Создание искусственных механических барьеров для очистки сточных вод россыпных месторождений // Россыпи и месторождения кор выветривания: факты, проблемы, решения: тез. докл. XIII междунар. совещания по геологии россыпей и месторождений кор выветривания (РКВ-2005). – Пермь, 2005. – С. 149-152. — Лаборатория геологии техногенных процессов

Россыпные месторождения — важнейший и сравнительно легко доступный источник золота и алмазов. Например, свыше 60% золота России добывается из россыпей. Благодаря неглубокому (в среднем 15-30 м) залеганию и малой (0,6-2,0 м) мощности продуктивных пластов рассыпные месторождения быстро вовлекаются в эксплуатацию и требуют для своего горно-промышленного освоения существенно меньше издержек, чем рудные. Однако, сопровождается нарушением значительных площадей земель, надолго изымаемых из сельскохозяйственного и иного использования, ухудшении качества водных и лесных ресурсов и весьма ощутимом ущербе ихтиофауне [Геоэкологическое обследование …, 1992].

Значительный ущерб окружающей среде при разработке россыпных месторождений оказывает сброс сточных вод с большим количеством взвешенных частиц. Технологических процесс извлечения ценных компонентов основан на максимальной дезинтеграции вещества залежи с использованием больших объемов воды. Образующиеся при промывке сточные воды содержат большое количество взвешенных частиц самого разного гранулометрического состава, включая коллоидные. Образуемые взвеси в большинстве случаев практически без очистки сбрасываются в ближайшие водотоки. Дезинтеграция вещества залежи в процессе добычи способствует переходу в сточные воды различных растворимых макро- и микрокомпонентов [Геоэкологическое обследование …, 1992; Петров , 1989; Соколова, Типтиргянов, 1989; Максимович, Макарова, 1994; Наумов, Максимович, Макарова, 1994].

Строительство очистных сооружений в районах добычи является сложной задачей, учитывая большие объемы сточных вод, отсутствие эффективных технологий, перемещения участков добычи (при дражной отработке месторождения). Использование коагулянтов для осветления промстоков возможно только в замкнутых системах, т.к. в большинство реагентов оказывает вредное воздействие на жизнедеятельность водоемов. Для решения проблемы очистки сточных вод требуется разработка простых, экономически и экологически эффективных методов, теоретической основой которых может стать учение о геохимических барьерах А.И. Перельмана и его учеников [Алексеенко, Алексеенко, 2003, Перельман, Касимов, 1999]. Одним из возможных способов удаления взвешенных частиц могут быть искусственные, а в ряде случаев и естественные, механические геохимические барьеры, предусматривающие пропускание сточных вод через фильтры из местных грунтов. Возможность создания таких барьеров изучена на примере бассейна р. Вишера, где ведется добыча золота и алмазов.

До недавнего времени гидроэкосистема верхней Вишеры, удаленная от промышленно-хозяйственных объектов, практически не испытывала техногенной нагрузки. Ее гидрохимические параметры формировались посредством природных факторов и могли рассматриваться в качестве эталонов экологического благополучия. Высокая чистота природных вод обусловила формирование в акватории Верхней Вишеры своеобразного и насыщенного в видовом отношении ихтиоценоза, в составе которого доминируют ценные промысловые виды рыбы — хариус, таймень, голец и др.

Бассейн р. Вишеры, где разрабатываются россыпные месторождения алмазов, слагается отложениями рифея, венда, ордовика, силура, девона, карбона и перми. В районе проявляется современный и древний карст. Закарстованы трещиноватые карбонатные породы силура, девона, карбона и нижней перми общей мощностью до 4000 м. С перекрытым подаллювиальным и подфлювиогляциальным карстом связаны, образовавшиеся на механических барьерах, погребенные месторождения алмазов в эрозионно-карстовых депрессиях.

Отложения, выполняющие депрессии, включают песчаник, кварцито-песчаник, кварц, кремень, известняк, доломит. В песчаной части отложений основное место занимает легкая фракция, представленная такими минералами, как кварц, кальцит, доломит, кварцевый микропесчаник, фосфаты, полевые шпаты. Содержание тяжелой фракции колеблется от 0,1 до 4,2 %. В ее составе присутствуют: гидрогетит, магнетит, гематит, сидерит, оксиды марганца, фосфаты, лейкоксен, циркон, турмалин, рутил, ильменит, хромшпинелиды, анатаз, гранаты, эпидот, пироксены, амфиболы, муассанит, флюорит. Глинистые минералы, главными компонентами которых являются каолинит, гидрослюда, монтмориллонит, хлорит, составляют большую часть терригенного материала отложений.

Разрабатываются месторождения алмазов дражным и гидромеханическим способами, для чего применяютя драги и сезонные обогатительные фабрики (СОФ). Драгами и СОФ извлекают часть тяжелой фракции, содержащей алмазы. В реки сбрасываются валунно-галечные и песчано-глинистые фракции, образующие отвалы высотой несколько метров. С целью поддержания необходимого уровня воды для плавучих драг на реках сооружаются плотины.

Экологические последствия горных работ обусловлены генетической связью рассыпного месторождения с речной сетью и особенностями технологии добычных работ, заключающиеся в извлечении тяжелой фракции посредством промывки рыхлой вмещающей породы водой в месте ее залегания. Промывка россыпи — один из наиболее водоемких технологических процессов горных работ.

По данным анализов водных вытяжек из грунтов, в дражных отвалах наблюдается высокое содержание железа (до 9,9 мг/кг), нитритов (до 1,6 мг/кг), аммония (до 11 мг/кг). Содержание железа в водных вытяжках тем больше, чем моложе возраст отвала. Источником железа служат железосодержащие минералы отвалов, что подтверждается рентгеноструктурным анализом грунта, отобранного из отвалов драги в месте слияния рек Бол.Колчим и Чурочная. В составе тяжелой фракции присутствуют гетит (31%), гематит (35%) и магнетит (4%).

Донные отложения максимально загрязнены на участках рек, находящихся вблизи участков работы драг. Ниже по течению концентрация загрязняющих компонентов уменьшается. Так, для р. Колчим содержание железа в водной вытяжке донных отложений уменьшается в пять с лишним раз.

Химический анализ пульпы драг и СОФ указывает на повышенное содержание железа. В пульпе СОФ концентрация железа в 12 раз превышает ПДК. В пульпе драги — в шесть с лишним раз.

На р. Сев. Колчим ниже драги, отмечается увеличение концентрации гидрокарбонатов, сульфатов, нитритов, кальция. Содержание железа в воде в 25 раз превышает ПДК. На р. Бол. Щугор, ниже по течению от драги, установлено увеличение концентрации большинства макрокомпонентов. Содержание железа в воде в десять с лишним раз превышает фоновые значения и в пять с лишним раз ПДК. Опробование долин рек Бол. Колчим, Сев. Колчим, Колчим, Бол. Щугор, Чурочная, Рассольная, Волынка показало, что в поверхностных водах отмечается увеличение содержания сульфатов, хлоридов, нитратов, нитритов, кальция, натрия и калия, аммония, кремния, железа. В отдельных пробах концентрация железа достигает 8,0 мг/л. Ниже по течению рек концентрация железа уменьшается [Мaximovich, Blinov, 1997].

Для очистки от взвешенных частиц сточных вод образующихся при добыче золота и алмазов в бассейне р. Вишера автором предложено использование грунтовых фильтров — классического механического барьера. Подобные фильтры применяются для очистки вод образующихся при угледобыче [Лесин, 1988]. Эффект частичной очистки стоков отмечался при возведении низконапорных дамб при разработке россыпных месторождений [Ершов, 2005]. Аналогом механического барьера в природе являются процессы кольматации, в результате которых происходим процесс заполнения порового пространства песка или любого другого грунта, в том числе и суглинистого, более мелкими пылеватыми и глинистыми частицами, находящимися во взвешенном состоянии в фильтрующейся воде, а результатом является уменьшение активной пористости грунтов и резкое снижение фильтрации [Куприна, 1968].

На р. Рассольной, на участке сброса драги с помощью грунтовых фильтров были проведены исследования возможности очистки сбрасываемой воды от взвешенных веществ. Данные анализа показали что концентрации взвешенных веществ в р.Рассольная в зоне влияния драги, в зависимости от количества осадков, изменяется от 0,183 до 12 г/л, что во много раз превышает фоновые значения. Для снижения концентрации взвешенных веществ в речной воде предложено создать в русле реки грунтовые фильтры. Для фильтров использовались дражные отвалы, находящиеся здесь же в долине реки (рисунок).

Рисунок Очистка дражных стоков от взвешенных веществ

Опытные работы показали что, в зависимости от длины пути фильтрации и материала фильтра, концентрация взвешенных веществ снижается в десятки и сотни (до 126) раз (таблица). При уменьшении содержания взвешенных веществ следует ожидать снижении концентрации железа и других загрязняющих компонентов, поскольку их содержание, как было показано выше, находится в тесной зависимости со взвешенными веществами.

