научная статья по теме ФОРМИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВОДЫ ПРИ ЗАТОПЛЕНИИ СЕРНЫХ КАРЬЕРОВ Геология

Текст научной статьи на тему «ФОРМИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВОДЫ ПРИ ЗАТОПЛЕНИИ СЕРНЫХ КАРЬЕРОВ»

ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2008, № 2, с. 118-123

ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ И ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

УДК 551.131:624.131

ФОРМИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВОДЫ ПРИ ЗАТОПЛЕНИИ СЕРНЫХ КАРЬЕРОВ

© 2008 г. А. М. Гайдин

Отделение горно-химического сырья Академии горных наук Украины Поступила в редакцию 22.05.2006 г.

После исправления 2.04.2007 г.

Освещается опыт изучения состава воды в озерах, образующихся на месте затопленных серных карьеров. Изложены требования к качеству воды, охарактеризованы источники затопления и соотношение вод различного состава. В формировании состава воды выделены три стадии: смешивание, водообмен, стабилизация. В период затопления ведущие процессы - смешивание вод различного состава и химическое окисление сероводорода. Смешивание вод осложняется процессом стратификации водной толщи под влиянием различия в минерализации и температуре воды. По мере затопления усиливаются биохимические процессы. Приведены результаты измерений температуры и минерализации воды на различных глубинах. Результаты наблюдений в целом подтверждают прогнозные расчеты. Затопление карьеров без предварительной гидроизоляции вскрытых серных руд и гипсоангидритов не приводит к негативным экологическим последствиям. На месте карьеров образуются прекрасные чистые озера.

Карьерные озера. В конце прошлого столетия наряду с социально-политическими потрясениями произошли большие изменения в горнодобывающей промышленности. Вследствие нерентабельности закрыто множество шахт и карьеров. Примером могут служить серные карьеры: Яво-ровский, Роздольский и Подорожненский в Украине, Махув и Пясечно в Польше.

Серные карьеры Украины расположены в Львовской области, на сочленении Восточно-Европейской платформы с Предкарпатским краевым прогибом, на площади распространения сульфатно-карбонатных отложений неогена. Основные характеристики карьеров приведены в табл. 1.

Затопление серных карьеров Украины начали в 2002 г. По состоянию на март 2007 г. глубина Роздольского озера составляет 50 м, Подорож-ненского 67 м, Яворовского - 75 м. Автор прини-

мал участие в разработке проектов ликвидации карьеров, а также проводил наблюдения за затоп-леним и формированием химического состава воды.

Требования к качеству воды [1]. Ценность новообразованных озер определяется качеством воды. Они могут использоваться для рыборазведения, водоснабжения, отдыха и спорта. Наиболее жесткие требования предъявляются к воде рыбо-хозяйственных водоемов. Содержание сульфат-иона в них не должно превышать 100 мг/л, кислорода не должно быть не менее 4 мг/л зимой и не менее 6 мг/л летом. Биологическая потребность в кислороде (БПК) не больше 2 мг/л.

В питьевой воде содержание сульфат-иона может доходить до 300 и даже 500 мг/л, хлоридов до 350 мг/л, сухой остаток до 1 г/л, а общая жесткость до 7 мг-экв/л. БПК питьевой воды не более 3 мг/л, содержание кислорода не меньше 4 мг/л.

Таблица 1. Характеристики серных карьеров

Карьер Период эксплуатации Площадь по верху, га Глубина, м Объем выемки, млн. м3* Приток подземных вод, тыс. м3/сут

Роздольский 1958-92 563 60 17.3 15

Подорожненский 1971-93 570 95 135 8-10

Яворовский 1978-93 932 75 205 100

Махув 1969-92 450 42 + 25 = 67 112 32-36

Пясечно 1958-72 160 42 30 15-20

* В таблице указаны объемы и глубины остаточных выемок карьеров ниже уровня затопления, величина притока воды в период эксплуатации.

Таблица 2. Химический состав воды из неогенового водоносного комплекса, мг/л

Карьер рН Са Mg № + К Б04 НС03 С1 Сумма

Подорожненский 7.6 25 455 84 772 3260 451 100 5122

Роздольский 6.7 39 561 53 210 1565 646 6 3041

Яворовский 6.8 47 556 62 210 1600 476 35 2940

Махув 6.8 450 Нет данных 2134 4340

Таблица 3. Химический состав речной воды, мг/л (лето 2004 г.)

Река О2 рН Са Mg № + К 804 НС03 С1 Сумма

Днестр 8-10 7.4 90 17 82 92 279 121 681

Шкло 9-11 7 84 3.6 11 40 304 11 453

Свича 11-12 7 60 6 9 53 122 28 230

В водоемах для купания допускается БПК до 6 мг/л, растворенного кислорода должно быть не менее 4 мг/л, солевой состав не нормируется. При наличии в воде сероводорода она не годится ни для рыбоводства, ни для питья, ни для отдыха. Вода, вытекающая из озера в реку, не должна понижать класс качества воды в реке.

