Исследование способов обезвреживания и использования твердых отходов в качестве строительных материалов

Министерство образования и  науки Республики Казахстан

«Допущена к защите»

Заведующий кафедрой

Экология

_____________________

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

На тему: «Исследование способов обезвреживания и использования твердых отходов в качестве строительных материалов»

по специальности 5В060800 – «Экология»

Выполнил:

Научный руководитель

Профессор:         

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………............3

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР СПОСОБОВ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ В КАЧЕСТВЕ СТРОЙМАТЕРИАЛОВ НА ПРИМЕРЕ СУЛЬФИДНЫХ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ И ВСКРЫШНЫХ ПОРОД ДОБЫЧИ МЕДИ…………………..6

1. Опыт исследования методов обезвреживания, переработки и использования сульфидных хвостов и вскрышных пород медного производства в Казахстане и за рубежом…………………………………………………………..6
2. Место сульфидных хвостов и вскрышных пород медного производства в классификации твердых отходов………………………………..13

2 ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА МЕДНОГО ПРОИЗВОДСТВА С ОБРАЗОВАНИЕМ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД И СУЛЬФИДНЫХ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ

2.1 Общая характеристика месторождения …………….………………...18

2.2 Технология разработки  карьера на месторождении с  образованием вскрышных пород………………………………………………………..……….22

2.3 Образование хвостов  обогащения на месторождении  …………………………………………………………………………..…26

3 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ, ПЕРЕРАБОТКИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА МЕДИ …………………………………………32

3.1 Обезвреживание, переработка и использование сульфидных хвостов обогащения…………………………………………………………………………32

3.2 Обезвреживание, переработка и использование вскрышных пород добычи меди………………………………………………………………………..48

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………...55

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…………………………...59

ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………………..62 

Введение

Актуальность  работы. Повышение социально-экономической эффективности недропользования – государственная политика Казахстана. В этой связи особую значимость приобретают вопросы комплексного, экологически безопасного освоения месторождений минерального сырья. При этом первоочередной задачей ставится снижение объемов отходов предприятий и вовлечение их в эффективное промышленное использование.

Кроме того, являясь страной  с быстро развивающейся экономикой и эффективной демографической  политикой, Республика Казахстан тратит огромные средства на застройку и  поддержание в функциональном состоянии  жилых массивов, дорожных коммуникаций, промышленных зон и так далее. Таким образом, актуальность проблемы переработки и повторного использования промышленных отходов именно в качестве строительных материалов обусловлена сразу несколькими факторами.

Как известно, рост объемов производства в горнодобывающей промышленности неизбежно влечет за собой увеличение количества техногенных отходов. На территории Казахстана в целом и в частности на территории Хромтауского района Актюбинской области накоплено некоторое количество отходов, образующихся при добыче и переработке медно-колчеданных руд: отвалы вскрышных пород, хвосты обогащения, отходы обогатительного производства. В силу высокой избирательности используемых в настоящее время технологий по обогащению полезных ископаемых в отвалах техногенных материалов складировано и продолжает накапливаться большое количество не использующихся полезных компонентов, таких как сера, железо и так далее.

Следует подчеркнуть, что в регионе это производство находится на стадии развития и значительных объемов отходов пока не образовалось. Поэтому вопрос утилизации (переработки) сульфидных хвостов от переработки медных руд актуален, так как его своевременное решение предотвратит создание проблем уже имеющихся в развитых горнорудных районах Казахстана.

Негативное влияние отвалов техногенных материалов чрезвычайно высоко. Занимая собой огромные территории, они загрязняют еще большие участки, делая их непригодными для рационального использования. Атмосферные осадки, проходя через отвалы техногенных образований, способствуют естественному выщелачиванию металлов. Согласно экологическим исследованиям [23; 31] состава подземных вод в районе исследования, они содержат большое количество ионов цветных металлов и имеют высокую степень минерализации. Кроме того, агрессивно воздействующие на природную среду техногенные компоненты, тем не менее, являются важным резервом пополнения объемов минерального сырья. Следовательно, отходы обогащения руд представляют собой не только источник чрезвычайной экологической опасности, но и средство получения огромных материальных ресурсов, что обуславливает крайнюю необходимость их очищения и переработки.

