Процессы формирования подотвальных вод и мероприятия по минимизации их влияния на гидросферу (на примере Лёвихинского рудника, Средний Урал)

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

В процессе горнодобывающей деятельности образуются различные техногенно- минеральные образования, в том числе отвалы вскрышных пород, забалансовых руд и т. д. Отчуждение плодородных участков земли, повышение пылевой нагрузки в результате ветровой эрозии, загрязнение почв из-за аэротехногенного переноса, загрязнение гидросферы подотвальными водами являются результатами негативного влияние отвалов на различные элементы окружающей среды. В первую очередь негативное влияние отвалов медно-колчеданных месторождений на окружающую среду определяется их вещественным составом. Данная проблема актуальна уже долгое время по всему миру [1–7].

Территория отработанного Лёвихинского месторождения является одним из основных объектов накопленного вреда [8] на территории Свердловской области. Начиная с 1927 г. отвалы вскрышных пород, окисленных и сульфидных забалансовых руд складировались на неподготовленном основании. Интенсивное выщелачивание элементов с тела отвала происходит на протяжении почти ста лет, что привело к значительному загрязнению прилегающей территории, поверхностных и подземных вод. Обогащенные кислородом атмосферные осадки, контактируя с вмещающими породами, обогащаются металлами, сульфат-ионом и другими компонентами. Непрерывное формирование кислых подотвальных вод негативно отражается на водных объектах, а также на флоре и фауне прилегающих территорий.

Целью работы является анализ состава пород отвала и подотвальных вод для обоснования мероприятий по минимизации их воздействия на окружающую среду.

Для достижения этой цели были решены следующие задачи: выполнен анализ химического состава пород отвала и подотвальных вод; предложены мероприятия по минимизации воздействия подотвальных вод на окружающую среду.

   ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Лёвихинская группа медноколчеданных месторождений находится в Кировградском районе Свердловской области (рис. 1). Эксплуатация открытым способом началась в 1927 г., а подземным способом позднее. В 2003 г. остановлен водоотлив на руднике и началось затопление горных выработок. В 2007 г. появился сосредоточенный выход кислых шахтных вод с расходом до 2,9 тыс. м³/сут.

 

Рис. 1. Обзорная схема расположения объектов в районе отработанного Лёвихинского медноколчеданного рудника: 1 – станция перекачки шахтных вод; 2 – шахты; 3 – пляж пруда-осветлителя

Fig. 1. Overview scheme of the location of facilities in the area of the depleted Levikhinsky copper and cobalt mine: 1 – mine water pumping station; 2 – mines; 3 – clarifier pond beach

 

11 отвалов общей площадью 0,3 км² и объемом 1,7 млн м³ находятся на территории Лёвихинского рудного поля. Самый большой из них имеет площадь 22,6 га и объем 1,45 млн м³ и находится в южной части возле шахты «Лёвиха-XII» (рис. 1) [9]. Здесь в течение нескольких десятков лет идёт разгрузка кислых подотвальных вод с расходом в паводок до 1250 м³/сут. Отдельного сбора и нейтрализации подотвальных вод нет, и это пагубно отражается на флоре (рис. 2). Разгружаясь они попадают в русло р. Лёвиха и далее в пруд-осветлитель. Севернее в него со станции нейтрализации со средним расходом 3,2 тыс. м³/сут. поступает нейтрализованная шахтная вода. Очищенные шахтные воды сбрасываются из пруда-осветлителя в русло р. Лёвихи и далее в р. Тагил [10].

 

Рис. 2. Зона разгрузки подотвальных вод

Fig. 2. Waste water discharge zone

 

Отвалы сложены пустыми вмещающими породами, содержащими вкрапленные сульфиды, представленными преимущественно пиритом, халькопиритом, сфалеритом, марказитом, и вскрышными породами, представленными амфиболитами и серицитовыми сланцами [9].

Из-за процессов дробления и разрушения пород при добыче происходит увеличение их фильтрационных свойств. По всей поверхности отвала происходит практически полное поглощение атмосферных осадков, обогащенных кислородом [11].

К формированию ряда сульфатных солей, которые включают продукты выветривания сульфидов, приводят процессы окисления, гидролиза и испарения. В теле отвала происходит образование и накопление водорастворимых вторичных минералов или неосульфатов. Основными из них являются минералы, содержащие железо, а также семиводные сульфаты, аналогичные мелантериту, но с переменным соотношением четырех главных металлов – железа, меди, цинка, магния. Повышенной растворимостью характеризуются сульфаты из групп мелантерита, розенита, эпсомита, галотрихита, копиапита [12].

В связи с тем, что тело отвала расположено выше поверхности земли, между внутренней частью отвала и поверхностью существует температурный градиент, который зависит от сезона и времени суток, что, в свою очередь, приводит к изменению растворимости минералов в зависимости от сезона и времени суток. В теле отвала происходит циклический процесс окисления, растворения, осаждения минералов. Все эти процессы приводят к формированию специфического гидрохимического состава вод, которые разгружаются по периметру отвала [13–15].

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для анализа состава пород отвала и подотвальных вод Лёвихинского рудника использовались результаты работ, выполненных в 2020–2021 гг. лабораторией геоинформационных и цифровых технологий в недропользовании Института горного дела УрО РАН по заданию Министерства природных ресурсов и экологии Свердловской области.

Было отобрано 12 проб пород отвала. Опробование выполнялось точечным способом в сухую погоду. Расположение точек опробования показано на рис. 3. Пробы отбирались в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02-2017 [16].

Анализы химического состав пород отвала выполнены в аналитическом сертификационном испытательном центре института проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН (г. Черноголовка).

Состав подотвальных вод анализировался в наблюдательной точке в месте их разгрузки (рис. 1). Всего было отобрано 5 проб: 2 в летний период, 2 в осенний и 1 в весенний. Определялись рН, H⁺, Na⁺, K⁺, NH₄, Ca²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, Fe_общ, Fe²⁺, Fe³⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺, Cl^–, SO₄^2–, NO^3–, NO^2–, HCO^3–, CO₃^2–, Si, Be, Cd (АА), Со, As, Ni, Pb, Se, сухой остаток, минерализация, SiO₂, окисляемость и жёсткость. Пробы отбирались в соответствии с ГОСТ Р 59024-2020 [17]. Состав подотвальных вод получен с использованием следующих методов: пламенно-эмиссионной спектрометрии, пламенно атомно-абсорбционной, фотометрической с реактивом Грисса, потенциометрической с ионоселективным электродом, гравиметрического, меркуриметрического, титриметрического, масс-спектрометрии с ионизацией в индуктивно связанной плазме. Анализы выполнены в химико-аналитическом центре Института промышленной экологии УрО РАН.

Для анализа полученного массива данных удобно использовать безразмерные показатели. В качестве величин, относительно которых нормируются анализируемые показатели, могут использоваться предельно-допустимые значения для водоемов рыбохозяйственного значения (ПДКрх) [18] и почв (ПДКп) [19]. Был использован коэффициент опасности К_о=С_i/С_пдк, где C_i – концентрация i-го вещества; С_пдк – предельно допустимая концентрация i-го вещества.

 

Рис. 3. Расположение точек отбора проб из отвала и их химический состав

Fig. 3. Location of sampling points from the dump and their chemical composition

 

В качестве основного методологического подхода по оценке экологического ущерба, причиненного водному объекту в результате поступления подотвальных вод на Лёвихинском руднике, была использована методика оценки размера вреда [20], наносимого водному объекту, разработанная в соответствии с Водным кодексом. Данная методика используется для количественной оценки экологического ущерба (в денежном выражении), который причиняется поступлением подотвальных вод поверхностным водным объектам.

   РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Химические анализы проб, отобранных в ручьях, текущих с отвала, показывают сильно кислую реакцию среды (pH=1,92–2,6), состав воды сульфатный магниево-алюминиево-железистый, минерализация варьирует от 13 до 52 г/л, воды имеют высокие концентрации (г/л) сульфат-иона (10–39), железа (1,5–8,7), алюминия (0,6–2,9), магния (0,4–1,7), меди (0,09–0,3), цинка (0,1–0,3) (табл. 1). Состав воды очень сильно зависит от сезона и количества осадков за предшествующие 7 дней, при этом рН не показывает такой зависимости.

