XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Затопленный Лёвихинский рудник, находящийся в Кировградском округе Свердловской области, в последние годы постоянно находится в центре внимания надзорных органов и общественности. Как пишут блогеры, он снискал славу «кровоточащей раны», изливающейся кислотой и отравляющий все живое вокруг [1]. Правда, Министерство природных ресурсов Свердловской области считает, что ситуация с изливом кислых шахтных вод (КШВ) находится под контролем, причем областная власть тратит десятки миллионов рублей только на нейтрализацию КШВ Лёвихинского рудника [5].

Лёвихинская группа месторождений представляет крупный рудоносный район протяженностью 3,5 км, состоящий из 14 месторождений. Лёвихинские месторождения сложены 800 рудными телами медистых и серных колчеданов и медистых и цинковистых вкрапленных руд, сгруппированных в ряд самостоятельных месторождений: Лёвиха I, Лёвиха II, Лёвиха III…, Лёвиха XIV. Из этого количества месторождений отработано около 100 рудных тел медистых колчеданов и вкрапленников. Руды являлись комплексными, содержащими кроме меди и цинка, селен, теллур, индий, галлий, кадмий, германий, мышьяк и другие химические элементы.

С 1997 г. Лёвихинский рудник находился в глубоком экономическом кризисе, объёмы добычи сокращались, а долги предприятия росли. В 2003 г. добыча руды была полностью прекращена, шахты поставлены на мокрую консервацию. С 2003 г. по 2005 г. происходило самозатопление Лёвихинского рудника. К моменту закрытия рудника глубина отработки составила 618 метров при восьми рабочих горизонтах.

Разведанные запасы медно-цинковых руд до глубины 750 м составляют около 4000 млн. тонн. Это количество руды обеспечило бы работу рудника ещё на 25-30 лет. Сейчас, по оценкам специалистов, восстановление рабочего состояния шахт практически невозможно, остается лишь производить нейтрализацию кислых шахтных и подотвальных вод.

После затопления рудника кислые шахтные воды начали подниматься на поверхность и создали экологическую катастрофу. Сегодня КШВ нейтрализуются известковым молоком на станции нейтрализации и сбрасываются в пруд-отстойник, который уже переполнен. При смешивании КШВ с известью растворенные вещества вступают в реакцию и затем выпадают в осадок в виде нерастворимых солей в пруде отстойнике. Кислотность шахтных вод снижается, а часть металлов остается на дне. Как считают специалисты, степень очистки КШВ Лёвихинского рудника достаточно высокая и составляет 85-90 % (для сульфат-иона, марганца, цинка, меди), до 98 % (для железа) [6]. Тем не менее КШВ, сбрасываемые в р. Тагил, имеют значительные превышения ПДК и более высокие содержания компонентов, чем в период отработки месторождений: по марганцу – в 12 раз (от 3,8 до 46 мг/л, по железу – в 11 раз (от 7,1 до 78 мг/л), по цинку – в 6 раз (от 17 до 105 мг/л). В целом степень загрязнения вод р. Тагил тяжелыми металлами после затопления Лёвихинского рудника увеличилась в 3,5 раза, особенно по железу (от 0,7 до 4,3 мг/л) и цинку (от 0,65 до 1,97 мг/л).

Как считает Л. С. Рыбникова, величина экологического ущерба водным объектам только от сброса КШВ после затопления Лёвихинского рудника составляет 120 млн. руб. в год (для сравнения при отработке рудника ущерб оценивался величиной 200 млн. руб. в год). При этом величина предотвращенного экологического ущерба на порядок больше [7].

Существующая схема очистки КШВ путем известкования с последующим отстаиванием в шламовых прудках-накопителях, как считают специалисты [10], обеспечивает удаление лишь 30-40 % водорастворимых соединений меди и цинка и не изменяет концентрацию соединений марганца, содержание которых в ряде случаев достигает 400 г/м³. Образующийся шлам утилизации не подвергается. В работе [10] для очистки КШВ от соединений меди, цинка и марганца предлагается использовать технологию «Лабиринт» с последующей реагентной обработкой щелочными растворами феррата калия, входящего в состав реагента «Фернел». Недостатком предложенного способа очистки КШВ Лёвихинского рудника является его многоэтапность, использование новых компонентов в виде железной и алюминиевой стружки и окончательная обработка сточных вод известковыми растворами.

