Разработка технологии очистки шахтных вод рудников, занятых добычей лопарита

На территории Мурманской области расположено крупнейшее месторождение лопарита, которое является уникальным сырьем для производства редкоземельных металлов. Этот минерал залегает в скальных породах, поэтому добыча его возможна только буровзрывным способом. В процессе разработки в штреках рудника образуется фильтрат из смеси грунтовых вод, вскрытых разработками подземных горизонтов и поверхностных вод, проникающих в штреки через трещины в породе. В породах месторождения, присутствует легко растворимый минерал виллиомит (NaF), поэтому в шахтных водах наблюдается содержание ионов фтора в количествах, превышающих существующие лимиты на сброс в водоприемник. Внедрение в практику водопользования нового Водного кодекса РФ в ещё большей степени ужесточает требования к качеству сбрасываемых в водоёмы сточных вод. Проблема снижения загрязнений шахтных вод фтором в связи с вышеназванной ситуацией весьма актуальна.

На первом этапе данной работы для поиска закономерностей в формировании объёмов и массы загрязнений стока шахтных вод был выполнен корреляционный анализ, результаты которого представлены в табл. 1.

Данные табл. 1 показывают, что в наибольшей степени содержание фтора коррелирует с концентрациями нефтепродуктов, которые попадают в шахтные воды от горно-добывающего оборудования при разработке породы.

Поэтому дальше при проведении исследований анализировались возможности управления процессом разработки и снижения загрязнений шахтных вод в источнике их образования. Детальные исследования условий формирования стока шахтных вод в технологии добычи руды, представленные в [1], показали, что добиться снижения концентраций загрязняющих веществ путем оптимизации производственного процесса весьма затруднительно, так как первичная выработка породы ведётся буровзрывным способом. Поэтому разработка водоохранных мероприятий для данного объекта заключается в подборе приемлемой по техникоэкономическим и эксплуатационным показателям технологии очистки сточных вод.

Таблица 1.

Корреляционные зависимости показателей стока

Наименование показателей стока		Уравнение линии тренда	Коэффициент корреляции
(x)	(y)
Расход, тыс. м³	Фтор, мг\л	y=0,002x+4,210	0,568
БПКполн, мгО2/л	Фтор, мг\л	y=0,480x+5,292	0,442
Нефтепродукты, мг/л	Фтор, мг\л	y=3,311x+5,545	0,609
Взвешенные вещества, мг/л	Фтор, мг\л	y=0,022x+5,780	0,161
Сухой остаток, мг/л	Фтор, мг\л	y=0,072x+0,522	0,784
Хлориды, мг/л	Фтор, мг\л	y=-0,273x+6,497	0,110
Сульфат-анионы, мг/л	Фтор, мг\л	y=-0,142x+6,295	0,338
Аммоний-ион, мг/л	Фтор, мг\л	y=-4,639x+6,176	0,399
Нитрат-анион, мг/л	Фтор, мг\л	y=-0,276x+6,425	0,339
Нитрит-анион, мг/л	Фтор, мг\л	y=75,72x+5,075	0,315
Фосфаты по (Р), мг/л	Фтор, мг\л	y=2,832x+4,614	0,628
СПАВ, мг/л	Фтор, мг\л	y=32,52x+5,530	0,300
Железо, мг/л	Фтор, мг\л	y=0,836x+5,676	0,540
Марганец, мг/л	Фтор, мг\л	y=2,947x+5,782	0,195
Медь, мг/л	Фтор, мг\л	y=218,4x+5,473	0,329

По итогам литературного обзора была составлена классификация существующих методов дефторирования сточных вод, представленная в табл. 2.

Сравнительная оценка приведённых методов показывает, что перспективным методом для разработки технологии очистки шахтных вод является использование порошковой извести в качестве реагента для предварительной обработки воды перед её отстаиванием [2]. Выбор этого метода подтверждает факт доступности сырья для получения реагента в регионе добычи лопарита. Этот метод был принят за основу для более детального изучения его эффективности в лабораторных условиях.

Для лабораторных исследований использовалась исходная вода, отобранная на выпуске № 2 рудника «Карнасурт» Мурманской области. На первом этапе исследования была экспериментально подтверждена возможность использования извести для удаления из воды ионов фтора.

Было выявлено, что эффективность дефторирования воды пропорциональна дозе вводимой извести.

Классификация методов дефторирования сточных вод

Таблица 2

Наименование метода	Описание метода	Используемые реагенты и материалы
Отстаивание	обработанная реагентами вода подается в отстойник для осветления	• известковое молоко, • сульфат алюминия.
Фильтрование	обработанную реагентами воду осветляют на каркасно – засыпных фильтрах	• известковое молоко, • сульфат алюминия.
Сорбция	•  сорбентом является слой взвешенного осадка •  активированная загрузка песчаных фильтров	•    гидроксид магния или алюминия, фосфат кальция, оксид магния •    цирконийсодержа щие сорбенты, активированная окись алюминия.
Гиперфильтрация	вода под давлением 4-5 МПа пропускается через плоские мембраны, проницаемые лишь для молекул воды	мембраны, непроницаемые для ионов фтора.
Ионный обмен	вода   пропускается   через   слой фторселективного анионита	сильноосновные ионообменные смолы.
Электродиализ	вода в электрическом поле пропускается через плоские мембраны, проницаемые лишь для молекул воды	мембраны, непроницаемые для ионов       фтора, электроды.

Эффективность удаления фтора по схеме: реагентная обработка известью – отстаивание, по данным выполненных экспериментов, не превышает 45%, поэтому возникает необходимость доочистки осветлённой воды. Для подбора сооружений второй ступени очистки шахтных вод было решено исследовать эффективность применения фильтрования.

Для подбора загрузки фильтров была сконструирована лабораторная фильтровальная установка, представляющая собой цилиндр диаметром 40 мм, высотой 670 мм, снабженный пьезометром для измерения потерь напора и отводящим патрубком диаметром 8 мм с зажимом.

В качестве фильтрующей загрузки исследовалось местное сырьё: кварцевый песок, дробленый пенопласт и отработанная порода рудника «Карнасурт» ( «хвосты» обогащения руды).

Предварительные оценки показали, что эффект очистки при фильтровании осветленной после обработки известью исходной воды через слой дробленого пенопласта не превышает 67% процентов. Содержание ионов фтора снижается до 2 мг/л, что не достаточно для выпуска в водоприемник. Использование «хвостов» приводит к вторичному загрязнению воды ионами фтора (концентрация их в фильтрате возросла до 29 мг/л). Кроме того хвосты обогащения относятся ко второму классу материалов по удельной радиационной активности, что ограничивает их использование в данном направлении. По результатам предварительных исследований максимальный эффект дефторирования был выявлен при использовании кварцевого песка в качестве загрузки. Максимальный эффект очистки составлял 96%. Было достигнуто снижение содержания ионов фтора до 0,26 мг/л, что удовлетворяет условиям выпуска очищенной воды в водоприемник. Для дальнейших детальных исследований была выбрана загрузка фильтра кварцевым песком.

Методика проведения экспериментов следующая: проба исходной воды непосредственно с выпуска, объемом 100 мл обрабатывается порошковой негашеной известью и отстаивается в течение часа. Осветленная вода далее подаётся на фильтровальную колонку. В полученном фильтрате измеряется содержание ионов фтора и рН. Измерения проводятся потенциометрическим методом с использованием фторселективного электрода.

Для вывода эмпирического уравнения связи эффективности дефторирования от дозы реагента был реализован полный факторный эксперимент. В качестве функции отклика в эксперименте рассматривался эффект дефторирования воды в %. В качестве факторов влияния были приняты: доза реагента, как безразмерное отношение массы кальция в составе извести, добавляемой в обрабатываемую воду к массе ионов фтора, содежащегося в исходной воде (Ca:F); рН сточной воды и доля активированного угля, добавленного в загрузку в %.

Значимость коэффициентов регрессии в уравнении и его адекватность результатам эксперимента оценивались по статистикам Стьюдента и Фишера.

Согласно формулам перевода значений из относительных координат в характеристики процесса это уравненние принимает следующий вид:

Э = 1437,8 - 214,15*Д - 231,9*рН – 16,06*У + 33,5*Д*рН +

2,21*Д*У + 2,65*рН*У - 0,44*Д*рН*У

Выразив дозу реагента получаем следующее уравнение:

1437,8  231,9 * рН 16,06 * У +2,65 * рН * У

^Д   214,15 33,5* рН 2,21* У + 0,44 * рН * У

Таким образом, по результатам выполненных исследований можно сделать следующие выводы:

• 1.    Технология очистки шахтных вод от добычи лопаритовых руд включает две основные ступени обработки исходной воды. На первой ступени проводится отстаивание исходной воды. Далее осветлённая вода подаётся на каркасно-засыпные фильтры. При необходимости в технологическую схему включается блок нейтрализации и обеззараживания очищенной воды.

• 2.    Для дефторирования исходной воды перед отстаиванием применяется обработка реагентом. В качестве реагента целесообразно применять известь.

• 3.    В результате реализации полного факторного эксперимента было выведено эмпирическое уравнение связи для оценки эффективности очистки шахтных вод от дозы реагента и доли активированного угля в загрузке фильтра.

• 4.    На этапе дальнейших исследований следует разработать регламент эксплуатации сооружений и рассмотреть возможности автоматизации управления технологическим процессом.