2. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ХВОСТОВОГО ХОЗЯЙСТВА НА ПРИРОДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ
2.1. Влияние на гидросферу
Дезинтегрированные минеральные отходы обогащения апатито-нефелиновой руды Хибиногорского месторождения представляют собой пески, минеральный и химический составы которых приведены в табл. 2.1 и 2.2.
Таблица 2.1
Минеральный состав отвальных хвостов
Минералы | Выход, мас.% |
Апатит | 3.0 |
Нефелин | 51.5 |
Натролит | 4.9 |
Гидрослюда | 2.1 |
Полевой шпат | 9.2 |
Пироксен | 13.9 |
Амфибол | 1.8 |
Биотит | 0.1 |
Сфен | 6.1 |
Титаномагнетит | 3.2 |
Ильменит | 1.4 |
Жигманит | 1.1 |
Эвдиалит | 0.1 |
Перовскит | 0.1 |
Прочие | 1.2 |
Сумма | 99.8 |
Таблица 2.2
Химический состав отвальных хвостов
Компоненты | SiO2 | TiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | FeO | MnO | MgO |
Содержание, масс% | 41.53 | 4.97 | 20.04 | 5.31 | 2.73 | 0.20 | 1.08 |
Компоненты | CaO | Na2O | K2O | P2O5 | п. п.п. | Н2О | Σ |
Содержание, масс% | 5.92 | 8.69 | 4.90 | 1.27 | 0.34 | 1.81 | 98.83 |
Как правило, породные отвалы вмещают в себя отходы как первичных, так и окисленных руд, поэтому изменения минералов, происходящие в процессе хранения отвалов, зафиксировать очень сложно. Согласно [1], окисленные руды характеризуются наличием апатита, поверхность которого покрыта пленками окислов железа и глинистых минералов, и вторичных минералов, образовавшихся за счет изменения нефелина (гидрослюды, монтмориломит, бейделлит и каолинит). Эти минералы содержат калий, магний, алюминий, кремний и другие элементы, образующие в водной среде коллоидные осадки с активными поверхностными свойствами.
С целью изучения процессов, происходящих в теле хвостохранилища, определения формы нахождения элементов и оценки возможности новообразования минералов были выполнены лабораторные эксперименты, имитирующие процесс выщелачивания техногенного месторождения.
Исходным материалом для эксперимента стали образцы текущих хвостов обогащения. Образцы последовательно просеивали через сита 1.00, 0.63, 0.40 и 0.16 мм для получения однородных по гранулометрическому составу фракций и затем в фильтрационной установке в течение 5 сут. промывали большим количеством дистиллированной воды для удаления пылевидных частиц. Минеральный состав изучаемых образцов приведен в табл.2.1.
Эксперименты проводили в фильтрационных установках, условия которых наиболее адекватно имитируют процесс взаимодействия атмосферных вод с минеральной фазой. Образцы помещали в стеклянную колонку, через которую пропускали дистиллированную воду (рН 6.2-6.4), получаемую на установке «Millipore». Для обеспечения постоянной температуры эксперимента колонку помещали в теплоизолирующую рубашку. Опыты проводили при температуре 250С. С помощью дозировочного насоса обеспечивали равномерную фильтрацию воды со скоростью 0.0014 см/с. Масса вещества, помещенного в колонки, составляла 31.45 г для фракции 0.16-0.40 и 29.78 г для фракции 0.63-1.00 мм. Точность определения элементов в растворах составляла 10-15 отн.%. Параллельно с основными выполнялся контрольный опыт с фильтрацией деонизированной воды через пустую колонку. В пробах определялись рН, содержания взвешенных веществ и растворенного органического вещества (РОВ), ионный состав и концентрации металлов (Al, Fe, Mn, Sr, Cu, Zn, Ni, Co, Cr, Сd, Pb). Для Al, Fe, Mn, Sr, Cu и Zn были установлены формы нахождения металлов в воде по методике, предложенной .[1, 2]
Концентрации металлов определялись методом атомно-адсорбционной спектроскопии на приборе Perkin-Elmer 5000 с графитовым атомизатором HGA 400, а также на приборе AAS-30 CarlZeiss с пламенной атомизацией.
Динамика выщелачивания компонентов в лабораторном эксперименте представлена в табл.2.3.
Согласно этим данным, в течение первых суток происходит наиболее активное вымывание F и Cl, щелочных металлов, что вызывает подщелачивание воды (рН 7.4 и 7.6 в зависимости от фракции). Далее значения рН снижаются соответственно на 0.2 и 0.6 единиц. Анализ значений концентраций элементов в растворе и значения рН, которые становятся практически постоянными (9<t<17), указывает на стабилизацию процесса.