Известен способ очистки шахтных вод [8], осуществляемый путем комплексной многоступенчатой очистки воды, пропускающейся через ряд фильтров. На первой стадии шахтные воды фильтруют через загрузку кварцевого песка, на второй стадии медь, никель и марганец извлекают в трех и более сорбционных фильтрах аминодиацетатным ионитом, а затем шахтные воды обрабатывают 20 %-ым раствором карбоната натрия до рН 6,5-8,5. Образующиеся карбонаты кальция и магния удаляют на стадии ультрафильтрации и очищенные воды обеззараживают ультрафиолетовым излучением.

Недостатком данного метода является также многостадийность и использование дополнительных компонентов в виде песка и ионитов.

На очистных сооружениях Урупского ГОКа (Северный Кавказ) очистку шахтных вод осуществляют, как и на Лёвихинском руднике, с использованием в качестве реагента извести третьего сорта (СаО), содержащей недожог (СаСО₃). Недостатки реагентного метода очистки КШВ привели к внедрению на Урупском ГОКе системы электрогидрофизической очистки шахтных вод. Последняя достигается посредством электродиффузии ионов меди и ценка через мембранный слой ионообменной смолы и последующей сорбции ионов в основном объеме ионитов. Насыщение подготовленных таким образом КШВ активным электролитическим кислородом обеспечивается за счет эффекта совместного воздействия кавитации и электролиза воды в специальном электрокавитационном аппарате.

Электродиффузное извлечение Сu и Zn происходит в накопительной камере. Основным недостатком данного метода является образование в качестве слива сернокислотного раствора, который якобы можно использовать дальше в виде выщелачивающего раствора для извлечения Cu и Zn из лежалых хвостов обогащения [4].

Известен способ извлечения ценных компонентов из сульфидного сырья электроимпульсной обработкой [9]. Способ включает промывку сырья водой с получением твердого осадка, получение сульфатного раствора, из которого извлекают железо, медь и цинк путем перевода железа в осадок в виде гидроксида железа Fe(OH)₃, осаждения меди из фильтрата железным скрапом, осаждения цинка из фильтрата сероводородом. Затем в фильтрат, содержащий Na₂SO₄ и кислоту, добавляют Са(ОН)₂ для утилизации сульфата натрия и серной кислоты в виде осадка гипса с получением фильтрата с гидрооксидом натрия и накоплением фильтрата для осуществления оборота NaOH. При этом твердый осадок, полученный из исходного сульфидного сырья, репульпируют, пульпу обрабатывают электрическими импульсами с энергией от 3,5 Дж до 5,5 Дж, под воздействием которых пирротин, халькопирит, сфалерит и сульфиды разлагаются на оксиды металлов железа, меди и цинка и сероводород. Из образовавшейся пульпы фильтрацией выделяют жидкую фазу и используют её в качестве оборотной воды. Оксиды упомянутых металлов растворяют в серной кислоте, сульфатный раствор фильтруют, из фильтра селективно извлекают продукты, содержащие железо, медь, цинк и гипс, а из осадка, содержащего кварц, серицит, золото и труднорастворимые минералы, получают золото цианированием, а сероводород используют для осаждения цинка.

Недостатком способа является многостадийность, предварительное получение сульфатного раствора, использование дополнительных компонентов..

Б.Б.Зобниным предлагается плазмотермическая технология очистки КШВ от загрязнителей. Создан опытный образец мобильного технологического комплекса, обеспечивающего извлечение ионов тяжелых металлов из кислых шахтных вод и позволяющего без использования химических реагентов: очистить шахтную воду до требований. СанПин 2.1.4.1074-01, обеспечить её обеззараживание; обеспечить нейтрализацию КШВ; обеспечить умягчение воды; обеспечить извлечение из КШВ тяжелых металлов, находящихся с ней в растворимой форме. Таким образом, плазмотермическая технология очистки кислых шахтных вод имеет следующие преимущества:

1) КШВ очищаются от экологически опасных элементов и становится возможным их сброс на рельеф без известкования. При этом сокращаются эксплуатационные расходы на нейтрализацию КШВ, достигающие ежегодно 20 и более миллионов рублей;

2) извлечение из КШВ тяжелых металлов, находящихся в ней в растворимой форме, позволяет получить новый востребованный товарный продукт – высокодисперсные металлические порошки, направляемые на дальнейшую переработку;

