Сточные воды и условия их образования на карьерах

Разработка месторождений полезных ископаемых приводит к количественному и качественному истощению водных ресурсов. Основные причины качественного истощения водных ресурсов - это их загрязнение и засорение.

Под загрязнением вод понимают их насыщение вредными веществами в таких количествах или сочетаниях, в результате чего ухудшается качество вод и водный объект признается загрязненным в соответствии с принятыми нормами.

Под засорением вод имеют в виду поступление в водоем посторонних не растворимых в воде предметов, не изменяющих качество воды, но влияющих на качественное состояние русел водоемов.

Основными источниками загрязнения и засорения вод являются промышленные и бытовые сточные воды, под которыми понимаются воды, использованные на бытовые или производственные нужды и получившие при этом дополнительные примеси, изменившие их первоначальный химический состав или физические свойства, а также воды, стекающие с территорий населенных пунктов, промышленных предприятий и сельскохозяйственных полей в результате выпадения атмосферных осадков.

В зависимости от происхождения воды и качественных характеристик примесей сточные воды разделяются на три основные категории: бытовые (хозяйственно-фекальные), производственные (промышленные), атмосферные.

К бытовым относятся воды душевых, бань, прачечных, столовых, туалетных комнат, а также хозяйственные воды, используемые при мытье помещений.

Атмосферные воды образуются в результате выпадения атмосферных осадков. Их подразделяют на дождевые и талые.

К производственным сточным водам относятся воды, использованные в технологических процессах и уже не отвечающие требованиям, которые предъявляются этими процессами к их качеству, а поэтому подлежащие удалению с территорий предприятий. К ним относятся также поверхностные и подземные воды, откачиваемые на поверхность земли при добыче полезных ископаемых. Среди них различают в зависимости от способа добычи шахтные и карьерные, а также дренажные воды, образуемые при осушении шахтных и карьерных полей.

Под влиянием загрязняющих веществ в водных объектах происходят первичные, вторичные и третичные изменения.

Первичные изменения возникают при прямом воздействии загрязняющих веществ на водные объекты. Выражаются они в изменении физико-химических и биологических свойств воды, ее состава, температуры, годового режима и других условий обитания гидробионтов.

Первичные изменения в дальнейшем усиливаются сложной цепью вторичных изменений, возникающих при взаимодействии загрязняющих веществ друг с другом или с составными частями воды, в результате чего образуются новые вещества, отрицательно влияющие на водные организмы. Могут жить и бродить донные отложения с образованием токсичных веществ, усиливаться или ослабляться ход биологических процессов в воде и грунтах и процессы самоочищения воды и минерализации и т.д. Все это приводит к дальнейшему ухудшению гидрохимического режима и невозможности использования воды для питьевых, культурно-бытовых целей, технического водоснабжения, а также к резкому ухудшению условий обитания водных организмов.

Вследствие этих изменений нарушается сложный комплекс взаимосвязей гидробионтов с внешней средой и взаимоотношения между обитающими в водоеме организмами, может нарушаться весь жизненный цикл развития. Начинают распадаться биоценозы вследствие изменения чувствительных к загрязнению организмов и замены их малочувствительными. Все это приводит обычно к понижению биологической продуктивности водоемов, а порой и к полному уничтожению рыбных запасов. Все эти изменения относятся к третичным.

Сброс нагретых вод в водоемы вызывает термическое (тепловое) загрязнение воды.

Установлено, что температура воды, близкая к 30°С, оказывает отрицательное действие на большинство водных организмов (кроме теплолюбивых видов), прекращая их рост, питание и размножение, а дальнейшее повышение температуры вызывает их гибель. В летний период происходит массовое цветение подогретой воды, зарастание мелководий. Накопление в подогретой зоне органических веществ и их последующее размножение, помимо усиления минерализации воды, приводит к уменьшению количества растворенного кислорода. При повышении температуры воды возможно недостаточное насыщение кислородом глубинных слоев и образование анаэробных зон, что может привести к массовой гибели придонных организмов и в первую очередь рыб. Побочный фактор термического загрязнения - усиление токсичного действия большинства вредных примесей воды при повышении ее температуры.

В горных выработках обычно присутствует вода, поступающая из массива и с поверхности Земли. Эти воды обычно сильно загрязнены и, если они без соответствующей очистки попадают в естественные водоемы или водоносные горизонты, тосами становятся загрязнителями. Некоторые полезные ископаемые и твердые отходы горного производства (включая вскрышные породы) при открытом хранении под действием атмосферных осадков могут растворяться и загрязнять природные открытые водоемы и подземные воды. Существенное изменение состава природных вод может происходить в результате неорганизованного сброса карьерных или дренажных вод.

В большинстве случаев подземные воды в природных условиях обычно пригодны для питьевого и бытового водопользования. Однако в некоторых случаях даже незначительное снижение уровня пресных подземных вод, водоносный горизонт которых имеет связь с минерализованными или химически загрязненными водами, может нарушить сложившееся гидрохимическое равновесие. Степень влияния зависит от фильтрационных свойств пород, гидрогеологических структурных условий района месторождения, условий питания водоносных горизонтов, режима работы дренажных устройств и т.п.

