1. Введение

Анализ литературных данных позволяет сделать вывод, что изучение применения высокоселективных сорбентов для очистки карьерных вод активно развивается только последние 5 лет и является перспективным направлением исследования. Как правило, все ранее проведенные исследования основаны на установлении селективности и эффективности собственно сорбционных загрузок, а компоновка сорбционно-фильтрационных массивов практически не освещена в научной литературе и современных публикациях.  Так, в работах Е.Б. Стрельбицкой и А.П. Соломиной представлены методы очистки дренажно-сбросных вод и варианты использования определенных конструкций сорбционно-фильтрующих узлов в составе локальных очистных сооружений на гидромелиоративных системах Нечерноземной зоны Российской Федерации и их основные технические характеристики [1]. В научных работах Родькиной И.А. и Самарина Е.Н.  изложены результаты исследований эффективности применения брусит-содержащих грунтов в качестве сорбционных фильтрующих барьеров по отношению к стронцию и сурьме, но также не рассматриваются целостные очистные сооружения для сбора и кондиционирования карьерных стоков [2]. В связи с малой изученностью эффективных методов очистки карьерных многокомпонентных стоков рассматриваемая тема исследования, направленная на решение экологических проблем регионов присутствия предприятий горно- и угледобывающих отраслей, является актуальной. Предложенные технические и технологические решения безусловно снижают угрозу для окружающей среды и здоровья человека, а также представляют собой современные подходы и технологии в этой области и указывают на перспективы использования высокоселективных сорбентов для улучшения процессов очистки сточных карьерных вод. Основной целью таких исследований является выявление потенциала применения высокоселективных сорбентов в качестве эффективного и экологически безопасного способа обработки карьерных вод [1], [2].

При очистке сточных карьерных вод, образующихся на предприятиях горно-обогатительного и угледобывающего комплексов, широко используются зумпфы и пруды-отстойники, которые не способны обеспечить требуемое качество очистки многокомпонентного стока (карьерная, шахтная, подотвальная, поверхностная вода) ни в соответствии с требованиями приказа Минсельхоза РФ № 552 от 13.12.2016 г., ни с требованиями СанПиН 2.1.3685-21, ни с требованиями к технической оборотной воде. Кроме того, исходя из обобщенного состава сточных (карьерных, шахтных, подотвальных) вод обогатительных комбинатов и угледобывающих предприятий, можно отметить следующие особенности:

1) неравномерность расхода сточных вод, обусловленная формированием карьерного стока как притоком подземных вод, так и смешением со сточными поверхностными (дождевыми и талыми) водами, зависящими от периода года и объемов выпадающих осадков; 

2) нестабильные концентрации загрязняющих веществ, выявленные в период годового мониторинга, а именно диапазоны концентраций у ряда поллютантов, таких как взвешенные вещества, аммоний-ион, нитрат-ион, нитрит-ион, медь, марганец, мышьяк, молибден лежат в пределах от 0 до 10 ПДК установленных нормативов (согласно приказа Минсельхоза РФ №552 от 13.12.2016 г.);

3) высокая концентрация жесткости и минерализации воды сточных вод требуют точного контроля диапазона pH для эффективной очистки. Это также важно для выбора оборудования и установления режимов очистки с возможной коррекцией pH поэтапно (например, переход от щелочных режимов к кислотным и нейтрализации стока).

Из экономической перспективы, изменение текущей системы очистки многокомпонентного стока карьерных вод является необходимым для достижения нужных водных параметров для повторного использования или выпуска в водоемы с акцентом на рыбное хозяйство. Исследование предлагает оптимизировать стандартную систему перелива путем интеграции фильтрационного блока, включающего разделительные и фильтрационные элементы габиона, а также использование фильтрующих материалов с высокой сорбционной способностью. Использование габионов в схеме очистки также является более экологически эффективным решением, благодаря естественным процессам фильтрации и депонированию избыточных частиц грунта и органических веществ [3].

Эффективным способом очистки для карьерных вод, характеризующихся значительными колебаниями концентраций химических загрязняющих веществ, значительным объемом образования, и высокими концентрациями взвешенных веществ является комплексный способ, сочетающий механическую очистку в отстойниках, с последующей доочисткой на сорбентах природного происхождения (шунгит, цеолит, угольные сорбенты и др.) [4]. В отстойниках осуществляется осаждение взвешенных веществ, под воздействием гравитационных сил, однако скорость осаждения мелкодисперсной фракции взвеси критично мала (менее 0,25 мм/с) и при прохождении потока воды с расчетными скоростями движения воды в карьерном канале 0,9-1,2 м/с происходит турбулентное движение частиц, являющееся мешающим фактором осаждения. Первично, данную проблему, возможно решить перенаправив поток карьерного стока с использованием следующих технологий:

1) через слой фильтрационно-сорбирующего материала;

2) посредством устройства каскада прудов-отстойников;

3) комбинация каскадного типа прудов отстойников с устройством габионных перегородок.

Использование фильтрационно-сорбционных загрузок возможно в нескольких вариантах: в качестве загрузки на напорных и безнапорных фильтрах, в качестве наполнителя габионных конструкций, в качестве ядра на фильтрующих дамбах. Конструктивные и технологические параметры очистных сооружений карьерных вод и способ использования сорбента определяется при проектировании очистных сооружений, исходя из природных условий расположения карьера, сорбционной емкости выбранного сорбента, объема образующихся карьерных вод и т.д [5], [6].

2. Методы и принципы исследования

ООО «Центр Экологических Технологий» совместно с Испытательной лабораторией строительных материалов и химического анализа воды СФУ (ИЛ СМиХАВ СФУ) разработал Технологический регламент очистки сточных карьерных вод, который может быть тиражирован на аналогичные очистные сооружения угольных и горно-добывающих предприятий путем внедрения и комбинации разных блоков очистки. В результате опытно-промышленных испытаний были внедрены сорбционные фильтрующие кассеты в систему очистки, что продемонстрировало высокую эффективность и подтвердило необходимость внедрения этапа сорбционно-фильтрационной очистки. Для обеспечения ламинарного движения стока в прудах-отстойниках было предложено разместить каскадное устройство на дне отстойника и настроить приемники для стабилизации скорости движения очищаемого стока и ускорения оседания взвешенных частиц.

Интеграция инженерных элементов каскадно-фильтровальных прудов-отстойников позволяет внедрить их в существующую конструкцию стандартного отстойника, обеспечивая эффективную очистку стока. В качестве технологического решения по компоновке схемы очистки карьерных вод предлагается каскадный пруд-отстойник с 2-х рядными габионными фильтрационными перегородками-разделителями между секциями пруда. Между рядами габионов располагается слой сорбционной загрузки [7], [8].

Предлагаемая модернизация технологической схемы пруда отстойника для очистки карьерных вод приведена на рисунке 1.

Использование каскадных структур в пруде-отстойнике способствует преобразованию потенциальной энергии гравитационного поля жидкости в кинетическую энергию ее движения. Перегородки, выполненные из габионов – сетчатых конструкций, заполненных сорбционными материалами – обеспечивают механическое фильтрование и очистку воды в данном технологическом сооружении. Конструкция с применением габионов, изготовленных из материалов Рено, демонстрирует высокую эффективность в удалении крупных загрязнений из воды для более глубокой очистки. Стоит отметить, что данная конструкция легко монтируется без необходимости создания фундамента. Габионы также способствуют снижению мутности и концентрации взвешенных веществ в воде, что в долгосрочной перспективе приводит к повышению качества воды. Кроме того, при строительстве пруда-отстойника с габионами снижается эрозия почвы благодаря стабилизации потока воды, который выходит из водосбросных лотков [9], [10].