3) надежное обеззараживание КШВ, безреагентную дезинфекцию воды; уничтожение всех видов микроорганизмов, обработка воды независимо от количества взвешенных в ней твердых частиц и примесей; эффективная дезинфекция воды в объеме, радиусом до одного метра;

4) низкая удельная энергоемкость; экологическая чистота, обеспечиваемая безреагентным характером обеззараживания и возможностью отделения обрабатываемого объема воды от зоны разряда проницаемой для ударных волн мембраной;

5) обеззараживание воды до питьевого стандарта практически любой сложности, что крайне актуально для так называемых «сложных» вод, которые характеризуются содержанием железа в виде металлоорганических соединений, а также повышенным содержанием марганца, кремния и др.;

6) высокая эффективность очистки должна быть обеспечена как по металлам (железо, марганец, свинец и т. д.), так и по органике (фенол, метанол, трихлорэтилен и т. д.). Причем, фенол должен разлагаться до углекислого газа и воды без образования промежуточных продуктов.

Технологически процесс очищения КШВ выглядит следующим образом. На очистку подают диспергированную газонасыщенную водо-воздушную смесь, подвергшуюся процессу кавитации. Насыщение воды кислородом не только уменьшает плотность среды, увеличивая тем самым длину пробега электронов в ней, но и приводит к образованию озона в результате воздействия электронов пучка на молекулы кислорода. Активацию воды осуществляют путем воздействия плазмы на объем обрабатываемой воды в реакторе. При наличии растворенного кислорода, содержащегося, например, в воздухе, образуется и озон – сильнейший окислитель. Радикалы •ОН инициируют окислительное разложение загрязняющих веществ, а гидратированные и Н – восстановительное разложение. Это приводит к интенсификации химических процессов с загрязняющими примесями , в частности окислительных процессов с металлами, выпадения в осадок соответствующих окислов, что определяет процесс очистки.

Продукты реакций охлаждаются и разделяются в скуббере. Загрязнения воды удаляются в газовой фазе. Очищенная вода сбрасывается на рельеф. Применяемый импульсный режим обработки является более благоприятным, чем непрерывный, с точки зрения снижения энергетических затрат, ресурса работы, и соответственно стоимости устройства.

В процессе кавитации в воде возникают короткоживущие парогазовые «каверны», которые появляются в момент локального снижения давления в воде и «схлопываются» при «сжатии» воды. Скорость «схлопывания» очень высокая и в окрестности точек «схлопывания» возникают экстремальные параметры – огромные температуры и давление. Вблизи точек «схлопывания» полностью уничтожается патогенная микрофлора, образуются активные радикалы.

Взаимодействие свободных горячих электронов (е) плазмы водяного пара с молекулами воды приводит к их диссоциации с образованием ионов и радикалов (Н- и Н•) и гидроксильных радикалов ОН•: Н₂)+е→ОН•+Н-

Дальнейшие плазмохимические реакции приводят к образованию в активируемой воде, в частности, водорода и пероксида водорода (ПВ): Н-+Н•→Н₂+е; ОН•+ОН•→Н₂О₂

В общем случае требуется обеспечить очистку воды до требований рыбохозяйственного использования. При озонировании воды происходит практически полное окисление железа (II) при удаленном расходе 0,12 мг/л на окисление 1 мг железа.

Агрегатная часть установки состоит из: устройства для подачи отходов (жидкие – форсунка, твердые – дозатор); плазменного реактора, который включает в себя камеру смешения и набор охлаждаемых секций реактора; закалочного устройства и промежуточного бункера (рисунок).

Система очистки отходящих газов включает в себя следующие основные элементы: теплообменник, сетчатый рукавный фильтр; скруббер; ионообменный фильтр; вытяжной вентилятор.

Технологический комплекс монтируется в утепленном модульном блок-контейнере площадью 30 кв. м (стоимость 4500 р/м²).

Таблица 1

Основные технические решения

Наименование оборудования и проектных работ	Предприятие-изготовитель	Стоимость, руб
Проходной эмульгатор-диспергатор УПЭД-5-18/5-18	Группа компаний РЭЛТЕК	2397570+НДС (20%) = 287084
Аппарат магнитной обработки воды АМО-200УХЛ	Квазар	54300+НДС (20%)
Промышленный декантер		7000000+НДС (20 %) = 8400000
Сушилка илового осадка SМ2000 ELP	ООО Рабика-энергосбережение	1500000+НДС (20 %) = 1800000
Модульный блок-контейнер (проектирование + изготовление)	KosmosModul	600000+240000=840000
Разработка технологического регламента	УГГУ	500000
Средства контроля и регулирования технологического комплекса		1000000
SCADA система		16200
		15417084 руб.