Атмосферные осадки, выпадая на промплощадки, отвалы, откосы и площадки уступов, образуют дождевые или талые сточные воды.

Сточные воды карьеров формируются в основном из карьерных, дренажных и атмосферных сточных вод. При использовании гидравлических способов разработки и переработки полезных ископаемых значительных объемов достигают технологические сточные воды. В больших объемах используется вода для обогащения полезных ископаемых. Водопритоки в горные выработки могут достигать больших величин. Например, на карьерах Соколовско-Сарбайского ГОКа притоки подземных вод достигают 1600-3000 м3/ч, по Кривбассу - 2600-3300 м3/ч.

Притоки воды в открытое карьерное пространство зависят от развития горных работ и характера ресурсов подземных вод. С увеличением площади отработанного пространства при значительных динамических ресурсах подземных вод водопритоки растут, при ограниченных динамических ресурсах - остаются постоянными, при статических запасах - уменьшаются со временем. С увеличением водопритоков происходит изменение состава карьерных вод.

Обводненность карьеров характеризуется величиной среднегодовых водопритоков и коэффициентом водообильности, представляющим отношение водопритоков к производственной мощности горного предприятия. Эти величины изменяются в достаточно широких пределах. Например, среди угольных бассейнов наибольшей обводненностью отличается Прибалтийский бассейн горючих сланцев, а наименьшей - Экибастузский бассейн (табл.5.5).

Таблица 5.5

Характеристика обводненности основных угольных и сланцевых бассейнов и месторождений

Бассейн	Водоприток, м /ч			Коэффициент водообильности, м /т
	минимальный	максимальный	средневзвешенный
Днепровский	20	1250	640	4,8
Кузнецкий	40	1400	400	2.2
Подмосковный	110	2800	950	10,5
Прибалтийский	400	7080	1590	4,1
Челябинский	80	260	160	0,7
Экибастузский	55	250	150	0,15
Месторождения: Средней Азии Приморья Сахалина	30 140 350	3500 370 450	710 255 445	8 1,4 7,2

Прогноз притоков подземных вод в горные выработки в динамике развития горных работ может выполняться методами гидрогеологических аналогий, позволяющих определить общий приток воды в карьер на основе сравнений, например, глубины и площади отработки:

, (5.13)

где Q, Q1 - соответственно прогнозируемый и фактический притоки;

F, F1 - площадь карьера на уровне дневной поверхности соответственно на расчетный и фактический период времени;

Н, H1 - соответственно ожидаемая и фактическая глубина разработки.

В процессе осушения месторождения и откачки воды из карьера происходит кроме количественного истощения запасов подземных вод загрязнение и засорение водных объектов веществами, содержащимися в сточных водах, откачиваемых из карьера.

Состав и свойства карьерных вод зависят в основном от условий их образования и источников загрязнения. Одним из главных факторов, определяющих условия их образования, является геогидродинамическая зональность подземных вод, в соответствии с которой они разделяются по глубине на верхнюю, среднюю и нижнюю зоны. В верхней зоне с активным водообменом расположены грунтовые и артезианские воды при наличии активной циркуляции воды между водоносными горизонтами. В верхней части этой зоны преобладают маломинерализованные пресные гидрокарбонатные воды, а с увеличением глубины они переходят обычно в гидрокарбонатно-сульфатные. В средней зоне расположены воды с высокой минерализацией, образующиеся путем смешения инфильтрационных вод с водами засоленных слоев морских осадков. В средней зоне встречаются сульфатные, натриево-кальциевые и гидрокарбонатные натриевые воды, переходящие в хлоридно-гидрокарбонатные и натриевые. В нижней зоне с застойным водообменом обычно расположены хлоридные воды с концентрацией рассолов.

Кроме того, химический состав карьерных вод определяется активностью выщелачивания и окисления минералов горных пород, вызванных изменениями в процессе строительства и эксплуатации карьера.

Состав и свойства карьерных вод изменяются в очень широком диапазоне в пределах как одного и того же месторождения, так и в границах одного и того же карьерного поля. Одним из основных показателей состава карьерных вод является их минерализация, представленная ионами хлоридов, сульфатов, гидрокарбонатов кальция, магния, натрия и других элементов. По данным ВНИИ О Сугля 5% угольных шахт и разрезов имеют минерализацию до 1 г/л, 22% - 1-2 г/л, 69% - 2-7 г/л, 3% - 7-20 г/л и менее 1 % - свыше 20 г/л. Пресные воды распространены в основном в Кузнецком, Печорском и Прибалтийском бассейнах, солоноватые и сильносолоноватые - в Карагандинском и Донецком бассейнах.

Воды шахт и разрезов Подмосковного, Кузнецкого, Печорского и Прибалтийского бассейнов обладают умеренной жесткостью, а Кизеловского и Донецкого бассейнов - повышенной.

