Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Пермский государственный аграрно-технологический университет имени академика Д.Н. Прянишникова

Кафедра безопасности жизнедеятельности

Направления подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность»

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Системы защиты среды обитания»

на тему:

Защита гидросферы от загрязнения на Верхнекамском месторождения солей

Выполнил: Мальгин С.В.

студент 5 к. гр.: ТБб-2018-51

Проверила: к.б.н., доцент

Сергеева О.С.

Пермь 2023



Оглавление

• Введение
• 1. Характеристика Верхнекамского месторождения солей
• 1.1 Анализ закономерностей и механизмов изменения химического состава подземных вод зоны активного водообмена
• 2. Методы очистки сточных вод
• 3. Очистка рудничных шахтных вод
• 3.1 Осветление в слое взвешенного осадка
• 3.2 Технологическая схема очистки шахтных рудных вод
• Заключение
• Список используемых источников


Введение

Актуальность работы. Калийные соли являются важным и крайне востребованным ресурсом в современной экономике. Главным продуктом переработки калийных солей являются калийные удобрения. Неуклонный рост населения Земли с середины XX столетия привел к росту дефицита продуктов питания. В сложившейся ситуации интенсификация производства продуктов питания, в том числе путём внесения удобрений, является обязательным условием ведения сельского хозяйства во всём мире. Как следствие, в начале XXI века произошел резкий рост спроса на калийные удобрения. Впервые с 1970-х гг. стали реализовываться не только проекты расширения существующих производств, но также началось изучение новых месторождений, проектирование и строительство новых предприятий. Кроме известных калийных бассейнов Западной Европы, Канады, России и Белоруссии, сегодня разведаны новые месторождения калийных солей в Центральной и Юго-Восточной Азии, Южной Америке, Западной и Восточной Африке, а также ранее не разрабатываемые эвапоритовые залежи Северной Америки (Rauche, 2015; Cocker, 2016).

Однако, интенсификация всякого производства входит в противоречие с сохранением и развитием природной среды регионов его расположения и принципом минимизации техногенного воздействия. Калийная промышленность является комплексной отраслью хозяйства, объединяющей в себе горнодобывающее и химическое производство. Как горнодобывающее, так и химическое производство характеризуются значительным уровнем воздействия на окружающую среду. Горнодобывающие предприятия являются источником комплексного и концентрированного воздействия на все компоненты окружающей среды. Большинство технологических процессов таких предприятий проходят в условиях прямого взаимодействия с окружающей средой. Проходка горных выработок и извлечение большого объема пород из недр Земли приводит к изменению напряженно-деформированного состояния массива горных пород, проявлениям техногенной сейсмичности, провалообразованию, изменению уровня подземных вод. Для расположения производственных комплексов, открытых горных выработок, объектов хвостового и отвального хозяйства изымаются значительные площади земель и сельхозугодий. Геохимическое воздействие на геологическую среду осуществляется посредством поступления в атмосферу, поверхностные и подземные воды, почвенную среду различных химических элементов и их соединений в количествах, не характерных для природного геохимического фона.

Предприятия химической промышленности, как правило, характеризуются меньшим масштабом взаимодействия с окружающей средой и объемом образующихся отходов, закрытыми технологическими циклами. Однако высокая степень опасности химически синтезированных веществ, отсутствие природных аналогов для многих из них, потенциальная возможность аварийных выбросов в природную среду также ставят предприятия химической промышленности в ряд экологически наиболее опасных производств.

Отличительной особенностью солей является их высокая растворимость. Во многом именно в связи с этим, техногенное воздействие калийного производства на компоненты природной среды наиболее ярко проявляется во влиянии на приповерхностную гидросферу. Ведущее место в нарушении исходной гидрохимической обстановки большинство исследователей отводит воздействию поверхностных накопителей отходов - шламохранилищ и солеотвалов (Гольдберг, 1984; Мироненко, 1988; Горбунова, 1990; Бельтюков, 2000; Кирюхин,2010 и др.).

Анализ техногенных изменений химического состава приповерхностной гидросферы в районах действующих калийных производств, зачастую, ограничивается только характеристикой засоления природных вод. При этом учитывается ограниченное количество гидрохимических показателей. Кроме того, сложной задачей является определение начальной стадии техногенного воздействия, когда показатели химического состава не превышают установленных предельных нормативов.

В связи с этим, главная научная идея работы формулируется необходимостью совершенствования методов оценки степени влияния отходов предприятий калийной промышленности на состав подземных вод зоны активного водообмена.

Целью работы является обоснование комплекса индикаторов и механизма техногенного изменения состава подземных вод в зоне влияния отходов калийной промышленности в местах их складирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

· систематизация данных об условиях разработки крупнейших месторождений калийных солей, особенностях химического состава калийных руд и продуктов их переработки;

· сбор и анализ опубликованной и нормативной литературы, а также фондовых материалов по оценке загрязнения подземных вод зоны активного водообмена в регионах соледобычи;

· сбор, анализ и систематизация материалов исследований прошлых лет и составление базы данных анализов химического состава подземных вод зоны активного водообмена по фондовым материалам, результатам опробования вод родникового стока, данным режимной гидрогеологической сети в пределах объектов исследования;

· определение закономерностей и механизмов изменения химического состава подземных вод зоны активного водообмена;

· определение комплекса индикаторов воздействия предприятий калийной промышленности на химический состав подземных вод зоны активного водообмена

· разработка современных вариантов интерпретации результатов исследований.

Объектом исследования являются подземные воды зоны активного водообмена, состав которых формируется под влиянием технологических процессов калийного производства. Водоносные горизонты этой зоны наиболее восприимчивы к гидрохимическому воздействию на них стоков калийных предприятий. При этом именно они часто являются основными источниками водоснабжения населения и промышленных предприятий.

Предметом исследования являются закономерности и механизм трансформации химического состава подземных вод зоны активного водообмена под влиянием техногенных стоков.

Изучение особенностей техногенной трансформации состава подземных вод в настоящей работе проводится на примере Верхнекамского месторождения солей (ВКМС). Верхнекамское месторождение является уникальным объектом, обладающим мировым значением. Как по запасам, так и по объемам добычи калийных солей ВКМС занимает второе место в мире, а история его освоения насчитывает почти 100 лет. В пределах изучаемого района Верхнекамского месторождения калийных солей - Соликамского, Ново-Соликамского и Половодовского участков детальной разведки - основным водоносным подразделением надсолевой толщи является водоносная верхнесоликамская терригенно-карбонатная подсвита. Воды верхнесоликамской подсвиты используются для водоснабжения производственных комплексов и населения Соликамско-Березниковской агломерации с населением около 300 тыс. чел.

Научная новизна результатов работы определяется тем, что в ходе проведённых исследований:

· на основе анализа условий разработки крупнейших в Мире месторождений калийных солей выявлен универсальный ряд химических элементов, определяющих специфику техногенных изменений в составе пресных подземных вод зоны активного водообмена под влиянием различных объектов калийного производства;

· определены основные особенности трансформации химического состава пресных подземных вод зоны активного водообмена под влиянием объектов складирования отходов калийного производства;

· в ходе исследований, проведенных в периоды зимней межени 2016, 2017 и 2018 гг., впервые получены дополнительные сведения о микроэлементном составе вод родникового стока, разгрузка которых происходит в зоне влияния действующих калийных предприятий ВКМС;

· получены новые данные о механизме процессов катионного обмена между насыщенными хлоридными рассолами и образцами пород с территории ВКМС на основе результатов экспериментальных лабораторных исследований.

Практическая значимость работы определяется тем, что:

· построены графические модели трансформации состава подземных вод во времени по результатам обобщения данных режимных наблюдений за химическим составом подземных вод водоносной верхнесоликамской терригенно-карбонатной подсвиты в пределах разрабатываемых участков ВКМС в период с 1998 по 2016 гг.;

· по фондовым материалам, результатам опробования, данным режимной гидрогеологической сети созданы базы данных анализов химического состава подземных вод верхнесоликамской терригенно-карбонатной подсвиты и вод родникового стока за период с 1998 по 2018 гг.

· разработан и обоснован комплекс гидрохимических индикаторов техногенного влияния объектов ВКМС на элементы гидросферы, включающий в себя специфические компоненты ионного состава вод и микроэлементы;

· проведена санитарно-гигиеническая оценка степени опасности трансформации химического состава подземных вод верхнесоликамской подсвиты в пределах разрабатываемых участков ВКМС. Оценка максимальных содержаний изученных веществ показала, что наибольшую опасность в подземных водах, находящихся под влиянием объектов калийных производств, представляют мышьяк, селен, стронций, барий, натрий, магний, хлориды, бромиды, аммоний;

· выявленный перечень компонентов химического состава подземных вод рекомендован для обязательного изучения при проведении геоэкологических исследований на территориях функционирования калийной промышленности в качестве наиболее характерных загрязняющих веществ;

Отдельные результаты исследования используются в учебном процессе в рамках дисциплины «Экологическая геология», читаемой на геологическом факультете Пермского государственного национального исследовательского университета.

Предметом защиты являются следующие положения:

1. Комплекс геохимических индикаторов воздействия разработки калийных солей на химический состав подземных вод включает в себя универсальный ряд химических элементов, входящих в состав калийных руд, и ряд акцессорных микроэлементов нерастворимого остатка солей, концентрация которых происходит в отходах калийного производства при технологических процессах обогащения руд.

2. Трансформация химического состава подземных вод зоны активного водообмена в пределах разрабатываемых участков ВКМС происходит на фоне увеличения их минерализации и снижения pH. Трансформация ионного состава вод обусловлена ростом концентраций хлоридов, бромидов, катионов натрия, калия, кальция, магния, аммония. Элементами-индикаторами трансформации микроэлементного состава являются марганец, кобальт, мышьяк, ванадий, никель, сурьма, барий, стронций и селен.

3. Формирование химического состава хлоридных магниево-кальциевых и хлоридных кальциево-натриевых подземных вод, нетипичных для зоны активного водообмена, в условиях влияния отходов разработки солей ВКМС, происходит под влиянием процесса катионного обмена между жидкой фазой рассолов хлоридного натриевого состава и твёрдой фазой вмещающих терригенных пород.



1. Характеристика Верхнекамского месторождения солей

Общие сведения о месторождении. Верхнекамское месторождение калийных солей (ВКМС) - крупнейшее разрабатываемое месторождение калийных солей в России, до введения в строй Гремячинского ГОКа в Волгоградской области в течение многих лет остающееся единственной и основной базой калийной промышленности РФ. На месторождении ведется добыча как сильвинитовой руды, используемой для производства удобрений, так и карналлитовой породы (получение искусственного карналлита для магниевой промышленности), а также рассолов (сырье для производства соды).

ВКМС занимает второе место в мире по запасам калийной руды. Предприятия, эксплуатирующие месторождение, занимают второе место в мировом калийном производстве (Rauche, 2015). Геологические запасы месторождения оцениваются по карналлитовой породе в 96 млрд т, по сильвинитам - 113 млрд т, по каменной соли - 4,7 трлн т (Кудряшов, 2013).

Соляная толща месторождения имеет форму линзы площадью около 8,2 тыс. км² и прослеживается в меридиональном направлении на 206 км, в широтном - до 56 км. Внутри контура соляной толщи расположена многопластовая залежь калийно-магниевых солей протяженностью 140 км при ширине до 41 км. Площадь основной части калийной залежи по внешнему контуру составляет 3,7 тыс. км². В пределах калийной залежи выделено 12 детально разведанных участков: Дурыманский, Соликамский, Березниковский, Балахонцевский, Быгельско-Троицкий, Талицкий, Палашерский, Ново-Соликамский, Половодовский, Усть-Яйвинский, Боровской и Южно-Юрчукский. Общая площадь детально разведанных участков составляет 1085 км², или около 30% площади калийной залежи, на остальной площади ВКМС подсчитаны запасы солей категории С2 (Кудряшов, 2013).

В административном отношении месторождение находится в Чердынском, Красновишерском, Соликамском, Усольском и Добрянском районах Пермского края, а также на территориях, подчиненных городам Березники и Александровску. Крупнейшими населенными пунктами, полностью расположенными в пределах ВКМС, являются города Березники и Соликамск, образующие крупную градопромышленную агломерацию

Рельеф района работ по степени расчлененности делится на две орографические зоны: низкую аккумулятивную равнину, включающую в себя долину Камы и участки долин низовий ее притоков до абсолютных отметок +120 м; а также возвышенную денудационную равнину, расчлененную сетью логов, долинами ручьев и мелких рек. Абсолютные отметки рельефа колеблются в пределах от +106 м (урез Камского водохранилища) до +272 м (юго-восток месторождения) (Харитонов, 2002ф).

Рисунок 1.1 - Схема расположения ВКМС

Климат района континентальный. Зима - холодная и продолжительная, с устойчивыми морозами, а лето - теплое и дождливое. Среднегодовая температура воздуха составляет +0,7°С. Самым теплым месяцем является июль, а наиболее холодным - январь. Среднегодовое количество осадков - 600-700 мм при величине годовой испаряемости для территории 400- 450 мм характеризует территорию как зону избыточного увлажнения. Наибольшее количество осадков выпадает в летний период, наименьшее в зимний (с января по март). Устойчивый снежный покров устанавливается в последних числах октября и удерживается до 190 дней. Наибольшей высоты снег достигает в марте: 50 - 60 см, в отдельные годы до 1,0 м. Таяние его происходит с двадцатых чисел апреля по середину мая и зависит от открытости места и экспозиции склона (Харитонов, 2002ф; Кудряшов, 2013).

Глубина промерзания почв, в среднем, не превышает 1,2-1,4 м при максимальной глубине 1,6-2,0 м. Преобладающие направления ветров: летом - северное, северо-западное, а зимой - юго- западное (Харитонов, 2002ф).

Геологическое строение ВКМС. В тектоническом отношении месторождение приурочено к Соликамской впадине Предуральского краевого прогиба. Геологический разрез района ВКМС изучен до глубин 2900-3000 м, вскрытых опорными и нефтепоисковыми скважинами (рис. 2.2). Наиболее древними в рассматриваемом районе являются породы кудымкарской свиты (Vkd) валдайской серии вендского комплекса, представленные алевролитами, аргиллитами и песчаниками. Вскрытая мощность вендского комплекса составила 342 м. Выше залегают отложения девонской, каменноугольной, пермской систем, а также четвертичные отложения. Палеогеновые и неогеновые отложения развиты локально (Кудряшов, 2013).

Рисунок 1.2 - Геологический разрез Соликамской впадины (по А.И. Кудряшову, 2013)

1 - карбонатные и существенно карбонатные отложения; 2 - рифовые постройки; 3 - преимущественно терригенные отложения; 4 - «терригенный клин»; 5 - каменная соль; 6 - калийная залежь; 7 - Всеволодо-Вильвенский надвиг; 8 - по подошве соляной толщи (ОГ С); 9 - по кровле терригенной - а (ОГ АТ) и карбонатной - б (ОГ АК) толщ артинского яруса; 10 - по кровле терригенной пачки визейского яруса (ОГ II); 11 - по кровле терригенной пачки тиманского горизонта (ОГ III); скважины и их номера: 12 - солеразведочные; 13 - нефтяные; 14 - структурные.

Собственно месторождение представлено солями нижнепермской галогенной формации Соликамской впадины, которая включает отложения карнауховской, березниковской свит и нижнесоликамской подсвиты (Шилов и др., 2006).

Карнауховская свита мощностью около 100 м представлена четырьмя чередующимися пачками сульфатных и карбонатных пород.

Березниковская свита состоит из соляной толщи и подстилающей её глинисто-ангидритовой толщи (ГАТ). ГАТ сложена мергелями и аргиллитами, доломитами и, в меньшей степени, известняками, ангидритовой породой, каменной солью, алевролитами, песчаниками. Мощность изменяется от 145 м на западе до 325 м на востоке, в среднем составляя 230 м (Иванов, Воронова, 1975). Соляная толща месторождения подразделяется (снизу вверх) на подстилающую каменную соль (ПдКС), калийную залежь и покровную каменную соль (ПКС).

Подстилающая каменная соль. Каменная соль, слагающая толщу, серая, светло- и темно- серая средне-, крупно- и гигантозернистая, прослоями водяно-прозрачная шпатовая, перистая с глинистыми и глинисто-ангидритовыми прослойками (галопелитового материала). Мощность ПдКС по скважинам достигает 300 м. Примерно в 20 м ниже кровли находится хорошо определяемый пласт «маркирующая глина» (МГ), обнаруженный во всех скважинах.

Калийная залежь представлена серией продуктивных пластов, разделенных каменной солью. По составу продуктивных пластов залежь делится на сильвинитовую и карналлитовую (сильвинит-карналлитовую) зоны. Сильвинитовая зона сложена пластами красных (КрIII, КрII, КрI) и полосчатых (А) сильвинитов, отделенных пластами каменной соли (КрII-КрIII, КрI-КрII, А-КрI). Пласт КрIII разделен двумя пластами каменной соли на три самостоятельных пласта - КрIII^а, КрIII^б, КрIII^в. Мощность сильвинитовой зоны изменяется от 3,3 до 30 м, составляя в среднем 17,4 м. Карналлитовая зона сложена чередующимися пластами калийно-магниевых солей (девять пластов, которые индексируются снизу вверх буквами от Б до К) и каменной соли (восемь слоев - от Б-В до И-К). В основании зоны пласт Б залегает непосредственно на пласте А, образуя единый промышленный пласт АБ. Мощность карналлитовой зоны изменяется от 38 до 80 м, составляя в среднем 53,8 м.

Покровная каменная соль распространена на всей площади участка, за исключением сводов некоторых поднятий. Мощность ПКС варьирует в незначительных пределах (16-22 м), в среднем составляя 20 м. По внешнему облику она заметно отличается от подстилающей: слоистость более тонкая и неровная, прослои часто выклиниваются, структура более мелкозернистая, окраска светлее.

Нижнесоликамская подсвита представлена соляно-мергельной толщей (СМТ), которая распространена по всей площади месторождения. Толща сложена в основном мергелями, глинами и каменной солью. Наиболее типичен мергель серого цвета разных оттенков. Иногда встречаются слои сульфатных пород. Нижняя часть СМТ, содержащая пласты каменной соли, носит название переходной пачки (ПП), её мощность в среднем составляет 20 м. Общая мощность СМТ варьирует от 15 до 160 м (в среднем - 100 м).

Галогенная формация перекрывается верхнесоликамской подсвитой, которая на месторождении представлена терригенно-карбонатной толщей (ТКТ), шешминской свитой, представленной пестроцветной толщей (ПЦТ), а также комплексом палеогеновых, неогеновых и четвертичных отложений.

ТКТ сложена карбонатными породами, алевролитами, песчаниками. Карбонатные породы характеризуются различным содержанием глины - от чистых известняков до известковой глины. Встречаются прослои гипса и ангидрита. Иногда по карбонатным породам развита доломитизация. Мощность ТКТ изменяется от 90 до 170 м.

ПЦТ сложена песчаниками и алевролитами бурыми, зеленовато-серыми и серыми, иногда с маломощными пропластками мергеля и известняка. Мощность ПЦТ изменяется от 0 до 675 м, достигая наибольших показателей в пределах Дуринского прогиба.

Четвертичные отложения представлены болотными, аллювиальными, флювиогляциальными, элювиальными и техногенными образованиями. Болотные отложения, приуроченные к террасе р. Камы, представлены торфами и залегают как на поверхности земли, так и на небольшой глубине (до 5 м). Аллювиальные и флювиогляциальные отложения представлены супесями, суглинками, песками и гравийно-галечниковыми отложениями, элювиальные отложения ? суглинками, глинами и щебнисто-дресвяными отложениями. Общая мощность четвертичных отложений на площади месторождения может достигать 80 м. Техногенные отложения получили распространение в связи с деятельностью человека и представлены насыпными грунтами суглинистого, супесчаного и песчаного состава с включением щебня известняка, обломков кирпичей и древесины. Рассматривая отвалы солеотходов как техногенные отложения, величина мощности этой категории на рассматриваемой территории составит 100 и более метров (Балдин, 1996ф).

химический калийный соледобыча загрязнение водообмен

1.1 Анализ закономерностей и механизмов изменения химического состава подземных вод зоны активного водообмена

Анализ закономерностей и механизмов изменения химического состава подземных вод зоны активного водообмена на территории Верхнекамского месторождения солей проводится по результатам сравнительного изучения гидрохимических условий разрабатываемых участков месторождения (Соликамский, Ново-Соликамский), а также Половодовского участка ВКМС, освоение которого намечено на ближайшую временную перспективу (3-е десятилетие XXI в.). Все изучаемые участки территориально сопряжены и располагаются в центральной части ВКМС, в бассейне р. Усолки. Для оценки закономерностей и механизмов изменения химического состава подземных вод используются обобщённые результаты гидрохимического опробования родникового стока, методика получения которых описана в разделе 3 настоящей работы. Характеристики химического состава подземных вод на территории Половодовского участка, ввиду его удалённости от действующих калийных предприятий и расположению в правобережной части бассейна р. Усолки, принимаются в настоящей работе в качестве условно фоновых значений.

Проблеме трансформации ионного состава природных вод, в том числе и подземных, в районах влияния калийного производства посвящено большое количество исследовательских работ и публикаций (Тютюнова, 1987; Мироненко, 1988; Горбунова, 1990; Бельтюков, 2000; Хайрулина, 2012, 2014, 2017; Otero, 2002: Lucas, 2010 и др.). Основной специфической чертой сырья и продуктов переработки калийного производства является их высокая растворимость. В связи с этим, большинство исследователей отмечают ведущее направление трансформации пресных подземных вод зоны активного водообмена под влиянием калийного производства - обогащение их хлоридами калия и натрия.

Анализ изменения концентраций основных ионов. Результаты изучения химического состава родников верхнесоликамской терригенно-карбонатной подсвиты, проведенные в настоящей работе, в целом, подтверждают указанную тенденцию. Смена преобладающих ионов в подземных водах, происходящая под влиянием объектов калийного производства, иллюстрирована на диаграмме Пайпера (рис. 4.1.). На диаграмму нанесены результаты химического анализа рассолов, отобранных из действующего шламохранилища, а также пробы фильтрата, разгружающегося у подножия солеотвала (маркеры 1, 2). Эти воды представляют собой насыщенные рассолы хлоридного натриевого состава. Усредненный состав пресных подземных вод верхнесоликамской подсвиты, не испытывающих техногенного влияния калийного производства, характеризуется преобладанием ионов кальция и гидрокарбонат-ионов (маркер 3). Обобщенный состав минерализованных родников, разгружающихся в пределах разрабатываемых участков (маркер 4), характеризуется резким преобладанием хлоридов среди других анионов. Катионный же состав значительно более пёстрый, чем у насыщенных рассолов с рудников и пресных вод фонового участка. В этих водах содержание ионов натрия и кальция находится на одинаковом уровне, несколько ниже содержание ионов магния.

