Он позволит снова включать воду в хозяйственный оборот

Образование отходов и сточных вод при отработке месторождений полезных ископаемых — насущная проблема, связанная с негативным влиянием на окружающую среду. Особую опасность представляют остатки породы от добычи и обогащения цветных металлов, в которых металлы находятся в сульфидной форме, например, отвалы забалансовых руд, продукты обогащения, отходы металлургического передела.

В таких отходах находят кадмий, цинк, медь и кобальт. Цинк играет важную роль в протекании различных биохимических реакций, метаболизме белков и нуклеиновых кислот, является кофактором большой группы ферментов, но при превышении дозы токсичен для человека. Кадмий раздражает дыхательные пути, его длительное воздействие может вызвать тяжелую дисфункцию почек, репродуктивной системы, печени, головного мозга и центральной нервной системы. Медь и кобальт в высоких концентрациях тоже токсичны и приводят к неблагоприятным последствиям для здоровья.

Нейтрализация высоких концентраций тяжелых металлов может быть достигнута с помощью различных физических, химических и биологических процессов. Распространенными методами удаления ионов металлов из раствора сточных вод являются осаждение, коагуляция, ионный обмен и адсорбция. Методы, связанные с осаждением и коагуляцией, приводят к образованию большого количества осадка. Ионный обмен является дорогостоящим и требует предварительной очистки сточных вод, так как матрицы ионных обменников могут засоряться в процессе эксплуатации различными веществами, находящимися в сточных водах.

Сотрудники лаборатории экологии горного производства Института горного дела Уральского отделения РАН предложили использовать для нейтрализации тяжелых металлов композиционный состав на основе отходов железо-магниевого производства. Проведенные исследования показали, что эффективность очистки зависит от дозы внесения отходов, времени контакта, начальной концентрации металлов и кислотно-щелочного баланса. Оптимальными условиями являются время контакта 120–180 минут, дозировка 4–10 г/л и первоначальная концентрация ионов металлов не более 500 мг/л. Такие условия позволяют добиться почти полной очистки.

Полученные данные свидетельствуют об эффективности использования отходов железо-магниевого производства в целях снижения токсичности сточных вод и имеют повышенный интерес при разработке мероприятий по очистке сточных вод, в части формирования каскада биологических прудов с учетом вещественного состава ложа и фильтрационной дамбы, чувствительных к каждому химическому элементу.

Актуальность исследований обусловлена также и тем, что правительство РФ утвердило отраслевую программу «Применение вторичных ресурсов и вторичного сырья из отходов в промышленном производстве», основными задачами которой являются формирование приоритетных направлений научных исследований для вовлечения вторичных ресурсов в промышленность и увеличение доли продукции, произведенной с использованием вторсырья.

Наталья Антонинова, к. т. н., заведующая лабораторией экологии горного производства ИГД УрО РАН, ответила на вопросы «Ъ-Науки»:

— Почему ученые решили использовать именно композиционный состав на основе отходов железо-магниевого производства? В чем его преимущества?

— Предприятия минерально-сырьевого комплекса являются источниками крупнотоннажных отходов, зачастую представляющие собой экономически невостребованные материалы и оказывающие негативное воздействие на окружающую среду при их размещении. Поэтому одно из направлений исследований в лаборатории посвящено оценке эффективности и обоснованию возможности использования отходов производства в природоохранных целях. Кроме того, минеральные комплексы техногенного происхождения могут явиться дешевыми сорбционными материалами для извлечения широкого круга химических веществ из водных растворов. Выбор отходов железо-магниевого производства обусловлен как их доступностью, так как это производственные отходы, образующиеся в достаточно больших количествах и являющиеся потенциально дешевым сорбционным материалом, так и составом, который представлен в том числе оксидом магния, положительно влияющим на процесс нейтрализации кислых сточных вод, а железосодержащие материалы эффективно адсорбируют тяжелые металлы (медь, цинк, кадмий).

— Как происходит процесс очищения вод от металлов?

— Процесс очистки сточных вод от тяжелых металлов до уровня предельно допустимых концентраций (ПДК) рыбохозяйственного значения происходит в два этапа. На первом этапе вносится железо-магниевый композиционный состав (ЖМКС), обладающий способностью активной нейтрализации тяжелых металлов. Магний повышает значение pH, делая среду близкой к нейтральной, способствуя осаждению металлов, что благоприятно сказывается для нейтрализации кислых сточных вод, а сорбционная способность оксидов железа достаточно хорошо изучена. На втором этапе добавляются отходы гуминового производства (ОГП), которые также выступают в качестве сорбента и используются уже на стадии доочистки до уровня ПДК (заявка на изобретение: Отходы гуминового производства для очистки сточных вод, заявка №2023133123: заявл. 31.12.2023 : / Н. Ю. Антонинова, А. В. Собенин, А. И. Усманов [и др.]; заявитель Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук). Таким образом, эффективность удаления металлов из раствора высокоминерализованных кислых вод (с начальной концентрацией до 500 мг/л) достигается последовательным внесением ЖМКС и ОГП дозировкой до 10 г/л и временем контакта 120–180 минут. Полученные данные свидетельствуют о возможности использования отходов для снижения металлической агрессивности сточных вод и имеют повышенный интерес при разработке мероприятий по очистке сточных вод, в части формирования каскада биологических прудов с учетом вещественного состава ложа и фильтрационной дамбы, чувствительных к каждому химическому элементу. Таким образом, дальнейшие исследования по поиску возможности вовлечения в хозяйственный оборот производственных отходов в природоохранных целях перспективны.

— Как проходили исследования?

— Исследования выполнялись в лаборатории экологии горного производства ИГД УрО РАН. В рамках исследований поставлены эксперименты, направленные на изучение удаления тяжелых металлов из сточных вод материалом, представляющим собой неиспользованные ресурсы в виде отходов производств. Модельным объектом являются отработанные медноколчеданные месторождения Свердловской области (Кабанское и Дегтярское). Первый этап исследований проводился в рамках гранта РФФИ №20–45–660014 «Исследование закономерностей миграции и накопления тяжелых металлов в природных системах, испытывающих локальную техногенную нагрузку предприятий горно-металлургического комплекса с целью разработки эффективных методов их экологической реабилитации» и при финансовой поддержке правительства Свердловской области. Была рассмотрена возможность использования в качестве элемента биогеохимического барьера железо-магниевого продукта с рН — 8,7 для удаления ионов металлов Cu2+Cd2+, Zn2+, Co2+ из сточных вод. Полученные результаты позволили в дальнейшем развить это направление и обосновать параметры технологии очистки сточных вод от тяжелых металлов при отработке медноколчеданных месторождений.

— Насколько эффективна эта технология? Можно ли будет использовать ее в промышленности? Как скоро?

— Разработанная технологическая схема очистки промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов, в основе которой заложен принцип использования производственных отходов, позволяет довести показатели ПДК до рыбохозяйственного значения. На данном этапе проведены лабораторные испытания, а при успешном проведении опытно-промышленных испытаний через 1–1,5 года возможно внедрение в технологический процесс.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки