ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2008, № 6, с. 506-516
ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ
УДК 553.31(553.04)
ФОРМЫ МИГРАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В УЧАЛИНСКОЙ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
© 2008 г. В. Н. Пучков*, Г. Т. Шафигуллина*, И. Б. Серавкин*, В. Н. Удачин**
*Институт геологии УНЦ РАН **Институт минералогии УрО РАН Поступила в редакцию 22.05.2007 г. После исправления 1.11.2007 г.
В Учалинской природно-технической системе (ПТС) выделяются три типа техногенных вод: подот-вальные, дренажные и аккумулятивные. Рассмотрены их состав и условия формирования, определен минеральный состав взвеси подотвальных и дренажных вод, установлены формы миграции Fe, Co-Ni и Cu в поверхностных водах, показаны отличия техногенных вод от фоновых и загрязненных.
ВВЕДЕНИЕ
Анализ сульфидсодержащих отвалов и хвосто-хранилищ горно-рудных предприятий Башкортостана показал, что они опасные загрязнители окружающей природы, а техногенные воды -главная миграционная среда токсикантов [1, 2, 8]. Этим определяется актуальность исследования поверхностных вод Учалинской ПТС, результаты которого изложены в предлагаемой статье. Экологии техногенеза на колчеданных месторождениях Урала посвящены работы Емлина [4, 5], а проблемы геоэкологии Учалинского района и месторождения рассмотрены Белан [1, 2], Кут-лиахметовым [6], Пучковым и его соавторами [8]. Сведения о добыче руд и технологии их обогащения на Учалинском горно-обогатительном комбинате содержатся в работе Серавкина и др. [9].
Цель работы - изучение состава вод акваль-ных систем природного и техногенного происхождения, выяснение их физико-химических параметров (рН, ЕИ, ионный состав), определяющих условия миграции экологически опасных элементов. Авторами впервые установлены закономерности миграции тяжелых металлов в растворенной и взвешенной формах в транзитных поверхностных водотоках природных участков и зон техногенеза Учалинской ПТС.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Изучавшаяся ПТС включает карьер, отвалы, обогатительную фабрику и хвостохранилище Учалинского горно-обогатительного комбината (УГОК), подотвальные и сточные воды которого по обводным каналам поступают на станцию нейтрализации, затем в пруд-отстойник и далее в р. Буйда (рис. 1). Район вошел в число приоритет-
ных для изучения воздействия горно-рудной промышленности на окружающую среду в рамках трехлетнего проекта MinUrals, финансируемого Евросоюзом в рамках научно-технической программы COPERNICUS. Часть этих работ посвящена текущей оценке ситуации, а другая часть сфокусирована на мероприятиях по предотвращению негативного воздействия вредных факторов. Исследования проведены также при поддержке проекта интеграционных исследований УрО РАН - СО РАН ("Геохимия окружающей среды горнопромышленных ландшафтов Сибири и Урала") и Министерства образования и науки (проект РНП.2.1.1.1840).
Полевые исследования включали отбор проб: подотвальных, дренажных и поверхностных вод, и речной взвеси. В качестве фоновых были взяты пробы из рек Ерекле, Ямъелга и Кидыш, не подверженных техногенному воздействию отвалов.
Для оценки изменения состава вод в зависимости от сезонных колебаний отбор гидрохимических проб проводился в период весеннего паводка и летней межени. В разные периоды отбор проб проводился в одних и тех же точках.
В ходе исследований в нефильтрованных пробах определялись величины pH и Eh с помощью комбинированного pH-Eh-метра "Yotogaya pH 81" (Япония) и рН-метра 121. Для определения химического состава воды пробы отфильтровывали через мембранные фильтры под вакуумом с использованием ручной установки Sartorius-1651. Применяли мембранные фильтры "Wathman" из ацетата целлюлозы с размером пор 0.45 мкм, что обеспечило разделение взвешенных и растворенных форм элементов.