Значительное повышение коэффициента вариации показателей общей минерализации и жёсткости в сравнении с фоновыми значениями ярко указывает на техногенную природу роста их значений.

Анализ трансформации ионного состава подземных вод верхнесоликамской подсвиты показывает, что в родниках, разгружающихся в пределах разрабатываемых участков, происходит увеличение концентрации всех исследуемых компонентов, за исключением гидрокарбонатов и нитритов. При этом наибольший рост концентраций выражается в содержаниях катионов калия и натрия, а также хлоридов (в 200-500 раз). Вторую группу (увеличение концентраций в 10-25 раз) образуют катионы аммония, магния и кальция, а также бромиды.

Необходимо отметить, что в связи с отсутствием данных по содержанию бромидов в родниках на территории Половодовского участка, в настоящей работе в качестве фоновых значений использованы результаты сводной характеристики качества воды верхнесоликамской подсвиты по результатам опробования гидрогеологических скважин и родников на всей территории ВКМС, приведенные в отчете по гидрогеологической съемке месторождения (Харитонов, 2002ф). Использование результатов анализов по всем участкам, в том числе и разрабатываемым, привело к некоторому завышению фонового значения содержания бромидов. Для всех вышеуказанных компонентов химического состава, кроме увеличения их концентраций, характерен рост коэффициента вариации (Квар>100 для всех компонентов), что свидетельствует о значительной амплитудной изменчивости значений и присутствии отдельных высоких содержаний. Это является признаком наличия различных по времени и интенсивности воздействия источников поступления компонентов в подземные воды верхнесоликамской подсвиты.

Концентрации нитратов и сульфатов, а также ионов железа характеризуются значительно меньшим ростом (1-3 раза), при этом содержание сульфат-аниона в изученных пробах минерализованных родников относительно стабильно (Квар = 61,9), его рост закономерно происходит с ростом общей минерализации. Наличие отдельных высоких значений характерно только для нитратов и общего железа.

Результаты сопоставления ионного состава фоновых и минерализованных родников, с учетом перечня выявленных элементов-индикаторов воздействия калийной промышленности, приведенного в разделе 1.2. настоящей работы, позволяют сделать следующие выводы о механизме изменения ионного состава подземных вод зоны активного водообмена вблизи калийных предприятий:

1) Основной вклад в трансформацию химического состава пресных подземных вод зоны активного водообмена вносит поступление хлоридов и катионов натрия, источником которых являются объекты складирования отходов калийных производств. Содержание этих компонентов, достигающее максимума в рассолах шламохранилищ и фильтрате с солеотвалов, продолжает определять гидрохимический тип вод и после существенного разбавления, что подтверждается данными изучения родникового стока с территорий предприятий. Содержание ионов калия, также высокое в техногенных рассолах, снижается значительно быстрее, ввиду особенностей его химизма (включение в состав коллоидных комплексов, высокая биогенность). Единая природа поступления этих ионов в состав подземных вод, кроме того, подтверждается высокими значениями парных коэффициентов корреляции между указанными ионами (см. раздел 3, табл. 3.11).

2) Содержание катионов кальция, магния и аммония, по результатам корреляционного анализа, напрямую связано с ростом общей минерализации и содержанием хлоридов, натрия и калия. Этот факт позволяет сделать вывод об общей природе роста их концентраций в изученных родниках. Повышенное присутствие соединений азота может быть связано с их применением в качестве реагентов в технологическом цикле калийных производств (Титков, 1982; Тетерина, 2002; Rauche, 2015 и др.). Кроме роста средней концентрации иона аммония, также зафиксировано увеличение показателя встречаемости (с 11,4 до 38,1%). При изучении динамики содержания ионов кальция и магния обнаруживается отличительная особенность этих ионов - значительный рост относительной доли (в %-экв./дм³) при движении рассолов от источника их поступления к местам разгрузки. Высокие концентрации бромидов также характерны для стоков калийных производств (Тетерина, 2002).

3) Повышенные концентрации нитратов, сульфатов и общего железа также могут быть связаны с влиянием калийного производства. Источником поступления этих веществ в воды родникового стока могут являться утечки жидких отходов производства. Содержание сульфатов в жидких отходах калийного производства может достигать 4-5 г/дм³, что, вкупе с их высокой миграционной способностью, может способствовать росту концентрации этих ионов в подземных водах зоны активного водообмена. Наряду с техногенными причинами, рост содержания сульфатов также может быть вызван и природными факторами - растворением сульфатных минералов и подтоком вод нижнесоликамской подсвиты. Высокое содержание железа в составе глинисто- солевых шламов, а также техногенных стоках предприятий ВКМС отмечается в работах Б.А. Бачурина (2006, 2007). Повышение содержания нитратов может быть связано с процессами окисления соединений аммония. Корреляционный анализ не выявил явной связи содержания этих веществ с минерализацией и концентрацией хлоридов и ионов натрия. При этом, зафиксирован высокий коэффициент корреляции между содержанием катиона аммония и нитратами (R = 0,94).

4) Содержание гидрокарбонат-иона определяется только природными причинами и находится на одном уровне как в родниках на фоновых участках, так и в подземных водах разрабатываемых участков ВКМС. Количество нитритов повсеместно низкое, выявлена обратная корреляционная зависимость их содержания от концентраций сульфатов, хлоридов, натрия, калия и аммония.

