Образование техногенных минералов на искусственных геохимических барьерах // Минералогия техногенеза – 2001. – Миасс: ИМин УрО РАН, 2001. – С. 242-245. — Лаборатория геологии техногенных процессов

Применение искусственных геохимических барьеров базируется на общих подходах и принципах геохимии. Главной особенностью методологии геохимии является изучение миграции, в результате которой происходит концентрация и рассеяние химических элементов. С этих позиций рассмотрены примеры создания искусственных барьеров для охраны окружающей среды при разработке месторождений полезных ископаемых.

Месторождения полезных ископаемых представляют собой природные геохимические барьеры, на которых формируются концентрации элементов. Разработка месторождений приводит к разрушению этих барьеров. Из огромного количества вещества, изымаемого из природной среды, в конечный продукт превращается не более 2 %. Негативным следствием этого является неконтролируемая миграция элементов, или загрязнение окружающей среды. В районах расположения источников загрязнения формируются техногенные ореолы и потоки рассеяния, локализация которых возможна путем создания условий для концентрации элементов целенаправленным созданием, например, искусственных геохимических барьеров. Этот путь представляется наиболее естественным, т. к. воспроизводит геохимическую обстановку, близкую природной. Таким образом, сущность применения искусственных геохимических барьеров заключается в переводе элементов из состояния техногенного рассеяния к техногеной концентрации в виде стабильных минеральных фаз. Концепция создания искусственных геохимических барьеров для охраны окружающей среды, построенная на базе теории геохимических барьеров А. И. Перельмана, заключается в целенаправленном создании геохимических обстановок, для которых характерно резкое снижение миграции загрязняющих веществ за счет перевода в малоподвижные формы, что обеспечивает безопасность для человека и природной среды.

Структура основных этапов создания искусственных геохимических барьеров для охраны окружающей среды приведена на рис. 1. Результаты использования искусственных геохимических барьеров на конкретных промышленных объектах рассмотрены ниже.

Для нейтрализации кислых (рН = 2-3) и высокоминерализованных (М = 2.5-19.0 г/л) стоков шахт Кизеловского угольного бассейна с высокими концентрациями SO₄, Fe, Al, Zn, Ni, Cu, Рb, Мn использовались отходы содового производства.

Рис. 1. Основные этапы создания искусственных геохимических барьеров.

Лабораторно установлено, что для повышения рН с 2.5 до 6.5 требуется около 1 кг реагента на 1 м³ шахтной воды. При этом отмечается наибольший объем образующегося осадка, в состав которого выпадают Fe, Al и другие металлы в сульфатно-связанной форме.

Для снижения загрязнения подземных вод в районах шахтных отвалов угледобычи в Кизеловском бассейне, где подземные воды и временные стоки имеют рН 1-3, минерализацию до 45 г/л, высокие содержания сульфатов, железа, алюминия, возможно создание щелочных барьеров с использованием карбонатных пород. Для этого в канаву, пройденную ниже по потоку от отвала, укладывался дресвяный отсев известняка. В течение года рН повысился с 1.8 до 6.8, минерализация снизилась с 28 до 3.5 г/л, значительно уменьшилось содержание основных загрязняющих компонентов (в мг/л): сульфаты — с 17000 до 1600, железо — с 4600 до 1-2, алюминий — с 494 до < 0.5. При этом поровое пространство пород по потоку заполнилось гидроксидами и сульфатами железа и алюминия.

С целью снижения сульфатной агрессивности подземных вод на промплощадке ПО Метанол, где при планировке использованы насыпные грунты из пород отвалов угольных шахт, при подтоплении которых образовались сульфатные, агрессивные по отношению к бетону, подземные воды, применен геохимический барьер с использованием соединений бария. В первом варианте снижения сульфатности грунтовых вод использовался раствор хлорида бария, дозируемый в скважины. По второму технологическому варианту создавался геохимический барьер путем внесения гидроксида бария в канаву. По потоку подземных вод оборудовались наблюдательные скважины. На созданном барьере ионы SO42- связываются в сульфат бария — барит, который устойчив в экзогенных условиях и не токсичен. В результате подземные воды, обладавшие средней и сильной сульфатной агрессивностью, стали неагрессивными по отношению к бетону. Подобный же метод обессульфачивания технических вод применен на Холбольджинском угольном разрезе, где использование карьерных вод для полива затруднено повышенным содержанием в ней сульфатов до 1200 мг/л. Очистка карьерных вод производилась в двух канавах, в которые дозировались водорастворимые соединения бария. На дно канав выпадал осадок барита и витерита, а очищенная от сульфат-иона вода шла на полив. Содержание сульфатов в воде при этом понижалось до 440 мг/л при максимально допустимой концентрации 500 мг/л.

Для защиты подземных вод от загрязнения в районах шламохранилищ предлагается комплексный экран-барьер, заложенный в основании шламохранилища. Опыт его применения рассмотрим на примере Пашийского металлургическо-цементного завода, где отходы газоочистки складируются в необорудованном шламохранилище. Жидкая фаза отходов имеет высокую минерализацию (М = 34-42 г/л) и щелочную реакцию среды (рН = 8.9-9.4). В составе пульпы выявлены высокие концентрации Сu, Cd, Pb, Zn, Ni, Mo, As, Ti, Be и органических веществ. Растворенные органические вещества образуют устойчивые комплексы с металлами, подвижные в щелочной среде. Подземные воды трещиноватых закарстованных известняков, являющихся ложем шламохранилища, разгружаются в р. Пашийку (рис. 2). Инфильтрация жидкой составляющей пульпы приводит к загрязнению горизонта трещин-но-карстовых вод, а их разгрузка изменяет состав воды в реке. При этом концентрации SO₄^2-, Сl, Ti, Mn и органических веществ как в подземных водах, так и в реке превышают ПДК. Для защиты вод в основании шламохранилища создается комплексный экран-барьер, нижний слой которого состоит из местных глин и является сорбционным экраном. Средний слой состоит из смеси торфа и пиритных огарков и выполняет основную функцию перехвата загрязнителей, связывая металлы в сульфиды в анаэробных восстановительных условиях.

Рис. 2. Схема защиты подземных вод от загрязнения путем создания комплексного барьера-экрана.

Верхний слой создается из местной глины с добавкой гипса. Это приводит к уменьшению щелочности фильтрующегося раствора, а также гидролизу и осаждению части тяжелых металлов. Применение такого комплексного экрана-барьера обеспечивает защиту подземных вод в течение всего срока эксплуатации шламохранилища.

Таким образом, сущность применения искусственных геохимических барьеров для защиты окружающей среды заключается в концентрировании свободно мигрирующих в ионной форме загрязняющих веществ и связывании их в виде стабильных и нетоксичных в данных условиях минеральных фазах — техногенных минералах: барите; витерите; гидроксидах железа, алюминия и др. металлов; сульфидах и т. д. Возможно применение и других технологий и веществ (природных и искусственных материалов) для создания геохимических барьеров, что повлечет за собой и образование принципиально иных стабильных техногенных минеральных фаз как концентраторов загрязнений. Расширение спектра применения новых технологий и веществ для создания геохимических барьеров можно рассматривать как перспективу дальнейших исследований.