Концентрации металлов в воде определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии с
Рис. 1. Схема размещения основных объектов Учалинской ПТС.
Примечание: цифрами обозначены значения pH; ОФ - обогатительная фабрика, AMD - кислый рудничный дренаж. На схеме А показана речная сеть в юго-восточной окрестности пруда Буйда.
пламенным режимом атомизации воздух-ацетилен на приборе "Регкт-Е1шег 3110". Результаты приведены в табл. 1.
После сушки взвешенные вещества были проанализированы на содержание микроэлементов и
проведен рентгеноструктурный анализ взвеси для определения минерального состава. Съемка ди-фрактограмм осуществлена на дифрактометре ДРОН-2.0. Для получения дифрактограмм использовалось медное излучение с монохромато-
Таблица 1. Состав различных типов поверхностных вод Учалинской ПТС, мг/л
№ проб рН ЕЬ со2- нсо3 С1- зо2- Са Mg К Na
1 2 3 4 5 6 7 2.49 3.60 7.09 8.00 10.81 5.94 7.94 636 475 328 282 12 135 174 нет нет нет нет 27 нет нет нет нет 79.3 128.1 63.3 12.2 146.4 131 46.1 40.8 234.0 468.8 2980 44.3 7824 2133 125 600 2435 2062 52 147.9 160.3 120.2 390.8 271 980 676 239.1 370.6 72.9 79.0 8.79 14.9 82 11.2 93.6 2.8 17.5 31.3 39.3 16 2.8 73.6 18.0 176.0 202 174 63
№ проб Бе Мп Си 7п N1 Со РЬ Cd
1 2 3 4 5 6 7 324.1 15.8 0.1 0.2 2.23 0.37 0.074 21.3 28.1 3.4 4.0 0.008 2.9 0.0031 37.0 14.4 0.42 0.07 0.015 0.02 0.0044 103.4 104.7 5.1 0.62 0.035 3.3 0.35 0.57 0.31 0.04 0.02 0.017 0.28 0.002 0.122 0.74 0.07 0.01 0.001 0.52 0.0057 0.074 0.03 0.006 0.01 0.00035 0.53 0.001 0.288 0.13 0.01 0.004 0.005 0.000036
Примечание. Аналитики Института минералогии УрО РАН - Удачин В.Н., Лонщакова Г.Ф., Удачина Л.Г. Пробы: подот-вальные воды: 1 - первой группы, 2 - второй группы, 3 -третьей группы, 4-5 - дренажные воды из-под хвостохранилища, 6 - аккумулятивные (пруд Буйда), 7 - фоновые.
ром. Скорость съемки - 2° в минуту. Полученные дифрактограммы расшифровывались с помощью картотеки Американского общества испытателей материалов ЛБТМ, известной под названием "1СРБ8" и ее компьютерной версии (наиболее полное собрание рентгенограмм).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
По кислотности поверхностные (техногенные, загрязненные и природные фоновые) воды Учалинской ПТС подразделяются на 5 групп [15] (рис. 2): I - сильнокислые (рН < 3.0); II - слабокис-
г = -0.7
103
102
101
100
а 10-
и
10-
1 о о Сильнокислые
Д
О
сР
о 11 °° Слабокислые +
о
III
Околонейтральные
О ♦
♦л
га ^
□
сг □
сР и° □ □
□ О
IV
Нейтральные
V л п УАО д
Сильнощелочные
12 рН
о Подотвальные воды
ф Технологический водоем-отстойник
□ Загрязненные воды
на удалении более 6-12 км
Д Дренажные воды
(из-под хвостохранилища)
□ Незагрязненные (природные фоновые) воды
■ Озеро Большие Учалы
О Транзитно-аккумулятивная система - водоотводной канал
Рис. 2. Классификационная диаграмма химического состава поверхностных вод в Учалинской ПТС. Использована матричная основа из работы [15].
9
6
лые (рН от 3.2 до 5.1); III - субнейтральные и слабощелочные (рН от 5.8 до 8.0); IV - нейтральные (рН от 6.6 до 7.4); V - сильнощелочные (рН > 10.0).
По условиям формирования среди техногенных вод выделяются 3 "генетических" типа: 1) под-отвальные, 2) дренажные и 3) аккумулятивные. 1-й тип охватывает I—III группы вод по кислотности, 2-й - соответствует III и V группам, а 3-й -III и частично II группам. Загрязненные воды водоотводного канала и р. Буйда отвечают в основном III группе, а воды IV группы характеризуют фоновые водотоки.
Подотвальные воды. Водотоки из-под отвалов Учалинской ПТС значительно отличаются по кислотности и концентрациям металлов. Подотвальные воды первой группы из-под северо-восточных и восточных отвалов характеризуются низкими значениями рН от 2.5 до 3.0, высоким ЕИ от 490 до 635 мВ. Установленное соотношение между высокими значениями кислотности и окислительно-восстановительным потенциалом - результат присутствия большого количества Ге3+ (235-324 мг/л), которое является сильным окислителем [20]. Железо (Ге2+), освобожденное в начале процесса окисления пирита (реакция 1), будет окисляться до Ге3+ по схеме 2 [22]:
ГеБ2 + 7/202 + Н20 — Ге2+ + 2Б О2- + 2Н+, (1)
2Ге2+ + 2Н+ + 1/202 —- 2Ге3+ + Н20.
(2)
М
10204
8ОГ99СГ2 Ге2Т8ЛП54М^б4
рН 2.72.
(3)
М§2+, К+ и Ка+ [4, 12, 22], о чем свидетельствуют высокие содержания кальция и магния (140-228 и 198-370 мг/л соответственно), при этом уровне рН уже неспособные нейтрализовать кислотность в системе. Низкое значение водородного показателя, повышенное содержание сульфат-ионов, железа, присутствие в растворе калия способствуют образованию новых фаз на испарительных барьерах - неосульфатов [5, 14].
Воды второй группы из оз. Малые Учалы, попадающие туда из-под отвалов, заметно отличаются от вод I группы. Они слабокислые (рН 3.25.1) и имеют более низкий редокс-потенциал (ЕИ между 263-475 мВ). Однако эти условия не препятствуют окислению сульфидов, как видно из
повышенных содержаний Б О4 (494-2133 мг/л), хотя и более низких, чем в водах I группы. Концентрации железа в отдельных пробах подот-вальных вод II группы ниже (от 0.23 до 15.8 мг/л) ожидаемых при имеющихся содержаниях сульфат-иона. Это связано с осаждением части растворенного железа по реакции окисления/гидролиза. Трехвалентное железо (сульфат окисного железа) при повышении водородного показателя в слабокислой среде неустойчиво и может осаждаться в виде гидроксидов [7, 22]:
Ге3+ + 3Н2О
Ге (ОН )3 + 3Н (рН осаждения 2.5-4.5).
(4)
Наряду с Ге зарегистрированы очень высокие содержания сульфат-иона (от 3864 до 25 970 мг/л), суммы металлов, в частности Си, Ге, Мп, РЬ и 2п (350-486 мг/л). Соотношение анионов и катионов в этих водах выглядит следующим образом (формула Курлова):
Поскольку при гидролизе подавляющая часть избыточных металлов железа и алюминия выпадают из вод в виде суспензионных охр, то воды второй группы являются сульфатными магниево-кальциевыми:
М
8О2-99СГ1
637
Mgб3Ca24( №+К) 12
рН 3.55.
(5)
Кислые подотвальные воды чрезвычайно сильно отличаются от природных. Эти воды сульфатные железо-алюминиево-магниевые. Появление сульфат-иона в анионной части, а также железа и алюминия в катионной в качестве доминирующих свидетельствует о типичном сернокислотном техногенезе. Вовлечение в миграционные циклы литофильного элеме
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.