Таким образом, гидрохимическими индикаторами воздействия предприятий калийной промышленности на ионный состав подземных вод зоны активного водообмена, по результатам проведенных исследований на территории Верхнекамского месторождения калийных солей, являются хлориды, бромиды, катионы натрия, калия, кальция, магния, аммония. В меньшей степени прослеживается связь воздействия калийных предприятий с увеличением концентраций в подземных водах нитратов, сульфатов и общего железа.

При проведении сравнительного анализа содержания ионов в минерализованных родниках и скважинах режимной сети действующих рудников в отдельных точках наблюдения зафиксировано непропорционально высокое содержание ионов кальция и магния, в некоторых случаях превышающее их содержание в исходных техногенных рассолах.

Обзор исследований химического состава природных вод и рассолов показал, что ведущая роль при формировании хлоридно-кальциевых вод отводится процессам обменной адсорбции (катионного обмена). Для объяснения причин роста концентрации этих ионов в прямо противоположном процессе разбавления насыщенных рассолов, автором были проведены экспериментальные исследования. Основные результаты изложены в опубликованных работах (Белкин, 2016; Belkin, Menshikova, Kataev, 2016) и представлены ниже.

Исследование процессов катионного обмена. Катионный обмен заключается в замещении катионов твёрдой фазы (горной породы) катионами раствора, обладающими большим адсорбционным потенциалом (Гаррелс, 1968; Гедройц, 1975; Кузнецов, 1997; Попов, 2013 и др). Задачей экспериментальных исследований являлось изучение процессов катионного обмена в системе «рассол-порода» в динамическом режиме с использованием образцов пород и рассолов, отобранных в районе действующего калийного производства, с целью объяснения причин высокой концентрации кальция и магния в подземных водах в пределах ореола засоления. Программа экспериментальных исследований, с учётом опыта предыдущих работ (Мироненко, 1988; Кузнецов, 1997), состояла из следующих шагов:

1. Отбор проб грунтов и техногенных рассолов непосредственно с изучаемой территории;

2. Исследование химического состава техногенных рассолов, химического и минерального состава грунтов;

3. Постановка эксперимента по изучению обменных процессов в системе «рассол-порода» в фильтрационных колонках;

4. Повторное исследование вещественного состава грунтов после проведения эксперимента.

Исследования проводились в пределах Балахонцевского участка ВКМС, в окрестностях солеотвала Березниковского калийного рудоуправления №2 (БКПРУ-2). Пробы грунта были отобраны в ходе бурения для производства инженерно-геологических изысканий. Для эксперимента были выбраны грунты из необводненных и незасоленных слоёв.

Исследования минерального и химического состава грунтов производились в Секторе наноминералогии геологического факультета ПГНИУ. Минеральный состав анализировался с применением рентгеновского порошкового дифрактометра D2 Phaser («Bruker», ФРГ). Для поиска минеральных фаз использовалась база данных порошковой дифрактометрии - PDF-2 (выпуск 2010 г.). Содержания минералов определены с помощью программы Topas.

Химический состав проб грунтов был установлен посредством рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) с применением волнодисперсионного рентгенофлюоресцентного спектрометра последовательного типа действия S8 Tiger фирмы «BRUKER». Результаты РФА показали, что химический состав исследованных образцов определяется доминированием кремнеземо-глиноземистых составляющих, существенным содержанием щелочноземельных металлов - прежде всего кальция. Содержания натрия, калия и магния незначительно - первые проценты.

Пробы техногенных рассолов для выполнения эксперимента были отобраны в ноябре 2014 г. непосредственно на изучаемой территории. Местом отбора послужила зона концентрированной разгрузки техногенных рассолов у подножья солеотвала. Количественный химический анализ рассола проводился в Лаборатории гидрохимического анализа кафедры динамической геологии и гидрогеологии ПГНИУ. Фильтрующиеся воды представляют собой сверхкрепкий рассол, в химическом составе которого доминируют ионы Cl^-, Na²⁺ и K⁺.

Совместно с отобранным техногенным рассолом при проведении исследований обменных процессов в системе «грунт-рассол» в фильтрационных колонках использовался модельный водный раствор хлоридов натрия и калия, изготовленный в лабораторных условиях. Соотношение и концентрации солей натрия и калия соответствуют техногенным рассолам, минерализация была уточнена дополнительными методами.

Исследования обменных процессов в системе «рассол-порода» проводились в стеклянных колонках (внутренний диаметр - 65 мм, высота рабочей зоны - 500 мм), заполненных породой, в которые сверху после предварительного смачивания рассолом (в течение 12 часов) с контролируемой скоростью не более 20 мл/час подавался модельный раствор хлорида натрия, соответствующий по концентрации солей рассолам, разгружающимся в основании солеотвала. В другую группу колонок подавался реальный рассол, отобранный в основании солеотвала. В колонки помещались породы (2-2,5 кг), предварительно измельченные до дресвяно- щебнистого размера по аналогии с обводненными разностями геологического разреза (дисперсность 0,1-10 мм). Вытекающий рассол (фильтрат) периодически анализировался на содержание кальция - в первые 2-3 дня эксперимента анализ проводили каждые 12 часов, в дальнейшем - каждые 24 часа. Общая продолжительность эксперимента с модельным рассолом - 192 часа (8 суток), эксперимента с техногенным рассолом - 240 часов (10 суток).

Полученный после взаимодействия с породой раствор анализировался на содержание ионов кальция, магния, натрия и калия. Срок проведения эксперимента - до завершения процесса ионного обмена. После проведения экспериментов произведено повторное исследование вещественного состава разновидностей грунта с применением рентгенофлуоресцентного анализа.

Результаты эксперимента по фильтрации модельного рассола в колонках, заполненных образцами пород, показали снижение концентраций щелочных металлов (калия и натрия) и закономерный рост концентраций щелочноземельных металлов (кальция и магния) (рис. 4.3, а). Эксперимент по фильтрации техногенного рассола в целом подтвердил результаты, полученные в опыте с модельным рассолом. Анализ фильтрата после эксперимента показал снижение концентраций ионов калия и натрия и соответственный рост содержания кальция (рис. 4.3, б.). Содержание магния в техногенном рассоле после взаимодействия с образцами пород существенного изменения не претерпело, что, по-видимому, связано с низкой концентрацией магния в исследованных образцах грунтов.

Изучение изменений химического состава твёрдой фазы (образцов грунтов) рентгенофлуоресцентным анализом позволило установить обратные изменения концентраций щелочных и щелочноземельных металлов по сравнению с жидкой фазой (рассолами) (рис. 4.4.). Содержание калия (охарактеризовано по оксиду К2О) и натрия (по Na2O) в образцах породы после эксперимента выросло, а содержание кальция (по СаО) - закономерно снизилось. Содержание магния (по MgO) в твердой фазе после экспериментов как с модельным, так и с техногенным рассолом существенно не изменилось.

Таким образом, результаты экспериментов на реальных объектах территории Верхнекамского месторождения солей (образцах пород и рассолов с шахтного поля БКПРУ-2), подтверждают наличие ионообменных процессов между твердой фазой пород и жидкой фазой рассола. В состав насыщенных рассолов переходят кальций и магний, при дальнейшем разбавлении формирующие подземные воды нетипичного для данной территории хлоридного магниево-кальциевого и кальциево-натриевого состава, обменные натрий и калий входят в состав грунтов.

С точки зрения ионообменных процессов, появление высоких концентраций хлорида кальция в подземных водах, можно объяснить следующими зависимостями:

2NaCl (рассол) + Ca²⁺ (адс.) = CaCl2 (рассол) + 2 Na⁺ (адс.) MgCl2

(рассол)+ Ca²⁺ (адс.) = CaCl2 (рассол)+ Mg²⁺(адс.)

Результаты проведённых экспериментальных исследований позволяют объяснить высокие концентрации кальция и магния в подземных водах зоны активного водообмена, находящихся под влиянием предприятий калийной отрасли.



2. Методы очистки сточных вод

В реках и других водоемах происходит естественный процесс самоочищения воды. Однако он протекает медленно. Пока промышленно- бытовые сбросы были невелики, реки сами справлялись с ними. В наш индустриальный век в связи с резким увеличением отходов водоемы уже не справляются со столь значительным загрязнением. Возникла необходимость обезвреживать, очищать сточные воды и утилизировать их.

Очистка сточных вод - обработка сточных вод с целью разрушения или удаления из них вредных веществ. Освобождение сточных вод от загрязнения- сложное производство. В нем, как и в любом другом производстве имеется сырье (сточные воды) и готовая продукция (очищенная вода)

Методы очистки сточных вод можно разделить на механические, химические, физико-химические и биологические, когда же они применяются вместе, то метод очистки и обезвреживания сточных вод называется комбинированным. Применение того или иного метода в каждом конкретном случае определяется характером загрязнения и степенью вредности примесей.

Сущность механического метода состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляются механические примеси. Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, септиками, навозоуловителями различных конструкций, а поверхностные загрязнения - нефтеловушками, бензомаслоуловителями, отстойниками и др. Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60-75% нерастворимых примесей, а из промышленных до 95%, многие из которых как ценные примеси, используются в производстве.

Химический метод заключается в том, что в сточные воды добавляют различные химические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химической очисткой достигается уменьшение нерастворимых примесей до 95% и растворимых до 25%

При физико-химическом методе обработки из сточных вод удаляются тонко дисперсные и растворенные неорганические примеси и разрушаются органические и плохо окисляемые вещества, чаще всего из физико-химических методов применяется коагуляция, окисление, сорбция, экстракция и т.д. Широкое применение находит также электролиз. Он заключается в разрушении органических веществ в сточных водах и извлечении металлов, кислот и других неорганических веществ. Электролитическая очистка осуществляется в особых сооружениях - электролизерах. Очистка сточных вод с помощью электролиза эффективна на свинцовых и медных предприятиях, в лакокрасочной и некоторых других областях промышленности [19].

Загрязненные сточные воды очищают также с помощью ультразвука, озона, ионообменных смол и высокого давления, хорошо зарекомендовала себя очистка путем хлорирования.

Среди методов очистки сточных вод большую роль должен сыграть биологический метод, основанный на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов. Есть несколько типов биологических устройств по очистке сточных вод: биофильтры, биологические пруды и аэротенки.

В биофильтрах сточные воды пропускаются через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой. Благодаря этой пленке интенсивно протекают процессы биологического окисления. Именно она служит действующим началом в биофильтрах.

В биологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все организмы, населяющие водоем.

Аэротенки - огромные резервуары из железобетона. Здесь очищающее начало - активный ил из бактерий и микроскопических животных. Все эти живые существа бурно развиваются в аэротенках, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего в сооружение потоком подаваемого воздуха. Бактерии склеиваются в хлопья и выделяют ферменты, минерализующие органические загрязнения. Ил с хлопьями быстро оседает, отделяясь от очищенной воды. Инфузории, жгутиковые, амебы, коловратки и другие мельчайшие животные, пожирая бактерии, неслипающиеся в хлопья, омолаживают бактериальную массу ила

Сточные воды перед биологической очисткой подвергают механической, а после нее для удаления болезнетворных бактерий и химической очистке, хлорированию жидким хлором или хлорной известью. Для дезинфекции используют также другие физико-химические приемы (ультразвук, электролиз, озонирование и др.)

Биологический метод дает большие результаты при очистке коммунально-бытовых стоков. Он применяется также и при очистке отходов предприятий нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, производстве искусственного волокна.



3. Очистка рудничных шахтных вод

Очистка шахтных рудничных вод состоит из нескольких этапов:

· Отстаивание (безреагентное и с применением реагентов).

