Оглавление
Введение
1. Основные потребители воды в горном деле
2. Структура промышленных сточных вод и регулирование водного потока
3. Условия образования и состав сточных вод горных предприятий
4. Качество воды, анализ сточных вод, ПДК и ПДС вредных веществ в сточных водах
5. Способы и методы очистки и обеззараживания сточных вод горных предприятий
5.1 Механическая очистка
5.2 Физико-химическая очистка
5.3 Общая схема борьбы с загрязнением воды
5.4 Очистка шахтных вод угольных месторождений
6. Охрана водной среды
6.1 Охрана поверхностных и подземных вод
6.2 Охрана водной среды методом тампонажа
7. Мероприятия по снижению уровня загрязнения воды
Заключение
Список использованной литературы
Введение
В 1990 г. человечество забирало из водных источников для своих нужд примерно воды в год, в том числе для промышленных целей порядка . С начала текущего столетия общее водопотребление в мире возросло в 8 раз, а на промышленные цели - более чем в 20 раз. В 2000 г. водопотребление достигло .
Водное хозяйство горной промышленности отличает то, что забор воды и сброс ее в процессе добычи превышает потребление воды на производственные нужды отрасли более чем в 3 раза, причем для шахт - в 7 раз, для разрезов - в 4,5 раза.
В настоящее время охрана вод от загрязнения и истощения на территории России регламентируется Основами водного законодательства страны, водными кодексами и на их основе постановлениями соответствующих органов о порядке использования вод, правилами их охраны.
В соответствии с Конституцией Российской Федерации все воды (водные объекты) составляют единый государственный фонд и предоставляются только в пользование.
Высшей формой учета является Государственный водный кадастр (содержит данные, характеризующие вещественный состав государственного фонда).
Важная роль в водном законодательстве отводится регулированию водных отношений. За государством закрепляются функции:
1. Распоряжение фондом;
2. Установление основных положений в области использования вод;
3. Охрана от загрязнения, истощения;
4. Предупреждение и ликвидация вредного воздействия вод;
5. Установление нормативов водопользования, требований к качеству вод, их потребления, регистрации водопользователей;
6. Утверждение схем комплексного использования и охраны вод;
7. Государственный контроль за использованием и охраной вод и установление порядка его осуществления.
Основы водного законодательства обязывают предприятия - водопользователей содержать в исправном состоянии очистные и другие водохозяйственные сооружения, влияющие на состояние вод. Предусматривается обязательное обеспечение рационального и комплексного использования вод при условии первоочередного удовлетворений питьевых и бытовых нужд.
Для нарушителей водного законодательства установлены следующие виды ответственности: административная, дисциплинарная материальная и уголовная. Специфической мерой ответственности является лишение или прекращение права водопользования.
1. Основные потребители воды в горном деле
Водопотребление при добыче и переработке полезных ископаемых обычно связано с хозяйственно-бытовыми и коммунальными нуждами, производственными и техническими, а также с пожаротушением. Для этого используют системы водоснабжения, в состав которых входят водозаборные сооружения, насосные станции, станции очистки и подготовки воды, магистральные или разводящие трубопроводы или каналы, резервуары и водонапорные башни, а также вспомогательные сооружения: лаборатории, склады и др.
В соответствии с видами водопотребления системы водоснабжения разделяются на хозяйственно-питьевые, технические (производственные) и противопожарные. Они могут быть как раздельными, так и совмещенными, по способу подачи воды - самотечными, с механической подачей и зонными, а по способу ее использования - прямоточными, оборотными, с повторным использованием.
В прямоточных системах вся забираемая вода задействована в технологических или других процессах однократно, после чего передается на очистку и сброс. В оборотных системах предусматривается многократное использование воды без сброса ее в природные водные объекты, но каждый цикл использования должен предусматривать при необходимости очистку (кондиционирование). Для компенсации безвозвратных потерь производится постоянная или периодическая подпитка систем оборотного водоснабжения. Повторно-последовательное использование воды предусматривает несколько технологических процессов, а затем очистку воды и сброс.
Основные направления совершенствования водопотребления горнодобывающих предприятий - сокращение потребления воды питьевого качества из рек, озер и городского водопровода, а также расширение использования шахтных и карьерных вод для хозяйственно-бытовых и технических нужд. Для этого проводится детальный анализ работы горного предприятия и разрабатывается ситуационный план (графический документ) расположения водных объектов, инженерных сооружений и устройств по использованию и охране водных ресурсов, на котором показано расположение на местности всех водных объектов, линий водопотребления и водоотведения, водозаборов и других сооружений.
Рис. 1.
Ситуационный план: 1 -рудник; 2 - обогатительная фабрика; 3 - пульповод; 4 – очистные сооружения шахтных вод; 5 - очистные сооружения сточных вод водообогатительной фабрики; 6 - отстойник; 7 – поселок
Один из наиболее важных графических документов, по которому можно судить об эффективности использования водных ресурсов на предприятии, - схема водопотребления и водоотведения - включает в себя следующие основные элементы:
· откачку подземных вод при разработке месторождения;
· истощение запасов поверхностных и подземных вод при их дренировании;
· использование откачиваемой воды самим предприятием;
· увеличение запасов поверхностных и подземных вод в результате сброса отработанных вод;
· загрязнение природных вод;
· удовлетворение потребностей горного предприятия в технической и пресной воде за счет водоснабжения извне или передачу воды другим откачку подземных вод при разработке месторождения;
Для более детального учета водных ресурсов составляются балансовые схемы, где для каждого участка указаны количество и химический состав протекающей воды, а также воды, потерянной для отдельных технологических агрегатов, звеньев и предприятия в целом. Данные из балансовых схем помещают по операциям в таблицу водного баланса, которая позволяет увидеть, в каких звеньях водные потери максимальны и где можно повысить эффективность использования водных ресурсов.
На горных предприятиях основные водопотребляющие процессы организованы на оборотной системе водоснабжения, на пополнение которой используют карьерные, шахтные и дренажные воды. При этом добыча открытым способом обеспечивает 67 % оборотного водоснабжения, подземным (механическим) - 48 %, подземным (гидравлическим) - 94 %, обогащение (от общего водопотребления) - 92 %.
2. Структура промышленных сточных вод и регулирование водного потока
Промышленные воды строящихся шахт, рудников и карьеров формируются преимущественно из сопутствующих вод атмосферного и подземного происхождения, загрязненных вследствие водной эрозии отвалов пустых пород и некондиционных полезных ископаемых.
Горнопромышленной сточной называют также воду, которая после одно- или многократного использования в технологических процессах становится непригодной для дальнейшего применения по прямому назначению и подлежит сбросу или использованию в другом производстве.
По степени загрязненности и условиям образования такие воды могут быть разделены на чистые или циркуляционные (оборотные); условно чистые; загрязненные промышленные; загрязненные ливневые.
Чистыми или циркуляционными (оборотными) называют воды, качество которых в процессе их использования практически не ухудшается, что позволяет многократно использовать их без специальной обработки. Эти воды подлежат только периодическому сбросу и замене при накоплении в них продуктов коррозии трубопроводов и оборудования или эрозии железобетонных сооружений.
Условно чистыми называют воды, ухудшение качества которых делает их непригодными для повторного использования в процессе, но не исключает возможности применения их для процессов с менее жесткими требованиями к воде либо допускает их в водоем или канализацию без специальной обработки (очистки).
Загрязненными горнопромышленными (промстоками) называют воды, которые в процессе использования настолько загрязняются исходным сырьем, что их нельзя не только употреблять в дальнейшем, но и сбрасывать без очистки из-за токсичности, агрессивности или других отрицательных свойств. С учетом вида и содержания загрязнений промстоки отводят и очищают одним общим или не несколькими самостоятельными потоками в зависимости от основных загрязнителей: потоки нефтесодержащие, кислотно-щелочные, хромсодержащие, циансодержащие, содержащие красители, токсичные органические загрязнения и т. п. Тем самым упрощают обработку промстоков, а также предотвращают образование взрыво- и огнеопасных продуктов или выделение ядовитых газов при взаимодействии веществ, содержащихся в различных видах промстоков. Иногда целесообразно разделять промстоки, одинаковые или близкие по качественному составу, но значительно различающиеся по количеству загрязнений.
Загрязненные ливневые воды образуются на сильно загрязненных участках территории предприятий: стоянках транспорта, открытых площадках для хранения сырья, горючесмазочных материалов (ГСМ), отходов производства и т.п. В этих водах чаще всего содержатся взвешенные вещества (пыль, грязь, нефтепродукты и др.), которые попадают в зону действия ливня. Объем загрязненных ливневых вод нередко бывает весьма значительным.
Для снижения воздействия горнодобывающей промышленности на состояние водных ресурсов принимаются различные меры, направленные на уменьшение водопритоков в горные выработки:
· организация предварительного осушения;
· заградительный дренаж (в том числе контурный и с использованием систем водопонизительных и водопоглощающих скважин), а также поглощающий дренаж с обособленным отводом воды;
· изоляция водоисточников, например водонепроницаемыми завесами (экранами);
· создание надежных систем канализации ливневого и талого стоков с территории горного отвода;
· откачка талых и дождевых вод из мест оседаний и провалов;
· нормированный расход технологической воды.
Осушение в горном деле - совокупность технических мероприятий, снижающих обводненность месторождений полезных ископаемых и регулирующих режим притоков воды в горные выработки при строительстве горных предприятий и эксплуатации месторождений со сложными гидрогеологическими условиями. Тем самым создаются экономически эффективные и безопасные условия ведения горных работ, а также обеспечивается охрана недр и водных ресурсов. Поэтому, как правило, горнодобычные работы сопровождаются искусственным водопонижением. Только при добыче угля из шахт и разрезов откачивается около 14 км3
воды в год. Сброс откачиваемых и сточных вод ведет к загрязнению поверхностных водных объектов различными солями, нефтепродуктами и тяжелыми металлами.
Осушение включает отвод поверхностных вод, снижение уровня подземных вод, откачку и отвод воды из горных выработок за пределы месторождения полезных ископаемых. Для отвода поверхностных вод (из заболоченных участков, озер, рек, мульд оседания) выполняют:
· перехват склонового стока с помощью нагорных канав и дамб;
· экранирование русел водопритоков в пределах шахтных и карьерных полей;
· удаление воды самотеком из водоемов и водотоков за пределы месторождения полезных ископаемых по канавам, трубам или откачкой насосами;
· откачку ливневых и талых вод из мульд оседания насосами, устанавливаемыми обычно на понтонах.
Для снижения уровня подземных вод на участках ведения горных работ используют дренажные и барражные устройства.
Дренаж - способ осушения территории месторождений полезных ископаемых и массивов горных пород путем сбора и отвода подземных гравитационных вод в естественные русла (реки, озера и т.п.) или искусственные сооружения (каналы, горные выработки и др.).
Дренажные устройства разделяются на поверхностные, подземные и комбинированные. К поверхностным относятся вертикальные водопонижающие и водопглощающие скважины, горизонтальные дренажные скважины, иглофильтровые установки и опережающие поверхностные траншеи, к подземным - дренажные штреки, сквозные фильтры, восстающие скважины, водопонижающие колодцы, а также опережающие выработки (горизонтальные и наклонные скважины). Комбинированные дренажные устройства включают комплекс поверхностных и подземных выработок.
По схеме расположения в плане дренажные устройства делят на кустовые, линейные и контурные, сетчатые, а в разрезе - на одно- и многогоризонтные, коллекторные и бесколлекторные; по срокам сооружения - на опережающие, параллельные и совмещенные; по срокам службы - на стабильные и скользящие (вслед за подвиганием забоя).
Водопонижающие скважины (диаметром ) бурят для снижения уровня (напора) в водоносных горизонтах мощностью свыше , залегающих на глубине , и характеризуемых коэффициентом фильтрации более 1, до подошвы горизонта, при пересечении горизонта устанавливают фильтры или перфорированные трубы (в трещиноватых породах). После прокачки и очистки (обычно эрлифтом) скважина оборудуется погружным насосом.
Водопоглощающие скважины сооружают для перепуска воды из верхнего горизонта с низкими фильтрационными свойствами в нижние с более высокими фильтрационными свойствами. Разность уровней воды в дренируемом и поглощающем горизонтах поддерживается обычно водопоглощающими скважинами. По конструкции водопоглощающие скважины аналогичны водопонижающим.
Горизонтальные дренажные скважины (диаметром , длиной ) сооружают для самотечного осушения уступов карьеров в песчаных породах.
Иглофильтровые установки с коэффициентом фильтрации позволяют временно и локально понизить уровень подземных вод в песчаных и песчано-глинистых породах от (передвижные) до (эжекторные).
С помощью опережающих траншей снижается уровень воды в маломощных (до ) и неглубоко (до ) залегающих водоносных горизонтах.
Дренажные штреки предназначены для дренажа полезных ископаемых и водоносных горизонтов, расположенных вблизи кровли и почвы полезного ископаемого. Дренаж осуществляют через стенки выработок, естественные трещины и тектонические нарушения, а при наличии водоупорных пород (мощностью более ) в кровле и почве полезного ископаемого - с помощью дренажных скважин. Дренажные штреки сооружаются на карьерах со сложными гидрогеологическими условиями; на шахтах обычно роль дренажных штреков выполняют подготовительные выработки.
Сквозные фильтры - скважины диаметром , пробуренные с земной поверхности до кровли подземной выработки (или дренажного штрека), обсаженные трубами, оборудованные фильтрами в интервале водоносных пород; предназначены для дренажа водоносных горизонтов мощностью более , залегающих над полезным ископаемым на расстоянии свыше . Восстающие скважины (диаметром ) бурят из подземных горных выработок и оборудуют фильтрами в интервале водоносных горизонтов. Их применяют для дренажа водоносных горизонтов, залегающих на расстоянии от кровли выработки.
Водопонижающие колодцы - вертикальные горные выработки, которые закладывают на пониженных участках почвы выработки для понижения напора в водоносных горизонтах, залегающих ниже подошвы выработки. Для откачки воды употребляют центробежные насосы.
Опережающие скважины (диаметром ) бурят из подземных горных выработок в направлении обводненных участков, содержащих напорные воды, чтобы предупредить внезапные прорывы воды, а также провести предварительный дренаж обводенных пород, залегающих впереди фронта горных работ.
Дренажные системы по сравнению с барражными не исключают попадания (проскока) подземных вод через заградительный контур в горные выработки: размер проскока воды, например, на некоторых шахтах и карьерах достигает динамического потока.
Длительный дренаж водоносных горизонтов нарушает гидравлические и гидрохимические режимы подземных и поверхностных вод в районах эксплуатации месторождений (снижает уровень подземных вод в радиусе нескольких десятков километров, способствует появлению депрессионных воронок, истощению водных ресурсов, загрязнению поверхностных водотоков и водоемов шахтными и карьерными водами), изменяет природный ландшафт.
Барраж — способ защиты шахт и карьеров от подземных вод путем полного или частичного ограждения горных выработок водонепроницаемыми устройствами. При этом уровень подземных вод снижается за счет водоотлива или дренажа, а вне пределов водонепроницаемых устройств остается близким к естественному или несколько повышается в результате подпора.
Барраж обеспечивает охрану ресурсов подземных вод, снижает эксплуатационные расходы на осушение (откачка статичных запасов воды в пределах контура защищенного участка). Для него используют инфузионные, инъекционные, криогенные и шпунтовые барражные устройства (завесы).
Инфузионные (заливные, засыпные) устройства представляют собой узкие вертикальные выработки (щели или траншеи), пройденные специальными машинами, траншеекопателями и экскаваторами до водоупорной подошвы обводненных песчаных, гравелистых или галечных пород и заполненные глиной, глиноцементным раствором, рулонным синтетическим материалом и др. Применяется при небольшой глубине залегания водоупоров (до 50 м), выдержанных (в плане и разрезе) водоносных горизонтах и слабой проницаемости разрабатываемых пород.
Инъекционные (нагнетательные) устройства основаны на цементации, глинизации, силикатизации и смолизации пород через нагнетательные скважины. По сравнению с инфузионными они требуют небольшого расхода тампонажного материала и применяются на глубинах до нескольких сотен метров.
Криогенные (ледопородные) барражные устройства создаются путем искусственного понижения температуры породи замораживания содержащейся в них воды. Они обычно применяются как временное сооружение при проходке стволов шахт в любых породах.
Шпунтовые устройства сооружаются путем забивки металлических, бетонных и других свай в песчано-глинистые породы (без крупных включений крепких пород) при небольших глубинах залегания и толщине водоносных пород.
По схеме расположения в плане барражные устройства разделяются на линейные и контурные, замкнутые и незамкнутые; по схеме расположения в разрезе — на совершенные, заглубленные на в водоупор, и несовершенные, не доходящие до водоупора (применяются в скальных породах с затухающей вглубь трещиноватостью).
Откачка и отвод вод за пределы шахтных и карьерных полей осуществляется с помощью устройств водоотлива и водоотвода. Система водоотлива подразделяется на участковые и общешахтные.
Водозащита горных выработок - система мероприятий по предотвращению или ограничению поступления в горные выработки (главным образом в добычные забои) поверхностных, подземных и шахтных вод. Водозащита от поверхностных вод включает в себя мероприятия по осушению месторождения полезных ископаемых и дополнительно:
· тампонирование трещин оседания на поверхности земли (в шахтах) глинистым и другим материалом или выравнивание и утрамбовка краев мульд оседания;
· применение систем разработки без оставления выработанных пространств (с их закладкой).
Типы осушения месторождений необходимо дифференцировать в зависимости от вида полезного ископаемого.
Водопритоки с горных предприятий направляются по путям, обеспечивающим минимальное дополнительное загрязнение окружающей среды. Для этого роют изолированные от горного массива водоотливные канавы, на шахтах устраивают промежуточные водосборники нестандартного типа для незагрязненных вод, на карьерах регулируют внутрикарьерный сток, используя временные отстойники. Кроме того, шахтные воды очищают (осветляют от механических примесей, нейтрализуют, извлекают органические соединения, соли и металлы физическими, химическими и биохимическими методами), используют в замкнутом цикле горнодобывающего и рудоперерабатывающего производств.
Требования к сбрасываемым сточным водам.Чтобы не нарушалась работа сооружений и не ухудшались условия эксплуатации, сбрасываемые в городскую канализацию воды должны удовлетворять определенным требованиям. Основные из них: производственные сточные воды не должны быть агрессивными по отношению к материалам канализационных сетей, сооружений и их оборудования; не должны содержать примесей такой крупности и удельного веса, которые могли бы засорять канализационную сеть или откладываться на дне и на стенках труб и каналов; не должны содержать горючих примесей (бензина, нефти, масел, эфиров и т.п.), а также растворенных газообразных веществ, которые могут образовать взрывоопасные смеси в трубах и каналах канализационной сети, в приемных резервуарах насосных станций и в очистных сооружениях; температура смеси городских и производственных сточных вод в месте выпуска не должна превышать .
Условия выпуска горнопромышленных сточных вод в поверхностные водоемы (реки, озера, водохранилища, моря) регламентированы «Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами» и зависят от народнохозяйственной значимости водоемов и характера водопользования. И хотя они допускают некоторое ухудшение качества воды в водоемах после выпуска в них сточных вод, это не должно отражаться на жизни водоема и на возможности дальнейшего его использования как источника водоснабжения или для культурных и спортивных нужд населения. По этим правилам запрещено спускать в водоемы сточные воды:
· содержащие стабильные вещества, не подверженные биохимическому, химическому и физическим процессам самоочищения, а также радиоактивные вещества;
· устраняемые (с соблюдением технико-экономических условий) путем внедрения рациональной технологии, максимального использования в оборотной системе водоснабжения;
· содержащие ценные отходы, которые могут быть утилизированы. Концентрация большинства разнообразных органических и минеральных веществ, содержащихся в сточной воде, спускаемой в водоемы, нормирована.
При расчетах сброса промстоков учитывают максимально возможное разбавление сточных вод, которое можно обеспечить как процессами смешения, обусловленного природными условиями водоема, так и специальными инженерными мерами (рассредоточенным выпуском сточных вод по живому сечению реки, глубинными выпусками в озера и моря, перемешиванием с помощью насосов), предусматривающими наиболее полное разбавление сточных вод в створе выпуска.
Сопоставляя количество загрязнений, которое может быть принято данным водоемом и которое содержится в неочищенных сточных водах, определяют необходимую степень и выбирают метод предварительной, до выпуска в водоем, очистки.
3. Условия образования и состав сточных вод горных предприятий
В зависимости от происхождения сточные воды разделяются на производственные, хозяйственно-бытовые и атмосферные.
Производственные воды подразделяются на загрязненные (минеральными, органическими и минеральными и органическими примесями) и нормативно чистые.
Воды, попутно извлекаемые при добыче полезного ископаемого, разделяются на шахтные, карьерные и дренажные, которые составляют около всех сточных вод горных предприятий. Состав шахтных и карьерных вод изменяется в широком диапазоне в зависимости от горно-геологических, гидрологических и технологических условий. Дренажные воды в большинстве случаев относятся к нормативно-чистым.
По значению (водородного показателя, являющегося отрицательным десятичным логарифмом концентрации водородных ионов, т.е. ) шахтные, карьерные и дренажные воды делят на нейтральные (); кислые () и щелочные ().
По степени минерализации различают пресные (содержание сухого остатка до ), слабосолоноватые (), солоноватые (), сильносолоноватые (), соленые (), сильно соленые () воды, а также рассолы — более .
Чем выше минерализация шахтных, карьерных и дренажных вод, тем выше их жесткость, которая колеблется от 5 до 30 . Содержание взвешенных веществ в шахтных и карьерных водах колеблется от до и выше, но обычно не превышает , а нефтепродуктов - от следов до и выше.
Бактериальная загрязненность может изменяться в пределах . Колититр (количество воды, мл, в котором обнаруживается 1 кишечная палочка) для шахтных вод - от до 100 мл. Колииндекс, или наиболее вероятное число (НВЧ) — количество кишечных палочек, находящихся в 1 л воды, для сильнозагрязненных вод больше 10000, загрязненных больше 100, удовлетворительных больше 10, хороших меньше 3. Для шахтных вод НВЧ меньше 7.
Хозяйственно-бытовые сточные воды (ХБ) в зависимости от вида загрязнения делятся на фекальные, загрязненные физиологическими отбросами, и хозяйственные, поступающие из ванн, бань, прачечных, столовых и др. От производственных вод они отличаются повышенным содержанием органических загрязнений, которые определяются такими показателями, как химическое (ХПК) и биохимическое (БПК) потребление кислорода. Нормой для ХБ вод является содержание и . В ХБ водах также встречаются взвешенные и поверхностно-активные вещества, нефтепродукты и др. Но минерализация и жесткость этих вод обычно меньше, чем карьерных и шахтных.
Атмосферные сточные воды разделяются на дождевые и талые. В большинстве случаев талые воды загрязняются сильнее, чем дождевые. Но в целом атмосферные сточные воды отличаются непостоянством по притокам, составу и свойствам.
О масштабах сброса загрязняющих веществ в водные объекты можно судить по следующим данным. В течение одного года в водоемы России со сточными водами поступило взвешенных частиц, фосфора общего и азота аммонийного, металлов, нефтепродуктов и другие соединения, из сбрасываемых вод не подвергаются в достаточной степени очистке.
При эксплуатации угольных и сланцевых месторождений в СНГ ежегодно на дневную поверхность откачивается до шахтных и карьерных вод. Около половины их солоноватые, относятся к типу кислотных.
Очень велико влияние сброса сточных вод горных предприятий в малые и средние реки, в результате чего их сток может возрасти в и более раз. При этом изменяются качество и тепловой режим вод в этих водоемах. Исследования показали, что при сбросе шахтных вод в реки Донбасса поступает более растворенных солей. Минерализация воды в реках возрастает более чем в 2 раза, содержание сульфатов — в 3, а взвешенных частиц — в раз и более.
Обогащение минерального сырья - также существенный источник поступления в окружающую среду загрязненных вод. Так, средний расход воды на 1 т обогащаемой горной массы для угля и горючих сланцев составляет , для железной руды в зависимости от применяемых методов обогащения - , для апатитовой - .
Водно-шламовое хозяйство - технологический комплекс водоснабжения, обработки сточных и оборотных вод, а также шламов и мелких отходов (хвостов) обогащения. Действует на обогатительных фабриках, применяющих мокрые методы обогащения. С помощью его установок осветляются и очищаются воды, сгущаются, обезвоживаются и складируются шламы и отходы обогащения, из шламов извлекаются ценные компоненты. На фабриках, обогащающих угли для коксования, выделяют три основных типа схем водно-шламового хозяйства: одностадийную, двухстадийную, комбинированную. Одностадийная схема применяется на фабриках, расходующих не более воды на обогащаемого угля; шламовая вода после удаления из нее частиц угля крупностью более поступает на флотацию без предварительного сгущения. При двухстадийных схемах вся шламовая вода после классификации твердой фазы поступает на сгуститель; на флотацию подается только сгущенный продукт, а слив сгустителя возвращается в технологический цикл гравитационного отделения. Недостатки схемы связаны с размещением аппаратов осветления оборотной воды на значительной площади, поскольку при этом не обеспечивается достаточной степени очистки, так как применение флокулянтов для ускорения осветления нарушает технологию последующей флотации. Наиболее перспективны комбинированные схемы, в которых перед флотацией сгущается только часть шламовой воды, позволяющая обеспечить оптимальную плотность пульпы.
На фабриках, обогащающих уголь, руды цветных или черных металлов, а также горно-химическое сырье мокрым магнитным или флотационным способом, водно-шламовое хозяйство включает также системы водооборота.
При очистке необходимо выделять промышленные и бытовые сточные воды. Количество бытовых сточных вод составляет около на одного человека. В отличие от промышленных они поддаются почти полному биологическому разрушению, так как все содержащиеся в них примеси имеют органическую природу. Конечно, непромышленные сточные воды могут содержать и другие материалы, например остатки твердых пород, масла и др., но они легко отделяются на очистных станциях.
Предприятия горной промышленности США сбрасывают в природные бассейны ежегодно около сточных вод, почти рек и ручьев и около водной поверхности загрязнены водами кислого и щелочного состава, поступающими из угольных разрезов.
Мероприятия по охране природных вод особенно актуальны для открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых, так как при таком способе вскрываются все водоносные горизонты, залегающие в разрабатываемой толще пород, причем депрессионные воронки охватывают обширные прилегающие территории. Так, если водозаборные системы и водоотлив подземного рудника им. Губкина создают депрессионные воронки, радиусы которых не превышают , то депрессионные воронки Лебединского, Южно-Лебединского и Стойленского карьеров КМА при глубине распространяются на расстояние более ; при достижении проектной глубины радиус депрессионной воронки составит более , а ее площадь - порядка , что приведет к региональным нарушениям естественного режима поверхностных и подземных вод.
Депрессионная воронка подземных рудников может повлиять на территорию, в десятки раз превышающую площадь горного отвода. Количество вод, удаляемых из шахт и рудников, зависит от гидрогеологических условий месторождения и масштаба предприятия и может составлять и более.
Помимо рудничных вод в окружающую среду поступают воды из отвалов и хвостохранилищ. Например, в настоящее время только на предприятиях Курской магнитной аномалии потери загрязненной воды при их инфильтрации из хвостохранилищ оцениваются в , при этом максимальная высота подъема уровня подземных вод достигает .
Для обеспечения нормальных условий функционирования предприятий, поселков и городов необходимо надежное отведение от них сточных вод. Для этого используют канализационные системы, предназначенные для приема, транспортирования, очистки и выпуска сточных вод. Существуют два вида канализации: вывозная и сплавная. Вывозная канализация предусматривает аккумулирование сточных вод в специальных емкостях (приемниках) и периодическую вывозку их на очистные сооружения. При наиболее распространенной сплавной канализации сточные воды транспортируются по трубопроводам, лоткам, канавам и каналам самотеком или под напором, создаваемым насосами.
В зависимости от вида принимаемых и транспортируемых сточных вод системы канализации подразделяются на общесплавную, когда все виды сточных вод отводятся совместно; раздельную, когда различные виды сточных вод отводятся по самостоятельным сетям, и полураздельную, когда одни виды сточных вод отводятся совместно, а другие раздельно. Кроме того, канализационные сети могут быть открытыми и закрытыми.
Под нормами водоотведения понимается максимально допустимое при производстве единицы продукции или выполняемой работы количество отводимых сточных вод. В основе норм водоотведения шахт и разрезов лежат удельные значения притоков шахтных, карьерных и дренажных вод. Задачи нормирования и классификация норм водоотведения аналогичны нормам водопотребления.
Экологическая стратегия горного предприятия в рациональном водопользовании должна базироваться на учете водного фактора на всех уровнях горного цикла, начиная с геологоразведки месторождения и заканчивая использованием полученного продукта потребителем. На стадии обоснования схем вскрытия и разработки месторождения необходимо предусматривать мероприятия, максимально снижающие водопротоки и нарушения гидрологии района.
По степени экологичности применяемые системы водосбора и водоотлива можно классифицировать на три группы. К первой группе - пассивной - относятся системы, основная цель которых - откачка вод из горных выработок. Вторая группа - активная - объединяет системы, предназначенные для выдачи на поверхность вод со стабильными параметрами качества и сниженным содержанием взвешенных веществ (для чего необходимы большие размеры водосборников и резервуаров осветлителей). Наиболее прогрессивна малоотходная группа систем водосбора и водоотлива, в которых максимально используется шахтная вода без предварительной выдачи ее «на гора». При этом к мероприятиям активной системы добавляются селективная откачка и специальные очистные сооружения, размещенные в подземных горных выработках (использование пород выработанного пространства для первой стадии очистки шахтной воды — на примере использования системы Дон-1, производительностью , снижают содержание взвешенных частиц со до . В этих системах предусматривается раздельный водосброс).
Необходимая степень очистки сточных вод при сбросе в водные объекты определяется состоянием водоема-приемника и возможной степенью их разбавления в зависимости от ПДК различных загрязняющих ингредиентов. При этом должно выполняться условие:
где , , - концентрации поступающих в водные объекты веществ с одинаковыми лимитирующими показателями вредности, а также вредных примесей от вышерасположенных выпусков сточных вод.
К настоящему времени только на предприятиях угольной промышленности насчитывается 1226 водовыпусков, в том числе 965 выпусков производственных сточных вод, 238 хозяйственно-бытовых и 23 смешанных. На 1180 водовыпусках (95,4%) имеются очистные сооружения.
4. Качество воды, анализ сточных вод, ПДК и ПДС вредных веществ в сточных водах
Сброс сточных вод в водные объекты в горной промышленности регламентируется действующими «Правилами охраны поверхности вод от загрязнения сточными водами» и дополнениями к ним, согласно которым для каждого выпуска устанавливается предельно допустимый сброс (ПДС - масса загрязняющего вещества в сточных водах, максимально допустимая к отведению с установленным режимом в данном пункте водного объекта в единицу времени с целью обеспечения качества воды в контрольном пункте), утвержденный соответствующими контролирующими органами. Нормативы НДС устанавливаются на определенный срок () и периодически пересматриваются с тенденцией ужесточения.
Качество воды по видам использования устанавливается стандартами (в России их более 600) и определяется следующими показателями:
· физическими (органолептическими, обусловленными органами чувств) - мутность, цвет, запах, вкус, температура;
· химическими - содержание и концентрация веществ, (активная реакция), окисляемость, растворимость газов, сухой остаток, жесткость, щелочность, кислотность;
· бактериальным загрязнением.
Нормативные требования к органолептическим показателям питьевой воды: Запах:
при и при нагревании до , баллы,
не более 2
при хлорировании, менее 1
Вкус и привкус при , баллы, не более 2
Цветность, условные град., не более.20
Мутность по стандартной шкале, , не более 1,5
Прозрачность, , не менее 20
Нормативные требования к содержанию химических веществ, ухудшающих органолептические показатели питьевой воды:
Водородный показатель () 6,0 – 9,0
Сухой остаток, , не более 1000
Жесткость, , не более 7
Химические вещества, , не более:
марганец 0,1
железо 0,3
медь 1
цинк 5
сульфаты 500
хлориды 350
полифосфаты остаточные (в пересчете на ) 3,5
Предельно допустимая концентрация вредных веществ (ПДК) представляет собой максимальную концентрацию, которая еще не оказывает прямого или косвенного влияния на здоровье человека. В частности, установленные нормы ПДС и ПДК в угольной промышленности приведены в таблице 1.
Таблица 1. Нормы ПДС и ПДК в угольной промышленности.
| Загрязняющие вещества | Нормы ПДС | Нормы ПДК |
| Взвешенные вещества, | 1,5 - 32,0 | 0,25 - 0,75 |
| БПК, | 3 - 6 | 3 - 6 |
| Нефтепродукты, | 0,05 - 0,3 | 0,05 - 0,3 |
| Фенолы, | 0,0005 - 0,01 | 0,001 |
| Железо, | 0,5 | 0,3 |
Соли (общее содержание), : Сульфаты, Хлориды, |
1000 100 - 500 150 - 350 |
1000 100 - 500 300 - 350 |
| СПАВ, | 0,5-1 | 0,1 |
| Азот нитритов, | 0,01 - 0,04 | 0,02 |
| Азот нитратов, | 0,1 - 10,0 | 10,0 |
| ПДС и ПДК для водородного показателя 6,5 – 8,5 |
Рассмотрим, что из себя представляют некоторые показатели качества воды.
Окисляемость воды, - количество кислорода, эквивалентное расходу окислителя, необходимого для окисления примесей в данном объеме (для питьевой воды не лимитируется).
Щелочность воды, определяется суммой содержащихся в воде гидроксильных ионов и анионов слабых кислот (угольной, органических). Различают карбонатную, бикарбонатную и гидратную щелочность.
Жесткость воды обусловливается присутствием в воде солей кальция и магния и выражается концентрацией ионов и . Различают общую (, , , , ), карбонатную или бикарбонатную (, ) и некарбонатную (, , ). Измеряют в или . жесткой воды соответствует содержанию в ней солей или солей . Мягкая вода ; жесткая вода - ; очень жесткая , питьевая вода . Суммарная оценка органических веществ, присутствующих в воде, определяется путем окисления их кислородом. В качестве косвенных показателей используют ХПК и ВПК.
Химическое потребление кислорода (ХПК) - количество кислорода в , необходимое для химического окисления содержащихся в воде органических веществ.
Биохимическое потребление кислорода (БПК) - количество кислорода в , необходимое для аэробного биохимического разложения органических веществ, содержащихся в воде за определенный отрезок времени (1, 2, 5, 20сут.).
5. Способы и методы очистки и обеззараживания сточных вод горных предприятий
Очистка сточных вод - обработка их с целью разрушения или удаления из них определенных веществ, препятствующих отведению этих вод в водоемы в соответствии с нормативными требованиями.
Методы очистки горнопромышленных сточных вод и жидких отходов горного производства делят на две группы: деструктивные и регенерационные. К деструктивным относят такие методы, при которых загрязняющие сточную воду вещества разрушают окислением, восстановлением или другими химическими и физико-химическими методами. Образующиеся продукты распада удаляются в виде газов и осадков или остаются в растворе. Обработанные таким образом жидкие отходы подлежат сбросу или захоронению. Для деструктивной обработки применяют различные реагентные методы, термическое уничтожение, биохимическое окисление и т.д.
К регенерационным относятся методы, позволяющие возвратить обработанные жидкие отходы в технологический цикл, использовать их в другом производстве или извлечь из них ценные вещества. Объектами регенерации могут быть вода (загрязненные сточные воды), химикаты (отработанные растворы, загрязненные воды), горюче-смазочные материалы (отработанные масла, топлива) и даже многокомпонентные смеси. При регенеративной обработке не всегда обеспечивается полный санитарный эффект, и поэтому может потребоваться дополнительная деструктивная обработка вторичных отходов: обезвреживание солей, извлеченных из регенерированной воды; обработка воды, из которой извлекли ценные примеси; обработка применяемых для регенерации растворов и вод регенерирующих установок.
Тот или иной метод очистки жидких горнопромышленных отходов можно выбрать только на основе изучения их состава и свойств, целесообразности их регенерации или утилизации, а также после выяснения характера и мощности водоема, его народнохозяйственного значения и особенностей использования для определения возможности сброса отходов.
В связи с большим разнообразием состава и свойств сточных вод для их очистки применяют следующие способы: механический, физико-химический, химический, биологический и термический.
5.1 Механическая очистка
Механическая очистка используется для удаления из сточных вод нерастворимых взвешенных частиц, которые под действием гравитационных сил выпадают в осадок, если их плотность больше плотности воды, или всплывают на поверхность, если их плотность меньше плотности воды. По мере накопления осажденные или взвешенные загрязнения удаляются.
К механической очистке производственных сточных вод относятся: процеживание, отстаивание, фильтрование и выделение твердой взвеси при помощи центрифуг или гидроциклонов.
Для процеживания сточных вод в зависимости от гидравлических свойств выделяемых частиц используют решетки или сита. Решетки, задерживающие крупные загрязнения, состоят из наклонно установленных параллельных металлических стержней, укрепленных на раме. Сита употребляют в основном для извлечения из производственных стоков ценных продуктов, находящихся в виде нерастворенных примесей.
Чтобы облегчить условия эксплуатации сооружений, главным образом отстойников, служащих для дальнейшей очистки сточных вод, их них необходимо предварительно выделять минеральные загрязнения. Для этого применяют песколовки, среди которых различают горизонтальные (жидкость движется в горизонтальном направлении) и вертикальные (жидкость движется вертикально снизу вверх). Для извлечения из производственных сточных вод жиров, масел и других легких, всплывающих на поверхность веществ применяют жироловки, а для нефтесодержащих стоков - нефтеловушки.
Для повышения эффекта осветления мутных и малоцветных вод, растворов и других жидкостей их после отстаивания фильтруют. Существующие механические фильтры подразделяют на несколько групп. Основные из них: вакуумные (барабанные и дисковые), наливные (карусельные, ленточные, тарельчатые) и под давлением (дисковые, листовые, патронные, дисковопакетные и фильтр-прессы). Часто вместо отстойников применяют гидроциклоны, которые во многих случаях оказываются более эффективными и экономичными. Для осветления небольших количеств сточных вод и для обезвоживания осадка применяют центрифуги.
При разработке природоохранных мероприятий конструктивные параметры отстойников рассчитывают в соответствии со СНиП II31 -74 , «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения» и СНиП II 32-74 «Канализация, наружные сети и сооружения».
Минеральные частицы большой плотности удаляют из сточных вод с помощью гидроциклонов, песколовок, сепараторов и осадительных центрифуг.
Осветлители - аппараты для усиления процесса осветления обработанной коогулянтами воды путем пропускания ее через слой ранее образованных осадков (контактной среды).
Механическая очистка применяется как самостоятельно, так и в качестве первой ступени в сложной системе очистки.
Очень распространенным является осветление сточных вод от легких и тяжелых взвесей в отстойниках различной конструкции: вертикальных, горизонтальных, радиальных, оборудованных специальными устройствами для сбора и удаления выпавших легких фракций. По принципу действия они подразделяются на периодические и непрерывные. На горных предприятиях в основном применяют отстойники непрерывного действия.
Отстаивание - технологический процесс разделения жидкой грубодисперсной системы (суспензии, эмульсии) на составляющие ее фазы под действием силы тяжести. В процессе отстаивания частицы (капли) дисперсной фазы выпадают из жидкой дисперсной среды в осадок или всплывают к поверхности.
Отстаивание как технологический прием используют для выделения диспергированного вещества или очистки жидкости от механических примесей. Эффективность отстаивания возрастает с увеличением разницы в плотностях разделяемых фаз и крупности частиц дисперсной фазы. При этом в системе не должно быть интенсивного перемешивания, сильных конвекционных потоков, а также явных признаков структурообразования, препятствующих седиментации (осаждению).
Накопление осадка (сливок) при отстаивании обусловлено скоростью оседания (всплывания) частиц, которая в простейшем случае свободного движения сферических частиц определяется законом Стокса. В полидисперсных суспензиях сначала в осадок выпадают крупные частицы, а мелкие образуют медленно оседающую муть. Разница в скорости оседания частиц, различающихся по размеру и плотности, лежит в основе разделения измельченных материалов (пород) на фракции (классы крупности) путем гидравлической классификации или отмучивания. В концентрированных суспензиях наблюдается не свободное, а так называемое солидарное, или коллективное, оседание, при котором быстро оседающие крупные частицы увлекают мелкие, осветляя верхние слои жидкости. При наличии в системе коллоидно-дисперсной фракции отстаивание сопровождается укрупнением частиц в результате коагуляции или флокуляции.
Структура осадка зависит от свойств дисперсной системы и условий отстаивания. Грубодисперсные суспензии, частицы которых не слишком сильно различаются по размеру и составу, образуют плотный, четко отграниченный от жидкой фазы, осадок. Полидисперсные и многокомпонентные суспензии тонко измельченных материалов, особенно с анизометрическими (например, пластинчатыми, игольчатыми, нитевидными) частицами, наоборот, дают рыхлые гелеообразные осадки. При этом между осветленной жидкостью и осадком существует постепенный переход от менее концентрированных слоев к более концентрированным. В кристаллических осадках возможны процессы рекристаллизации. При отстаивании агрегативно неустойчивых эмульсий скопившиеся у поверхности в виде сливок или у дна капли коалесцируют (сливаются), образуя сплошной жидкий слой. В промышленных условиях жидкость отстаивается в отстойных бассейнах (резервуарах, чанах) и специальных аппаратах - отстойниках (сгустителях) различных конструкций.
Отстаивание широко употребительно при очистке воды в шахтных системах; при обезвоживании и обессоливании сырой нефти; во многих процессах обогатительной и гидрометаллургической технологий. Отстаивание применяют также при амбарной очистке буровых промывочных жидкостей, а также при очистке нефтепродуктов (масел, топлив). В естественных условиях отстаивание весьма значимо при самоочищении природных и искусственных водоемов.
Отстойники - искусственные резервуары или водоемы для выделения из шахтных, карьерных и производственных сточных вод взвешенных примесей, осаждения их под действием силы тяжести при небольшой скорости потока, а также для очистки сточных вод с помощью реагентов.
Отстойники предназначены также и для снижения износа насосного оборудования и труб при водоотливе, обогащении, гидромеханизации вскрышных работ, для улавливания полезных компонентов и для охраны как земель, так и поверхностных водотоков от загрязнения. Различают отстойники предварительной очистки дренажных, шахтных и карьерных вод, сточных вод обогатительных фабрик и отстойники окончательной очистки вод (природоохранные). Отстойники для предварительной очистки воды располагают в водопонижающих скважинах (глухие трубы, устанавливаемые ниже фильтров), в шахтных стволах, у насосных станций главного и участкового водоотлива (главные и участковые водосборники), а для окончательной — на земной поверхности.
В горной практике для окончательной очистки вод, сбрасываемых шахтами, карьерами, обогатительными фабриками, применяют пруды-осветлители и резервуары. Пруды-осветлители площадью (в среднем ) размещают в зависимости от рельефа местности: на пологих площадках, косогорах, в балках. Иногда пруд-осветлитель может обслуживать несколько шахт (карьеров). Слив осветленной воды из них производится через специальный порог, уровень которого поднимают, устанавливая по мере заполнения пруда деревянные бруски. Воду из колодцев отводят к стационарным насосным станциям и откачивают потребителю и в речную сеть. Иногда воду из пруда-отстойника перекачивают плавучими насосными станциями, смонтированными на понтонах.
Отстойники в виде резервуаров подразделяются на нетиповые и типовые. Нетиповые представляют собой емкости на земной поверхности различных размеров и формы (обычно прямоугольной). После заполнения до предельной высоты осветленная вода откачивается насосами, а осадок удаляется экскаваторами. Иногда используют несколько нетиповых отстойников (из железобетонных плит), работающих поочередно.
Типовые железобетонные отстойники разделяют на радиальные, вертикальные и горизонтальные. Горизонтальные отстойники, как правило, имеют прямоугольную форму. Вода, поступающая с одной стороны резерву
Время прохождения частиц вдоль отстойника должно быть больше времени опускания частицы на дно отстойника. Поток воды ламинарный, скорость его не выше . Глубина отстойника , длина - , эффективность очистки не более , время очистки .
Радиальные отстойники - круглые в плане резервуары небольшой по сравнению с диаметром глубины. Загрязненная вода подается в центр отстойника, а затем растекается в радиальном направлении, переливается в кольцевой сливной желоб и отводится к месту назначения. Скорость потока убывает от центра к стенкам отстойника. Осадок непрерывно направляется к центру отстойника вращающейся металлической гребковой фермой со скребками, откуда он непрерывно или периодически удаляется самотеком или с помощью насоса. Диаметр отстойника до с коническим днищем, уклон . Соотношение диаметра отстойника к его глубине , обычно , . Расход сточных вод более , эффективность очистки . Эффективность работы радиальных отстойников оценивается по удельным нагрузкам по твердому компоненту и пульпе, извлечению твердого компонента в слив и в сгущенный продукт.
Вертикальные отстойники представляют собой круглый () или кубический () резервуар с коническим днищем, угол наклона . В центре отстойника имеется труба, опущенная к нижней части, через которую осуществляется подача загрязненной воды. Осаждение частиц происходит в восходящем потоке, высота зоны осаждения . Загрязненная вода движется снизу вверх и после отстоя сливается в кольцевой желоб. Осадок собирается в нижней конической части, откуда периодически удаляется самотеком. Для выпадения твердой фазы в осадок необходимо, чтобы гидравлическая крупность частиц была больше скорости восходящего потока воды.
Для интенсификации процесса осаждения в отстойниках применяют различные коагулянты и флокулянты (сернокислый алюминий, сернокислое железо, известь, полиакриламид и др.), подаваемые в специальные камеры хлопьеобразования.
Выбор типа, конструкции и числа отстойников производится на основе их технико-экономического сравнения с учетом местных условий. К основным условиям эффективной работы отстойника относятся:
· установление оптимальной гидравлической нагрузки на отстой ник (для заданной начальной концентрации твердого компонента в воде);
· равномерное распределение питания между секциями отстойника.
Очищенные шахтные и карьерные воды используются на производственные нужды предприятия (тушения отвалов, гидрозакладки, борьбы с пылью на поверхности шахт и карьеров, мокрого обогащения полезных ископаемых и т.п.). Осадок, удаляемый из отстойников, направляется в пруды - шламонакопители, на иловые площадки (для использования) или в отвалы.
При выборе технологических схем и устройств для отстаивания вод горнопромышленного комплекса необходимо использовать принцип дифференциации, основным критерием которого служит тип добываемого полезного ископаемого. Например, производственные сточные воды нефтепромыслов состоят в основном () из высокоминерализованных пластовых вод, извлеченных на земную поверхность вместе с нефтью. Поэтому нефтепромысловые сточные воды (даже после их очистки от нефти и механических примесей) не могут сбрасываться в поверхностные водоемы, так как это приведет к их засолению, и подлежат обратной закачке в продуктивные горизонты, что предусматривается технологической схемой разработки нефтяных месторождений. Отстойники нефтепромысловых сточных вод подразделяются на напорные (работающие под избыточным давлением ) и безнапорные (работающие под атмосферным давлением). В качестве напорных отстойников применяются горизонтальные цилиндрические емкости объемом 100 или . Безнапорные отстойники представляют собой в основном стальные вертикальные резервуары объемом от 1000 до .
Загрязненная нефтью и механическими примесями вода подается в отстойники по трубопроводу через лучевой распределитель. Очищенная вода через сифонный регулятор отводится к водяному насосу и закачивается в пласт. Уловленная нефть через кольцевой короб и трубопровод направляется на установку подготовки нефти. Механические примеси, оседающие в нижней части отстойника, периодически размываются струей воды и сбрасываются по трубопроводу в илонакопитель.
За отстаиванием часто следует операция осветления воды - технологический процесс обработки шламовых вод горнопромышленных предприятий под действием гравитационных или центробежных сил, сгущение полученного осадка и отделение его. Осветлением воды называют также процесс разделения жидкой и твердой фаз суспензии (пульпы).
В зависимости от технических, технологических или экологических требований вода до разной степени осветляется дальнейшим отстаиванием, фильтрованием, центрифугированием и флотацией. Наиболее распространены процессы отстаивания и флотации (главным образом в углеобогащении). Фильтрация и центрифугирование используются в основном для получения требуемого качества сгущенного продукта или кека.
Выбор способа осветления воды зависит от степени дисперсности частиц, физико-химических свойств и концентрации взвесей, расхода воды, требуемой степени осветления.
Грубодисперсные взвеси выделяют из шламовых вод чаще всего отстаиванием (без применения реагентов) и флотацией, тонкодисперсные - отстаиванием (с применением реагентов), осаждением в центробежном поле и фильтрованием.
При осветлении получают осветленную воду и сгущенный продукт с максимально возможным содержанием твердого компонента в нем по условиям транспортировки, конструктивным возможностям
аппарата, в котором происходит процесс осветления, и по технологическим требованиям при дальнейшем переделе твердого компонента.
При разделении твердой и жидкой фаз пульпы в гравитационном и центробежном поле условно различают три зоны: осветления; осаждения; уплотнения осадка. В зоне осветления концентрация частиц шлама в воде невысока и поэтому частицы свободно осаждаются. В зоне осаждения концентрация частиц шлама увеличивается, осаждение происходит в условиях стесненного падения, характеризуемого оседанием частиц всей массой. В зоне уплотнения осадка концентрация частиц шлама достигает максимума, а скорость их осаждения приближается к нулю; осадок обезвоживается под действием веса частиц. Концентрация осадка зависит от структуры и размера твердых частиц.
На процесс осветления вод влияют гранулометрический и минералогический состав твердого компонента, его плотность и концентрация, вязкость, температура и рН пульпы, наличие в растворах реагентов. Эффективность осветления воды во многом зависит от правильного приготовления реагента и его дозировки, конструктивных особенностей выбранного аппарата и его удельной производительности.
Для осветления воды в основном применяют устройства и аппараты, в которых расслоение пульпы производят под действием силы тяжести (непрерывного действия - пирамидальные отстойники, конусные и радиальные сгустители; периодического действия - наружные отстойники, шламовые бассейны, пруды); аппараты, в которых расслоение происходит под действием центробежной силы (гидроциклоны, осадительные центрифуги); флотационные машины (вывод грубодисперсного шлама).
Прогрессивным направлением очистки является удаление взвешенных веществ под действием центробежных сил, при этом в несколько раз повышается производительность и уменьшаются размеры отстойника. В качестве таких аппаратов используют гидроциклоны и центрифуги, в которых вода, поданная под давлением , вращательно движется в цилиндрической части вместе с примесями. Крупные примеси отжимаются возникающей центробежной силой к стенкам и вместе с жидкостью по винтовой спирали поступают к сливу. Осветленная вода движется вверх по оси гидроциклона. Эффективность таких аппаратов равна
Для ускорения осаждения тонкодисперсной взвеси в шламовую воду добавляют различные реагенты, вызывающие коагуляцию или флокуляцию, т.е. образование относительно крупных быстро осаждающихся агрегатов. В горной промышленности используются в основном реагентные, сорбционные, электрохимические и другие физико-химические методы очистки вод.
5.2 Физико-химическая очистка
При физико-химической очистке сточных вод изменяют физическое состояние загрязнений, что облегчает их удаление из сточных вод. Для этого пользуются методами коагуляции, флокуляции, флотации, сорбции, экстракции, ионного обмена, диализа, осмоса, дистилляции, кристаллизации, магнитной обработки, электрокоагуляции и др.
Коагуляция основана на слипании мелкодисперсных частиц под воздействием специально добавляемых в сточные воды веществ - коагулянтов, в результате чего увеличиваются размеры частиц и интенсивность их осаждения. В качестве коагулянтов применяют соли аммония, железа, магния, известь, шламовые отходы и др.
Если процесс отстаивания протекает медленно, что может быть связано с присутствием мелкодисперсных примесей (угольная пыль), то прибегают к процессу коагулирования. При коагулировании учитывают факторы, влияющие на процесс: температуру, активную реакцию, среды, интенсивность перемешивания и солевой состав раствора. Процесс коагулирования можно ускорить добавлением флокулянтов — веществ, образующих с водой коллоидные дисперсные системы.
Флокуляция — один из видов коагуляции, когда в качестве флокулянта используют природные органические и синтетические высокомолекулярные вещества (полиакриламид, белки, полиэтиленамин и др.).
Флотация основана на процессах прилипания загрязненных веществ к поверхности раздела двух фаз, например воздуха и воды, образования комплексов и их удаления. Для усиления флотационного эффекта в обрабатываемую жидкость добавляют поверхностно-активные вещества (нефть, мазут, смолы, керосин и др.), которые снижают поверхностное натяжение жидкости, ослабляя связь воды с твердым или коллоидным веществом. Процесс флотации усиливают, вводя в жидкость пенообразователи (тяжелый пиридин, крезол, фенолы и т.д.), которые также понижают дисперсность пузырьков и их устойчивость. В зависимости от способа насыщения жидкости пузырьками воздуха или другого газа различают флотацию с выделением воздуха из раствора, с механическим диспергированием воздуха, с подачей воздуха через сопла или пористые материалы и электрофлотацию.
Метод флотации с выделением воздуха из раствора широко применяют в практике очистки жидкостей, содержащих очень мелкие частицы загрязнений, поскольку он позволяет получить пузырьки.
5.3 Общая схема борьбы с загрязнением воды
Общая схема очистки сточных вод от различных видов загрязнений состоит из первичной, вторичной и третичной очистки. При первичной очистке (очистке от веществ во взвеси) сточная вода поступает в систему решеток и сеток (процеживание, задержание крупных предметов: обуви, веток, одежды и др.), затем она подается в песколовку, где крупные посторонние включения, например гравий, выпадают на дно медленно текущего потока, и далее направляется в отстойник.
При вторичной очистке (очистке от веществ в растворе) удаляются растворенные органические вещества (биологически с помощью аэротенков или капельных биофильтров) или растворенные химические вещества (физико-химической очисткой с помощью ранее описанных способов).
Твердый осадок отстойников первичной и вторичной очисток перекачивают в перегниватель - большой подогреваемый резервуар (без доступа воздуха), в котором развивается особая культура микроорганизмов, превращающих органические загрязнения в конечные устойчивые продукты, включающие метан и сероводород. Метан сжигают для поддержания в перегнивателе требуемой температуры. Образующийся твердый неразложимый продукт высушивают и отправляют на свалку мусора или для дальнейшего использования. Эффективность очистки воды после первичной и вторичной очистки составляет примерно 90 %. При третичной очистке (мало распространена) из сточных вод удаляются элементы питания растений - соединения, содержащие азот и фосфор. Содержание этих элементов в воде приводит к бурному росту водорослей - эвтрофизации природных водоемов. Фосфор удаляется с помощью извести, солей железа, аммония. Доочистка Производится активированным углем.
На большинстве предприятий очистка сточных вод ограничена фторичной обработкой, лишь в последнее время стали создаваться (предприятия третичной обработки. Первичная и вторичная обработка сточных вод. До начала очистки |сточные воды отстаиваются в течение недели. При этом для уничтожения бактерий эффективно применяются хлор, озон и т.п., но эти (вещества почти не действуют на вирусы. Вирусы уничтожаются с помощью бактерий, последние же удаляются из вод фильтрованием и стерилизацией. После этого сточные воды проходят решетчатый фильтр грубой обработки, где отделяются крупные частицы, которые затем размалываются и в виде суспензии возвращаются в основной поток сточных вод. Далее сточные воды направляются в танки для удаления веществ, плавающих на поверхности или осевших на дно (жиры и масла), после чего попадают в первичные отстойники цилиндрической формы, снабженные устройствами для снятия пены и отбора осадка.
Донный скребок соединен с вращающейся крестовиной, которая подвешивается в центре отстойника или при помощи радиального моста над поверхностью воды. В первом случае привод осуществляется из центра отстойника, во втором — с периферии.
Осадок выводится через дно отстойника с помощью телескопических затворов, которые позволяют регулировать скорость потока и предотвращают образование пробки. Широко применяются и диафрагменные затворы. Осадок из первичных отстойников поступает в автоклав для переработки его в метан либо непосредственно на сушку, а затем на сжигание. Поток жидкости из первичных отстойников поступает на предприятие биологической очистки. Для уменьшения объема осадка его обрабатывают в автоклаве при повышенном давлении.
Для увеличения производительности автоклава смесь осадка и сточных вод нагревают паром или горячей водой (тем самым, увеличивая скорость ферментации) либо тщательно перемешивают для Достижения лучшей гомогенности и ликвидации пустот.
В общем случае при проектировании необходимым расчетным объемом автоклава является . Таким образом, для города с миллионным населением желательно иметь автоклавный объем . В настоящее время реальные объемы значительно уступают расчетным. Поэтому часто устанавливают каскад автоклавов.
Метан, получаемый из осадка, используют главным образом для производстве пара, необходимого для нагревания самого осадка. Только на очень больших предприятиях метан применяют для производства электроэнергии газовыми турбинами и лишь его избыто" расходуют на нагревание осадка. Установка газовых турбин экономически целесообразна при обслуживании не менее 300 тыс. человек.
Прошедший автоклав осадок поступает на сушку. В настоящее время намечается тенденция отказа от сушилок по нескольким причинам. Сушилки занимают большую площадь, появление при сушке неприятного запаха не способствует заселению окружающих районов. Даже сухой осадок неудобен в обращении и неприятен на вид. Поэтому в настоящее время осадок сгущают и затем фильтруют через вакуумный фильтр, где отделяется основная масса воды. Отфильтрованный осадок содержит около сухого вещества. Далее осадок гранулируется и поступает на хранение. Его можно непосредственно применять в качестве удобрения или использовать для получения компоста.
Обычно в фильтр поступает смесь первичного и вторичного осадков. Однако если процесс многостадийный и применяется биологическая обработка, фильтрование следует проводить в начале процесса.
Иногда для отделения осадка, прошедшего автоклав, используется центрифуга с последующей обработкой сточных вод.
Обычными способами стерилизации трудно или невозможно уничтожить коллоиды, личинки насекомых, водоросли, болезнетворные микробы, содержащиеся в воде после первых фильтров. Последующая фильтрация заключается в пропускании воды через пористые материалы, причем часто фильтрующая среда служит не только для задержания частиц, размеры которых больше размера пор, но и как матрица для осаждения микроорганизмов, выделяющих энзимы. Энзимы коагулируют большую часть коллоидов, облегчая последующее их удаление. Для адсорбции коллоидов часто используются фильтры, обладающие свойствами поверхностно-активных веществ.
В качестве основных фильтрующих материалов задействованы песок и кизельгур, которые отличаются от статичных фильтрующих сред (тканей, фарфора) тем, что легче промываются. Кизельгур чаще всего применяют в небольших фильтрах, например для очистки воды в бассейнах. В промышленных фильтрах используется песок или гравий; толщина фильтра составляет .
При очистке сточных вод используют медленную и быструю Фильтрацию. Медленная фильтрация состоит из трех этапов. На первом этапе с помощью грубых фильтров удаляются крупные частицы; скорость фильтрации . На втором этапе префильтрами удаляются все примеси, кроме коллоидов; скорость фильтрации . На последней стадии (скорость ) коллоиды коагулируют
бактериями и удаляют, одновременно на фильтре адсорбируются и прочие коллоиды. Для этой стадии характерно образование бактериальной мембраны, которая существует несколько дней после отмывки фильтра.
Быстрая фильтрации проходит при скорости . При такой скорости нельзя удалить коллоидные частицы, поэтому их следует подвергнуть коагуляции до того, как вода направляется на фильтрацию. Фильтр для быстрой фильтрации состоит из - частиц диаметром (диаметр частиц префильтра равен ).
Сточные воды, прошедшие первичную и вторичную обработки, сбрасываются в реки.
Считают, что для значительного уменьшения БПК достаточно естественных процессов очистки, проходящих в реках и других водоемах, однако необходимо признать, что для очистки сточных вод не следует ограничиваться лишь первичной и вторичной обработками. В настоящее время разрабатываются и внедряются в практику методы третичной обработки, которые, включая необходимые способы стерилизации, снижают значения БПК и ХПК до нуля. При этом весьма важно удалять основную массу токсичных азотных и фосфорных соединений, которые, попадая со сбросными водами в водоем, вызывают рост водорослей.
Таблица 2. Показатели сточных вод после первичной и вторичной обработки.
| Показатель | До обработки | После обработки |
| Мутность, единиц | 100 | 20 |
| Взвеси | 300 | 20 |
| ХПК | 400 | 50 |
| БПК | 300 | 25 |
| Бактерии, число в 1 мл | 150000 | 1000 |
Поскольку в результате первичной и вторичной обработок из сточных вод нитраты и фосфаты не удаляются, необходимость третичной очистки становится весьма актуальной.
Третичная обработка сточных вод,
представляющая собой очистку органических питательных веществ бактериальными фильтрами или водорослями, электрохимическую обработку и стерилизацию (рис. 3.13), включает сорбцию активированным углем, микрофильтрацию, селективную коагуляцию, аэрацию, осаждение фосфатов, удаление соединений азота.
Сорбция на активированном угле - один из наиболее эффективных способов удаления растворенных и взвешенных примесей. Предварительно уголь активируется при нагревании до . Поверхность такого угля в общем случае более активна по отношению к ароматическим соединениям, нежели к алифатическим; соединения с разветвленной цепью адсорбируются лучше, чем с прямой. Легко адсорбируются и вещества, содержащие амино-, карбокси-, сульфо- и нитрогруппы.
В процессе обычной промышленной третичной обработки используются вертикальные стальные колонны, заполненные гранулированным активированным углем. Скорость потока не превышает ; высота слоя угля равна . Поверхность частиц угля , что соответствует среднему диаметру частицы . Кажущаяся плотность насадки равна ; эффективность активированного угля составляет ХПК на угля до регенерации.
Адсорбция замедляется при увеличении раствора и прекращается при . На заводах использованный активированный уголь непрерывно отбирается с низа каждой колонны и нагревается до в атмосфере водяного пара. При этом вместе с паром отгоняются примеси, адсорбированные на поверхности угля. Печные газы, содержащие эти примеси, пройдя через форсажную камеру и скруббер, выбрасываются в атмосферу. Около угля (что соответствует 5 кг угля на обработанной воды) удаляются из колонны; в головную часть колонны загружают свежий активированный уголь.
Микрофильтрация - один из видов фильтрации, в котором используется ткань, сплетенная из нержавеющей стальной проволоки малого диаметра. Плетение микроволокна осуществляется на специальных прецизионных ткацких станках. Такая сетка из стальных нитей вместе с основной обладает хорошей пропускной способностью при малом гидравлическом сопротивлении и может задерживать твердые частицы, размер которых меньше ячейки сетки. Микроволокно высокого качества, имеющее на ячеек размером 65 мкм в поперечнике, может отфильтровать микроорганизмы размером от 7 до 12 мкм после частичного оседания твердых тел. Такой способ микрофильтрации употребителен при осветлении и даже при фильтровании питьевой воды, поскольку волокно задерживает как неорганические частицы (металлические опилки), так и живые организмы (водоросли, диатомы и даже бактерии больших размеров).
Коагуляция — процесс агломерации мелких частиц — сопровождается соосаждением их с большими частицами, т.е. они увлекаются на дно быстрее. Для этого используют , который при осаждении частиц реагирует с :
Хлопья захватывают коллоидные частицы и увлекают их за собой.
Помимо сульфата алюминия широко применяются такие коагулянты, как , , и др. Используются и смеси:
Гидроксид железа образует хлопья, которые осаждают коллоидные частицы, а избыток в растворе разрушает органические вещества.
Небольшие частицы (диаметром менее 2 мкм) несут на себе отрицательный электрический заряд, который препятствует их осаждению на дно. Коагулянты, содержащие положительно заряженные ионы (, ), притягивают такие частицы, они объединяются в большие агрегаты и осаждаются гораздо быстрее. Для улучшения осаждения к коагулянтам добавляют различные примеси: активированный кремнезем, бентонит, кизельгур, глину, осажденный карбонат кальция, реже соли металлов. Последние дороги и иногда тоже образуют коллоидные системы. В качестве коагулянтов используются также искусственные и природные полимеры. Они подразделяются на неионные (полиспирты, полиэфиры, полиамиды, поливинилгете-роциклические полимеры), содержащие анионные (карбоксилаты, сульфонаты, фосфонаты) и катионные группы (амины, четвертичные аммониевые, сульфо- и фосфоновые).
Органические коагулянты образуют «мосты» между соседними частицами и вызывают их осаждение.
Процесс аэрации заключается в пропускании через слой активированного осадка воздуха, чрезвычайно ускоряющего химические реакции благодаря постоянному и интенсивному перемешиванию осадка и сточных вод. При этом избыток кислорода создает благоприятные условия для протекания биохимических процессов.
Диффузор с электрическим приводом, вращаясь с частотой , засасывает жидкость из вертикальной трубы и с силой выбрасывает ее в резервуар. Тщательное перемешивание обеспечивает быстрое протекание биологических процессов.
При другом методе воздух под давлением нагнетается в жидкость. Когда давление в системе падает, растворенный воздух начинает выделяться в виде пузырьков, способствуя образованию слоя всплывшего на поверхности воды осадка. С помощью системы аэрации БПК снижается на в течение 24 ч.
Присутствие в сточных водах соединений фосфора способствует росту бактерий, что приводит к помутнению воды. Как правило, сточные воды содержат фосфора в пересчете на одного человека в сутки. При обычной обработке эти примеси не удаляются. И хотя содержание фосфора мало, реальная БПК оказывается очень высокой: каждый миллиграмм фосфора эквивалентен 160 мг ХПК.
Один из методов удаления фосфатов состоит в их коагуляции . Так, добавление 200 мл позволяет удалить фосфатов, а 300 мл - более фосфатов. При этом протекает следующая реакция:
При добавлении :
Выпадающий фосфат кальция удаляют фильтрованием.
В сточных водах часто содержится довольно много связанного азота, который, как и фосфаты, соединения азота ускоряет рост водорослей. Аммиак удаляется из сточных вод аэрацией в башнях, заполненных кольцами Рашига, при этом удается извлечь до . Для очистки от нитратов применяют коагуляцию соединениями железа и известью с последующей фильтрацией выделяющихся осадков, либо адсобрцию ионообменными смолами. Для этой цели широко используется смола амберлит ИРА410, хотя емкость ее невелика: на 1 часть нитратов расходуется частей смолы.