 

Таблица 1. Состав подотвальных вод

Table 1. Composition of waste waters

Дата опробования Sampling date	Формула Курлова Kurlov's formula
04.08.2020	M23,5 $\frac{S{O}_4 100}{F{e}^{3+} 46 Al 31 Mg 17 }$ pH2,31 Т 18,1 °C Eh 566 mV
13.10.2020	M52,1 $\frac{S{O}_4 100}{F{e}^{3+} 56 Al 22 Mg 17 }$ pH2,16 Т 8,5 °C Eh 554 mV
14.04.2021	M13,0 $\frac{S{O}_4 100}{F{e}^{3+} 36 Al 34 Mg 19 }$ pH2,60 Т 11,4 °C Eh 244 mV
04.08.2021	M44,0 $\frac{S{O}_4 100}{Al 42 F{e}^{3+} 41 Mg 14 }$ pH1,92 Т 25 °C Eh 300 mV
24.09.2021	M38,5 $\frac{S{O}_4 100}{ F{e}^{3+} 42 Al 31 Mg 22 }$ pH2,26 Т 14,4 °C Eh 281 mV

 

Средние превышения ПДКрх в подотвальной воде доходят до 213 тыс. раз (Cu), а породе отвала – до 250 раз (S) (рис. 4).

 

Рис. 4. Геохимический спектр распределения элементов по отношению к ПДК в подотвальной воде (ПДКрх) и в породе отвала (ПДКп) (красный треугольник – по отношению КК, так как отсутствует ПДК), * – не определялся в подотвальной воде

Fig. 4. Geochemical distribution spectrum of elements in relation to MPC in waste water (MPCfish) and in the dump rock (MPCs) (red triangle – in relation to CC, as there is no MPC), * – not determined in waste water

 

Максимальные показатели значений коэффициента опасности элементов в породе отвала (числитель) и в подотвальной воде (знаменатель) представлены в виде обобщенной ассоциации, где в скобках показана кратность превышения ПДК:

I класс опасности: $\frac{\text{Zn}\left(37\right)\text{As}\left(33\right)\text{Cd}\left(10\right)\text{Pb}\left(2\right)}{-}$;

II класс опасности: $\frac{\text{Cu}\left(60\right)\text{Ni}\left(2\right)\text{Sb}\left(2\right)}{\text{Cd}\left(156\right)\text{Se}\left(45\right)\text{Be}\left(33\right)}$;

III класс опасности: $\frac{\text{V}\left(3\right)\text{Mn}\left(2\right)}{\text{Cu}\left(332200\right)\text{Zn}\left(30370\right)\text{Co}\left(260\right)\text{Ni}\left(110\right)\text{As}\left(10\right)}$;

IV класс опасности: $\frac{-}{\text{Fe}\left(86700\right)\text{Al}\left(72500\right)\text{Mn}\left(13460\right)\text{Mg}\left(42\right)\text{Ca}\left(2\right)}$.

В породе отвала присутствуют элементы I класса опасности с максимальными превышениями ПДКп до 37 раз (Zn) и II класса опасности – до 60 раз (Cu). В подотвальной воде максимальные превышения ПДКрх достигают 156 раз (Cd) для элементов II класса опасности, для III класса опасности – 332 тыс. раз (Cu) и для IV класса опасности – 86 тыс. раз (Fe).