· Осветление в слое взвешенного осадка.

· Фильтрование.

· УФ-обеззараживание.

Отстаивание

Очистка рудничных вод заключается, в первую очередь, в отстаивании и седиментации взвешенных частиц.

Рисунок 3 - Отстаивание и седиментация взвешенных частиц

Без использования реагентов отстаивание осуществляется в прудах-отстойниках. Последовательное отстаивание в трёх прудах в течение 10 лет позволяет снизить содержание взвешенных веществ до 30-50 мг/л. Пруды-отстойники могут служить единственным этапом очистки, если не существует повышенных требований к качеству воды по взвешенным веществам.

В качестве предварительного этапа очистки шахтных рудных сточных вод служит безреагентное отстаивание в горизонтальных секционныхе, вертикальных и тонкослойных отстойниках, в которых шахтные воды содержатся не менее 6 часов.

При реагентном отстаивании параллельно происходит их очистка от сопутствующих примесей. Для этих целей применяют разного рода реагенты, приводящие к следующим результатам:

1. Осаждение тяжелых металлов с помощью гидроксидов железа и гидросиликатов магния.

2. Образование нерастворимых карбонатов и осаждение ценных металлов с помощью диоксида углерода в кислых шахтных водах, так называемая СО2-минерализация.

3. Нейтрализация кислых шахтных вод карбонатом натрия с образованием небольшого осадка в виде цемента, на который адсорбируются тяжелые металлы.

3.1 Осветление в слое взвешенного осадка

Следующим этапом является осветление в слое взвешенного осадка с применением реагентной обработки. В качестве реагентов применяют сульфат алюминия. Шахтные сточные воды после добавления коагулянта поступают в воздухоотделитель, где в течение часа происходит отделение пузырьков воздуха, образовавшихся в результате коагуляции.

В осветлителе рудничные сточные воды подаются снизу вверх и проходят через слой взвеси, ранее отделившейся от шлама. Взвешенный осадок находится в состоянии динамического равновесия вследствие сохранения баланса скорости восходящего потока и скорости осаждения хлопьев осадка. В результате происходит захват частиц и осветление воды. Эффективность очистки составляет по взвешенным веществам 10-15 мг/л.

Фильтрование

Фильтрование считается методом глубокой очистки рудных сточных вод. Принцип очистки заключается в пропускании сточных вод через зернистую или пористую загрузку. Для эффективности фильтрования в стоки должны содержать минимальное количество взвешенных веществ.

Применение реагентов позволяет повысить качество очистки и ускорить процесс фильтрования. В качестве реагентов используют сернокислый алюминий и полиакриламид. Иногда применяют хлористое железо, известь.

УФ-обеззараживание

Финишным этапом очистки рудничных шахтных вод является освобождение их от патогенных микроорганизмов и бактериальных примесей. Наиболее эффективным способом является обеззараживание с помощью ультрафиолетового излучения, которое уничтожает до 95-97% биологических загрязнений.

Рисунок 3.1 - УФ-обеззараживание

После установки УФ-обеззараживания сточные рудные шахтные воды соответствуют требованиям сброса в водоем.

3.2 Технологическая схема очистки шахтных рудных вод

При разработке технологической схемы очистки рудных шахтных вод следует учитывать расход сточных вод, климатические условия месторождения, расположение шахты или карьера. Важную роль играют требования, предъявляемые к очистке стоков. Использование тех или иных этапов очистки зависит от дальнейшего использования очищенной воды:

· пылегашение;

· технологические нужды предприятия;

· хозяйственно-бытовое использование;

· сброс на рельеф или в водоем.

Рисунок 3.1.2 - Технологическая схема с применением блочно-модульных ЛОС

В ряде действующих месторождений по добыче руды была применена современная технологическая схема многоступенчатой очистки сточных вод на блочно-модульных очистных сооружениях типа Argel или Векса из армированного стеклопластика. Такая схема показала на практике высокую эффективность, позволяя очистить рудные шахтные воды от множества загрязнений и "хвостов" до требований сброса в водоем.

Блочно-модульные очистные сооружения включают в себя блоки:

· механической очистки;

· тонкослойного отстаивания;

· коалесцентной сепараци;

· фильтров сорбционной очистки;

· УФ обеззараживания.

Рисунок 3.1.3 - Блочно-модульные очистные сооружения



Заключение

Разработка калийных месторождений и переработка калия представляют собой экономически важную и развивающуюся отрасль народного хозяйства. Наиболее распространёнными и промышленно важными калийными месторождениями являются залежи твердых ископаемых солей хлоридного состава. Именно они являются основными поставщиками сырья для производства главного товарного продукта - калийных удобрений.

Калийное производство сопряжено с большим количеством образующихся отходов. Преобладающую их часть складируют в поверхностных хранилищах. Отличительной особенностью отходов является их высокая растворимость, что в условиях гумидного климата приводит к нарушению гидрохимических условий приповерхностной гидросферы. В связи с этим, совершенствование методов оценки степени влияния отходов предприятий калийной промышленности на состав подземных вод зоны активного водообмена, имеет высокое значение. В настоящей работе, на основании проведенного анализа условий разработки крупнейших месторождений калийных солей, показано, что применение сходных технологий добычи, переработки сырья, складирования отходов, определяемых составом руд, общность климатических условий территорий расположения крупнейших калийных производств, ведут к схожим техногенным изменениям в химическом составе природных вод и преобладающему накоплению в них определённого перечня химических элементов.

В результате исследований трансформации химического состава подземных вод зоны активного водообмена, проведенных в пределах Верхнекамского месторождения солей, предложен комплекс гидрохимических показателей, определяющих влияние объектов калийной промышленности на химизм водоносных горизонтов надсолевой толщи.