Комплексная оценка техногенного воздействия намывных хвостохранилищ железорудных объектов Восточной Сибири на окружающую среду

Развитие черной металлургии Восточной Сибири базируется на освоении минерально-сырьевых ресурсов железных руд Красноярского края, Республики Хакасия и Иркутской области. Почти все месторождения относятся к магнетитовому типу. В минеральном составе руд преобладают рудные минералы магнетит и гематит, в подчиненном количестве присутствуют пирит, пирротин, гидроокислы железа. В настоящее время одиннадцать месторождений магнетитового типа отрабатываются Абаканским, Тейским, Ирбинским, Краснокаменским рудниками и Коршуновским горно-обогатительным комбинатом.

В процессе получения рудного концентрата на территории предприятий организованы крупные хранилища хвостов сухой и мокрой магнитной сепарации. В соответствии с исследованиями важную роль в качестве очагов загрязнения водной среды играют хвостохранилища намывного типа [Межеловский, Смыслов, 2002, с. 330]. Поступающая в хвостохранилища жидкая фаза пульпы содержит значительные количества свободного кислорода и углекислого газа, создающие благоприятные условия для интенсивного выщелачивания хвостов с переводом в жидкую фазу значительного числа химических элементов и их соединений. При этом в водной фазе количество Fe, Ba, Co, Cr, Cu, Li, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb Ti, V, Zn может увеличиваться на порядок и более, превышающий ПДК.

Для решения вопросов о масштабах техногенной нагрузки как в настоящее время, так и в ближайшей перспективе необходимо проведение системного подхода. Исследования при проведении системного подхода должны рассматривать хвостохранилища и объекты окружающей среды, подверженные воздействию, как единую техногенную систему. При этом исследования должны охватывать все звенья техногенных систем, включающих: изучение вещественного состава отходов; изучение техногенных вод (пульпы, осветленных вод пруда отстойника, техногенных вод в теле лежалых хвостов, дренажных вод); изучение поверхностных водотоков в зоне воздействия техногенных объектов.

С целью апробации предложенного системного подхода для намывных техногенных систем железорудных горно-производственных комплексов Восточной Сибири авторами проведены исследования лежалых хвостов, размещенных на юге Красноярского края. В качестве опытной площадки выбрано хвостохранилище намывных лежалых хвостов ОАО «Краснокаменский рудник».

За полувековой период эксплуатации фабрики в долине руч. Грабовского сформировано хвостохранилище площадью 0,7 млн. м2. Максимальная мощность техногенной залежи достигает 40 м. В результате переработки 50 млн. тонн рудной массы в хвостохранилище уложено более 20 млн. хвостов.

В 2010-2011 гг. в пределах пляжной зоны, свободной от осветленных вод пруда-отстойника, авторами выполнено бурение пяти колонковых скважин, вскрывших техногенную залежь на всю мощность, включая кровлю подстилающих естественных грунтов. Общая мощность вскрытия техногенных отложений составила от 15 до 32 м. От- 328

бор проб проведен по всему разрезу через 0,5 м. Анализ проб выполнялся в аккредитованных лабораториях Института химии и химической технологии СО РАН и ГПКК «КНИИГиМС». Для исследования минерального состава применялись методы рентгенофазового анализа (РФА), оптической микроскопии и электронной микроскопии. Химический состав определялся в аккредитованной аналитической лаборатории ГПКК «КНИИГиМС». Исследованию подвергнуто 400 проб техногенных грунтов и 50 проб техногенных вод, отобранных из хвостохранилища. Работа выполнялась при финансовой поддержке КГАУ «Красноярский краевой фонд поддержки научной и научно-технической деятельности» (доп. соглашение № 01/11 от 01 июня 2011 г).

Накопление хвостов осуществляется путем подачи пульпы в хранилище через пульпопроводы. Жидкая составляющая пульпы относится к гидрокарбонатно-кальци-евому типу, имеет химически нейтральную среду с показателем рН 6,9—7 ед. Среди элементов в ней имеются высокие содержания кальция, железа, магния, натрия и алюминия. Содержание остальных элементов в жидкой фазе составляет менее 1 мг / л. В твердой фазе присутствуют в основном кремний — 43 %, железо — 7 % и алюминий — 2,5 %, содержание остальных элементов менее 1 %.