Таблица 2.3
Динамика выщелачивания компонентов из исследуемых образцов (мг/л)
Сутки | Фракция 0.16-0.40 мм | |||||||||||||
F | Cl | SO4 | PO4 | SiO2 | Fe | Al | Sr | Ca | Mg | Na | K | pH | ||
1 5 9 17 | 3.60 1.70 0.19 0.15 | 0.65 0.38 0.36 0.31 | 1.04 0.41 0.15 0.15 | 0.1139 0.0295 0.0093 0.0101 | 4.58 3.46 3.22 3.07 | 0.0140 0.0096 0.0035 0.0030 | 0.1136 0.0940 0.0900 0.0930 | 0.0090 0.0062 0.0065 0.0077 | 0.14 0.10 0.15 0.25 | 0.06 0.06 0.05 0.05 | 10.40 3.70 3.00 2.40 | 3.17 2.50 1.85 1.65 | 7.4 7.2 7.1 7.1 | |
Фракция 0,63-1.00 мм | ||||||||||||||
1 5 9 17 | 2.20 0.76 0.20 0.14 | 0.45 0.32 0.25 0.22 | 0.60 0.16 0.16 0.14 | 0.0780 0.0280 0.0115 0.0104 | 3.10 2.48 2.48 2.28 | 0.0103 0.0031 0.0015 0.0010 | 0.1144 0.0930 0.0900 0.0920 | 0.0043 0.0031 0.0038 0.0045 | 0.10 0.07 0.05 0.07 | 0.03 0.02 0.02 0.01 | 8.30 2.50 1.70 1.60 | 2.20 1.20 0.96 0.90 | 7.6 7.0 6.9 7.0 | |
Фоновые конц. | 0.20 | 1.20 | 4.20 | 0.0030 | 0.0069 | 0.0150 | 0.0670 | 2.50 | 0.20 | 7.60 | 3.10 | 7.30 | ||
Концентрации химических элементов в водах, просочившихся через толщу отвальных пород, и, соответственно степень их опасности для прилегающих водных систем будут определяться четырьмя основными параметрами: константами скорости растворения химических элементов, величинами равновесных концентраций рассматриваемых элементов в естественных условиях размещения отвальных дезинтегрированных пород, скоростью просачивания атмосферных осадков и мощностью массива складируемых минеральных отходов [3, 4].
Константа скорости растворения химического элемента или соединения представляет собой количество вещества, поступающего в водный раствор с единицы поверхности твердой фазы за единицу времени. Экспериментальное моделирование процесса взаимодействия деионизированной воды с образцами пород позволяет определить величины констант скорости растворения исследуемых веществ. Указанный параметр рассчитывается методом графического дифференцирования зависимости концентрации элементов в водном растворе, контактирующим с породой, от времени [5].
Растворение i-го компонента породы происходит до установления равновесия между твердой фазой и раствором в данных физико-химических условиях среды. Константы скорости растворения рассматриваемых элементов, определенные по результатам экспериментов в различных условиях, и равновесные концентрации веществ представлены в табл. 2.4.
Таблица 2.4.
Константы скорости растворения (Кi), равновесные концентрации и доминирующие
химические формы элементов в водной среде
Пока-затель | F | Cl | Si | Fe | Al | Sr | Ca | Mg | Na | K |
Ki в условиях постоянного объема раствора (моль 10-6/(м2сут) | 1.24 | 1.55 | 3.22 | 0.010 | 0/48 | 0.018 | 0.35 | 0.25 | 14.4 | 3.6 |
Кi в условиях фильтрационной колонки (моль 10-6/(м2сут) | 0.86 | 0.87 | 2.34 | 0.006 | 0.33 | 0.010 | 0.33 | 0.19 | 10.9 | 4.2 |
Равновес-ная кон-центрация вещества | 3.00 | 0.75 | 4.86 | 0.380 | 1.60 | 0.100 | 1.50 | 0.60 | 12.6 | 6.0 |
Доминирующие химические формы элементов в водной среде (%) | F- (99,8%) | Cl- (100%) | SiO2 (52,3%) H4SiO4 (47.7%) | Fe(OH)3 (99.5%) Fe(OH)2+ (0.3%) | Al(OH)3 (99.5%) AlF3 (0.3%) AlF2 (0.1%) | Sr2+ (100%) | Ca2+ (84.6%) | Mg2+ (98.9%) | Na+ (100%) | K+ (100%) |
Термодинамические расчеты, выполненные с использованием программы MINTEQA2 и входящей в ее состав базы термодинамических данных [5], показали близкие значения равновесных концентраций рассматриваемых веществ и позволили определить доминирующие химические формы нахождения элементов в водной среде (табл. 2.4)
Результаты термодинамического моделирования показали минимальную концентрация ионных форм Al и Fe в водной среде в рассматриваемых условиях, поскольку указанные металлы имеют низкие рН осаждения гидроксидов.