 

Оценка эколого-экономического ущерба

Размер вреда (У, тыс. р.), причиненного водному объекту сбросом вредных (загрязняющих) веществ в составе подотвальных вод, рассчитывается по формуле [20]:

$\text{У}={\text{К}}_{\text{вг}}{\text{К}}_{\text{в}}{\text{К}}_{\text{ин}}\sum _{i=1}^n{\text{Н}}_i{\text{М}}_i{\text{К}}_{\text{из}}$,

где K_вг, K_в, K_ин, K_из  – коэффициенты, учитывающие природно-климатические условия, экологические факторы, инфляционную составляющую, интенсивность негативного воздействия вредных (загрязняющих) веществ на водный объект; H_i – таксы для исчисления размера вреда от сброса i-го вредного (загрязняющего) вещества в водные объекты, тыс. р./т; M_i = Q(C_фi - C_дi)T 10^-6; M_i – масса сброшенного i-гo вредного (загрязняющего) вещества определяется по каждому загрязняющему веществу, т; Q – расход подотвальных вод с превышением содержания i-го вредного (загрязняющего) вещества, м³/ч;  – средняя фактическая за период сброса концентрация i-го вредного (загрязняющего) за период времени Т, мг/дм³;  – допустимая концентрация i-го вредного (загрязняющего) вещества, мг/дм³; Т – продолжительность сброса подотвальных вод, час;  – коэффициент перевода массы вредного (загрязняющего) вещества в т.

Расход подотвальных вод в межень практически отсутствует, в паводок достигает 1250 м³/сут. Площадь отвала составляет 0,226 км². Количество осадков за 2019–2020 гг. составило 581–590 мм. При условии, что все выпавшие на площадь отвала осадки поступают в его тело, получаем, что среднегодовой расход подотвальных вод составляет 365 м³/сут (4,2 л/с).

Масса ежегодного выноса элементов 900 т, в том числе более 600 т железа, более 200 т алюминия, десятки килограммов меди, цинка, марганца (табл. 2).

Размер эколого-экономического ущерба (для элементов, превышающих ПДКрх), причиненного реке Лёвиха при поступлении в неё подотвальных вод, превышает 95 млн р. в год. Основной вклад вносят железо, алюминий, медь и цинк (табл. 2)

 

Таблица 2. Масса выноса элементов с подотвальными водами и размер экологического ущерба

Table 2. Mass of removal of elements with waste water and the amount of environmental damage

Загрязняющее вещество Contaminant	Среднее содержание, мг/л Average content,  mg/L	Кратность  ПДКрх MACfish multiplicity	Масса выноса  (Mi), т/год Weight of removal  (Mi), t/year	Ущерб, тыс. р. Damage, thousand rubles
Al	1535	38381	202	16240
As	0,5	10	0,06	53
Be	0,01	33	0,001	589
Cd	0,8	156	0,1	15073
Co	2,6	260	0,3	932
Cu	224	223835	29	2370
Zn	206	20554	27	2179
Fe	4791	47913	630	50689
Mn	88	8800	12	931
Ni	1,1	110	0,1	646
Se	0,08	39	0,01	5 457
Итого/Total			900	95160

 

Физико-химическое моделирование процессов формирования подотвальных вод Лёвихинского месторождения, выполненное с использованием программного кода Visual MINTEQ ver. 3.0/3.1, показало, что загрязнение окружающей среды кислыми водами будет продолжаться сотни лет [21].

Внедрение современных технологий и технических решений позволит значительно снизить экологический ущерб р. Лёвиха.

РЕКОМЕНДУЕМЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ

Литературный поиск [22, 23] и анализ показал, что мероприятия по минимизации воздействия подотвальных вод на окружающую среду могут быть реализованы двумя способами: А – рекультивацией отвала; Б – сбором и очисткой подотвальных вод.

Мероприятие А – рекультивация отвалов

Рекультивация отвала может быть выполнена с использованием: варианта А1 – бентонитовых матов [24] или варианта А2 – грунтобетона [25].

Вариант А1. На техническом этапе рекультивации выполняется планировка поверхности, покрытие песчано-гравийной смесью, укладка экранизирующего слоя из бентонитовых матов «Bentizol» [26], нанесение искусственного субстрата из потенциально-плодородного грунта. На биологическом этапе рекультивации вносятся удобрения и осуществляется посев многолетних семян травосмеси (табл. 3).

Вариант А2. На техническом этапе после грубой и чистовой планировки укладывается экранирующий слой из грунтобетона, сверху суглинок и почвенный слой. На биологическом этапе укладывается биополотно (табл. 3).

 

Таблица 3. Необходимое количество материалов и их экономические показатели для рекультивации отвала

Table 3. Required amount of materials and their economic indicators for dump reclamation

Материал/Material	Количество Amount	Стоимость, тыс. р. Cost, thous. rub.
Вариант А1 (бентонитовые маты)/Option 1 (bentonite mats)
Песчано-гравийная смесь, м³ Sand and gravel mixture, m³	33900	15102
Бентонитовые маты «Bentizol» марки «SAB 5», га Bentonite mats "Bentizol" brand "SAB 5", ha	22,6	56500
Бентонитовые гранулы, т Bentonite granules, t	22	550
Объёмная георешетка Геотех® [27], га Geotech® volumetric geogrid [27], ha	6	11700
Искусственный субстрат (плодородный грунт), м³ Artificial substrate (fertile soil), m³	33900	43748
Удобрение, кг/Fertilizer, kg	2260	32
Семена травосмеси, кг Grass mixture seeds, kg	1582	221
Древесная мульча, кг/Wood mulch, kg	29380	4701
Вода для полива, л/Water for irrigation, L	135600	2
Итого/Total		132556
Вариант А2 (грунтобетон)/Option 2 (soil concrete)
Грунтобетон, м³/Soil concrete, m³	33900	254000
Объёмная георешетка Геотех®, га Geotech® volumetric geogrid, ha	6	8370
Суглинок, м³/Loam, m³	67800	6102
Чернозём, м³/Chernozem, m³	113000	62150
Биополотно, га/Bioshelf, ha	22,6	28250
Итого/Total		358872

 

Затраты на рекультивацию отвала в зависимости от используемого материала различаются в 2,7 раза: 5,9 млн р. за 1 га по первому варианту и 15,9 млн р. за 1 га по второму варианту, поскольку грунтобетон более дорогой материал, чем бентонитовые маты. При этом срок службы обоих материалов при соблюдении всех требований при эксплуатации не менее 50 лет. Продолжительность реализации мероприятий 3–4 года.

Мероприятие Б – очистка подотвальных вод

В этом случае выполняется сбор подотвальных вод и их обработка на станции нейтрализации. Отечественный и мировой опыт показывает [28–39], что после нейтрализации всегда необходима доочистка путем отстаивания, так будет обеспечиваться осаждение металлов вследствие снижения скорости течения воды и увеличения времени взаимодействия загрязняющих веществ с реагентами. Этот этап может выполняться с использованием одной из двух схем: варианта Б1 – аэротенков и радиальных отстойников, варианта Б2 – отстаивание в системе, состоящей из каскада прудов. В обоих схемах после очистки происходит сброс в р. Лёвиху.

В любой из предложенных схем для перекачки подотвальных вод необходимо оборудовать насосную станцию на восточной стороне провала ш. «Лёвиха XII», в котором собираются поверхностные и подотвальные воды. Для организации работы насосной станции необходимо провести воздушную линию электропередач, наземный/подземный напорный трубопровод диаметром 146 мм. Длина трубопровода до существующей станции нейтрализации 500 м. Капитальные затраты для постройки станции перекачки подотвальных вод составят 7,5 млн р., эксплуатационные – 3,6 млн р. в год в современных ценах без НДС.

Количество гашенной извести, необходимой для нейтрализации подотвальных вод и осаждения металлов, определяется по следующей формуле [40]:

$G=k$$\frac{100}{B}$$Q\left(aA+b_1{C}_1+b_2{C}_2+\dots +b_n{C}_n\right)$,

где k – коэффициент запаса расхода реагента по сравнению с теоретическим (k=1,1 для известкового молока); В – количество активной части в товарном продукте (95 %); Q – объем подотвальных вод, подлежащих нейтрализации (133 тыс. м³/год); а – расход реагента для нейтрализации, г/кг; А – содержание серной кислоты, кг/м³; С₁, С₂,...,С_n – концентрации металлов в подотвальной воде, кг/м³; b₁, b₂,...,b_n – концентрации реагентов, требуемых для перевода металла из растворенного состояния в осадок, кг/кг.