Источники затопления. Особенность серных карьеров - наличие водоносных комплексов в сульфатно-карбонатных толщах неогена, содержащих сероводородные воды. Примеры химического состава воды неогенового водоносного комплекса даются в табл. 2. Как видно из приведенных данных, затопление выемок только подземными водами привело бы к образованию озер с водой, непригодной для питья и токсичной из-за присутствия сероводорода. Чтобы не допустить этого, в Польше перед затоплением карьера Махув на дне карьера отсыпали глиняный экран толщиной 25 м [3], для чего пришлось переместить 36 млн. м3 грунта. Кроме того, в период затопления ведется откачка воды из системы водо-понижающих скважин. Через специальный канал из реки Висла в паводковые периоды, когда речная вода отвечает первому классу качества, в карьер подается вода. Откачка сероводородной воды из скважин прекращает только после полного затопления выемки.

В серных карьерах Украины дренажные воды менее минерализованы и содержат на порядок меньше сероводорода. Проведенными нами пред-проектными расчетами было показано, что обеспечение удовлетворительного качества воды может быть достигнуто в результате разбавления, окисления сероводорода и биохимических процессов. Со временем химически активные серные руды и гипсоангидрит, вскрытые карьером, сами собой покроются глинистыми осадками, сползающими с крутых откосов карьера. На основании этих прогнозов проектами предусмотрено запол-

нение выемок подземными и поверхностными водами без предварительного создания водоупорного экрана.

Затопление карьеров проводится подземными водами, водой из рек, а также осадками, выпадающими на водосборной площади карьера. Вода в реках западной Украины отличается малой минерализацией. Примеры приводятся в табл. 3.

Значительную роль при затоплении играют атмосферные осадки, выпадающие на водосборную площадь карьера. Состав этой инфильтрую-щейся воды зависит от степени загрязнения земной поверхности. Вокруг серных карьеров она загрязнена пылью сульфатных и карбонатных пород, а также серой. Поэтому в начале затопления минерализация стекающей в карьер атмосферной воды была пестрой и местами достигала 1 г/л. Только со временем поверхность очистилась.

Соотношение вод различного состава. В период затопления в выемку поступают подземные воды, атмосферные осадки с площади водосбора, а также полный или частичный сток рек. Приток поверхностных вод изменяется в зависимости от гидрометеорологических условий, а приток подземных вод уменьшается по мере затопления выемки. Количество вод различного состава, которые поступят в карьер в период затопления, вычисляли путем численного интегрирования балансового уравнения

(бп№ + ба + бр)йг = - (1)

где бп(5) - приток подземных вод, зависящий от понижения уровня воды 5 по сравнению с первоначальным (статическим) напором, ба + бр - приток атмосферной и речной воды за вычетом испарения, ^Х^) - площадь водного зеркала, увеличивающаяся по мере затопления выемки и уменьшения - приращение уровня за промежуток времени йг.

Интегрирование уравнения позволяет рассчитать длительность затопления выемки и количество воды различного состава, которое поступит в карьер. Так, например, расчетами установлено, что в период затопления в Яворовский карьер поступит 20% подземных вод, столько же атмосферных и 60% воды из речек. Все эти воды представляют собой разбавленные растворы, и при их смешивании химические реакции не наблюдаются, за исключением взаимодействия кислорода поверхностных вод с сероводородом подземных.

Стадии формирования состава воды в озере.

Следует различать три стадии: смешивание, водообмен и стабилизация. Смешивание - основной процесс формирования химического состава воды в период затопления. Зная количественное соотношение и состав вод, можно рассчитать состав смеси С по формуле

С =(КСа + УрСр + УПСП),

(2)

вытекающей воды приблизится к минерализации притекающей. Наступит период стабилизации химического состава воды, когда изменения происходят только под влиянием гидрометеорологических и антропогенных факторов.

Окисление сероводорода. Присутствие сероводорода в подземных водах серных месторождений объясняется деятельностью сульфат-восста-навливающих бактерий. Сероводород хорошо растворяется в воде и находится в ней в виде молекул И2Б и ионов ИБ- и Б2-, между которыми поддерживается равновесие, зависящее от рН. При смешивании поверхностных и подземных вод сероводород быстро окисляется кислородом. Окисление проходит в несколько стадий с образованием промежуточных продуктов, конечным продуктом является сульфат-ион:

И.Б + 2О2 = 2Н+ + Б 02

(3)

где Уа, Ур, Уп - доли поступившей в карьер атмосферной, речной и подземной воды соответственно, Са, Ср, Сп - соответствующие концентрации растворенных в воде компонентов. Приводим пример расчета минерализации смеси для Яво-ровского карьера: Уа = 0.2, Са = 0.6 г/л, Ур = 0.6, Ср = 0.45 г/л, Уп = 0.2, Сп = 2.9 г/л. Подставляя данные, получим С = 0.95 г/л. Таким же образом можно рассчитать содержание каждого компонента. Расчет показал, что по общей минерализации вода будет удовлетворять требованиям к питьевой воде. Только содержание сульфат-йона превысит норму.

Период водообмена наступает после достижения максимального уровня воды. Приток подземной воды достигает минимума и стабилизируется. Теперь соотношение между количествами поступающей в озеро поверхностной воды зависит только от сезонных факторов. Из озера начинает вытекать смесь поверхностных и подземных вод, минерализация которой выше, чем у притекающей воды. В результате количество вносимых в озеро солей меньше, чем количество выносимых. Например, в Яворовское озеро приток подземных вод с минерализацией 2.7 кг/м3 составит 3.7 млн. м3 в год, а приток речных и атмосферных с общей минерализацией 0.5 кг/м3 - 4

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком