Исследование способов обезвреживания и использования твердых отходов в качестве строительных материалов

Мелкие фракции породы (менее 40 мм) подаются на трехситные грохоты, где происходит разделение на щебень разных классов крупности и отсев. Далее готовый продукт с помощью конвейеров подается в конические штабели товарной продукции, откуда и происходит отгрузка потребителям.

И так переработка твердых  отходов медного производства, а  именно вскрышных пород и сульфидных хвостов медного обогащения, в  строительные материалы видится  эффективным и экологически безопасным методом решения проблемы их утилизации. На сегодняшний день переработка  вскрышных пород в щебень различных  фракций широко практикуется на производстве, при этом технология улучшается и модернизируется путем внедрения инновационных исследований [26].

Тем не менее, проблема накопления отходов обогащения медных руд остается в регионе нерешенной. Способа  переработки сульфидных хвостов  медного обогащения в строительные материалы пока не найдено. Мало того, подобное направление обезвреживания и переработки пиритных хвостов  не рассматривается в литературных источниках в качестве решения проблемы их накопления.

В данной работе предлагается рассмотреть именно такой способ полного полезного использования  пиритных хвостов, а именно извлечение оксида железа с попутным получением серной кислоты, а затем переработка  пиритных огарков (оксидное железо) в  металлическое железо с последующим  применением его для создания различных строительных конструкций.

Такая схема утилизации отходов медного производства рассматривается как самый рациональный способ использования природного материального сырья, так как соответствует мировым стандартам внедрения ресурсосберегающих технологий и полностью удовлетворяет политике недропользования Республики Казахстан. Кроме того, как показано далее в расчетах, такой метод является полностью рентабельным и окупает себя в условиях нашего региона.

Также в работе рассмотрены  и приведены результаты инновационных  исследований, посвященных переработке  пиритных огарков в строительные материалы, а именно битумы, цементы  и асфальтобетонных смесей [16]. Эти исследования на данный момент прошли апробацию на предприятиях Российской Федерации, признаны эффективными и в перспективе могут быть внедрены в масштабное производство, в том числе и в нашей стране. Таким образом, налаживание стабильного производства серной кислоты из пиритных хвостов обогащения меди с получением оксида железа становится не только рентабельным в настоящий момент, но и предполагает новые перспективы, связанные с инновационными исследованиями и активным научным поиском новых способов использования пиритных огарков.

2. . Место сульфидных хвостов и вскрышных пород

медного производства в классификации твердых отходов

Согласно обобщенной классификации, данной П.П. Пальгуновым и М.В. Сумароковым в книге «Утилизация промышленных отходов» [18], по форме отходы делятся на жидкие, газообразные и твердые. По происхождению отходы подразделяются на бытовые или коммунальные, отходы производства или промышленные отходы и отходы производственного потребления, строительные и сельскохозяйственные отходы. С точки зрения возможного использования отходы могут быть возвратными и безвозвратными. Возвратные отходы - это такие отходы, которые могут быть использованы в дальнейшем, безвозвратные - такие, которые не могут быть использованы в дальнейшем технологическом цикле (усушка, угар и так далее) [18].

Твердые отходы – твердые вещества, признанные непригодными для дальнейшего использования в рамках имеющихся технологий или после бытового использования продукции.

На сегодняшний день растущие масштабы производства и потребления  порождают все больше и больше мусора, что представляет реальную угрозу экологическому состоянию как  планеты в целом, так и отдельно взятых регионов.

Хвосты обогащения колчеданных руд и пиритный концентрат являются обломочными породами техногенного происхождения. Основная масса продукта (98,55 %) представлена частицами + 0,05-0,1 мм. Класс крупности – 0,05 мм составляет 0,95 %, а класс крупности + 0,1-0,45 % от общей массы хвостов, что позволяет классифицировать текущие хвосты как техногенные алевриты.