К числу основных загрязнений карьерных вод относятся взвешенные вещества, представленные частицами полезного ископаемого и вмещающих пород разной крупности. Органические загрязнения представлены фенолами и нефтепродуктами. Содержание фенолов обычно невелико - 0,001-0,01 мг/л. Источниками фенольного загрязнения на угольных разрезах являются процессы окисления и самовозгорания углей, горючесмазанные материалы при попадании их в воду, загрязненный фенолами атмосферный воздух. Содержание нефтепродуктов также колеблется в очень широких пределах - 0,01-13 мг/л. В отдельных случаях наблюдается также превышение содержания микроэлементов: по кадмию в 3-11 раз, по никелю в 2-18 раз, по меди в 10-20 раз, по цинку в 2-200 раз, по хрому в 5-123 раза, по кобальту в 2-27 раз, по марганцу в 2-200 раз и т.д. Бактериальная загрязненность карьерных вод также изменяется в очень широких пределах, и их колииндекс колеблется от 1 104 до 1 107.

Наиболее мощными (в количественном и качественном отношении) источниками загрязнения водных ресурсов являются обогатительные фабрики, хвостохранилища, шламохранилища, испарители и другие промышленные объекты. Результаты химического анализа проб технологической воды на обогатительной фабрике Лебединского ГОКа показали, что в процессе обогащения руды происходит увеличение содержания железа и нитритных ионов (NO3) не только в водах фабрики, но и в воде хвостохранилища. Прогноз показывает, что в будущем концентрация NO3" в водах хвостохранилищ будет составлять 39-45 мг/л, т.е. достигнет значений, предельно допустимых нормами санитарно-бытового водопользования (44 мг/л). Фильтрационные потери вод обусловят загрязнение подземных вод верхнего комплекса. Вследствие фильтрационных потерь из хвостохранилищ в потоке подземных вод образуются три зоны. В ближайшей к хвостохра нилищу зоне концентрация NO3" и всех остальных компонентов в подземных водах равна их содержанию в водах хвостохранилища. Максимальные радиусы этой зоны составят 2330-4350 м в направлении к дренажи ым системам карьеров, а для остальных направлений не превысят 1500 м. Ширина второй зоны, где содержание нитратных ионов меньше, чем в хвостохранилище, 240-800 м. Третья зона, где содержание нитритных ионов равно нулю, располагается на расстоянии в среднем 1800-2200 м, а в направлениях к карьерам - на расстоянии 5100м.

В хвостах обогатительных фабрик руд цветных металлов находятся такие загрязнители, как мышьяк, цинк, свинец, цианиды и т.д.

В сточных водах углеобогатительных фабрик помимо твердых частиц содержатся растворенные минеральные соли, представленные хлоридами, нитратами, нитритами, сульфатами, карбонатами и др. Кроме того, в них присутствуют остатки флотореагентов, которые частично растворены в воде, частично сорбированы на взвешенных веществах. Кроме карьерных и технологических сточных вод достаточно большой ущерб природной среде наносят атмосферные (ливневые) воды, которые смывают и выносят много загрязняющих и вредных веществ. Кроме того, они загрязняются и за счет сорбирования из атмосферного воздуха вредных веществ атмосферными осадками.

Приток атмосферных вод в карьерные выемки определяется по формуле:

, м3/год (5.14)

где Нвс - средний слой весеннего стока, мм;

F - площадь водосбора, га;

Н0 - среднее годовое количество осадков, мм;

K1, k2 - коэффициенты, учитывающие объем дождевых и талых вод, направляемых на очистные сооружения.

Основными загрязняющими веществами атмосферных вод являются взвешенные вещества (от 300 до 30000 мг/л), нефтепродукты (до 5000 мг/л), фенолы (до 0,1 мг/л), а минерализация составляет 200-3500 мг/л. Содержание взвешенных веществ в дождевых водах, стекающих с породных отвалов углеобогатительных фабрик, достигает 11700 мг/л и в талых водах - 47000 мг/л, а общее солесодержание составляет 7550 мг/л. Поверхностные сточные воды ОФ содержат в основном взвешенные вещества (до 2500 мг/л), минеральные соли (до 5000 мг/л) и нефтепродукты (до 7,5 мг/л). Содержание вредных компонентов в ливневом стоке фабрик Кузбасса: взвешенные вещества - 15000 мг/л; флотореагенты - 440 мг/л; нефтепродукты - 500 мг/л. Средний объем поверхностных стоков составляет 2,6-4,0 тыс.м3/год с 1 га промплощадки фабрики.

Бытовые сточные воды отличаются относительным постоянством состава и свойств в отличие от карьерных вод. Минерализация бытовых сточных вод обычно находится в пределах 1 г/ л. Основными загрязняющими веществами являются минеральные вещества в виде частиц почвы, песка и растворенных солей, а также органические в виде остатков пищевых продуктов, бумаги, физиологических выделений людей, мыла, синтетических моющих средств и пр.

Содержание взвешенных веществ в бытовых сточных водах колеблется в широких пределах - от 100 до 600 мг/л и более. Им свойственна довольно высокая загрязненность нефтепродуктами и фенолами, содержание которых составляет 1-5 и 0,1-0,2 мг/л соответственно. Отмечается также высокая бактериальная загрязненность.

Содержание органических веществ по сравнению со сточными бытовыми водами населенных пунктов сравнительно невысокое (БПК20 = 100-150 мг/л).