Как показали эксперименты, проведенные Ю.В.Лесиным [Лесин, 1986], зависимость концентрации взвешенных частиц С_х (мг/л) от длины фильтрации х имеет вид

где С₀ — начальная концентрация взвесей, мг/л; η — показатель фильтрования.

Показатель η характеризует интенсивность осаждения взвесей и определяется размерностью фракции грунтов, используемых в фильтрующей плотине и скоростью фильтрации воды. Полученный экспериментальным путем в натурных условиях, для пород отвалов драги минимальное значение этого показателя составило 0,015, максимальное — 0.170. Расчеты оптимальной длины фильтрующей плотины производились по среднему значению показателя, которое составило 0,091.

Таблица Снижение концентрации взвешенных веществ в стоках драги при фильтрации через грунтовые фильтры

Установлено, что оптимальная длина фильтрующей плотины, позволяющая снизить более чем на 90 % содержание взвешенных веществ в воде, составляет около 30 м. При такой длине плотины расчетная очистка воды от взвешенных веществ при начальной концентрации ниже 600 мг/л будет производиться до значений ниже ПДК.

Заиливание нижних слоев при эксплуатации фильтрующей дамбы приводит к повышению уровня воды в верхнем бьефе, в результате включаются в работу верхние слои фильтрующей дамбы. Приблизительные расчеты срока эксплуатации плотины (время заполнения порового пространства взвешенными веществами на 75 %) показывают, что при условии среднего расхода реки и концентрации взвешенных веществ 0,2 г/л он составляет ориентировочно 40 суток. На сезон необходимо сооружение 4 таких плотин, что ориентировочно составляет 3 тыс.м3 перемещенного грунта.

В ряде случаев возможно использование естественных механических барьеров — закарстованных массивов, аллювиальных отложений определенного гранулометрического состава. При строительстве фильтров может быть использован опыт создания грунтовых плотин в гидротехническом строительстве [Петров, и др., 1994]. Механические геохимические барьеры на основе грунтовых фильтров могут использоваться во многих других отраслях, где требуется очистка вод от взвешенных частиц.

Список литературы

1. Алексеенко В.А., Алексеенко Л.П. Геохимические барьеры: Учеб.пособие. — М.: Логос, 2003. — 144 с.

2. Геоэкологические исследования при разведке и освоении россыпей/ В.Н. Новиков, Г.А. Жукова, С.А. Буланов. — М. 1992. — 52 с. — (Геоэкологические обследования и охрана недр) Обзор / МГП «Геоинформмарк»

3. Ершов В.А. Опыт возведения низконапорных дамб при разработке россыпных месторождений// Горный журнал, 2005, № 1. С. 91

4. Куприна Г.А. Кольматация песков. — М, Изд-во Моск.ун-та, 1968. — 173 с.

5. Лесин Ю.В. Фильтры для очистки воды из крупнокусковых отходов угледобычи. // Уголь.- 1986. N 2. С. 43-44.

6. Максимович Н.Г., Макарова О.В. Техногенно-геохимические процессы при разработке месторождений золота бассейна р.Вишеры (Северный Урал) // IV объед. симпоз. по проблемам прикладной геохимии, посвященный памяти академика Л.В.Таусона: Тез. докл.,-Иркутск,1994.-Т.2.-С.68-69.

7. Наумов В.А., Максимович Н.Г., Макарова О.В. Условия формирования и прогнозирование изменения золотоносности техногенных россыпей (на примере Вишерского района) // Прогнозирование и методика геолого-геофизических исследований месторождений полезных ископаемых на Западном Урале: Тез. докл. науч. конф.-Пермь,1994.-С.22-23.

8. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафтов: Учебное пособие. Изд. 3-е, перераб. и доп. — М.: Астрея-2000, 1999.-786 с.

9. Петров Г.Н., Радченко В.Г., Дубиняк В.А. Крупнообломочные грунты в гидротехническом строительстве. — С.-Петербург: Изд-во АО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева», 1994. — 236 с.

10. Петров Н.П. О проблемах охраны водных ресурсов Янского бассейна// Стратегия социально-экологического развития Крайнего Севера/ Тез. докл. всесоюз. совещ. — Нарьян-Мар, 1989. — С. 170-172

11. Соколова В.А., Типтиргянов М.М. Оценка экологических изменений зоопланктона в речных экосистемах Крайнего Севера/ Стратегия социально-экологического развития Крайнего Севера/ Тез. докл. всесоюз. совещ. — Нарьян-Мар, 1989.

12. Maximovich N.G., Blinov S.M. Hydrosphere transformation in the diamond placers mining area in the Vishera river basin, the Urals // Engineering Geology and the Environment. Rotterdam, Brookfield,1997.-V.3.-P.2467-2469.