5.4 Очистка шахтных вод угольных месторождений
Происхождение шахтных вод.Из угольных шахт ежегодно откачивается более шахтных вод. Существует несколько гипотез о происхождении этих вод. В настоящее время общепризнанно, что появление подземных вод на глубине горных выработок обусловлено атмосферными осадками и поверхностными водами. Горные породы насыщаются водой и образуют напорные и безнапорные горизонты.
Подземные воды подразделяются натрещинно-пластовые, порово-пластовые, трещинные и карстовые.
Гидрогеологические условия различных шахтных полей характеризуются многообразием сочетаний различных типов вод, что усложняет разработку месторождения и требует различных видов очистки сточных вод. Состав подземных вод определяется глубиной залегания и в зависимости от нее характеризуется зональностью, сложившейся в ходе геологической истории.
Состав и свойства шахтной воды.Химический состав минеральных и органических веществ шахтных вод условно можно разделить на следующие пять групп: главные ионы, которые содержатся в наибольшем количестве (хлористые, сульфатные, гидрокарбонатные, карбонатные, натрия, калия, магния и кальция); растворенные газы (кислород, азот, диоксид углерода, сероводород и другие); биогенные элементы (соединения азота, фосфора, кремния); микроэлементы — соединения всех остальных химических элементов; органические вещества.
В зависимости от глубины залегания подземные воды разделяют натри зоны. В верхней зоне, характеризующейся активным водообменом, обычно распространены пресные гидрокарбонатные воды, образующиеся в процессе инфильтрации грунтовых вод. Минеральный состав этой зоны, простирающейся до 300 м в глубину, определяется климатическими условиями, составом горных пород и рельефом местности. С увеличением глубины гидрокарбонатные воды переходят в гидрокарбонатно-сульфатные и сульфатно-гидрокарбонатные. В засушливых районах минерализация фунтовых вод повышается. Шахтная вода содержит минеральные, органические и бактериальные загрязнения. К минеральным относятся частицы песка и глины, минеральные включения углей (кварц, пирит, карбонаты и др.), а также растворенные соли, щелочи, частицы угля, минеральные смазочные масла, продукты жизнедеятельности и др. К бактериальным загрязнениям относятся различные микроорганизмы, преимущественно плесневые грибы, микробы кишечной группы и др.
Содержание растворенных солей в шахтных водах изменяется в значительных пределах ( и более). В зависимости от солесодержания воды классифицируют на пресные - до ; слабосолоноватые - ; солоноватые - ; сильносолоноватые - ; соленые – ; сильносоленые - ; рассолы — свыше .
По фазово-дисперсному состоянию загрязнения шахтных вод угольных месторождений можно подразделить на взвешенные вещества (), коллоидные частицы (), молекулярные () и ионные () растворы. Содержание взвешенных веществ в шахтной воде зависит от горно-геологических и технологических условий выработки и изменяется в широких пределах - от 0,045 до .
Химический состав вод прежде всего характеризуется минерализацией воды, под которой понимают выраженную в мг/л или г/кг (в случаях более одного грамма на килограмм) сумму всех минерализованных веществ, определенных при анализе. Минерализация шахтных вод изменяется в очень широких пределах как по содержанию солей, так и по их количественному составу (последнее даже в пределах одной шахты). Однако каждому угольному бассейну присуща своя минерализация шахтной воды. В Подмосковном, Кузнецком и Печорском угольных бассейнах встречаются в основном пресные воды, а шахтные воды Ростовской области относятся чаще к сульфатному классу натриевой группы II типа, реже - к гидрокарбонатному и хлоридному классу магниевой, натриевой, кальциевой групп. В микроэлементном составе шахтных вод обнаружено наличие железа, меди, титана, никеля, мышьяка, бериллия, цинка, кадмия, стронция, кобальта, ванадия, хрома, галлия, олова, свинца, молибдена, серебра, сурьмы, бария, теллура, висмута, марганца и др. В большинстве случаев их содержание не превышает предельно допустимых концентраций (ПДК). Однако в некоторых водах содержание микроэлементов выше допустимого, что следует учитывать при осуществлении комплексной переработки этих вод. Так, в шахтных водах Кузбасса в концентрациях выше допустимых содержатся стронций, кадмий, марганец, барий, медь, кобальт, хром, свинец и сурьма.
Шахтные воды Печорского, Подмосковного и Кузнецкого бассейнов имеют умеренную жесткость - . Повышенную () жесткость имеют шахтные воды Восточного Донбасса. Встречаются шахтные воды и с более высокой жесткостью.
Кислые шахтные воды, образуемые в результате окисления сульфидов железа под действием кислорода воздуха и воды встречаются в Кизеловском бассейне, а также на некоторых шахтах Подмосковного бассейна. Эти воды имеют повышенное содержание железа, изменяющееся от 90 до 713 мг/л и придающее воде бурую окраску.
Размер загрязнений шахтных вод органическими веществами определяют перманганатной или бихроматной окисляемостью (ХПК), а также биохимической потребностью в кислороде (БПК). Окисляемость выражается количеством кислорода в миллиграммах, затрачиваемого на окисление органических веществ в 1 л воды в стандартных условиях. В зависимости от содержания органических веществ окисляемость воды колеблется в широких пределах. Так, воды шахт Печорского и Челябинского бассейнов отличаются повышенной окисляемостью, составляющей . При наличии в шахтных водах трудноокисляемых органических загрязнений для определения химического потребления кислорода (ХПК) применяют в качестве окислителя бихромат калия.
Биохимическую потребность в кислороде (БПК) шахтных вод оценивают количеством кислорода, расходуемым на окисление не-ч стойких органических веществ в течение пяти () и двадцати () суток. Биохимическая потребность в кислороде значително изменяется даже в пределах одного бассейна.
Наличие азотнокислых солей в шахтных водах свидетельствует о загрязнении их продуктами распада животного и растительного происхождения. Нитраты и аммиак в шахтных водах содержатся в небольших количествах.
Бактериальное загрязнение шахтных вод вызвано попаданием в них фекальных вод и продуктов гниения древесины и живых организмов. Последние создают благоприятную среду для развития патогенных бактерий, которые возбуждают различные желудочно-кишечные заболевания (брюшной тиф, дизентерию и др.). Степень загрязнения вод оценивается колититром, колииндексом и микробным числом (Солититр определяется количеством воды в миллилитрах, в котором обнаруживается одна кишечная палочка, колииндекс - количеством кишечных палочек в одном литре воды, микробное число определяется количеством микробов в 1 мл воды). Колититр шахтных вод обычно находится в пределах и менее, реже он составляет .
Мембранные методы опреснения шахтной воды. Этими методами опресняются солоноватые или соленые воды с минерализацией до 10 г/л, к которым относятся и воды шахтного водоотлива.
Обратный осмос (метод разделения растворов, ) - процесс преимущественного переноса растворителя через полупроницаемую мембрану, идущий в противоположном направлении по сравнению с широко распространенным в природе и давно известным осмотическим процессом. В обоих случаях полупроницаемая мембрана, пропуская молекулы растворителя, задерживает растворенные вещества.
Особенность обратного осмоса заключается в том, что поток исходной воды, омывая мембрану, разделяется на два: один проходит через мембрану, оставляя в исходной воде задержанные ею вещества, другой смывает эти вещества с поверхности мембраны и уносит их. Мембрана длительное время остается чистой и сохраняет свои технологические характеристики.
В зависимости от разделяемых сред, предъявляемых требований к качеству разделения, технологических условий эксплуатации используются различные мембраны:
· по форме (плоские, трубчатые с наружным диаметром от 0,5 до 25 мм и так называемые полые волокна с наружным диаметром и внутренним );
· по структуре (непористые - диффузионные; пористые - изотропные, низотропные, изопористые; уплотняющиеся; жестко-структурные; комбинированные);
· по технике изготовления (сухое или мокрое формование, термическая желатинизация, облучение пленок заряженными частицами с последующим химическим травлением, экструдирование и т.д.);
· по материалам (стекло, металлическая фольга, широкий спектр Полимеров - ацетаты целлюлозы, полиамиды, полисульфоны, поливинилы, полибензимидозолы, полипперазинамиды и др.).
Наиболее распространены мембраны из ацетил целлюлозы, ароматических полиамидов и композитные, представляющие собой один или несколько ультратонких слоев полиамидов на полисульфоновой или другой основе. Все они имеют анизотропную структуру, т.е. пронизаны порами с размерами, изменяющимися по толщине мембраны.
Для успешной работы технологической мембранной аппаратуры содержание взвешенных веществ в опресняемой воде должно отвечать нормам, принятым для питьевой воды (1,5 мг/л). Шахтные воды можно освободить от взвешенных и коллоидных загрязнений до указанного показателя, а также от микроорганизмов путем коагуляции взвесей и коллоидов сульфата алюминия или хлоридом железа (III), иногда целесообразно применять и флокулянт - полиакриламид.
При опреснении воды электролизом существуют два технологических барьера: карбонатный и сульфатный. Первый обусловлен отложением на мембранах карбоната кальция, второй — сульфата кальция. Поэтому перед электродиализом из шахтной воды необходимо удалить ионы кальция до концентрации , что позволит получить одновременно пресную воду и концентрированный раствор солей. Этот предел может быть повышен до при опреснении воды обратным осмосом или дистилляцией. Высокую степень декальцинирования воды перед электродиализом можно обеспечить лишь натрий-катионированием или фосфатным доумягчением. Предпочтительным является первый метод, как не требующий дополнительных реагентов. Регенерационные растворы хлорида натрия для натрий-катионитовых фильтров могут быть получены непосредственно при комплексной переработке шахтных вод. Учитывая все же большой расход соли при регенерации катионов, целесообразно для декальцинирования воды использовать peaгентный метод, а для доумягчения ее - катионитовые фильтры.
Для предупреждения образования осадков карбоната кальция и гидроксида магния во всех случаях, вне зависимости от принятой схемы водоподготовки, рекомендуется предусмотреть подкисление рассола и катионита. Вместо подкисления или как дополнение к подкислению применяют периодическую переполюсовку аппаратов или так называемую пульсацию тока противоположного направления продолжительностью через каждые при одновременном отключении рабочего источника питания.
Ингибитором всех процессов, связанных с выделением твердых фаз минеральных веществ из шахтных вод, является повышенное содержание в растворенном состоянии органических веществ. Эти же вещества ухудшают и протекание процессов электродиализа. Поэтому количество органических веществ в воде, поступающих на деминерализационную установку, оснащенную мембранной аппаратурой, должно превышать норм, допустимых для питьевой воды. Иногда для удаления из опресняемой воды органических веществ использует активированный уголь.
В основном для устранения биологических загрязнений воду периодически хлорируют на всех сооружениях коагуляционной установки. Раствор хлорной воды или гипохлорита натрия в количестве «активного хлора» подают в регулирующий бачок с шаровым клапаном.