Используя экспериментально полученные значения констант скорости растворения и равновесные концентрации элементов, можно рассчитать время, необходимое для установления равновесия между водным раствором и отвальными породами различного гранулометрического состава в естественных условиях. Время t, необходимое для установления равновесия между раствором и породой, может быть определено исходя из уравнения, описывающего одномерный массоперенос в единичном объеме гомогенной пористой среды [3]:
dCi/dt + d(Civ)/dx – Dd2Ci/dx2 = W,
где: v - действительная скорость фильтрации; Сi - концентрация компонента; D - гидродинамическая дисперсия; W - параметр, характеризующий дополнительные источники поступления вещества в рассматриваемый объем (поступление вещества вследствие растворения твердой фазы); x - расстояние. Если не рассматривать процесс конвективного массопереноса, т. е. механического привноса вещества “извне” в единичный объем среды, и пренебречь влиянием гидродисперсии, то изменение концентрации компонента в рассматриваемом объеме будет определяться только поступлением вещества вследствие растворения твердой фазы:
dCi/dt = W.
Интегрируя уравнение и разделив обе части на величину площади удельной поверхности, получим:
t = (Ci – Ci0)/KS,
где: Ci0 –концентрация элемента до взаимодействия с объемом породы; Ci – равновесная концентрация элемента; S – площадь поверхности твердой фазы, которая контактирует с единицей объема воды; K - константа скорости растворения элемента.
Результаты расчета показывают, что при полном водонасыщении породы, представленной уртитом однородной песчаной фракции (0.16-0.40 мм), для установления равновесия между породой и водой с Сi =0 в зависимости от химического элемента необходим временной интервал от 0.2 до 9.5 сут.
Высота массивов отвальных пород на исследуемой территории в большинстве случаев будет составлять от 100 до 200 м. По гранулометрическому составу хвостохранилище представляет собой смесь глыб и песчаной фракции. Выпадение атмосферных осадков на исследуемой территории составляет, по среднемноголетним данным, 900 мм в год, Небольшие количества единовременно выпадающих осадков в течение летнего периода обусловливают фильтрацию атмосферных вод в значительной степени посредством капиллярного просачивания, скорость которого составляет менее 1 м/сут. В этом случае правомерно полагать, что для просачивания атмосферных осадков через слой отвальных пород > 100 м необходим временной интервал более 9.5 суток.
Таким образом, атмосферные воды после просачивания через массивы отвальных пород находятся в состоянии равновесия с вмещающими породами и приобретают повышенные концентрации F, Al, Fe, Sr, Mn и других элементов. По ряду элементов (F, Al, Fe ) эти концентрации будут превышать фоновые значения для поверхностных и грунтовых вод рассматриваемой территории. Для предотвращения этого процесса необходимо проведение противоэрозионных мероприятий.
Исследования показали также, что взаимодействие дезинтегрированных пород с водой приводит к диспергации минеральной фазы: количество частиц менее 1 мм увеличивается с 10 до 30%. Это явление должно приводить к усилению процессов ветровой эрозии, что также требует проведения работ по закреплению пылящей поверхности.
2.2. Влияние на атмосферу
Выше были рассмотрены процессы, приводящие к загрязнению озера Имандра в результате поступления в него потока загрязнённой воды при фильтрации технологических стоков и атмосферных осадков через слои хвостохранилища. Другим определяющим источником загрязнения является пылевая эрозия с поверхности хвостохранилища. При этом значительное количество пылевых частиц согласно розе ветров выпадает на зеркало водоёма. Проведение регулярных прямых измерений пространственного распределения потока пыли по поверхности озера является весьма сложной проблемой, решение которой, к тому же потребует значительных финансовых затрат. В этих условиях целесообразно провести разработку математической модели загрязнения водоёма пылью с хвостохранилищ с последующей прямой или косвенной привязкой к уже имеющимся экспериментальным данным.
Целью моделирования процесса генерации пылевого потока, его переноса атмосферным воздухом и распределения на зеркало водоёма в вероятностном толковании является оценка функций распределения как приземной концентрации пыли, так и общего объёма, поступающего в водоём через его поверхность
Проведённые расчёты позволили оценить пределы изменения среднего потока массы пыли на поверхность озера Имандра. При расчётах предполагалось, что в процессе пыления участвует 10% общей площади хвостохранилища. Расчёты показали, что при значениях влажности нефелина на поверхности порядка 6-12% поток массы пыли на зеркало водоёма на расстоянии 2-3 километров составляет 0.05-0.1 мг/м2.с, что эквивалентно выпадению 0.18-0.36 г/м2.ч или 4-8 г/м2.сут. Величина потока быстро уменьшается при удалении от хвостохранилища. Поскольку местная роза ветров вытянута в направлении юго-восток – северо-запад, в направлении на юго-запад от хвостохранилища практически не должно наблюдаться загрязнения озера за счёт пыления.
Расчёты показали:
Нефелинсодержащие хвосты флотации апатито-нефелиновых руд являются источником загрязнения гидросферы и атмосферы в тех случаях, когда они контактируют с неминерализованной водой. Такие условия соблюдаются в первую очередь для поверхности хвостохранилища, расположенной на откосах и подвергающейся воздействию атмосферных осадков и нижних слоёв, находящихся под воздействием грунтовых вод.
Основной фактор, представляющий прямую опасность для экосистемы губы Белой оз. Имандра, состоит в фильтрации через хвостохранилище технологической сточной воды, поступающей с гидротранспортом. Промсток образует на поверхности хвостохранилища так называемую зону пляжа и способствует организации постоянного потока загрязнённой воды, насыщенной растворёнными структурообразующими компонентами минералов, слагающих перерабатываемую породу. Этот поток не разрушает твёрдую фазу, а лишь приводит к отложению на поверхности частиц хвостохранилища тонких каёмок новообразований. Хвостохранилище в данном случае выполняет природоохранную функцию – играет роль фильтра, задерживающего 97% взвесей. Осаждение взвесей из технологического стока в толще хвостохранилища способствует образованию слоёв с низкой фильтрующей способностью и высокой обводнённостью, что может приводить к образованию ледяных линз в зимний период и создавать угрозу оползней.
Нижние слои хвостохранилища являются источником загрязнения грунтовых вод, а через них водоёмов, непосредственно соседствующих с хвостохранилищем. Продукты выветривания верхних слоёв представляют угрозу загрязнения, прежде всего, атмосфере, образуя аэрозоли.
Разработанный алгоритм расчёта на основе метода статистических испытаний (метод Монте-Карло), использующий известные модели пыления хвостохранилищ и переноса пыли ветром, позволил оценить средний поток пыли на поверхности озера Имандра и рассчитать поля рассеивания приземных концентраций пыли. При необходимости алгоритм легко может быть модифицирован для получения дисперсии оценок, риска превышения предельных концентраций и предельных значений потока пыли на зеркало водоёма, а также других статистик, характеризующих исследуемый процесс.
Приведённая схема расчёта является упрощённой и не учитывает таких особенностей, как искажение однородного поля скоростей ветра рельефом местности, возможность изменения фракционного состава поднятой в воздух нефелиновой пыли из-за более быстрого выпадения крупных частиц и изменение фракционного состава нефелинового песка на поверхности хвостохранилища за счёт преимущественного выноса мелкодисперсных фракций. По-видимому, в условиях имеющейся большой неопределённости входных данных учёт таких тонких эффектов нецелесообразен, поскольку вряд ли приведёт к значимому увеличению точности расчёта при резком усложнении алгоритмов и программ. Поэтому на данном этапе для описания процесса воздушного переноса загрязняющих веществ мы ограничились простой полуэмпирической моделью, описанной в нормативном документе ОНД-86, а также пренебрегли вкладом процессов турбулентной диффузии в перенос вещества при описании выпадения пылевых частиц на поверхность водоёма. Эти ограничения, если потребуется, могут быть частично сняты в дальнейших исследованиях.
В целом, с точки зрения геохимического выветривания, хвостохранилище относится к закрытым и полузакрытым системам, в которых процессы гипергенного взаимодействия затруднены. Образование на поверхности частиц реакционной каймы из трудно растворимых соединений также препятствует дальнейшему протеканию реакции. Отсюда следует, что хвостохранилище АНОФ-1 и АНОФ-2 являются вторичным техногенным сырьём, подготовленным для дальнейшей гидрохимической переработки.
Список литературы
1. Голованов Кольских апатитосодержащих руд. М.: Химия, 1976, 216 с.
2. , , Кудрявцева качества поверхностных вод и донных отложений в условиях антропогенных нагрузок на водосборы Арктического бассейна. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 1996, 263 с.
3. Lasaga A. C. Chemical Rinetick of Water-Rock Interactions // J. Geophys. Res. 1984. V 89. No. B6. P..
4. Gisiason S. R., Eugster H. P. Meteoric. water-basait inter-actions: P. A. field study in N. E. Iceiand // Gechimica et Cosmochimica Acta. 1987. V.51. P. .
5. Gisiason S. R., Eugster H. P. Meteoric. water-basait inter fations: I. F. Laboratory snudy // Gechimica et Compochimica Acta,, 1987. V/ 51 P. .
