Использование шахтного водоотлива для хозяйственно –питьевого водоснабжения г. Кентау
Утепбергенова Л.М.
Аспирант кафедры «Инженерные системы и сети»
Казахский Национальный технический университет имени К.И. Сатпаева e-mail.ru: [email protected]
Международной научно-практической конференции. – Витебск, 2006. – 42-43 бет.
Аннотация. В статье приведены результаты опытно-промышленных исследований технологии очистки подземных и шахтных вод г. Кентау от тяжелых металлов с использование природного цеолита.
Abstract. To the article the results of опытно-промышленных researches of technology of cleaning of underground and mine waters are driven Кентау from heavy metals with the use of natural zeolite.
Ключевые слова: подземная вода, технология очистки воды, жесткость воды.
Город Кентау в Южно-Казахстанской области с численностью населения 55,3 тыс.
человек (на 01.01.2000г.) относящийся к разряду малых городов переживает те же трудности, что характерны для подобных городов постсоветского пространства.
Созданный на базе месторождения полиметаллических руд «Миргалимсай», разработка которой осуществлялось АО «Ачполиметалл».Город после банкротства градообразующего предприятия столкнулся с рядом проблем, одной из которых являлась проблема водоснабжения.
Причиной банкротства АО «Ачполиметалл» в частности явилось то, что разработка месторождения «Миргалимсай» была существенно затруднена сложными гидрогеологическими условиями; общие среднегодовые водопритоки в подземные горные выработки составляют 12,6-12,9тыс.м3/ч, а максимальные достигают 25,5тыс.
м3/ч[1] при площади основания депрессионной воронки около 1500 км2.
Сезонная неравномерность питания трещинно-карстовых вод отражалась в режиме их уровней более резко, чем при естественных условиях. Внутригодовые амплитуды колебания уровней подземных вод возросли около горных выработок до 50-100 м и проявлялись на фоне общего снижения уровня воды под воздействием водоотбора из рудника. В последние годы разработки месторождения отмечалось также снижение пьезометрического напора и дебита самоизлива воды в скважинах, вскрывших водоносный горизонт в меловых песках южнее месторождения.
Затраты на водоотлив в последние годы деятельности АО «Ачполиметалл»
достигли 350-400 млн.тенге в год и обусловили убыточность предприятия. Учитывая этот факт, Кабинет Министров Республики Казахстан в 1994 году принял решение о подготовке проекта консервации рудников Миргалимсайского месторождения.
Однако вследствие резкого ограничения подачи электроэнергии на шахтный водоотлив, в 1998г. и прекращением, в связи с этим, работы насосных станции произошло неконтролируемое затопление рудников.
Общий объем выработанного пространства (до 32 горизонта включительно) составляет 37412 тыс.м3. Всего после подъема уровня подземных вод до горизонта было затоплено 17392 тыс. м3 пространства горных выработок, из которых 5481тыс.м3 заложено твердеющей закладкой. Общая масса затопленной закладки составляла 12,06 млн.т.
Объем горных выработок выше 13 горизонта оценивается в 20081 тыс. м3, из них заложено 1244 тыс. м3, в том числе гидрозакладкой - 902тыс.м3, твердеющей закладкой -342 тыс. м3. Масса незатопленной закладки равнялась 2,74 млн.т.
Согласно утвержденному проекту «Ликвидация рудников Миргалимсайского месторождения выше 13 горизонта» 18 октября 2002г., прекращена работа насосной станции на 13-ом горизонте. Вследствие начатого затопления рудников месторождения Миргалимсай выше 13-ого горизонта встала задача организации и проведения производственного мониторинга подземных вод в процессе ликвидации рудников Миргалимсайского месторождения, затопления горных выработок и восстановления уровней подземных вод, сработанных водоотливом.
По данным химических анализов шахтных вод за 2002-2004 г.г. заметных изменении качества воды не произошло. Минерализация колебалась с 580 до 1300мг/дм3.
Концентрации большинства макро и микрокомпонентов не превышают ПДК для вод питьевого качества. Однако по отдельным компонентам химического состава, таким как кальций и магний обусловливающую общую жесткость наблюдалось превышение ПДК (более 10 ммоль/л). В соответствии с действующими нормативами величина общей жесткости не должна превышать 7,0 моль/л. В отдельных случаях имеет место незначительный проскок свинца, никеля: Рb=0,06-0,1мг/л, Ni=0,13-0,2 мг/л при ПДК по свинцу -0,03мг/л, никелю -0,1мг/л.
Результаты химических анализов шахтных вод
№п/п Компоненты химического состава
ПДК для питьевых вод Данные анализы
1 2 3 4
1 Na (мг/дм3) 200,0 8,2
2 K(мг/дм3) - 1,5
3 Ca(мг/дм3) - 174,2
4 Mg(мг/дм3) - 43,8
5 NH4(мг/дм3) н.о.
Fe***(мг/дм3) 0,3 н.о.
