Способ очистки воды от взвешенных веществ с использованием дражных отвалов

Одной из основных форм миграции химических элементов в водных потоках является перенос в виде механических взвесей [6]. Взвешенные вещества – это один из самых распространенных загрязнителей в водосбросах промышленных предприятий [1]. В мире разработано множество технологий очистки сбросов от взвешенных веществ [5]. Однако при определенных условиях эта задача становится трудновыполнимой.

На северо-востоке Пермского края, в пределах западного склона Урала, ведется разработка россыпных месторождений алмазов дражным способом. Проблема снижения концентрации взвешенных веществ в сбросах объектов алмазодобычи существует уже несколько десятков лет.

Сложность ее решения связана со значительными концентрациями взвесей в сбросах объектов алмазодобычи, которые могут достигать 15 г/л и более; с большим содержанием во взвесях тонкодисперсных глинистых частиц размером менее 0,001 мм (до 50 %), которые способны мигрировать в водных потоках на значительные расстояния; со значительными объемами и крайней неравномерностью в условиях гор и предгорий расходов рек, в долинах которых осуществляется алмазо- добыча; с литолого-минералогическим составом и геохимическими особенностями разрабатываемых пород; с особенностями химического состава воды рек (низкая минерализация).

В связи с этим целью данного исследования являлась разработка методов и технологий, позволяющих производить очистку значительных и весьма неравномерных расходов загрязненных вод при больших концентрациях взвешенных веществ, на основании обобщения и анализа имеющегося опыта очистки сбросов от взвешенных веществ на данном предприятии.

В различные годы решением этой проблемы занимались исследователи многих организаций. Для снижения содержания взвешенных веществ в дражных стоках предлагались различные технологические приемы и их комплексы, среди которых можно выделить механические, физикохимические и химические способы очистки: отстаивание в прудах-отстойниках; фильтрацию через грунтовые фильтры; центробежные методы; флотацию; электрохимические методы; коагуляцию и флокуляцию и др.

Практически все из этих методов в лабораторных, а отдельные и в натурных

условиях прошли испытания на объектах предприятия. Для внедрения этих методов предлагались прямоточные, оборотные и даже замкнутые системы водоснабжения.

Отстаивание в прудах-отстойниках -наиболее естественный и часто применяемый метод. Практически все объекты алмазодобычи имели один отстойник или целый каскад. Однако значительные концентрации взвешенных веществ в сбросах и высокое содержание в них трудноосаж-даемых тонкодисперсных глинистых частиц, делают пруды-отстойники недостаточно эффективными и не позволяют даже каскадом плотин достигать нормативных концентраций взвешенных веществ для водоемов рыбохозяйственного значения [7]. Кроме того, пруды-отстойники с регулируемым водосбросом не приспособлены для условий резких и значительных увеличений расходов рек в предгорных районах. В результате часть плотин-отстойников была разрушена в период весеннего половодья и паводков.

Для укрупнения микроагрегатного состава взвесей применяются коагулянты и флокулянты. В 1980 г. Горным институтом (г. Свердловск) был предложен метод коагуляции взвесей с использованием в качестве реагента хлоридных отходов Березниковского титано-магниевого комбината. Основными компонентами-коагулянтами являются ионы железа и хлорид-ионы, содержание которых составляет около 60 %. Кроме этого, в отходах присутствуют алюминий, марганец, титан и другие металлы. Специалисты «Якутнипроалмаз» предлагали использовать в качестве коагулянтов сульфаты железа и алюминия, глинозем и известь. Для снижения эффективных концентраций (экологически небезопасных) применяемых реагентов предлагалось использовать флокулянты, которые ускоряют процесс образования агрегатов и повышают плотность образующегося осадка. При определенных условиях полимерные флокулянты могут применяться самостоятельно, без ввода коагулянтов. На предприятии прошли лабораторные и натурные испы- тания различные импортные и отечественные коагулянты. В результате опытнопромышленных испытаний практически все испытываемые коагулянты и флокулянты были отклонены. Хлориды и сульфаты железа и алюминия - по причине загрязнения поверхностных вод вводимыми ионами, что не допускается законодательной базой и нормативными документами. Некоторые из отечественных реагентов оказались неэффективны, а отдельные импортные флокулянты - дорогостоящими, существенно удорожающими себестоимость добычи.

Соликамским государственным педагогическим институтом, а ранее и другими организациями была проведена оценка эффективности методов электрохимической очистки дражных стоков от взвешенных частиц. Установлено, что применение угольных электродов из-за особенностей состава воды и взвесей малоэффективно, а использование железных и алюминиевых растворимых электродов привносит в поверхностные воды дополнительные ионы в концентрациях, превышающих ПДК. Была отклонена и электрофлотация из-за невысокой эффективности и необходимости применения высокого напряжения, связанного с низкой минерализацией воды.

Наиболее логично для очистки воды от взвешенных веществ использовать грунты дражных отвалов, которые занимают значительные площади в долинах рек, где проходит разработка россыпных месторождений. Отвалы характеризуются неоднородностью гранулометрического состава. Несмотря на это, в распределении различных фракций наблюдаются определенные закономерности, связанные с технологическим процессом дражной разработки месторождения. Дражные отвалы имеют как бы двухслойное строение. В верхнем слое преобладает грубообломочный материал, представленный валунами и галькой, с пониженным содержанием пылеватых и глинистых частиц. Нижний слой представлен в основном гравием и песком (рис. 1).

Рис. 1. Двухслойное строение дражного отвала

Гранулометрический состав дражных отвалов

№ пробы	Гранулометрический состав										Номенклатура грунта (ГОСТ 2510095)
	Гравий			Песок					Пыль	Глина
	> 10	10-5	5-2	2-1	1,0 0,5	0,5 0,25	0,250,1	0,1 0,05	0,05 0,005	< 0,005
1	2,15	11,66	17,89	15,65	19,47	21,02	10,67	0,09	0,84	0,56	Песок гравелистый
2	4,03	9,71	13,99	11,60	15,48	25,34	17,85	0,19	0,95	0,86	Песок гравелистый
3	3,04	11,21	15,32	14,48	19,23	21,87	12,16	0,22	1,62	0,85	Песок гравелистый

По данным В.П. Тихонова, грунты нижнего песчано-гравийного слоя классифицируются как пески гравелистые (таблица).

В горнодобывающей и перерабатывающей промышленности нередко для очистки от взвешенных веществ используют грунтовые фильтры [4]. Естественнонаучный институт (г. Пермь) с 1994 по 1997 г. вёл разработку этого направления. В качестве материала для фильтров использовались грунты дражных отвалов, представленные большей частью грубообломочными и песчаными фракциями

• [2] . Опытные натурные работы показали, что в зависимости от длины пути фильтрации концентрация взвешенных веществ в дражных сбросах может снижаться в десятки и сотни раз [8].

Основываясь на результатах проведенных исследований, путем решения обратной задачи были вычислены оптимальные параметры грунтовых фильтров, учитывающие максимальную начальную концентрацию взвешенных веществ, гранулометрический состав грунтов дражных отвалов, расход реки и продолжительность эксплуатации фильтров.

Несмотря на то, что применение этого метода дает возможность значительно снижать содержание взвешенных веществ, внедрение грунтовых фильтров было отклонено предприятием ввиду короткого срока эксплуатации грунтовых фильтров из-за заполнения порового пространства глинистым материалом (~ 40 сут.) и слабой пропускной способности плотин, что неприемлемо для периодов весеннего половодья и мощных дождевых паводков.

Для увеличения пропускной способности и срока эксплуатации грунтовых фильтров В.П. Тихоновым был предложен способ очистки от взвешенных веществ с использованием «фильтрационных полей»

• [7] . Фильтрационное поле представляет собой участок долины реки, состоящий из системы напорных и отводящих водоемов, расположенных каскадом параллельно друг другу и разделенных грунтами дражных отвалов. Сброс загрязненных взвешенными веществами вод из водоема драги производится в последовательно расположенные напорные водоемы. Фильтрация воды происходит в сторону отводящих водоемов, в качестве которых использованы оставшиеся после дражной разработки понижения и котлованы, вытянутые цепочкой вдоль русла реки. Очищенная вода по каналам отводится в существующее русло р. Б.Колчим (рис. 2).

  

  Рис. 2. Схема фильтрационного поля [3]

  
  

Результаты опытно-промышленных испытаний метода показали, что эффективность очистки изменяется по всем отводящим водоемам от 89 до 99 %. Применение метода обеспечивает снижение концентрации взвешенных веществ до нормативных значений. Возможность использовать в качестве фильтра весь массив дражных отвалов позволяет существенно увеличивать срок эксплуатации системы, а также очищать значительные расходы воды.

Использование грунтовых фильтров по простой в исполнении и надежной технологической схеме предложено С.М. Блиновым. Драга в процессе разработки алмазов диспергирует глинистые горные породы, оставляя грубообломочные и песчаные фракции в дражных отвалах, в то время как пылеватые и глинистые частицы формируют твердый сток и мигрируют вниз по течению рек. Идея вернуть глинистый материал в поровое пространство грубообломочных дражных отвалов, возвращая тем самым горные породы в состояние, близкое к природному, полностью соответствует природоохранному смыслу предлагаемых мероприятий.

Суть предлагаемого метода заключается в создании на территории дражных отвалов, которые расположены выше и ниже по течению от технологического водоема и будут подвергаться повторной разра- ботке, водоемов фильтрации (ровных площадок, ограниченных по периметру дамбой). Пульпа из технологического водоема перекачивается в водоемы, из которых происходит нисходящая фильтрация до уровня грунтовых вод, а затем возврат осветленной воды в единственную дрену, которой является река (рис. 3).

Рис. 3. Технологическая схема использования дражных отвалов для очистки воды от взвешенных веществ

В случае работы драги в режиме недос-таткочного расхода речной воды может применяться оборотная схема водоснабжения, если воды достаточно – то прямоточная. Гранулометрический состав дражных отвалов как нельзя лучше подходит для такой схемы очистки: в верхней части залегают грубообломочные грунты, в нижней – песчаные.

Кроме проблемы очистки дражных