При опреснении воды мембранными методами особую опасность представляет высокое содержание в ней ионов железа и марганца. Ухудшение работы опреснительных установок наблюдается даже при содержании в воде 0,02 мг/л железа и марганца. Осаждаясь на катионитовых мембранах и внутри их, гидроксиды железа и марганца постепенно увеличивают электрическое сопротивление мембран. В связи с этим необходимо обратить особое внимание на предотвращение загрязнения опресняемой воды железом в результате коррозии технологической аппаратуры и трубопроводов.
Для предупреждения биологических обрастаний в мембранных аппаратах и трубопроводах опресняемую воду целесообразно предварительно хлорировать дозами, обеспечивающими концентрацию остаточного хлора в воде . Для этого в электродиализаторах можно использовать хлор, выделяющийся в анодной камере.
Осветление шахтных вод.Для сбора шахтных вод и улавливания крупных взвесей сооружаются подземные водосборники, вместимость которых рассчитана на четырехчасовой нормальный приток воды. Шахтная вода, отстоявшаяся в водосборниках и выданная на поверхность в отстойники или пруды-осветлители, содержит взвеси, в которых частиц менее 60 мкм. Пруды-осветлители с шести- , десятисуточным обменом воды улавливают до тонких взвесей, чем и объясняется такое интенсивное их строительство.
Следует отметить, что в угольной промышленности впервые в отечественной практике применены высокоэффективные отстойники с выделением взвеси в тонких слоях. Однако при естественном осветлении даже в наиболее совершенных отстойниках в шахтной воде всегда остается значительное количество тонкодисперсной взвеси в количестве, доходящем до 100 мг/л. Воду с таким содержанием взвешенных веществ невозможно опреснять мембранными методами. Для более полного осветления шахтных вод и одновременного извлечения из них микроорганизмов, а также для снижения содержания органических веществ необходимо использовать метод коагуляции
6. Охрана водной среды
6.1 Охрана поверхностных и подземных вод
Как известно, гидросфера включает в себя не только поверхностную гидросеть, но и подземные воды, которые с углублением горных работ тоже попадают в зону их воздействия. Влияние истощения подземных вод на природную среду очень наглядно: понижается уровень грунтовых вод, иссякают изолированные коллекторы подземных вод, оседают и уплотняются сдренированные массивы горных пород, появляются другие формы их подвижек, деградируют характерные ландшафты, растительный покров и животный мир. Поэтому необходимо различать охрану поверхностных вод и подземных. Мероприятия по охране подземных вод направлены на предотвращение проникновения вредных и вообще загрязняющих веществ в горизонты подземных вод и их дальнейшего распространения.
Охрана подземных вод включает:
· реализацию технических и технологических мер, направленных на многократное использование воды в технологическом цикле;
· утилизацию отходов; разработку эффективных методов очистки и обезвреживания отходов;
· предотвращение проникновения сточных вод с земной поверхности в подземные воды;
· уменьшение промышленных выбросов в атмосферу и водные объекты;
· рекультивацию загрязненных недр и почв;
· соблюдение регламента ведения горных работ и условий проекта эксплуатации месторождения;
· осуществление собственно водоохранных мероприятий; управление водосолевым режимом подземных вод.
К профилактическим мероприятиям относятся:
· систематический контроль за уровнем загрязнения подземных вод;
· оценка масштабов и прогнозов изменения загрязнения;
· тщательное обоснование размещения проектируемого крупного горнопромышленного объекта с тем, чтобы его отрицательное влияние на окружающую среду и подземные воды было минимальным;
· оборудование и строгое соблюдение зон санитарной защиты участка водозабора;
· оценка воздействия проектируемого объекта на подземные воды и окружающую среду;
· изучение защищенности подземных вод для обоснованного размещения горнопромышленных объектов;
· выделение и учет фактических и потенциальных источников загрязнения подземных вод;
· ликвидация заброшенных и бездействующих горнопромышленных объектов.
Важнейший вид этих мероприятий - создание специализированной сети наблюдательных скважин на крупных горнопромышленных объектах для контроля за состоянием подземных вод.
Специализированные защитные меры включают:
· ликвидацию области загрязнения подземных вод путем их откачки до практически полного стягивания контура загрязнения;
· локализацию области загрязнения (путем откачки загрязненных вод до стабилизации контура загрязнения и недопущения дальнейшего распространения загрязняющих веществ по водоносному горизонту);
· создание гидравлических водоразделов (завес) между областью загрязненных вод и эксплуатируемыми чистыми подземными водами;
· создание гидравлического водораздела по вертикали путем одновременного отбора чистых и загрязненных вод ярусной системой скважин;
· создание непроницаемых экранов (стенок) в водоносном горизонте вокруг области загрязнения.
Рассмотрим, как решаются затронутые проблемы на железорудных карьерах. Лебединский горно-обогатительный комбинат — крупнейший водопотребитель в регионе. Расход технической и технологической воды на производственные нужды только за один год составил , в том числе оборотной воды — , или . Из Старооскольского водохранилища было взято всего лишь свежей воды. При осушении Лебединского месторождения ежегодно откачивается около 60 млн м3
воды, которая используется в технологических процессах Лебединского комбината и на нужды расположенного рядом комбината «КМАруда». Техническая и технологическая оборотная вода употребительна непосредственно в технологии производства окатышей, концентратов и при разработке рыхлой вскрыши в карьере способом гидромеханизации. Речная вода расходуется практически только на компенсацию испарения и фильтрационных потерь в хвостохранилище.
Достижение таких показателей стало возможным благодаря эксплуатируемой системе оборотного водоснабжения с применением радиальных сгустителей диаметром 50 и 100 м и камер по распределению хвостов на мелкие и крупные фракции. Мелкие фракции используются для кольматации ложа хвостохранилища, а крупные — для создания плотин. В результате снижения фильтрационных потерь значительно снизилось загрязнение подземных вод промышленными стоками.
6.2 Охрана водной среды методом тампонажа
Одним из примеров успешного осуществления природоохранных мероприятий является применение производственным объединением «Спецтампонажгеология» разработанного им комплексного метода тампонажа для водоизоляции обводненных трещиноватых и закарстованных горных пород.
Этот метод последние 25 лет применяют в угольной и химической промышленности, черной и цветной металлургии, транспортном строительстве, при добыче строительных материалов и минеральных удобрений для обеспечения безопасного строительства объектов шахтного и подземного строительства в сложных гидрогеологических условиях в заданные сроки, а также с целью реализации мер по охране среды.
При защите водной среды комплексный метод тампонажа способствует охране: подземных вод от истощения; поверхностных водоемов и рек от загрязнения кислыми шахтными водами, а также от истощения; термальных лечебных вод от истощения и от попадания в них холодных подземных вод; грунтовых вод, водоемов и рек от загрязнения хвостохранилищами и шламонакопителями.
7. Мероприятия по снижению уровня загрязнения воды
В комплекс мероприятий, обеспечивающих снижение загрязнения водной среды входят:
· создание маловодной и безотходной технологии промышленного производства с замкнутыми водооборотными схемами, включающими промежуточную очистку или охлаждение воды и утилизацию отходов;
· совершенствование технологических процессов для снижения отходов с захоронением в земных недрах обезвоженных или концентрированных растворов загрязнителей;
· использование различных методов очистки сточных вод, загрязненных промышленными и бытовыми отходами.
Таблица 3. Мероприятия инженерной защиты вод от загрязнений.
| Источники формирования | Мероприятия |
| Профилактические | для рудничных вод |
Грунтовые; запертые; из трещин и карстов; дренирующиеся из гидрографической сети; инфильтрующиеся атмосферные осадки; технологические (основного производства) |
Уменьшение водопритоков в горные выработки путем предварительного осушения, заградительного дренажа (в том числе контурного и с использованием систем водопонизительных и водопоглощающих скважин, обеспечивающих минимальное нарушение гидрологии прилегающих территорий), поглощающего дренажа с обособленным отводом воды, изоляция водоисточников, например водонепроницаемыми завесами, отвод осадков с территории горного отвода, откачка талых и дождевых вод из зон проседания и обрушения поверхности, нормирование расхода технологической воды. Направление водопритока по путям, обеспечивающим минимальное попутное загрязнение (в том числе устройство промежуточных водосборников нестандартного типа для сбора незагрязненных вод, на карьерах), регулирование внутрикарьерного стока с устройством временных отстойников |
| Радикальные для | сточных вод |
| Технологические (вспомогательного производства); дождевые стоки с отвалов и территорий рудников; хозяйственно-бытовые стоки | Очистка рудничных вод: нейтрализация, осветление от механических примесей, извлечение органических соединений, солей и металлов химическими, физическими, биологическими методами. Использование рудничных вод в замкнутом цикле горного и обогатительного производства. Очистка от масел и других органических веществ, механических примесей, охлаждение до нормы. Сбор и осветление в специальных отстойных водоемах. Очистка от взвешенных частиц и органических веществ, подавление запахов |
Заключение
Охрана водных ресурсов - система организационных, исследовательских, юридических, экономических и технических мер, направленных на предотвращение и устранение последствий загрязнения и истощения водных объектов. Для этого проводится мониторинг гидросферы, который в свою очередь представляет собой систему наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния водных объектов, находящихся в федеральной собственности, собственности субъектов Российской Федерации, муниципальных образований, физических и юридических лиц.
Мониторинг проводится в следующих целях:
1. Своевременное выявление и прогнозирование развития негативных процессов, влияющих на качество воды в водных объектах и их состояние, разработка и реализация мер по предотвращению негативных последствий этих процессов;
2. Оценка эффективности осуществляемых мероприятий по охране водных объектов;
3. Информационное обеспечение управления в области использования и охраны водных объектов, в том числе в целях государственного контроля и надзора за использованием и охраной водных объектов.
Мониторинг осуществляется в границах бассейновых округов с учетом особенностей режима водных объектов, их физико-географических, морфометрических и других особенностей.
Мониторинг гидросферы включает в себя:
1. Регулярные наблюдения за состоянием водных объектов, количественными и качественными показателями состояния водных ресурсов, а также за режимом использования водоохранных зон;
2. Сбор, обработку и хранение сведений, полученных в результате наблюдений;
3. Внесение сведений, полученных в результате наблюдений, в государственный водный реестр;
4. Оценку и прогнозирование изменений состояния водных объектов, количественных и качественных показателей состояния водных ресурсов. Мониторинг гидросферы состоит из:
1. Мониторинга поверхностных водных объектов с учетом данных мониторинга, осуществляемого при проведении работ в области гидрометеорологии и смежных с ней областях;
2. Мониторинга состояния дна и берегов водных объектов, а также состояния водоохранных зон;
3. Мониторинга подземных вод с учетом данных государственного мониторинга состояния недр;
4. Наблюдений за водохозяйственными системами, в том числе за гидротехническими сооружениями, а также за объемом вод при водопотреблении и водоотведении.
Организация и осуществление мониторинга проводятся Федеральным агентством водных ресурсов, Федеральным агентством по недропользованию, Федеральной службой по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды и Федеральной службой по надзору в сфере природопользования с участием уполномоченных органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации.
Список использованной литературы
1. Мирзаев Г.Г, Иванов Б.А. Экология горного производства. М.:Недра, 1991.
2. Статьи на http://www.purolat.ru/r/standard/eco-2.doc и http://www.ssu.samara.ru/~unc/book3/1_2.html