Загрязнение подземных и поверхностных вод при добыче полезных ископаемых
На состояние гидросферы оказывают влияние природные и техногенные факторы. К природным относят: климат, почвы, леса. Лесам принадлежит большое водоохранное и почвозащитное значение. Они уменьшают величину поверхностного стока талых и дождевых вод. Обеспечивают дополнительное питание водоемов и оказывают значительное влияние на формирование подземного стока. Леса предохраняют поверхность земли от водной эрозии, берега рек от разрушений.
Техногенные факторы влияют по двум направлениям:
- 1. Изменение гидрогеологического режима поверхностных и подземных вод;
- 2. Загрязнение вод подземного и поверхностного стоков отходами горного производства и бытовыми отбросами.
При строительстве и эксплуатации карьеров и разрезов существенные осложнения возникают из-за наличия подземных и поверхностных вод: происходят деформации горных выработок, снижается производительность оборудования, усложняется производство буровзрывных работ.
Поэтому отличительной особенностью горного производства является необходимость осушения месторождений полезных ископаемых. С этой целью с территорий намечаемых к разработке месторождений или их участков переносятся поверхностные водоемы и водотоки, и выполняются мероприятия по защите горных выработок от обводнения их подземными водами. Основным способом осушения зоны горных работ является водопонижение путем проведения различных горных выработок, откачки или отвода самотеком, а затем сброса значительных объемов подземных вод в гидрографическую сеть за пределы разрабатываемого участка.
В практике обычно используют три способа водопонижения – с поверхности, подземный и комбинированный. Первый способ предусматривает сооружение дренажных устройств (скважин, канав, иглофильтров) непосредственно на земной поверхности. При подземном способе средства водопонижения располагают в горных выработках. В последние годы при проходке подземных выработок в обводненных и неустойчивых породах плывунного типа с низким коэффициентом фильтрации используют забойное водопонижение, заключающееся в том, что в забое в горную породу на различную глубину погружают иглофильтры. С помощью рукавов иглофильтры подключают к водосборному коллектору, в котором поддерживают достаточно глубокий вакуум, позволяющий всасывать через иглофильтры воду из обводненного грунта. Комбинированный способ является сочетанием способа водопонижения с поверхности и подземного и реализуется, как правило, в два этапа. Вначале с поверхности производится предварительное снижение уровня грунтовых вод, а затем вводится в эксплуатацию система подземного водопонижения.
Естественный режим подземных вод нарушается с момента вскрытия технологическими горными или дренажными выработками первого от поверхности водоносного горизонта и после откачки из него воды. При этом запасы подземных вод сокращаются, а состояние и качество поверхностных вод существенно ухудшаются. На значительной площади месторождения образуется депрессионная воронка, размеры которой зависят как от геологических и гидрогеологических условий района месторождения, так и от продолжительности его разработки.
Осушение месторождения приводит к резкому изменению естественного режима подземных и поверхностных вод. На поверхности земли нарушения состояния подземных и поверхностных вод проявляются в полном осушении заболоченных участков, уменьшении запасов вод в поверхностных водоемах и водотоках, осушении колодцев и неглубоких водозаборных скважин, иссякании источников, исчезновении небольших ручьев и рек. При прекращении откачек в связи с завершением горных работ со временем депрессионные воронки исчезают и режим подземных вод восстанавливается. Восстанавливается также уровень вод в колодцах и водозаборных скважинах. В большинстве случаев возрождаются поверхностные водоемы и водотоки. Однако восстановление режима и состояния подземных и поверхностных вод зависит от масштабов нарушений. Если при подземном способе разработки восстановительные процессы протекают относительно быстро, то при открытой разработке месторождений эти процессы зависят от глубины и состояния карьеров, заполнения выработанного пространства вскрышными породами, направления рекультивации.
Мероприятия по охране природных вод особенно актуальны для открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых со сложными гидрогеологическими условиями, так как при открытом способе вскрываются все водоносные горизонты, залегающие в разрабатываемой толще пород, и сами горные выработки обладают дренирующим эффектом. В связи с большими размерами карьеров и интенсивностью водопонижения при открытых разработках размеры депрессионных воронок достигают огромных значений, охватывая обширные прилегающие территории. Наибольшие размеры воронок депрессии характерны для трещиноватых и закарстованных обводненных пород. По мере понижения уровня подземных вод и срабатывания их запасов в водоносных горизонтах, из которых непосредственно производится откачка, постепенно вовлекаются в сработку и динамические ресурсы подземных вод, т.е. вод, поступающих из области питания, из боковых зон осушаемого пласта и из других водоносных горизонтов, имеющих с осушаемыми толщами гидравлическую связь. После стабилизации расхода и динамического уровня основная масса подземных вод поступает со стороны постоянных источников питания. При этом величина водопритоков полностью определяется местными природными условиями: орографическими, геологическими, гидрогеологическими, климатическими и пр. Соотношение объемов статических и динамических запасов зависит от их ресурсов в области питания.
При осушении месторождений, особенно при открытых горных работах, прежде всего истощаются запасы высококачественных пресных вод, которые должны использоваться в основном для коммунального хозяйственно-питьевого водоснабжения. Попадая в систему дренажных канав, водосборников и коллекторов, пресные воды загрязняются и приобретают свойства «рудничной воды», а затем загрязняют поверхностные воды. При срабатывании динамических ресурсов подземных вод возникает опасность загрязнения пресных вод минерализованными, что может привести к снижению их качества или сделать вообще непригодными для питьевого использования.
Существенное влияние на режим и состояние поверхностных, грунтовых и подземных вод оказывают отвалы и гидротехнические сооружения горных предприятий (гидроотвалы, хвосто- и шламохранилища, водохранилища и пр.). Крупноплощадные отвалы обладают большой площадью водосбора. Воды атмосферных осадков, стекающие с поверхности отвалов или профильтровавшиеся через толщу пород, загрязняются и засоряются и, в свою очередь, загрязняют и засоряют поверхностные водоемы и водотоки.
Загрязнение вод. Для горнодобывающих предприятий в отличие от горноперерабатывающих характерно значительное превышение объемов сточных вод над объемами водопотребления для обеспечения технологических процессов и удовлетворения других потребностей предприятий. Дренажные воды, а также воды, стекающие с поверхности отвалов, не могут без соответствующей подготовки и очистки включаться в замкнутый цикл горного производства. Основной объем их должен отводиться. Недоброкачественные рудничные воды при отсутствии очистных сооружений, попадая в поверхностные водоемы и водотоки, загрязняют их. Это отрицательно воздействует на флору и фауну поверхностных вод, а также на флору и фауну лесных и сельскохозяйственных угодий окружающих территорий, санитарно-гигиенические условия местности. Особенно загрязняются дренажные воды угольных месторождений. Выделяются следующие основные загрязняющие вещества в водах, откачиваемых из угольных шахт: взвешенные частицы, главным образом, угольная и породная пыль, частицы глины, хлористые соединения, свободная серная кислота и сопутствующие соли – сульфаты железа, растворенные и взвешенные фенольные соединения, масла. К числу загрязняющих факторов относятся также повышенная температура шахтных вод и канализационные стоки.
Из-за наличия хлористых и сернистых соединений, а также кальция, магния, натрия и калия шахтные воды без предварительной очистки и нейтрализации не могут быть использованы даже в технических целях. Рудничные воды могут содержать соли других тяжелых металлов – меди, цинка, марганца, никеля, ртути, свинца, урана и др. Попадая в поверхностные или подземные воды, загрязняющие вещества включаются в природный круговорот. При благоприятных условиях они накапливаются в почвах, донных отложениях, затем переходят в растительность, организмы животных, а через них и воду – в человека.