Для габионных фильтровальных кассет рекомендуется применять сорбционный материал торговой марки СТК-А, а секции механической очистки заполнить механической фильтрующей загрузкой возможно из керамзита, гравия, крупнозернистого песка (в последнем слое).

3. Основные результаты

Загрузки габионов рассмотрены как набор альтернативных сорбентов. По стандартным методикам определены технические характеристики угольных сорбентов, отраженные в таблице 1. Данные по эффективности очистки от ряда ионов металлов, а также данные по извлечению анионов сорбентами на основе активных углей получены из анализа лабораторных испытаний ИЛ СМиХАВ ФГАОУ ВО СФУ сходных по составу сточных карьерных вод и представлены в таблице 2. Обобщенные данные по сравнению сорбционных характеристик представлены на рисунке 2.

В ходе исследований было выяснено, что использование сорбента марки СТК-А является оптимальным для загрузки габионных фильтров. Этот сорбент сохраняет свои свойства при различных температурах воды, что подается на очистку. Эффективность угольного сорбента СТК-А остается высокой и составляет в среднем 90.16%, что является значимым фактором при работе открытых габионных фильтровально-сорбционных кассет для очистки в сложных природно-климатических условиях.

4. Обсуждение

Использование фильтрационно-сорбционных загрузок возможно в нескольких вариантах: в качестве загрузки на напорных фильтрах (при системе доочистки), в качестве наполнителя кассетных конструкций в перепадных колодцах, в качестве ядра на фильтрующих дамбах. Конструктивные и технологические параметры очистных сооружений карьерных вод и способ использования сорбента определяется при проектировании очистных сооружений, исходя из природных условий расположения карьера, сорбционной емкости выбранного сорбента, объема образующихся карьерных вод и т.д. Регенерация сорбционных загрузок при больших объемах сточных карьерных вод нецелесообразна.

Замена фильтрационно-сорбционных блоков предусматривается по расчетному периоду эксплуатации от 2 до 5 лет, утилизация возможна на территории основного предприятия, тип утилизации – термическое разложение (первичный обжиг угольных сорбентов является стадией регенерации, сжигание сорбентов при температуре от 815 0С и без доступа кислорода приводит к полному озолению, с образованием минеральных отходов IV-V класса опасности по ФККО).

Выбор габионного фильтра с сорбционной загрузкой основан на ряде преимуществ, таких как: простота конструкции, монтажа и эксплуатации, оптимальное использование объема фильтра, экономичность и высокая эффективность очистки воды. Сорбент СТК-А обладает не только микро-, мезо- и макропорами, но и сетью капиллярных пор, что способствует увеличению площади развитой поверхности и увеличению сорбционной емкости материала.

5. Заключение

В результате проведенного исследования были разработаны технологические предложения по внедрению габионных фильтрационных перегородок и техническое решение по использованию сорбционной загрузки на основе сорбента СТК-А, направленные на модернизацию классических прудов-отстойников с целью повышения эффективности очистки стока.

Результаты исследования показали, что использование каскадного пруда-отстойника с габионными фильтрационными перегородками и сорбционной загрузкой на основе сорбента СТК-А позволяет удалить до 98% нефтепродуктов из карьерной воды. Этот метод является эффективным для оборотного водопользования на предприятиях горно-обогатительного и угледобывающего комплексов.

Модификация системы очистки с использованием габионных фильтрационных кассет и каскадного фильтрования представляется обещающим подходом для улучшения экологической ситуации и снижения операционных расходов на предприятиях. Разрабатываемые варианты инженерной модернизации прудов-отстойников могут значительно снизить экологические риски и улучшить эксплуатационные показатели компаний.

Использование габионных фильтрационных перегородок и сорбционной загрузки на основе сорбента СТК-А может стать новым стандартом для промышленных предприятий, стремящихся к устойчивому развитию и соблюдению экологических норм.

The additional file for this article can be found as follows: