Авторы
Алексей Кондрашкин
Генеральный директор ООО «НПП Би-ТЭК»
Сергей Кузовков
инженер НИОКР ООО «НПП Би-ТЭК»
Аннотация
Рудничные воды, образующиеся в большом количестве при эксплуатации месторождений цветных металлов, по происхождению являются грунтовыми и атмосферными и характеризуются высокой минерализацией. Очистка данного вида вод до ПДК «Рыбхоз» либо СанПиН 2.1.4.1074‑01 — сложный процесс, требующий от предприятий отрасли значительных капитальных и эксплуатационных затрат. В статье рассматриваются различные технологические подходы к очистке карьерных вод, отличающиеся друг от друга экономическими параметрами эксплуатации, а также целесообразностью их применения в зависимости от особенностей таких вод и экологических задач предприятия. Обобщен российский и зарубежный опыт эксплуатации очистных сооружений карьерных вод.
При разработке карьеров под нужды горнодобывающей промышленности образуются большие объемы рудных вод с высокой степенью минерализации. Процесс их очистки зависит от особенностей добываемых в каждом конкретном случае цветных металлов и экологических задач предприятия. Как как стремление свести затраты к минимуму является вполне естественным, инженерные компании прибегают к комбинированию различных систем очистки карьерных вод с целью найти их оптимальное сочетание. Тем не менее преимущественно выделают три метода эффективной очистки – известкование, ионный обмен и баромембранная технология.
Химический состав рудничных вод определяется видом добываемой руды и составом воды водоносных горизонтов, вскрываемых при проведении горных работ. Рудничные воды содержат частицы породы, песок, глину, минеральные соли, тяжелые металлы, органические вещества, минерализация существенно превышает 1 000 мг/л. Большой объем вод такого состава, преимущественно сбрасываемый в водоемы без очистки (либо с низким ее качеством), негативно сказывается на состоянии окружающей (водной) среды.
Рассмотрим 3 основных метода очистки карьерных вод.
1. Известкование
Это реагентный метод, достаточно распространенный в России: вода обрабатывается известковым молоком – суспензией гашеной извести Ca(OH)2. Известь – наиболее дешёвый и доступный материал, использующийся в качестве коагулянта, осадителя тяжёлых металлов и как химический реагент.
В сточные воды и образующийся в последствии осадок вводится определённое количество известкового молока. Это позволяет провести осветление сточных вод, частично удалить из них нефтепродукты и синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), связать катионы тяжёлых металлов в виде нерастворимых соединений [1]. Интенсификация процесса осветления может быть достигнута путём введения коагулянтов и флокулянтов.
Другим эффектом известкования является связывание сульфат-ионов в нерастворимую форму при перещелачивании сточных вод. Образующийся при этом осадок сульфата кальция может быть использован при получении строительного гипса.
Избыточное количество кальция, вводимое при перещелачивании с известковым молоком, выделяется из воды в виде карбоната кальция при рекарбонизации, которая проводится в пруде-стабилизаторе: под воздействием СO2 осуществляется осаждение кальция в виде карбонатов, которые могут быть использованы как добавка при производстве строительных материалов [2].
Для финальной очистки предусматривается обработка воды на ботанической площадке, заселённой высшими водными растениями, позволяющими снизить концентрацию тяжёлых металлов и сульфатов до нормативов сброса в водоёмы хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения. Для очистки 1 м3/ч сточных вод требуется 120 м2 площади ботанической площадки [3] (рис. 1).
Подход эффективен для рудничных вод с преимущественным содержанием ионов кальция, магния и сульфат-ионов при наличии свободных природных или техногенных ландшафтов для устройства прудов-накопителей и ботанических площадок, при условии отведения очищенных рудничных вод в водоёмы хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения.
2. Ионный обмен
Снижение минерализации рудничных вод, обусловленной хлоридами натрия и калия, возможно только при применении технологий обессоливания. В частности, в России большое распространение в 1990-2000-е гг. приобрел метод ионного обмена, принцип которого заключается в пропускании воды через слой катионита [Кат] в H+ форме, а затем через слой анионита [Ан] в OH– форме. При этом катионит обменивает катионы металлов на ионы H+, а анионит – анионы солей (хлориды, сульфаты) на ионы OH–:
[Кат] H + Me+ + А– ↔ [Кат] Ме + H+A–
[Ан] OH + H+A– ↔ [Ан] A + H2O
Перед подачей на ионообменные фильтры рудничные воды должны быть тщательно очищены от взвешенных, коллоидных, а также органических веществ.
Взвешенные и коллоидные вещества удаляются при осветлении (коагулирование, отстаивание, фильтрация), при этом частично может быть снижено и значение окисляемости воды. Для полного соответствия требованиям по этому показателю (7 мгО/л) должны применяться сорбционные и окислительные методы очистки, характеризующиеся высокими капитальными и эксплуатационными затратами.
Существенной статьёй расхода является приобретение кислоты и щёлочи, требующихся для регенерации ионообменной смолы. Их количество доходит до 120 кг на 1 м3 ионообменной смолы на одну регенерацию, при этом количество регенераций в сутки может достигать трёх. Количество отработанных регенерационных растворов составляет до 5% от производительности (рис. 2). Эти растворы имеют кислую реакцию среды и подлежат обязательной нейтрализации и последующей утилизации.
Общее количество воды, потребляемое на собственные нужды, составляет около 35% от производительности: сюда входит исходная осветлённая вода на взрыхление смолы, а также обессоленная вода для получения регенерационных растворов, медленной и быстрой отмывки. В связи с этим требуется достаточно большие ёмкости для обессоленной воды, устройства ёмкостей для приготовления и дозирования регенерационных растворов, а также ввода дополнительных комплектов насосного оборудования.
Эксплуатационные расходы технологии ионного обмена растут пропорционально солесодержанию обрабатываемой рудничной воды. Технология оптимальна в случае достаточно малой минерализации рудничных вод (1,5–2,0 г/л), характеризующихся низким значением окисляемости.
3. Баромембранная технология
Включает в себя обратный осмос, нанофильтрацию, микро- и ультрафильтрацию. Сочетание мембранных и традиционных технологий (коагулирование, отстаивание, фильтрация через песчаную или иную зернистую загрузку) позволяет решить широкий спектр задач, возникающих как при очистке «соленых» рудничных вод. Данный подход к деминерализации – устоявшаяся зарубежная практика, широко применяемая в Европе, Ближнем Востоке, Китае.
Для удаления из рудничных вод хлорида калия и натрия требуется применение технологии обратного осмоса. Обессоливаемая вода не должна содержать взвешенных и коллоидных частиц, а также растворённых органических веществ с минимальным содержанием солей жёсткости. Эти требования достигаются при предочистке воды с помощью микро- или ультрафильтрации (удаление взвешенных и коллоидных частиц), нанофильтрации (удаление органических растворённых веществ и солей жёсткости). Перед этими стадиями вода потребует осветления для удаления основной массы взвешенных и коллоидных частиц. Именно на этом этапе целесообразно применение коагулирования с последующим отстаиванием, фильтрацией на песчаных фильтрах или контактным осветлением (рис. 3, 4).
Образующиеся в процессе очистки жидкие высокоминерализованные растворы и шламы могут быть переработаны до влажности 30-40% с помощью многостадийной выпарной установки, спроектированной специально для такого типа отходов. Также концентрат обратного осмоса с высоким содержанием сульфатов может быть использован для получения сульфата натрия. Получаемые же на стадии осветления осадки в такой схеме перерабатываются отдельно в блоке обезвоживания [4].
Применение баромембранных технологий выгодно отличается отсутствием потребности в большом количестве реагентов, при этом полная автоматизация оборудования позволяет существенно сократить трудозатраты обслуживающего персонала, а также проводить диагностику и контроль состояния оборудования из удалённого центра. Применение технологии целесообразно при минерализации рудничных вод свыше 2 г/л, обусловленной хлоридами натрия и калия, при необходимости сброса очищенных рудничных вод в водоёмы рыбохозяйственного назначения.
Выводы
Первостепенная задача российских инженерных компаний (не являющихся непосредственными производителями основного технологического оборудования) – комплектование систем очистки карьерных вод в оптимальном сочетании различных методов для достижения необходимого Заказчику экономического результата с минимальными затратами. В частности, каждая скомплектованная НПП Би-ТЭК система – это инструмент для достижения конкретных целей и задач предприятия, имеющий при этом свои преимущества и недостатки. Ключевым фактором является умение использовать эти инструменты в нужной конфигурации.
Литература
1. Милованов Л.В. Очистка и использование сточных вод предприятий цветной металлургии. Изд.: Металлургия. 1971. С. 384.
2. Аксенов В.И., Вараева Е.А. Особенности очистки сточных вод горно-обогатительных комбинатов // Сб. мат. XIII Междунар. научн.-практ. симпозиума и выставки «Чистая вода России». 2015. С. 360–364.
3. Селицкий Г.А. Технологическая схема очистки карьерных и подотвальных вод // Экология производства. 2005. № 9.
4. Десятов А.В. и др. Опыт использования мембранных технологий для очистки и опреснения воды. М.: Химия. 2008. С. 240.
Алексей Кондрашкин
Связаться Алексей КондрашкинГенеральный директор ООО «НПП Би-ТЭК»
