3.1. Потоки элементов в составе карьерных и рудничных вод

Карьерные и рудничные воды образуются в результате попадания атмосферных осадков, поверхностных и подземных природных вод в горные выработки, где они подвергаются загрязнению в процессе добычи апатитонефелиновой руды. Загрязнение карьерных и рудничных вод происходит в основном мелкодисперсными взвешенными частицами руды и вмещающих пород, которые образуются при дроблении пород взрывным способом, работе проходческих и очистных комбайнов, бурении взрывных скважин и шпуров, погрузочных и транспортных работах (Сает и др., 1990; Мирзаев и др., 1991). Большое влияние на процессы загрязнения карьерных и рудничных вод оказывают взрывные работы. Массовое применение азотсодержащих взрывчатых веществ и нефтепродуктов приводит к загрязнению вод, как компонентами взрывчатых веществ, так и продуктами их распада. Как правило, это хорошо растворимые соединения, легко переходящие в водную фазу. Быстрое протекание процессов растворения мелкодисперсных частиц обусловливает высокую минерализацию и повышение концентрации токсичных элементов в сточных водах карьеров и рудников. Этому способствует большое обводнение горных выработок, в связи с чем возникает необходимость постоянной откачки рудничных и карьерных вод. Их очистка, как правило, сводится лишь к их осветлению путем снижения содержания взвешенных частиц. При открытом способе добычи руды специальными гидротехническими сооружениями производится постоянная откачка этих вод, которые поступают сначала в отстойники, где происходит осаждение части взвесей. Затем воды из отстойников сбрасываются в прилегающие поверхностные водотоки. Степень очистки карьерных вод в отстойниках очень различна.

Основные параметры химического состава карьерных вод рудников "Восточный" и "Кировский" и сточных вод, сбрасываемых после прохождения очистных сооружений представлены в табл.3.2. Для рудника "Восточный" представленный состав соответствует карьерным водам перед поступлением в 1-й отстойник и сбросу этих вод после прохождения 2-го отстойника. В сточных водах, сбрасываемых из 2-го отстойника, наблюдаются повышенные концентрации нитратов, F^-, Cl^-, а также металлов, водная миграция которых происходит преимущественно в растворенном виде. Вместе с тем, сравнение содержания взвешенного вещества, а также концентраций таких металлов, как Al, Fe, Mn, Zn, Cu, в водах до и после прохождения очистных сооружений показывает, что после прохождения 2-го отстойника происходит существенное снижение содержания взвесей концентраций рассматриваемых металлов.

Распределение Al, Fe, Mn, Sr, Zn, Cu по формам миграции в карьерных водах рудника "Восточный" до и после прохождения очистных сооружений представлено на рис.3.1. Для удобства сопоставления металлов, концентрации которых различаются на порядок, использована процентная форма выражения доли миграционных форм металлов от валового содержания, приведенного на рис.3.1.

Представленные на рис.3.1 данные показывают, что для таких металлов, как Al, Fe, Mn, Zn, до и после прохождения очистных сооружений характерно преобладание во взвешенной форме миграции. Для Al, Fe, Mn на участке сброса вод после 2-го отстойника наблюдается некоторое снижение доли взвешенной формы миграции (на 10-25%) и возрастание доли металлов в нелабильной растворенной форме. Значительное снижение доли взвешенной формы миграции после прохождения очистных сооружений наблюдается для Cu (с 90 до 30% от валовой концентрации). Практически полностью в лабильной форме в карьерных водах до и после очистных сооружений находится Sr.

Таблица 3.2

Основные параметры химического состава сточных вод рудников

Параметры	Карьерные воды	Шахтные воды рудников			Сброс вод после очистных сооружений рудников
		"Расвумчоррский"	"Юкспорр"	"Кировский"	"Восточный"	"Кировский"
Показатель рН	8.38	8.25-9.7 8.8	8.0-9.6 8.7	7.3-7.9 7.6	8.00	8.00
Электропроводность, µS/cm		476.0-2210.0 1248.0	324.0-1830.0 1006.3	91.2-336.0 216.0
Alk, мк·экв/л	1562	1496-5992.0 3400.0	1432.0-9990.0 4816.0	437.0-1380.0 890.0	1217	943
РОВ, мг/л	2.9				2.4	2.8
Взвеси, мг/л	26.7	20.0-278.3 82.9	5.5-36.4 24.4	3.0-21.2 9.3	5.4	-
мг/л	48	92.6-500.0 285.3	49.7-306.0 158.8	10.4-50.1 29.5	45	37
Cl-, мг/л	6.1	5.9-8.98 7.3	4.1-9.5 6.3	1.6-22.0 6.7	4.9	16.4
мг/л	42	9.4-61.5 30.9	7.9-38.5 24.1	1.9-8.4 5.1	27	28
мкг/л	317	1.0-602.0 128.2	8.0-39.0 18.7	9.0-12.0 10.0	19.3	187
F-, мг/л	5.6	0.71-50.0 22.8	<0.2-48.0 15.4	0.5-4.8 2.3	3.4	2.02
мг/л	0.15	0.2-22.5 7.2	0.6-24.0 9.7	0-1.8 0.5	0.10	0.17

