента отбирались пробы фильтрата для определения рН, Zn, Pb, Cd, Cu, As.

В ходе эксперимента проводились измерения физико-химических параметров растворов (рН, температура, окислительно-восстановительный потенциал). По прошествии 10, 20 и 30 суток от начала эксперимента отбирались пробы фильтрата для определения рН, Zn, Pb, Cd, Cu, As.

Выполненные нами эксперименты показали зависимость содержания элементов в фильтрате от времени и физико-химических параметров раствора.

В условиях застойного режима фильтрации в течение 30 сут происходило закономерное увеличение величины рН и уменьшение значений Eh при взаимодействии песков Среднеуральского медеплавильного завода как с талой снеговой водой, так и с дистиллированной водой, рис. 1.

Аналогичная картина наблюдалась и при проточном режиме фильтрации при постоянной замене растворов на свежие.

Графики изменения содержания подвижных форм цинка, свинца, меди, мышьяка, характеризующие миграцию металлов из песков во времени, показаны на рис. 2. По всем элементам за исключением мышьяка наблюдается тенденция стабилизации выноса на тридцатые сутки опыта. Причем содержания подвижных форм металлов в растворе меньше, чем в исходной снеговой воде, что свидетельствует об осаждении тяжелых металлов на пылеватых частицах песка. Колебания содержаний мышьяка находятся на уровне погрешностей определения. Вынос зависит от объема песка и режима увлажнения: в проточной воде интенсивность выноса несколько меньше.

Выполненные эксперименты по выщелачиванию тяжелых металлов природными (атмосферными) водами показали тенденцию к стабилизации их выноса в небольшом масштабе времени, что свидетельствует об их невысокой экологической опасности для подземных вод.

Таким образом, результаты исследований отходов переработки отвальных шлаков-песков строительных позволяет использовать их в качестве рекультивационного материала. Целесообразно создавать экраны из уплотненных глинистых грунтов в основании песков, а для уменьшения инфильтрации создавать слоистые экраны путем переслаивания песков строительных со слабопроницаемыми грунтами.

Библиографический список

1. Гуман О. М., Долинина И. А., Макаров А. Б., Рудой А. Г. Использование отходов переработки отвальных шлаков среденуральского медеплавильного завода для рекультивации нарушенных земель горнодобывающего комплекса.// Известия ВУЗов. Горный журнал. 2010, №4. с. 43-49

2. Рябинин В. Ф., Гуляева Т. Л. Медеплавильные шлаки в процессах почвообразования // Техногенез и экология. 1999. С. 81-87.