В процессе выпадения из пульпы тяжелой фракции, оседающей на дно отстойника, в хвостохранилище формируется пруд осветленных вод. Их исследование показало, что осветленные воды по химическому составу соответствуют жидкой фазе сбрасываемой пульпы. Воды относятся к гидрокарбонатно-кальциевому типу с показателем рН 7,5 ед. Среди элементов в водах пруда отстойника имеются высокие содержания кальция — до 10 мг / л, железа — до 4,3 мг / л, магния — 2,7 мг / л. Содержание остальных элементов в жидкой фазе составляет менее 1 мг / л. Среди микроэлементов в них присутствуют As, Ba, Co, Cr, Cu, Li, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb Ti, V, Zn (табл.). В интервале от 0,1 до 0,01 в осветленных водах присутствуют Ba, Cr, Cu, Mn, Sr, Ti. В интервале концентраций от 0,001 до 0,01 мг / л присутствуют Co, Li, Mo, Ni, Pb, V, Zn.

По результатам изучения вещественного состава лежалых хвостов в разрезе пляжной зоны намывной техногенной толщи хвостохранилища выделяются два горизонта: верхний в интервале от 0,0 до 10,0 м и нижний в интервале от 10,0 м до 32,0 м. По химическому составу верхний горизонт относится к кремнисто-высокожелезистому типу, в котором содержится: SiO 2 - 50,6 %, Fe 2 O s - 23,5 %, AI 2 O 3 - до 8,3 %, СаО - до 4,25 %, KO - до 1,29 %, Na 2 O - менее 1 %. Химический состав нижнего горизонта отличается повышением содержания Fe 2 O 3 - до 36,1 % и падением SiO 2 - до 35 %, что дает основание отнести его к кремнисто-гипержелезистому типу [Целюк Д.И., Целюк И.Н., 2011, с. 174].

Таблица

Среднее содержание элементов в водной среде пульпы и осветленных водах пруда отстойника, мг/л

Минеральный состав хвостов хвостохранилища в основном представлен кварцем, магнетитом, гематитом, альбитом. Доля кварца достигает 40 %, гематита и магнетита - 20 %, альбита - 15 %. Доля остальных минералов составляет 25 %. Первичные минералы включают: кварц, магнетит, гематит, мартит, пирит, халькопирит, пирротин, пироксен, эпидот, сфен, рутил, лейкоксен, циркон, хлорит, полевые шпаты, альбит, биотит, хлорит, серицит.

Хвосты нижнего горизонта, расположенные в интервале от 10,3 до 32 м, техногенного массива отличаются по минеральному составу от верхнего горизонта. В состав хвостов верхнего горизонта входят: кварц — 40 %, гематит и магнетит — 20 %, монтморило-нит, каолинит, альбит до 10 %, гидроокислы железа (гетит и гидрогетит) — до 13 %. На долю оставшихся первичных и вторичных минералов приходится до 17 %. В нижнем горизонте под влиянием гипергенных факторов магнетит гематитизирован. Переход магнетита в гематит сопровождается изменением объема минерального вещества, вследствие чего в магнетите возникают многочисленные микротрещины. Микроблоко-вое строение магнетита способствует повышению его хрупкости, что приводит к раскалыванию минерала по ослабленным зонам и его периизмельчению, разрушению и окислению; особенностью магнетита в нижнем горизонте является его повышенная кавернозность [Жукова и др., 2011, с. 59].

В элементном составе хвостов установлено постоянное присутствие следующих микроэлементов: As, В, Ba, Co, Cr, Cu, Li, Mn, Mo, Mg, Ni, Pb, Ti, V, Zn. Максимальное значение концентраций, лежащих в пределах 0,1—1 %, характерно для марганца, титана, магния. В концентрациях 0,01—0,1 % в хвостах присутствуют мышьяк, барий, кобальт, медь, ванадий, цинк. В интервале концентраций порядка 0,001—0,01 % находится группа элементов, включающая хром, никель, свинец. Интервал концентраций порядка 0,00001-0,001 % представлен молибденом [Tselyuk I. N., Tselyuk D. I., 2012, p. 13].

Исследования техногенных вод в теле хвостохранилища показали, что техногенный водоносный горизонт по химическому составу относится к гидрокарбонатно-кальци-евому типу, имеет химически нейтральную среду с показателем рН 6,9 ед. В верхнем слое техногенного водоносного горизонта от 6,0 до 9,0 м содержание химических элементов установлено на уровне концентрации их в осветленных водах. В интервале техногенного водоносного горизонта от 9,0 до 30 м содержание железа, меди, лития, молибдена увеличивается в три раза, магния — в семь раз. Концентрация Ba, Cu, Li, Co, Mn, Mo, Ni, Pb, Sr, V, Zn повышается на порядок.

С целью выявления причин изменения качества техногенных вод в хвостохранили-ще были выполнены работы по исследованию поровых водных вытяжек из состава отходов по всей мощности вскрытого техногенного массива.

При анализе корреляционных профилей результатов анализов водных вытяжек по глубине техногенного массива установлено, что в интервалах от 8,0 до 14 м и в интервале от 25 до 30 м содержание концентрации водорастворимых форм элементов в поровых вытяжках из лежалых хвостов увеличивается на порядок. Концентрация Fe повышается от 1,3 до 18,7 мг/кг Ti — от 0,05 до 5,9 мг/кг, Mn — от 0,01 до 4,8 мг/кг, Ba — от 0,04 до 0,81 мг/кг, Cr и Co — от 0,001 до 0,02 мг/кг, Cu — от 0,002 до 0,07 мг/кг, Ni и Pb — от 0,001 до 0,1 мг/кг, Zn — от 0,01 до 0,1 мг/кг, Mo — от 0,005 до 0,1 мг/кг. Обращает на себя внимание уменьшение в основании техногенной толщи хвостов валовых концентраций практически всех выявленных микроэлементов за счет перехода их в водорастворимые формы.

Исследование вещественного состава хвостов показало, что в них присутствует ряд микроэлементов, главным образом тяжелых металлов, способных мигрировать в окружающую среду. Одним из путей миграции элементов является их вынос в составе фильтрационных утечек техногенных вод из системы хвостохранилища.

Для выявления степени миграции геохимических элементов по методике выполнено определение доли водорастворимых форм в процентном соотношении от валового содержания элементов, способных переходить в растворенное состояние. По результатам расчетов миграционными способностями обладает группа элементов, включающая Ba, Co, Cr, Cu, Li, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb Ti, V, Zn. Доля растворения элементов в среднем достигает до 1 %. Максимальной степенью растворения обладает железо, достигая 7 %. Переходя в техногенный водоносный горизонт, элементы сохраняют свои активные миграционные способности и в составе техногенных вод могут мигрировать из хвостохранилища. Миграция Fe, Ba, Co, Cr, Cu, Li, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb Ti, V, Zn под- тверждается наличием их высоких концентраций в дренажном фильтрате, высачивающимся через основание дамбы хвостохранилища. По химическому составу дренажные воды сопоставимы с техногенными водами из основания массива хвостов пляжной зоны. Исследования показали, что они по химическому составу относятся к гидро-карбонатно-кальциевому типу, имеют химически нейтральную среду с показателем рН 6,9. Содержание железа и стронция в фильтрате составило 0,4 мг / л, Ва и Mn — до 0,1 мг / л, Си, Zn, Li, Ni, Mo, Ti, V, U, Cr, Pb, Co - от 0,001 до 0,01 мг / л.

Проведенные исследования на хвостохранилище Краснокаменского рудника показали, что объекты намывного типа представляют собой сложные системы, а формирующиеся в них техногенные воды способны при попадании в окружающую среду оказывать техногенную нагрузку. В рамках комплексной оценки необходимо своевременно проводить предложенные исследования на сооружениях намывного типа железорудного комплекса с целью прогнозирования и принятия мер по снижению и предотвращению негативного воздействия на природные объекты.