Сульфидные хвосты относятся  к промышленным твердым отходам  медного производства. Согласно классификатору отходов, утвержденному приказом Министра охраны окружающей среды Республики Казахстан от 31 мая 2007 года № 169-п [2], они относятся к отходам горнодобывающей промышленности, а именно к отходам физических и химических процессов переработки минерального сырья (номенклатура 5120). Сульфидные хвосты переведены в категорию отходы, так как являются остатками от переработки сырья (код Q11). Физическое состояние отхода – S8 – хвосты. Согласно обобщенному перечню опасных составляющих отхода пиритные хвосты имеют индекс С10 (железо и его соединения) и С75 (неорганические соединения серы). Код пиритных хвостов в классификации опасных отходов Н13, т.к. они способны после удаления образовывать другие материалы путем выщелачивания. В настоящий момент операции по обращению с данным типом отходов представляют собой складирование на поверхности земли (в отвалах), что соответствует коду D1 в классификации. Внедрение в производство предлагаемого метода переработки предполагает переход отхода в группу Е.2 по обращению с отходами, то есть «регенерация, рециркуляция, рекуперация, прямое повторное или альтернативное применение». Вид деятельности, в результате которого образуются данные отходы, маркируется кодом «А 214» – разведка и (или) добыча и обогащение руд цветных металлов. Пиритные хвосты относятся к зеленому списку отходов (А.1) и имеет индекс GG080 – отходы от производства меди с высоким содержанием железа. Таким образом, классификационный код отхода N 5120// Q11// S8// C10+C75// H13// D1+ E.2// A214// GG080.

Вскрышные породы медной добычи представляют собой отходы горнодобывающей  промышленности. Они образуются в  результате открытых горных работ. Открытыми горными работами называют совокупность работ, производимых с земной поверхности с целью добывания разнообразных горных пород и создания различных выемок [22]. При производстве открытых горных работ для выемки полезного ископаемого горизонтальной или пологопадающей залежи необходимо удалить покрывающие пустые (вскрышные) породы [22].

Горные породы, к которым  относится и вскрыша, делятся  на коренные (магматические, метаморфические  и осадочные), залегающие в толще  земной коры на месте своего образования, и покрывающие их наносы – измельченные породы, переотложенные или перенесенные. Вскрышные породы добычи меди содержат как коренные (осадочные) породы, так  и наносы [22].

По определению Ржевского В.В. разделение пород на полезные ископаемые и вскрышные породы относительно. Поэтому вскрыша может быть охарактеризована по тем же параметрам, что и любые горные породы.

Итак, при разработке горные породы подвергаются различного рода воздействиям, главным образом механическим: ударам, сдвигу, уплотнению, перемещению  и другим, в результате чего изменяется их состояние. В общем случае различают  естественное и искусственно измененное (посредством взрыва, механическими  способами разрушения, водопонижением, химическим укреплением и другое) состояния горных пород. Состояние  вскрыши от добычи медной руды открытым способом на месторождении можно классифицировать как измененное посредством взрыва.

Свойства пород изменяются в большом диапазоне. Трудно найти  хотя бы две одинаковые по минералогическому  составу породы на разных месторождениях с одинаковыми свойствами и характеристиками. Поэтому надо объединять породы в  группы, категории и классы с определенным диапазоном свойств и характеристик.

Для открытой разработки все  горные породы разделяют на три группы:

1. скальные и полускальные;
2. разрушенные (искусственно или естественно измененные породы первой группы);
3. плотные, мягкие (связанные) и сыпучие.

Группы пород предопределяют способы их разработки и применяемые  для этого технические средства. Вскрышные породы переходят из первой категории во вторую в результате воздействия взрыва и становятся пригодны для погрузки и транспортировки обычными техническими средствами. Разрушенные породы различаются по степени связности, кусковатости и прочности в куске. Последняя практически соответствует прочности пород до разрушения.

Связность отражает характер связей между смежными кусками породы, сопротивление отрыву которых значительно  меньше по сравнению с сопротивлением сдвигу. Степень связности зависит  в первую очередь от разрыхленности разрушенных пород, а также их кусковатости, что выражается величинами сцепления (связи природного характера), зацепления (связи механического характера разрушения) и угла внутреннего трения пород. Разрыхленность характеризует увеличение объема разрушенной породы по сравнению с занимаемым в массиве и определяется величиной коэффициента разрыхления.

По степени связности характеризуемые вскрышные породы можно отнести ко второй категории – связно-сыпучие разрушенные породы. Они характеризуются наличием небольших воздушных промежутков (пустот) между отдельными природными блоками и кусками. Сцепление между ними отсутствует, но куски зажаты и сохраняют зацепление между кусками и сцепление по ненарушенным природным трещинам в кусках. При этом коэффициент разрыхления составляет примерно 1,2-1,3. Насыпь разрушенных пород не имеет четко выраженных откосов.

Кусковатость определяют по среднему линейному размеру куска. Вскрышные породы месторождения. Пригодные для производства щебня относятся к первой категории кусковатости – очень мелкоразрушенные (или очень мелковзорванные) породы с размером наиболее крупных кусков 400-600 мм [22].

Согласно классификатору отходов, утвержденному приказом Министра охраны окружающей среды Республики Казахстан от 31 мая 2007 года № 169-п [2], они относятся к отходам из шахт и карьеров металлосодержащего минерального сырья (номенклатура 3111). Вскрыша переведена в категорию отходы, так как является остатками от переработки сырья, а именно от добычи полезных ископаемых (код Q11). По физическому состоянию вскрышные породы относятся к твердым отходам и структурированы на пыль (код S4), комки (код S17) и куски (S18). Согласно обобщенному перечню опасных составляющих отхода вскрыша имеет индексы: С01 (алюминий и его соединения), С10 (железо и его соединения), С14 (кобальт и его соединения), С15 (кремний и его соединения), С17 (магний металлический в несвязанной форме), С18 (марганец и его соединения), С19 (медь и ее соединения), С34 (титан и его соединения), С37 (фосфор и его неорганические соединения), С41 (цинк и его соединения), С43 (неорганические сульфиды). Код вскрышных пород в классификации опасных отходов H11, так как они являются отходами, которые при попадании внутрь организма через органы дыхания (вследствие пыления), способны вызвать серьезные, затяжные или хронические респираторные заболевания. Операции по обращению с данным типом отходов представляют собой складирование на поверхности земли (в отвалах), что соответствует коду D1 в классификации. Вид деятельности, в результате которого образуются данные отходы, маркируется кодом «А 214» – разведка и (или) добыча и обогащение руд цветных металлов. Вскрышные породы относятся к зеленому списку отходов (А.1) и имеет индекс GD070 – отходы кремнезема в твердом виде. Таким образом, классификационный код отхода N3111// Q11// S4+S17+S18// C01+C10+C14+C15+C17+C18+C18+C34+C37+C41+C43// H12// D1// A214// GG070.

И так, в связи с высокими темпами индустриального развития Казахстана все большую актуальность набирает вопрос обезвреживания и утилизации промышленных отходов. Для нашего региона огромную ценность представляет отрасль медного производства, поэтому в данной работе подробно рассмотрен вопрос обезвреживания и переработки твердых отходов медного производства, а именно вскрыши и пиритных хвостов обогащения. В соответствии с классификатором отходов, утвержденным приказом Министра охраны окружающей среды Республики Казахстан от 31 мая 2007 года № 169-п [2], пиритные хвосты имеют классификационный код N 5120// Q11// S8// C10+C75// H13// D1+ E.2// A214// GG080, а вскрышные породы – N3111// Q11// S4+S17+S18// C01+C10+C14+C15+C17+C18+C18+C34+C37+C41+C43// H11// D1// A214// GG070. 

2. Характеристика технологического процесса медного производства с образованием вскрышных пород добычи меди и сульфидных хвостов обогащения меди на месторождении

2.1. Общая характеристика месторождения

Транспортная сеть района представлена железными и автомобильными дорогами. Ближайшая железнодорожная  станция министерства транспорта и коммуникаций Республики Казахстан – станция Кимперсай в 60 км к северо-западу [6].

Географически месторождения расположены в Северных Мугоджарах на границе с Южным Уралом.

Гидрографическая сеть представлена рекой Орь, протекающей в меридиональном направлении, и ее правым притоком – ручьем Тасты-Бутак.

Климат района – резко  континентальный, засушливый. Характерны резкие годовые и суточные колебания  температуры воздуха, поздние весенние и осенние ранние заморозки, глубокое промерзание почвы, постоянно дующие ветра.

Согласно данным центра гидрометеорологического  мониторинга, указанных в справке  о климатических характеристиках  Хромтауского района (приложение А), преобладающее направление ветров в зимний период – юго-восточное, летом – северо-западное.

Среднегодовое количество осадков  составляет 279 мм, в том числе 192 мм в теплый период и 87 мм в холодный период. Глубина промерзания почвы  достигает 2,0-2,5 м.

Минимальная температура  воздуха отмечается в декабре, абсолютный минимум равен минус 48°С, максимальная температура наиболее жаркого месяца июля – плюс 42°С.

Безморозный период длится 170 дней. В начале октября возможны заморозки как в воздухе, так  и на почве. Зима холодная, продолжительностью 190 дней.

Месторождение расположено в районе с развитой горнорудной промышленностью, имеет обеспечение топливом (природный газ, уголь), питьевой и технической водой, электроэнергией, достаточно благоприятные транспортные условия и находится в удобном для заселения районе, что определяет, в целом, выгодные условия его освоения.