Проблема техногенных вод и стоков породных вскрышных отвалов и забалансовых руд характерна для всех горно-обогатительных комбинатов (ГОКов) Южного Урала, добывающих и перерабатывающих медно-колчеданные руды Гайского, Учалинского, Маканского и Бурибаевского месторождений, а также медно-цинково-колчеданные руды Сибайского месторождения [1]. В составе техногенных вод и стоков ГОКов, представленных шахтными, рудничными, подотвальными водами и жидкими хвостами обогащения, находятся тяжелые и цветные металлы железа, меди, цинка, марганца, свинца, а также кальций, магний, хлориды, сульфаты и пр. компоненты [2–4].

Практически все горно-обогатительные комбинаты Южного Урала используют для удаления токсичных металлов из рудничных вод и стоков предприятий метод химического осаждения доступными реагентами: Ca(OH)2, известковым молоком, или Na2CO3 кальцинированной содой [5]. Шламы, получаемые в процессе нейтрализации, в дальнейшем не утилизируются, а накапливаются в прудах-шламохранилищах и в конечном итоге безвозвратно теряются при захоронении.

Основным источником образования шламов нейтрализации являются кислые техногенные воды и жидкие стоки медно-колчеданных горно-обогатительных комбинатов Южного Урала, согласно «Докладу об экологической ситуации на территории республики Башкортостан в 2016 г.» [6] за последние пять лет среднегодовые показатели токсичных металлов в рудничных водах по содержанию цинка превысили в 2 раза ПДК, что в пересчёте на концентрацию в техногенных водах составляет до 400 мг/дм3, меди – от 3 до 8 ПДК с концентрацией от 239 до 1914 мг/дм3, марганца – от 1 до 8 ПДК и соответственно концентрация его доходит до 900 мг/дм3.

Далее приводятся среднегодовые показатели химического состава техногенных вод и жидких стоков АО «Сибайский ГОК» за 2010–2015 гг. (табл. 1).

Согласно приведённым данным компонентного состава техногенных вод и жидких стоков ПДК рыб/хоз превышает в несколько раз по железу, меди, цинку, марганцу, свинцу, хлоридам и сульфатам, что требует обязательного их обеззараживания и последующей утилизации.

Анализ технической литературы показал, что минеральные шламы, образующиеся в процессе переработки техногенных вод различных предприятий возможно использовать в качестве источников сырья для производства грунтоподобных рекультивационных материалов [7], в строительных растворах и бетонах [8, 9], при производстве цемента [10].

Целью работы является изучение возможности утилизации шламов нейтрализации, образующихся после очистки кислых техногенных вод и стоков медно-колчеданных месторождений Южного Урала на примере АО «Сибайский ГОК».

Таблица 1

Среднегодовые показатели химического состава техногенных вод и стоков АО «Сибайский ГОК» за 2010–2015 гг.

Материалы и методы исследования

Для реализации данной цели в работе проводился комплекс исследований шламов нейтрализации: химический и компонентный анализ, структурный, физико-механический анализ, в том числе измерялось время истечения суспензии из воронки, определялся показатель пластичности, плотность суспензии, отношение объёма осадка к объёму суспензии исходной, показатель упругости, пластическая прочность, порог структурообразования. При проведении химического и компонентного анализа техногенных вод и стоков АО «Сибайский ГОК» (табл. 1) с целью необходимости достоверного определения аналитов на уровне ПДК, были рассчитаны их пределы обнаружения (пороги чувствительности) по серии единичных измерений (не меньше 5–6 и не больше 20 параллельных определений) для концентраций, близких к уровню холостого опыта, т.е. близких к пределу обнаружения. За предел обнаружения принимали минимальное количество аналита, присутствие которого в пробе может быть установлено с доверительной вероятностью 0,95. Обработка результатов измерений структурного, физико-механического анализов проводили в соответствии с требованиями ГОСТ Р 8.563-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Методики (методы) измерений».

Пробы подотвальной, шахтной воды и жидкой фазы стоков (фабричных хвостов) перемешивали с известковым молоком в контактном лабораторном чане в течение 5 минут при расходе осадителя 25 г/т. В качестве реагента в работе использовался стандарт-титр Ca(OН)2 (рН = 12,45) – аналог, применяемого реагентного режима на станции нейтрализации кислых стоков ГОКа. Для моделирования и изучения процессов, протекающих в пруде-отстойнике АО «Сибайский ГОК» проба гидролитического осадка отстаивалась естественным образом при нормальных условиях в течение 60 дней. По истечению этого срока проводились вышеуказанные исследования.

Все опыты проводили в трех параллелях.

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты изучения кинетики осаждения суспензий, полученных в процессе нейтрализации кислых рудничных вод, представлены на рис. 1.

Анализ кинетических кривых показал, что в течение первых 7 минут скорость осаждения практически неизменна, начальный участок кривой осаждения прямолинеен. Следовательно, образовавшиеся частицы дисперсной фазы имеют достаточно крупные размеры и примерно одинаковую форму. Через 10 минут осаждается 76,3 % суспензии. Быстрое осаждение осадка объясняется присутствием в матрице растворов таких ионов-коагуляторов, как Fe3+, SO42-.

Рис. 1. Кинетические кривые осаждения суспензий: 1 – Fe(OH)3, 2 – Zn(OH)2, 3 – из кислой подотвальной воды АО «Сибайский ГОК» 4 – Cu(OH)2 из нейтрализованных однокомпонентных модельных систем;