Исследование способов обезвреживания и использования твердых отходов в качестве строительных материалов

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.