Окончание таблицы 3.2

Параметры	Карьерные воды	Шахтные воды рудников			Сброс вод после очистных сооружений рудников
		"Расвумчоррский"	"Юкспорр"	"Кировский"	"Восточный"	"Кировский"
Ca2+, мг/л	10.8	8.8-34.5 17.9	6.3-11.6 8.2	2.9-11.3 5.6	9.4	10.8
Mg2+, мг/л	0.7	0.7-1.8 1.3	0.3-0.6 0.5	0.2-0.7 0.3	0.6	0.56
Na+, мг/л	44	74.6-430.0 224.3	56.8-375.0 194.6	15.1-56.8 0.3	48	42
K+, мг/л	16.3	21.0-116.0 66.2	15.4-116.0 64.8	7.0-20.3 12.7	11.8	11.6
Al, мкг/л	2600	400.0-7100.0 2212.0	1230.0-1750.0 1460.0	350.0-1240.0 612.0	185	2900
Fe, мкг/л	200	150.0-2300.0 1046.0	630.0-1160.0 816.7	200.0-630.0 302.0	140	300
Mn, мкг/л	312	6.3-200.0 64.6	30.0-40.0 34.0	4.9-38.0 14.6	4.2	80
Sr, мкг/л	1600	330.0-2370.0 1514.0	317.0-562.0 467.3	117.0-460.0 249.4	800	1200
Zn, мкг/л	41	3.5-34.0 12.2	5.0-11.2 7.3	1.4-5.2 3.1	0.9	16.0
Cu, мкг/л	21	4.7-70.0 29.1	13.9-33.5 20.5	1.7-5.3 3.92	1.4	15.0
Ni, мкг/л	16.0	3.0-12.7 7.8	5.5-24.0 13.4	1.1-4.0 2.3	0.6	4.0
Cr, мкг/л	32	0.2-5.0 1.5	1.3-2.7 2.0	0.2-0.9 0.5	0.2	4.5
Cd, мкг/л	1.5				0.3	0.7
Co, мкг/л	0.6				<0.1	0.3

Рис.3.1. Распределение металлов по формам миграции:

а) до поступления в очистные сооружения рудника "Восточный"; б) после прохождения очистных сооружений

Гранулометрический и химический состав взвешенного вещества в карьерных водах рудника "Восточный" представлен в табл.3.3. Приведенные данные показывают, что содержание таких приоритетных элементов-загрязнителей, как Al, Fe, Mn, Pb, Cr, во взвешенном веществе фракции более 1 мкм в карьерных водах до попадания в очистные сооружения существенно ниже, чем во взвешенном веществе этой фракции вод, прошедших через пруды-отстойники. Причина этого, на первый взгляд, парадоксального явления заключается в том, что взвешенное вещество карьерных вод до попадания в пруды-отстойники представлено преимущественно песчаной фракцией, которая не полностью разлагается в используемой при проведении анализов концентрированной азотной кислоте. Соответственно, более тонкодисперсный материал взвесей из вод 2-го отстойника в большей степени поддается разложению азотной кислотой. Помимо этого, многочисленные исследования химического состава донных отложений и взвешенного вещества природных вод показывают, что существует достоверная обратная зависимость между концентрацией металлов и гранулометрическим составом минеральных частиц (Salomons, Forstner, 1984; Salomons, Forstner, 1988; Horowitz, 1991; Даувальтер, 1994). Таким образом, распределение химического и гранулометрического составов взвесей до и после прохождения очистных сооружений отражает процесс механической дифференциации взвешенного вещества: уменьшение содержания грубодисперсного материала вследствие его осаждения, и соответственно, уменьшение валового содержания взвесей и увеличение в последнем процентной доли тонкодисперсного материала.