То есть, интерес к проблеме обезвреживания и использования отходов добычи и переработки медно-колчеданных руд обусловлен не только материальной выгодой, но и возросшими экологическими требованиями.

Итак, кардинальным решением проблемы рационального использования природных ресурсов и защиты окружающей природной среды от загрязнения является широкое внедрение принципов малоотходных и ресурсосберегающих технологий. На этом фоне обезвреживание и переработка отходов медного производства в строительные материалы позволила бы решить своевременную и актуальную задачу повышения полноты использования техногенных отходов и изыскать при этом дополнительные материальные ресурсы, способствующие экономическом росту региона.

Таким образом, объектом исследования являются обезвреживание и использование твердых отходов в качестве строительных материалов, а предметом исследования – обезвреживание и использование вскрышных пород добычи меди и сульфидных хвостов обогащения меди.

Научная новизна дипломной  работы состоит в том, что в ней подобраны и скомбинированы методы, комплексное использование которых позволяет достичь максимально полной, переработки пиритных хвостов обогащения медных руд, делая безотходным (за исключением газообразных отходов, ликвидируемых с помощью ряда очистных сооружений) сам процесс обогащения медных руд.

Практически полученные данные могут быть применены для внедрения предлагаемого метода в производство, например путем постройки отходоперерабатывающего предприятия при обогатительной фабрике. Так же данная дипломная работа может быть использована преподавателями и студентами для подготовки учебного материала по соответствующей теме, а так же при написании научных работ.

База исследования: месторождение медно-колчеданных руд.

Цель: поиск и анализ экономически и экологически рациональных способов обезвреживания и использования твердых отходов в качестве стройматериалов на примере сульфидных (пиритных) хвостов переработки медно-колчеданных руд и вскрышных пород, образующихся при их добыче.

Задачи дипломной  работы:

1. Проанализировать литературу по проблеме исследования;
2. Определить место сульфидных хвостов обогащения меди и вскрышных пород добычи в классификации твердых отходов;
3. Проследить эффективность существующих методов обезвреживания и использования сульфидных хвостов и вскрышных пород медного производства в Казахстане и за рубежом;
4. Проанализировать опыт обезвреживания и использования сульфидных хвостов и вскрышных пород медного производства в качестве стройматериалов;
5. Изучить технологические процессы добычи и обогащения меди на месторождении, а так же техническую документацию предприятия;
6. Определить механизм образования изучаемых твердых отходов;
7. Эмпирически исследовать способы обезвреживания и использования сульфидных хвостов и вскрышных пород медного производства на базе месторождений.

1. Литературный обзор способов обезвреживания и использования

твердых отходов  в качестве стройматериалов на примере  сульфидных хвостов обогащения и  вскрышных пород добычи

1. . Опыт исследования методов обезвреживания, переработки и использования сульфидных хвостов и вскрышных пород медного производства в Казахстане и за рубежом

Республика Казахстан  – экономически развитое государство, с высоким индустриальным уровнем  и быстрыми темпами развития промышленности. В связи с этим вопрос утилизации именно промышленных отходов наиболее актуален как для экологии, так  и для экономики страны.

Повышение социально-экономической  эффективности недропользования –  государственная политика Казахстана. В этой связи особую значимость приобретают  вопросы комплексного, экологически безопасного освоения месторождений  минерального сырья. При этом первоочередной задачей ставится снижение объемов  отходов предприятий и вовлечение их в эффективное промышленное использование.

Как известно, одной из нерешенных задач промышленности нашего региона  остается утилизация и полное использование  отходов образующихся в результате добычи и обогащения полезных ископаемых.

В данной работе мы предлагаем вариант решения проблемы обезвреживания и полного использования части  твердых отходов медного производства, а именно сульфидных хвостов и  вскрышных пород путем переработки  их в строительные материалы.

Как известно, промышленная добыча медных руд ведет свое начало с давних времен. В РСФСР и Казахской ССР медное производство представляло собой развитую отрасль, с каждым годом набирающую обороты. Такое положение дел осталось актуальным и в постперестроечный период. При этом непозволительно мало внимания уделялось утилизации и рециркуляции отходов добычи и производства. Вскрышные породы и сульфидные хвосты медного производства складывались и накапливались в отвалах и хвостохранилищах.

Кроме того, масштабы добычи и переработки руд характеризуются  нарастающей динамикой и непрерывным  поступлением в хранилища промышленных отходов. Таким образом, отвалы вскрышных пород и хвостохранилища на сегодняшний день занимают значительные площади по земельному отводу, мощность хвостов, складированных в них, изменяется в пределах 18-40 м. При этом, большая часть хранилищ отходов уже законсервированы, а эксплуатируемые в настоящее время находятся на стадии завершения эксплуатации [30].

Парадоксально, что при этом только в последние десятилетия, когда в связи с катастрофическим накоплением экологических проблем промышленность просто вынуждена искать безопасные пути утилизации отходов, начались попытки решения вопроса переработки и полезного использования таких промышленных отходов, как вскрышные породы добычи меди и пиритные хвосты медного обогащения. При том, что эффективность мероприятий по их переработке напрямую зависит, в том числе, от срока хранения отхода. Так на Урале и в других регионах России, где эксплуатационные запасы кондиционных руд практически отработаны, и на поверхности горного отвода в хвостохранилищах накоплено значительное количество отходов, было принято решение разрабатывать затопленные отвалы пиритных хвостов как техногенные месторождения для добычи ценных элементов. При этом процент и содержания и извлечения оных существенно снижен по сравнению с этими же показателями только что отработанных материалов [30].

Так как в нашем регионе  производство меди находится на стадии развития и значительных объемов  отходов пока не образовалось, вопрос утилизации (переработки) сульфидных хвостов  от обогащения медных руд особенно актуален, так как его своевременное  решение предотвратит создание проблем  уже имеющихся в регионах России и развитых горнорудных районах  Казахстана. Таким образом, становится очевидным, что переработка отходов обогатительного передела позволит снизить негативное воздействие на окружающую среду и расширить минерально-сырьевую базу предприятия за счет возможности комплексного использования этих руд.

В ходе анализа литературных источников по теме исследования было выявлено несколько способов, предлагаемых в качестве решения проблемы утилизации пиритных хвостов.

Первым из предлагаемых путей  переработки пиритных хвостов является доизвлечение из них цветных и благородных металлов. Как известно, золото и серебро концентрируется в кристаллической решетке пирита и пирротина.

С целью определения условий  эффективного применения гравитационного  метода для извлечения металлов из сульфидных хвостов проводились опыты на центробежном концентраторе “Кнельсон” марки KC-MD7” канадской компании промпродукт “Knelson Concentrator”. Порог крупности золота, извлекаемого в концентрат, данного аппарата составляет 10 мкм.

Исходная пульпа, крупность  материала 82,9 % класса 0,074+0 мм, 30 % твердого, загружали в приемную воронку в течение 1,5-2 мин. На манометре аппарата устанавливали центробежное ускорение соответствующее 20 g, 40 g, 50 g и 60 g. Опыты проводили по схеме основной сепарации.

Увеличение центробежного  ускорения не приводит к концентрации меди. Невысокий уровень извлечения благородных металлов в концентрат основной сепарации свидетельствует о нецелесообразности применения гравитационного метода для извлечения из хвостов цветных и благородных металлов [34].

Для установления закономерностей поведения сульфидов меди, а так же золота и серебра в процессе флотации и определения количественного распределения металлов по продуктам обогащения проводились сравнительные опыты по флотации медно-цинковой руды и хвостов обогащения, идущих на закладку, по единой коллективно-селективной схеме.

Постановка опытов по флотации хвостов и руды происходила на материале крупностью 83 % класса 0,044+0 мм. Общий расход бутилового ксантогената составил 143-150 г/т, СФК 10-15 г/т; гидросульфита натрия 300-310 г/т, цинкового купороса 555-560 г/т; медного купороса 220-230 г/т, общая продолжительность флотации 120 мин.

Продуктами флотации хвостов  явился некондиционный медный концентрат с низким уровнем извлечения меди (25,2 %), цинка (5,2 %), золота (4,3 %) и серебра (7,4 %). Содержание золота в медном концентрате, как при флотации хвостов, так и руды имели приблизительно одинаковые значения 2,7-3,3 г/т золота. Полученные значения подтвердили изоморфность золота в кристаллической решетке пирита и показывают неэффективность применения процесса флотация для извлечения из техногенного сырья цветных и благородных металлов.

Итак, для извлечения «упорного» золота и серебра из сульфидных хвостов возможна переработка гравитационным и флотационным методами. Для окисленных хвостов данные методы малоэффективны, это связано с низкой флотируемостью минеральных зерен и сростков; гравитационный метод определяет большой расход воды для отмывки материала от глинистых включений. Более приемлемым является метод низкотемпературного выщелачивания [34].

Так, для извлечения из пиритных хвостов ценных металлов ряд авторов (Рыльникова М.В., Емельяненко Е.А., Горбатова Е.А.) предлагают способ комплексного выщелачивания отходов обогащения медно-колчеданных руд [31], который заключается в доизвлечении ценных компонентов путем выщелачивания с предварительным окомкованием материала. Для выщелачивания окатыши хвостов обогащения по 10 кг послойно закладываются в перколяционные колонны, где циклично осуществляется этот процесс. Выщелачивание проводится раствором серной кислоты концентрацией 5 %. В ходе реализации двух рабочих циклов закисления и промывки техногенного материала в течение 30 суток исследователями были получены следующие результаты по суммарному извлечению при использовании различных добавок:

- при использовании органического комплексообразователя: меди – 3,63 % (1,089 г), цинка – 12,53 % (10,02 г), железа – 3,54 % (106,2 г);

- при использовании 5 % раствора серной кислоты: меди – 3,65 % (1,095 г), цинка – 11,74% (9,392 г), железа – 3,79% (113,7 г.);

- при использовании 5 % раствора сульфата железа (III); меди – 5,51 % (1,653 г), цинка – 12,5 % (10 г), железа – 7,81 % (234,3 г);

- при использовании ультразвуковой установки: меди – 4,21 % (1,263 г), цинка – 14,23 % (11,384 г), железа – 4,53 % (135,9 г) [31].

На наш взгляд, предложенный метод, хоть и является частичным решением проблемы полезного использования техногенных материалов, дает на выходе очень низкие процентные показатели извлечения ценных веществ. Очевидно, что вопрос утилизации и рециркуляции техногенных отходов обогатительного производства требует новых, более эффективных решений.

Некоторые авторы [39], например, Кирпищиков С.П., Топчаев В.П., Крампит И.А., Пестерев П.С. и другие, предлагают эффективные методы извлечения из пиритных хвостов обогащения золота.

В настоящее время в  странах Европы (Бельгия, Германия, Франция) [37] для извлечения драгоценных металлов из пиритных хвостов все чаще используются автоклавные процессы (процессы, протекающие при повышенных давлении и температуре).

К таким технологиям относятся, во-первых, автоклавное вскрытие, при котором золото и серебро сохраняются в нерастворимом осадке. После этого драгоценные металлы извлекаются с помощью амальгамации или цианирования.

Если температура пульпы повышается до 130°С и выше, происходит разложение сульфатов, гидроокиси и основного сульфата, при этом выделяется красная окись a-Fe₂О₃.

Итак, и большая часть железа и частично мышьяк трансформируются в нерастворимый твердый остаток при температуре 130-340°С и давлении кислорода, которое превышает упругость паров пульпы. Вместе с тем золото, которое изначально состояло в ассоциативной связи с железистыми сульфидами, как физически, так и химически, вскрывается, становясь доступным для процесса цианирования.

Подготовка золотосодержащих пиритных концентратов к цианированию с минимальным растворением железа и мышьяка происходит следующим  образом. Пульпа, представляющая собой измельченную руду во взвешенном состоянии в водной или кислотной среде, окисляется воздухом, кислородом или их смесью при температуре 115-345°С. При этом показатели давления должны превышать давление пара суспензии в данных условиях. Уровень жесткости суспензии должен составлять примерно 4,5 %, чтобы мышьяк из раствора выпал в осадок в виде арсената железа [37].

Исследования, результатом  которых является извлечение золота из пиритных хвостов, представляются перспективными для широкого применения в промышленности. Однако в нашем случае исследования состава медно-колчеданных руд нашего региона показывают настолько низкое содержание в них драгоценных металлов (1,30 г/т золота и 25,8 г/т серебра), что дополнительное их извлечение является совершенно нецелесообразным и нерентабельным. Более половины золота (53 %) и серебра (45 %) в медно-колчеданных рудах извлекаются в медный концентрат.

Другим предлагаемым методом  вовлечения в производство обогатительного  передела является производство из пиритных хвостов минеральных удобрений [23]. Этот метод заключается в вымывании из пиритных хвостов ценных микроэлементов (меди, цинка, магния, кобальта и других) и включении их в состав полимикроудобрений. Авторы (Глушковская М.Ю. и другие) аргументируют предлагаемый метод тем, что содержание микроэлементов в почвах определяет их содержание в растениях, влияя на их продуктивность и качество урожая. Предлагаемым способом авторы [23] намереваются снизить негативное влияние отвалов хвостов обогащения на окружающую среду, так как, по их мнению, оно на порядок выше, чем площадь, которую занимают сами отвалы.

Мы, в свою очередь, считаем, что подотвальные территории, как указывалось ранее, занимают непозволительно огромные земельные территории, за использование которых необходимо платить налоги и компенсации, а, следовательно, требуют значительных материальных затрат.

Кроме того дополнительные средства расходуются на поддержание  в хранилищах необходимых условий  безопасности (предотвращение пылеобразования, контроль воздействия атмосферных  и грунтовых вод, в результате контакта с которыми возможно образование  химически активных растворов, и  другое). С завершением добычи руд  на месторождении и прекращением недропользования такие хранилища  могут оказаться бесхозными и  тогда все процессы воздействия  их на окружающую среду становятся неконтролируемыми.

Поэтому проблема полного использования пиритных хвостов медного обогащения требует рациональных решений, не допускающих создания в регионе огромного количества законсервированных отвалов, которые уже стали проблемой в отдельных регионах России и развитых горнорудных районах Казахстана.

Наибольшие масштабы открытых горных работ связаны с добычей  полезных ископаемых. При этом все  работы и процессы, связанные с  извлечением полезного ископаемого из недр, совершаются в открытых горных выработках [22]. При открытом способе добычи первичные отходы в виде вскрышных пород обычно складываются во внутренних или внешних отвалах и после отработки карьера используются для его засыпки. В то же время с целью повышения эффективности разработки месторождений меди, а так же рационального использования других природных ресурсов (в частности земельных) и снижения нагрузки на окружающую среду, вскрыша (в основном скальные породы, представляющие ее), может быть вовлечена в сферу производственной деятельности. В основном вскрышные породы используются в виде щебня при строительстве дорог, изготовлении железобетонных изделий, строительстве насыпных сооружений и прочее [2; 26].

Основная экологическая  угроза отвалов вскрышных пород  заключается в выносе в атмосферу пылевых частиц с поверхности отвала в результате его ветровой эрозии и последующее их осаждение на почве. Отвалы вскрышных пород являются хранилищем отходов горнодобывающего производства, которое по мере заполнения подлежит консервации или комплексной переработке с последующей рекультивацией и передачей в хозяйственное пользование подотвальных земель.

В сухие периоды года большинство  отвалов вскрышных пород могут  оказаться источником интенсивного пыления в результате ветрового  воздействия.

Ветровая эрозия определяется характером и интенсивностью воздействия  ветрового потока, свойствами складируемого  материала, технологией складирования, а также конструкцией объекта.

Можно выделить три составляющих процесса ветровой эрозии:

- отрыв и взлёт частиц  с поверхности;

- перемещение ее в запыленном потоке над поверхностью отвала вскрышных пород;

- рассеивание пылевых частиц за пределами после схода пылевого облака.

Таким образом, пыление чревато запылением прилегающих территорий, в том числе и земель сельскохозяйственного назначения (пашни, пастбища и так далее), ухудшением здоровья работников и жителей близлежащих населенных пунктов, распространением респираторных заболеваний у людей и животных.

Для обезвреживания вскрышных  пород в основном применяются методы периодического орошения и озеленения поверхности отвалов после предварительного выполаживания склонов [26].

Использование скальных вскрышных  пород в качестве строительных материалов практиковалось горнодобывающими предприятиями еще во времена СССР и продолжает оставаться эффективным сегодня. Традиционно вскрыша используется для производства щебня различных характеристик и свойств [5].

И так, в свете всего  сказанного становится очевидным, что  вопрос накопления промышленных отходов  медного производства должен быть решен  до того как в регионе сложится критическая ситуация; при этом метод вовлечения отходов в полное полезное производство должен быть эффективным, рентабельным, экологически безопасным и максимально безотходным. Таким, на наш взгляд, и является переработка твердых отходов медного производства, а именно пиритных хвостов обогащения и части вскрышных пород, в строительные и другие материалы, имеющие спрос не только в регионе, но и за его пределами.

Таким образом, обезвреживание и переработка промышленных отходов медного производства является актуальной проблемой, требующей эффективного и своевременного решения, которое, не смотря на предпринимаемые попытки в регионе, пока не найдено.

Вместе с тем Республика Казахстан, являясь страной с  быстро развивающейся экономикой и  эффективной демографической политикой, тратит огромные средства на застройку  и поддержание в функциональном состоянии жилых массивов, дорожных коммуникаций, промышленных зон и так далее.

Таким образом, переработка  и использование промышленных отходов  горнодобывающих и перерабатывающих предприятий именно в качестве строительных материалов было бы не только оптимальным и эффективным решением экологической проблемы, но и значительным подспорьем для экономики нашего региона и страны в целом.

Тщательный обзор тематической литературы позволил нам сделать вывод о том, что в современной горнодобывающей промышленности не практикуется переработка сульфидных хвостов медного обогащения в стройматериалы. То есть поиск рентабельного и эффективного способа такой переработки является актуальным в принципе и основополагающим для данной работы, так как решит проблему утилизации хвостов, минимизирует вредное воздействие на окружающую среду и пополнит ресурсы в строительной сфере.

Переработка же части скальных вскрышных пород в щебень является технологией, широко практикуемой как  в Казахстане, так и за рубежом. Она подробно изучена в рамках настоящего исследования [3; 5; 8; 26] и кратко излагается в рассматриваемой работе.

Вскрышные породы или вскрыша – горные породы, покрывающие и вмещающие полезные ископаемые, подлежащие выемке и перемещению в процессе открытых горных работ [3]. Далее часть вскрышных пород складируется в отвалах, а часть определяется как пригодная для производства щебня. Критериями качества минерального материала при этом являются дробимость, истираемость, морозостойкость и другие физико-механические характеристики породы. С целью ограничения влияния вредных примесей (пирита, магнетита, гематита), которые вызывают ускоренное старение асфальтобетона, техническими требованиями ограничена плотность исходной породы до 3000 кг/м³, что гарантирует наличие свободных оксидов железа менее 10 процентов [26].

Существующая технология добычи исходного сырья для производства щебня не отличается от разработки вскрыши [26], то есть после выемки вскрыши пригодное сырье отделяется и вывозится на дробильно-сортировочный комплекс, где перерабатывается в щебень. Порода из породных отвалов рудника подаётся автотранспортом в приёмные бункеры, встроенные в пластинчатые питатели. С питателей порода поступает на крупное дробление и дробится.

Существуют три стадии дробления: крупное, среднее и мелкое. Разделение породы на классы происходит на двухситных грохотах. После чего средняя фракция конвейером подается на склады, а крупная проходит еще одну стадию дробления.