Fe***(мг/дм3) н.о.
CO2(мг/дм3) н.о.
HCO3(мг/дм3) 168,9
Cl(мг/дм3) 350,0 8,0
SO4(мг/дм3) 500,0 425,6
NO3(мг/дм3) 45,0 11,4
NO2(мг/дм3) 3,3 н.о.
F(мг/дм3) 1,2 0,50
I(мг/дм3) - н.о.
Br(мг/дм3) - н.о.
B(мг/дм3) 0,5 0,50
pH 6-9 8,00
Сухой остаток (мг/дм3) 1000 829
Окисляемость (мг О2/ дм3) 5,0 -
SiO2(мг/дм3) - 5,0
Co(мг/дм3) 0,1 0,01
Mn(мг/дм3) 0,1 0,01
Cu(мг/дм3) 1,0 0,01
Ni(мг/дм3) 0,1 0,17
Zn(мг/дм3) 1,0 0,45
Pb(мг/дм3) 0,3 -
Sr(мг/дм3) 7,0 0,60
Mo(мг/дм3) 0,25 0,0025
Cd(мг/дм3) 0,001 -
Цианиды (мг/дм3) 0,035 <0,005
Олеиновая кислота (мг/дм3)
- <0,25
Тиосульфаты (мг/дм3) - <0,04
В связи с этим нами разработана технология очистки и обработки подземных (шахтных) вод Миргалимсая для использования их на хозяйственно-питьевые нужды населения г. Кентау.
Учитывая, что по данным анализа исходная шахтная вода достаточно прозрачна, некарбонатная жесткость превышает карбонатную и нет необходимости глубокого умягчения за основу для сравнения взяты три метода: известково-содовый, одноступенчатый натрий-катионитовый и фильтрование через цеолитовую загрузку.
При известково-содовом умягчении принята технологическая схема, включающая вихревой реактор, осветлитель, скорый фильтр (т.к. [Mg2+]>15мг/л), а также сооружения для хранения, приготовления дозирования и подачи реагентов.
Произведен расчет технологических схем сооружений, а также необходимой дозы реагентов. Весовое количество реагентов – извести и соды, требуемых для умягчения составило: извести -23,7 т/сутки, соды -42,7т/сутки.
Таким образом кроме существенных затрат на технологическое оборудование имеют место и значительные затраты на реагенты.
Технологическая схема катионитового умягчения включает катионитовые фильтры, баки с водой для взрыхления, устройства для хранения, приготовления, дозирования и подачи регенерирующего раствора.
В качестве катионитовой загрузки принят сульфоуголь (сорт СК-1) с полной обменной емкостью Еn=500г-экв/м3; крупностью зерен 0,5-1,2 .Натрий-катионитовой способ умягчения осуществляется по одноступенчатой схеме. Регенерация катионита производится поваренной солью.
Расчетом установлены рабочая обменная емкость Еp=316 г-экв/м3, число регенерации каждого фильтра в сутки -4, количество работающих фильтров -11, суточный расход технической поваренной соли на регенерацию фильтров -18,17т., расход воды на регенерацию фильтров -98,5м3.
Приняты стандартные фильтры типа ФИПа диаметром 3000мм, объемом катионита 17,38м3.
В данном случае имеют место большой расход воды и соли на регенерацию фильтров, и что более всего снижает конкурентоспособность данного метода – значительные объемы образующихся отмывочных вод после взрыхления и регенерации, которые подлежат утилизации.
В связи с этим нам представляется возможным рекомендовать метод фильтрования шахтных (подземных) вод через цеолитовую загрузку.
Природный цеолит-клиноптилолит Чанканайского месторождения – алюмосиликатное минеральное сырье промышленного значения, содержит магний, натрий, железо, алюминий, кремний и кислород, обладает пористой структурой [2].
Способен выделять воду и избирательно (по размерам) вновь впитывать молекулы
различных веществ из газов и жидкостей, а также обменивать катионы. Обладает высокой кислотоустойчивостью, термостойкостью и механической прочностью, в процессе эксплуатации практически не изменяет своих свойств, легко регенерируется.
Выпускается в виде гранул. По сравнению с традиционными зернистыми фильтрующими материалами цеолит обладает более высокой пористостью и удельной поверхностью, высокой грязеѐмкостью, что позволяет удешевить эксплуатационные расходы и повысить производительность фильтров на 20-30%.