На основании полученных результатов расчетов (табл. 4) можно сделать вывод о необходимости использования не менее 4 тыс. т извести в год.

 

Таблица 4. Расчёт количества гашенной извести

Table 4. Calculation of burnt lime quantity

Компоненты Components	Концентрации до нейтрализации С, кг/м³ Concentrations before neutralization C, kg/m³	Расход Ca(OH)2,  кг/кг  / Ca(OH)2 consumption, kg/kg	Количество гашенной  извести G, т/год Burnt lime quantity G, t/year
Cu	0,2	1,16	3979
Zn	0,2	1,13
Fe	4,8	1,32
Ni	0,001	1,26
SO4	25	0,76

 

Капитальные затраты на строительство станции нейтрализации (строительно-монтажные, подготовительные работы и приобретение оборудования) составляет 1,6 млн р. Эксплуатационные затраты (фонд оплаты труда, налоги, расходные материалы, электроэнергия, вода и известь порошкообразная) составят 43,7 млн р./год.

Вариант Б1. Поток кислых подотвальных вод и приготовленное на станции нейтрализации известковое молоко поступают в очистное сооружение, состоящие из аэратора FUCHS OxyStar Aerators типа OS 15 (11 kW) [41] и отстойники радиального типа ОРС-65 со встроенной камерой флокуляции [42]. В качестве примера может служить станция очистки шахтных вод Цшельн (Tzschelln) (Саксония, Германия) [28].

После радиального отстойника очищенная вода по самотечному трубопроводу поступает в р. Лёвиху и далее в р. Тагил.

Итоговая эффективность очистки подотвальных вод составляет 99,9 % [43], что позволяет очистить подотвальные воды от железа, марганца и сульфата до фоновых значений для р. Тагил. Однако после всей системы очистки всё ещё будут присутствовать повышенные концентрации меди и цинка (табл. 5).

 

Таблица 5. Изменение концентраций загрязняющих веществ после доочистки (вариант Б1, использование аэротенков и радиального отстойника)

Table 5. Changes in concentrations of pollutants after post-treatment (option B1, use of aeration tanks and radial settling tank)

Этапы очистки Treatment steps	Загрязняющие вещества Pollutants
	Fe	Mn	Cu	Zn	SO4
	Содержание, мг/л Content, mg/L
Подотвальные воды Waste waters	4791	88	224	206	24500
Выход после аэротенков Outlet after the aerotanks	47,9	0,9	2,2	2,0	245
Выход после радиального отстойника Outlet after the radial sump	0,5	0,01	0,02	0,02	2,5
Фоновые значения р. Тагил Background values of the Tagil River	0,5	0,03	0,004	0,01	18

 

Капитальные затраты на приобретение аэратора и радиального отстойника составляют 10,2 млн р. Эксплуатационные затраты в основном складываются из затрат на электроэнергию и составляют 0,7 млн р./год.

Вариант Б2 подразумевает доочистку кислых вод с помощью каскада прудов-осветлителей, ниже действующего в настоящее время. В результате будет обеспечиваться осаждение металлов вследствие снижения скорости течения воды и увеличения времени взаимодействия загрязняющих веществ с реагентами.

Для оценки общей площади каскада прудов используется зависимость [44]:

$A=$$\frac{Q_d\left(C_i-C_t\right)}{R_a}$,

где A – требуемая площадь пруда (м²); Q_d – среднесуточный расход воды (365 м³/сут); C_i – концентрация загрязняющих веществ на входе, (мг/л); C_t – концентрации загрязняющих веществ при сбросе (мг/л); R_a – скорость удаления загрязняющих веществ (г/сут/м²). Для обеспечения инженерного запаса при расчетах используются значения R_a для зимнего периода времени.

Необходимая площадь варьирует от 6,1 га (для цинка) до 31 га (для сульфата) (табл. 6, рис. 5). Водосбросы необходимо расположить в максимальном удалении друг от друга для увеличения времени отстаивания воды и эффективности прудов.

 

Рис. 5. Карта-схема размещения каскада прудов в долине р. Лёвихи: 1 – перекачка подотвальных вод на станцию нейтрализации; 2 – сброс нейтрализованной воды; 3 – проектируемые пруды; 4 – водосбросы; 5 – пляж пруда-осветлителя; 6 – дороги

Fig. 5. Schematic map of the ponds cascade location in the Levikha river valley: 1 – pumping of waste water to the neutralization station; 2 – neutralized water discharge; 3 – projected ponds; 4 – spillways; 5 – beach of the clarifier pond; 6 – roads

 

Таблица 6. Расчетные показатели площадей водоемов

Table 6. Calculated indicators of the area of water reservoirs

Компоненты Components	Концентрации, мг/л Concentration, mg/L		Скорость удаления Ra, г/сут/м² Removal rate Ra, g/day/m2	Требуемая площадь А, м² Required area A, m2
	на входе at the input Сi*	на сбросе at the reset Сt**
Fe	2396	0,5	10	87436
Mn	47	0,03	0,22	779-8
Cu	72	0,004	0,10	262785
Zn	101	0,01	0,60	61436
SO4	9065	100***	10,54	310458

Примечание: *среднегодовое значение на сбросе из пруда-осветлителя; **фоновые значения концентрации в верховьях реки Тагил; ***ПДКрх.

Note: *annual average value at the discharge from the clarifier pond; **background values of concentrations in the upper reaches of the Tagil river; ***MACfish.

 

Затраты на сооружение каскада прудов общей площадью 31 га составят 66 млн р. в современных ценах без НДС.

Приобретение аэротенков и радиального отстойника обойдется дешевле в 4 раза, чем строительство каскада прудов, при этом эксплуатационные затраты практически не отличаются. Предположительная продолжительность заполнения каскада прудов шламом составляет 50 лет.

 

Рис. 6. Итоговые экономические показатели всех мероприятий по минимизации воздействия подотвальных вод на окружающую среду: КЗ – капитальные затраты; ЭЗ – эксплуатационные затраты, млн р.

Fig. 6. Final economic indicators of all measures to minimize the impact of waste water on the environment: КЗ (CC) – capital costs; ЭЗ (OC) – operating costs

 

Итоговые экономические показатели по вышерассмотренным мероприятиям представлены на рис. 6. Затраты на рекультивацию отвала по варианту А1 составляют 133 млн р., по варианту А2 – 359 млн р. При очистке подотвальных вод по варианту Б1 капитальные затраты составят 19 млн р., а эксплуатационные затраты – 48 млн р./год, при этом по варианту Б2 капитальные затраты выше – 75 млн р., а эксплуатационные такие же – 47 млн р./год.

Для оценки экономических затрат в долгосрочной перспективе был построен график кумулятивных затрат для всех вариантов (рис. 7).

 

Рис. 7. Кумулятивные затраты: штриховкой выделены капитальные затраты

Fig. 7. Cumulative costs: capital expenditures are highlighted by shading

 

Все рассмотренные варианты с точки зрения экологии эффективны: ожидается как полное прекращение образования подотвальных вод (мероприятие А), так и их поступление в р. Лёвиху (мероприятие Б). Однако экономический аспект тоже не маловажный. Допустим ситуацию, когда были реализованы все четыре варианта. Очистка подотвальных вод (мероприятие Б) потребует меньше капитальных затрат, чем рекультивация отвала (мероприятие А). Тем не менее в первый год эксплуатации общие затраты на рекультивацию отвала не будут меняться (только капитальные), а общие затраты на очистку подотвальных вод будут увеличиваться из-за присутствия эксплуатационных затрат. И так год за годом. В отличие от очистки подотвальных вод любым рассмотренным вариантом, рекультивация отвала с использованием бентонитовых матов окажется дешевле уже на 3 год эксплуатации, а с использованием грунтобетона – на 8 год (рис. 7).

      ВЫВОДЫ

1. Подотвальные воды сильно кислые (до рН=1,92) и минерализованные (от 13 до 52 г/л), состав сульфатный магниево-алюминево-железистый с высокими содержаниями меди (до 332200 ПДКрх), цинка (до 30370 ПДКрх), марганца (до 13460 ПДКрх) и кобальта (до 260 ПДКрх). Расход во время паводка достигает 1250 м³/сут.
2. В химическом составе пород отвала присутствуют элементы I–III класса опасности, превышающие ПДК для почв: медь (до 60 ПДКп), цинк (до 37 ПДКп), мышьяк (до 33 ПДКп), кадмий (до 10 ПДКп).
3. Ежегодно с отвала выносится 900 т элементов, в том числе железо, алюминий, медь, цинк и марганец. Физико-химическое моделирование показало, что вынос элементов будет продолжаться ещё сотни лет. Экологический ущерб составляет более 95 млн р. в год.
4. Мероприятия по минимизации воздействия подотвальных вод на окружающую среду могут быть реализованы двумя способами: А – рекультивацией отвала; Б – очисткой подотвальных вод. По каждому способу было рассмотрено два варианта. Рекультивации отвала может быть выполнена с использованием: варианта А1 – бентонитовых матов или варианта А2 – грунтобетона. Для очистки кислых подотвальных вод была рассмотрена следующая технологическая цепочка: сбор и нейтрализация. Для доочистки возможно использование аэротенков и радиальных отстойников (вариант Б1) либо отстаивание в существующем пруду-осветлителе и в каскаде прудов (вариант Б2).
5. Затраты на рекультивацию отвала в зависимости от используемых материалов составляют (за 1 га) 5,9 млн р. при использовании бентонитовых матов и 15,9 млн р. при использовании грунтобетона. Срок их службы не менее 50 лет.
6. Капитальные затраты для очистки подотвальных вод при использовании каскада прудов в 3,9 раза выше, чем при использовании аэротенков и радиальных отстойников, а эксплуатационные практически равны.
7. Во всех вышерассмотренных вариантах мероприятий по минимизации воздействия кислых подотвальных вод на гидросферу подразумевается полное прекращение попадания кислой подотвальной воды в р. Лёвиху или же её очистку до фоновых показателей р. Тагил перед сбросом в неё. Следовательно, экологическую эффективность рассмотренных вариантов в денежном эквиваленте можно считать равной 95 млн р. в год.
8. Экономически выгодным и экологически эффективным мероприятием по минимизации воздействия кислых подотвальных вод Лёвихинского медноколчеданного рудника на гидросферу является рекультивация отвала с использованием бентонитовых матов. Это приведет к полному прекращению попадания кислых подотвальных вод в р. Лёвиху при затратах 133 млн р., срок реализации 3–4 года.

 

***

Благодарности: Работа выполнена в рамках Государственного задания Института горного дела УрО РАН. Тема 2 (2025–2027 гг.). Геоинформационное обеспечение системной оценки стратегий природосбережения при освоении ресурсов недр (FUWE-2025-0002). Г.р. № 1022040300092-1-1.5.1

Acknowledgements: The work was carried out under the State Assignment of the Institute of Mining, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences. Theme 2 (2025–2027). Geoinformation support of systemic assessment of nature conservation strategies in the development of subsoil resources (FUWE-2025-0002). G.r. no. 1022040300092-1-1.5.1

Об авторах

Людмила Сергеевна Рыбникова

Институт горного дела УрО РАН

Email: luserib@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4221-7879

доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник лаборатории экологии горного производства

Россия, 620219, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58

Пётр Андреевич Рыбников

Институт горного дела УрО РАН

Email: ribnikoff@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-7829-5035

кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией геоинформационных и цифровых технологий в недропользовании

Россия, 620219, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58

Айнур Нафисович Галин

Институт горного дела УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: aynur.galin.1997@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7090-0379

младший научный сотрудник лаборатории геоинформационных и цифровых технологий в недропользовании

Россия, 620219, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58

Список литературы

Дополнительные файлы