Сформированные в результате добычи и переработки медно-колчеданных руд техногенные воды по качественно-количественным показателям сопоставимы с забалансовыми рудами и образуют техногенное гидроминеральное сырьё.

Химический состав шахтных вод позволяет получить при их переработке набор товарных продуктов, например, цинковый порошок 40/100 ПРЦнЮ16, стоимость которого составляет 2000 р/кг. Цинковый порошок производится по ТУ 1721-002-194228-97 (аналог ГОСТ 12601-76). Данный стандарт распространяется на цинковый порошок марок: ПЦР-1, ПЦР-2, ПЦР-3, ПЦР-4, ПЦР-5, ПЦР-6, ПЦР-7.

Химический состав различных марок цинковых порошков:

Класс	Марка	Zn %, не менее	Состав примесей, %, не более
			Fe	Pb	Cd	Cu	Sn	As
Класс А	ПЦР-1	98,0	0,003	0,01	0,002	0,001	0,001	0,0005
	ПЦР-2	97,0	0,005	0,013	0,004	0,001	0,001	0,0005
	ПЦР-3	95,0	0.005	0,02	0,005	0.001	0.001	0,001
	ПЦР-4	95,0	0,005	0,02	0,005	0,001	0,001	0,001
	ПЦР-5	95,0	0,001	0,002	0,0003	0,0008	0.0005	0,0005
Класс В	ПЦР-6	95,0	0,001	0,002	0,0003	0,0008	0,0005	0,0005
	ПЦР-7	95,0	0,001	0,002	0,0003	0,0008	0.0005	0.0005

Гранулометрический состав различных марок цинковых порошков

Класс	Марка	Остаток на сетке по ГОСТ 3584-73 %, не более
		45 мкм	50 мкм	63 мкм	71 мкм	160мкм	630 мкм
Класс А	ПЦР-1	10,0 %	1,0 %		0,4 %
	ПЦР-2			5,0 %	2,0 %
	ПЦР-3			10,0 %	2,5 %	0,1 %
	ПЦР-4			20,0 %	5,0 %	3,0 %
	ПЦР-5				80,0 %
Класс В	ПЦР-6					98,0 %
	ПЦР-7						80,0 %

Библиографический список

Гущин,А. Лёвихинский рудник вновь оживёт? [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ecoindustry.ru/news/view/11915.html, свободный.

Зобнин Б. Б., Кочетков В. В. Обоснование комплекса контролируемых параметров при первичной переработке кислых рудничных вод безреагентным методом // Труды VII Международной научно-практической конференции, 2019.

Зобнин Б. Б., Сурин А. А. Синтез структуры технологического комплекса переработки шахтных вод // ТрудыVII Международной научно-практической конференции, 2019.

Есько Л. А. Обоснование эколого-защитной системы электрогидрофизической очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения от тяжелых металлов. Автореферат канд. диссер., Москва, 2005.

Истомин,Л. Ученые обследуют Лёвихинский рудник, чтобы снизить его воздействие на экологию Урала [Электронный ресурс].- Режим доступа: https://www.ural.kp.ru/online/news/3966158/, свободный.

Рыбникова Л. С. Техногенное воздействие горнодобывающих предприятий Урала на состояние гидросферы // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. - 2012.- № 1.- С.74-91.

Рыбникова Л. С., Рыбников П. А., Тютков О. В. Оценка влияния затопленных медноколчеданных рудников на водные объекты Среднего Урала // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. - 2014. - № 6. - С. 82-86.

Способ комплексной очистки шахтных вод // Королев А. А. и др. Патент RU 2 666 859. С2. Заявл. 2016.12.01. Опубл. 2018.09.12.

Способ выщелачивания извлечения ценных компонентов из сульфидного сырья электроимпульсной обработкой // Борисов Ф. Ф. и др. Патент RU 2559599 С1. Заявл. 2014.04.22. Опубл. 2015.08.10.

Халемский А. М., Смирнов С.В. Очистки шахтных вод остановленных медных рудников // Леса России и хозяйство в них. №1 (48). 2014. С. 70-73.

Код для цитирования: Скопировать