Основные физико-химические характеристики цеолитового сырья Наименование Ед. Характеристика Исследовательская
п/п показателя изм. организация
1. Внешний вид Красно-коричневого, ЦНИИ геологии серого цвета нерудных полезных
ископаемых, г. Казань
2 Массовая доля цеолита % 50-84 ЦНИИ ГЕОЛНЕРУД
3. Минеральная форма клиноптилолит -II-
цеолита
4. Твердость по шкале 4,5 -II-
Мооса
5. Сопутствующие ЦНИИ ГЕОЛНЕРУД;
минералы: ЦХЛ ПГО
■ кварц и полевой шпат
% «Южказгеология»
в сумме; 24-30
■ глинистые минералы;
3,0-6,0
■ доломит. 0,5-2,0
6. Массовая доля % -II-
гелеобразующих веществ
0,9-1,8
7. Содержание органики % отсутствует -II-
8. Химический состав: % Цхлпго
SiO2 60-74 «Южказгеология»
А12О3 14-15
TiO2 0,07-0,7
Fe2O, 1,40-5,83
MnO 0,067-0,199
MqO 0,0-2,12
CaO 0,13-6,40
Na2O 0,61-5,45
K2O 0,66-4,03
P2O5 0,012-0,173
H2O 0,0-4,09
9. Отношение SiO2/AL2O3 4,0-5,28 ЦХЛ ПГО «ЮКГ»
10. Кислотоустойчивость % 80-87 ЦНИИ ГЕОЛНЕРУД
11. Емкость поглощения по
мг 0,75-1,25 ЦХЛ ПГО «ЮКГ»
иону аммония экв/г
12. Емкость обменных мг
катионов: экв/г ЦХЛ ПГО «ЮКГ»
Са2+ 0,55-0,63
Mg2+ 0,024-0,070
К+ Na+
0,0035-0,0065 0,025-0,072
13. Суммарная емкость
катионного обмена мг экв/г
0,68-0,70 ЦХЛ ПГО «ЮКГ»
14. Химическая стойкость:
Раствор NaOH
мг/л 0 0,5 0,2
ЦХЛ ПГО «ЮКГ»
15. Насыпная плотность г/см3 1,17-1,32 ЦНИИ ГЕОЛНЕРУД 16. Плотность истинная г/см3 2,18-2,50 ЦНИИ ГЕОЛНЕРУД 17. Плотность кажущаяся г/см3 1,64-1,82 ЦНИИ ГЕОЛНЕРУД 18. Механическая
прочность на раздавливание
кг/см2 150-220 ЦНИИ ГЕОЛНЕРУД
19. Измельчаемость % 2,24-4,18 ЦХЛ ПГО «ЮКГ»
20. Истираемость % 0,07-2,50 ЦХЛ ПГО «ЮКГ»
21. Виброизнос % менее 1 % ЦНИИ ГЕОЛНЕРУД
22. Водостойкость % более 99 % ЦНИИ ГЕОЛНЕРУД
23. Динамическая влагоемкость
% 4,2-5,3 -//-
24. Статическая
влагоемкость при P/Ps 0,11 0,47 0,98
% 3,50-
7,97 4,90- 9,19 7,65- 9,97
-II-
25. Общая пористость по воде
% 25-28 -II-
26. Точка росы С 54-64 -11-
27. Вредные примеси;
Мышьяк (As) Свинец(РЬ) Кадмий (Cd) Фтор (F) Ртуть(H)g
()
%
<0,0 01 0,0005-
0,0008 0,0002 0,02-0,03
<0,00000 5
ЦХЛ ПГО «ЮКГ»
28 Содержание радионуклидов
Соответствует нормам
радиационной безопасности НРБ-76
ЦНИИ ГЕОЛНЕРУД Республиканская СЭС
29 Содержание химических элементов
На уровне
средних значений для кислых
изверженных пород по А.П.
Виноградову, 1962
ЦНИИ ГЕОЛНЕРУД
Учитывая вышеизложенное нами для очистки шахтных (подземных) вод Миргалимсая принята следующая технологическая схема: приемная камера - фильтровальная станция, включающая 10 фильтров, площадью 38,9 м2 каждый, загруженных цеолитом, толщиной слоя - 1,0м, крупностью зерен цеолита 0,6-2,5мм. В качестве поддерживающего слоя принят гравий с крупностью зерен 2-32мм и толщиной слоя 0,6м.
Фильтрованная вода после обработки хлором поступает в резервуар чистой воды. Вода после промывки фильтров подается в резервуары - отстойники, откуда часть воды после отстаивания может быть направлен в реку Баялдыр, а часть сбрасывается с осадком в пруд-накопитель.
Технологические расчеты показали, что для водоснабжения г.Кентау может быть использована подземная (шахтная) вода, прошедшая очистку через цеолитовую загрузку.
Литература
1. Отчет о НИР по теме «Проведение производственного мониторинга за качеством подземных (шахтных) вод в процессе затопления рудников Миргалимсайского месторождения выше 13 горизонта» Институт гидрогеологии и геофизики МО и Н РК, Алматы, 2004.
2. ЗАО «Рыстас». Продукция из природного цеолита-клиноптилолита Чанканайского месторождения. Алматы,2000.