В целом очистные сооружения рудника "Восточный" осуществляют достаточно эффективную очистку карьерных вод от элементов, мигрирующих преимущественно в составе взвесей. Однако с точки зрения воздействия на пресноводные экосистемы эффективность такой очистки весьма сомнительна, так как общее содержание в сточных водах наиболее токсичных загрязняющих веществ, в том числе и их биодоступных форм, значительно возрастает.

Таблица 3.3

Гранулометрический и химический состав взвешенного вещества до и после прохождения очистных сооружений

рудника "Восточный"

Место отбора пробы	Валовое содержание, мг/л	Содержание фракции >1 мкм, мг/л	Содержание фракции 0.45-1.0 мкм, мг/л	Содержание металлов, мкг/г
				Sr	Ni	Cr	Co	Cd	Pb	Cu	Zn	Fe	Mn	Al
Карьерные воды	26.67	26.38	0.29	2231 833	27 45	517 37	19 4	10 <0.1	42 <0.1	438 134	2694 1100	3944 6063	541 1034	48141 14237
Сброс вод из 2-го отстойника	5.4	4.8	0.6	1647 100	72 88	833 48	29 <0.1	15 <0.1	79 <0.1	563 83	250 240	45195 1033	4947 66	142369 7066

ПРИМЕЧАНИЕ. Числитель - содержание металлов во фракции более 1мкм; знаменатель - содержание металлов во фракции 0.45-1.0 мкм.

Значительно меньшую степень очистки карьерных вод обеспечивает единственный пруд-отстойник рудника "Кировский". Приведенный в табл.3.2 химический состав сточных вод рудника "Кировский", поступающих в р.Саамская, показывает высокие концентрации как веществ, мигрирующих в растворенном виде, - Sr, щелочные и щелочноземельные элементы, так и элементов, преимущественно находящихся в составе взвешенной формы, - Al, Fe, Mn, Zn.

Проведенные более детальные исследования состава рудничных вод показали следующее. Физико-химический состав этих вод сильно различается как на отдельных рудниках, так и на участках одного рудника, что зависит интенсивности горных работ на том или ином участке, толщины раздробленной горной массы, через которую просачиваются воды и т.д. Так, на руднике "Расвумчоррский" показатель рН изменяется от 7.87 (горизонт +440) до 9.7 (горизонт +470) (рис.3.2). При этом содержание сухого осадка изменяется в диапазоне от 360.0 мг/л (горизонт +440) до 1699.0 мг/л (горизонт +600), взвешенных веществ - от 20.0 мг/л (горизонт +440) до 278.3 (горизонт +470). Щелочность 5992.0 µeq/l, а электропроводность - 2210.0 µS/cm. На наиболее загрязняемых участках рудника происходит резкое увеличение прежде всего сульфатов и натрия. Несколько в меньшей степени увеличиваются концентрации калия, карбонатов и нитратов (рис.3.3). Динамика нитратов во многом определяется интенсивностью проведения взрывных работ и в периоды проведения массовых взрывов может резко возрастать.

Аналогичная картина наблюдается на рудниках "Кировский" и "Юкспоррский" (рис.3.4). Повышенная минерализация шахтных вод на отдельных участках снижается разбавлением менее загрязненными водами.

Рис.3.2. Распределение показателей шахтных вод подземного рудника "Расвумчоррский" на различных участках (2001 г.)

Рис.3.3. Распределение показателей основных ионов шахтных вод подземного рудника "Расвумчоррский" на различных участках

рН

Рис.3.4. Распределение показателей шахтных вод подземных рудников "Юкспорр" и "Кировский" на различных участках

Основными по объему загрязняющими веществами являются: из анионов - нитраты (компоненты взрывчатых веществ), карбонаты, сульфаты, фосфаты (продукт вышелачивания горных пород); из катионов - натрий, калий, стронций, алюминий и др. (рис.3.5).

Для рудничных вод открытого рудника "Центральный" характерно более высокое, по сравнению с сульфатами, содержание карбонатов и совсем незначительное, по сравнению с натрием и калием, содержание кальция (рис.3.6, 3.7).

Следует отметить, что помимо увеличения общей минерализации на наиболее загрязненных участках происходит изменение соотношения основных ионов (табл.3.4). Так, если на относительно менее загрязненных участках в водах преобладают карбонаты, то на наиболее загрязненных - сульфаты с очень высокими содержаниями Na и K.

Уже в рудниках идет интенсивный процесс выщелачивания редких элементов (рис.3.8) и переход их в растворимую фазу (рис.3.9).

Сточные воды хвостохранилищ также отличаются высокой минерализацией и повышенными содержаниями основных ионов (рис.3.10). В отличие от рудничных вод, основными анионами сточных вод хвостохранилища являются сульфаты, а катионами - натрий и калий (рис.3.11). При этом отсутствуют азотсодержащие соединения.

Рис.3.5. Распределение показателей основных ионов шахтных вод подземных рудников "Юкспорр" и "Кировский" на различных участках

рН

Рис.3.6. Распределение показателей рудничных вод открытого рудника "Центральный" на различных участках

Рис.3.7. Распределение показателей основных ионов рудничных вод открытого рудника "Центральный" на различных участках

Таблица 3.4

Формула основного ионного состава рудничных и сточных вод производственных объектов ОАО "Апатит"

Место отбора пробы	Формула ионного состава воды	Место отбора пробы	Формула ионного состава воды
Рудник "Расвумчоррский" гориз. +600	M1,699 SO449 HCO320 NO316 F11 СО33 Cl1 Na 81 К 14 Ca 4 Mg 1	Кировская крыловодоотводная система	M0.080 HCO3 51 SO4 28 NO3 16 Cl 3 F 2 Na 65 К 16 Mg 11 Ca 8
гориз. +530	M0,844 SO455 NO320 HCO316 F 6 Cl2 СО31 Na 73 К 15 Ca 11 Mg 1	Отстойник № 2 - вход	M0.248 HCO3 43 SO4 30 NO3 17 F 8 Cl 2 Na 75 К 16 Ca 6 Mg 3
гориз. +470	M1,362 SO439 HCO320 NO314 F12 СО312 Cl3 Na 79 К 16 Ca 4 Mg 1	Выход	M0.159 HCO344 SO431 NO316 F6 Cl 2 NO21 Na 77 К 16 Ca 6 Mg 1
гориз. +440	M0,360 SO4 43 HCO3 33 NO3 12 F 7 Cl 5 Na 74 К 14 Ca 10 Mg 2	Зумпф карьера на руднике "Центральный"	M0.585 HCO3 47 SO4 20 NO3 16 F14 NО2 3 Na 83 K 16 Ca 1
гориз. +430	M0,552 SO4 65 HCO3 22 NO3 9 Cl 3 СО31 Na 64 Ca 25 К 8 Mg 3	Зумпф карьера на руднике "Центральный" ЦО-1	M0.492 HCO334 NO323 SO421 F15 СО35 Cl2 Na 84 K 12 Ca 2 Mg 2
Юкспоррское крыло гориз. +380(3ЮС)	M0,254 HCO3 47 SO4 35 NO3 14 Cl 4 Na 75 К 12 Ca 7 Mg 6	Рудоспуск-4 ЦП-1	M0.291 HCO3 61 F 21 SO4 14 NO3 3 Cl 1 Na 82 K 13 Ca 3 Mg 2
гориз. +460(1ЮС)	M1,493 HCO342 SO430 F12 NO39 CO36 NO21 Na 81 К 15 Ca 2 Mg 2	Гидропост 5-3 подзем. ЦП-5	M0.245 HCO3 52 SO4 31 F 11 NO3 4 Cl 2 Na 75 K 17 Ca 5 Mg 3
гориз. +410(2ЮС)	M0,697 HCO332 SO432 NO326 F8 Cl1 NO21 Na 75 К 17 Ca 4 Mg 4	АНОФ-2 отстойник	M0.984 SO4 63 HCO3 28 Cl 4 F 4 Na 76 К 15 Ca 7 Mg 2
Кировское крыло отводной канал	M0,117 HCO345 NO325 SO423 F4 Cl2 NO21 Na 58 Ca 19 К 15 Mg 5 NH4 3	АНОФ-2 водослив ВС-1	M0.674 SO4 59 HCO3 33 F 4 Cl 4 Na 74 К 16 Ca 8 Mg 2
сб. насос	M0,248 SO434 HCO331 Cl22 NO311 F2 Na 65 Ca 12 Mg 11 К 11 Al 1

Рис.3.8. Распределение редких элементов в шахтных водах рудника "Расвумчоррский" ОАО"Апатит"

Рис.3.9. Распределение взвешенных и растворимых форм редких элементов в шахтных водах рудника "Расвумчоррский" ОАО "Апатит"

мг/л

рН

Рис.3.10. Распределение показателей сточных вод хвостохранилища АНОФ-2 на различных участках

Рис.3.11. Распределение показателей основных ионов сточных вод хвостохранилища АНОФ-2 на различных участках