Геохимические процессы, протекающие в водоемах и почвах в связи с разработкой месторождений полезных ископаемых, во многом сходны с природными, обусловленными ветровой и водной эрозией, выветриванием горных пород. Однако, если природные процессы протекают медленно, существенно не нарушая равновесия между геосистемами и не ухудшая сложившиеся экологические условия, то в результате техногенной деятельности в связи с резким увеличением загрязняющих веществ это равновесие нарушается и экологическая обстановка резко ухудшается. Вследствие переноса загрязняющих веществ на значительные расстояния локальное воздействие горных предприятий на окружающую среду перерастает в региональное. Особенно велико влияние сброса дренажных вод горных предприятий на сток малых и средних рек, в результате чего он может возрасти в 1,5- -3 и более раз. При этом изменяются качество и тепловой режим вод в этих водотоках.
Засорение вод. При открытой разработке месторождений полезных ископаемых, расположенных в непосредственной близости от берегов озер, морей и океанов, может возникнуть засорение водного бассейна. Например, значительное ускорение накопления осадков в заливе Сан-Франциско (США) наступило после того как на берегах залива и впадающих в него рек приступили к разработке месторождения золота. За 60 лет было размыто около 2 млрд м3 породы. Более половины ее осело в заливе и прилегающих к нему водных артериях. Это привело к значительному изменению конфигурации береговой линии и уменьшению площади залива на 11 %.
Таким образом, горное производство оказывает на природные воды прямое и косвенное воздействие. К первой группе относятся виды воздействия непосредственно на водные объекты, приводящие к истощению запасов вод, изменению их режимов, состояния и качества: осушение месторождений, отбор вод для технологических процессов обогащения, гидровскрыши, гидродобычи, сброс дренажных и сточных вод в поверхностные водоемы и водотоки, подземные горизонты и пр. Ко второй группе относятся виды воздействия на другие элементы окружающей среды (землю, воздух, растительность), в результате которых ухудшаются состояние и качество природных вод.
Очистка сточных вод – обработка их с целью разрушения или удаления из них определенных веществ, препятствующих отведению этих вод в водоемы в соответствии с нормативными требованиями.
Методы очистки горнопромышленных сточных вод и жидких отходов горного производства делят на две группы: деструктивные и регенерационные. К деструктивным относят такие методы, при которых загрязняющие сточную воду вещества разрушают окислением, восстановлением или другими химическими и физико-химическими методами. Образующиеся продукты распада удаляются в виде газов и осадков или остаются в растворе. Обработанные таким образом жидкие отходы подлежат сбросу или захоронению. Для деструктивной обработки применяют различные реагентные методы, термическое уничтожение, биохимическое окисление и т.д.
К регенерационным относятся методы, позволяющие возвратить обработанные жидкие отходы в технологический цикл, использовать их в другом производстве или извлечь из них ценные вещества. Объектами регенерации могут быть вода (загрязненные сточные воды), химикаты (отработанные растворы, загрязненные воды), горюче-смазочные материалы (отработанные масла, топлива) и даже многокомпонентные смеси. При регенеративной обработке не всегда обеспечивается полный санитарный эффект, и поэтому может потребоваться дополнительная деструктивная обработка вторичных отходов: обезвреживание солей, извлеченных из регенерированной воды; обработка воды, из которой извлекли ценные примеси; обработка применяемых для регенерации растворов и вод регенерирующих установок.
Промышленные сточные воды предприятий горнодобывающей промышленности оказывают существенное влияние на состояние природной среды. В связи с непрерывным и значительным увеличением объема продукции горного производства количество сточных вод шахт, рудников, карьеров, а также обогатительных фабрик постоянно возрастает.
Главными составными частями промышленных сточных вод действующих горных предприятий являются шахтные (карьерные) воды, а также стоки атмосферных вод, загрязненные вследствие водной эрозии отвалов пустых пород и некондиционных полезных ископаемых.
Структура промышленных сточных вод горных предприятий представлена на рис. 9 (в нее не включены сточные воды обогатительных фабрик).
Основной составляющей частью шахтных (карьерных) вод являются сопутствующие воды, поступающие из водоносных горизонтов (подземное происхождение вод) и с поверхности Земли (атмосферные воды). Количество этих вод может быть весьма различным. Нередко, особенно в угольных шахтах, количество сопутствующих вод резко возрастает вследствие внезапных прорывов воды из водоносных горизонтов, из затопленных ранее выработок и подрабатываемых поверхностных водоемов, а также прорывов паводковых и ливневых вод. Загрязнение сопутствующих вод зависит от свойств толщи пород, пересекаемых скважинами. Первоначальная загрязненность в основном определяется степенью минерализации вод подземных горизонтов,
а также взвешенными частицами поверхностных и грунтовых вод.
Технологические воды, объем которых при традиционных способах подземной разработки относительно невелик (редко превышает 10% от общего объема шахтных вод), загрязнены мелкодисперсными минеральными частицами и химическими растворами, используемыми при бурении взрывных скважин, а также при пылеподавлении.
Рис. 9. Структура сточных вод горных предприятий
При открытой разработке месторождений количество сопутствующих вод определяется обводненностью пород и атмосферными осадками. Во многих случаях количество этих вод значительно, что усложняет проведение горных работ. Для борьбы с ними, в первую очередь, проводятся различные дренажные мероприятия. В период строительства карьеров расходы на дренаж нередко составляют до 20-30 % от общей стоимости работ, в эксплуатационный период они также велики. К основным источникам загрязнения сопутствующих вод относятся массы разрушенных пород и полезного ископаемого в забоях, внутренние отвалы вскрышных пород и эрозирующая поверхность (особенно нерабочих) бортов карьера.
Технологические воды при открытой разработке рудных, угольных и нерудных месторождений используются в умеренных количествах для бурения скважин, пылеподавления и в значительных количествах для гидроотбойки, гидротранспортировки и сооружения гидроотвалов вскрышных пород.
Воды, стекающие с внешних породных отвалов и с отвалов некондиционных полезных ископаемых, в относительно небольших количествах поступают в выработки карьера через борта. Эти воды становятся при открытой и подземной разработке источниками загрязнения поверхностных водоемов и подземных вод.
Промышленные сточные воды горных предприятий могут характеризоваться повышенной кислотностью, щелочностью, соленостью, жесткостью и мутностью. Они загрязнены твердыми и коллоидными частицами пород и полезных ископаемых; различными химическими соединениями; содержат органические и бактериальные загрязняющие вещества. Расширение применения в подземных выработках самоходного оборудования, а в открытых горных выработках ‑ мощного транспортного и технологического оборудования с двигателями внутреннего сгорания привело к повышению загрязнения шахтных и карьерных вод нефтепродуктами.
Кроме образования большого количества загрязненных сточных вод, в процессе горных работ в локальных масштабах меняется распределение подземных и поверхностных вод.
Строительство горных предприятий для подземной разработки сопровождается обычно не очень большими изменениями водных режимов, вызываемыми мелиоративными работами на поверхности (в частности, отвод русла реки или ручья), водопонижением, осуществляемым в основном для облегчения проходческих работ, и откачкой на поверхность вод, поступающих в выработки. С началом и по мере развития добычных работ на шахте масштабы изменений водных режимов увеличиваются. Грунтовые и пластовые воды в больших или меньших количествах выдаются на поверхность, изменяя водный режим в районе проведения работ, что приводит к отрицательным экологическим последствиям.
Самые существенные изменения гидрогеологических условий наблюдаются при строительстве карьеров и открытой разработке месторождений. Наличие поверхностных и подземных вод усложняет и повышает опасность работ по вскрытию и выемке полезных ископаемых. Поэтому до начала и в процессе горных работ осуществляют мероприятия по осушению породных массивов.
Наиболее простым осушительным мероприятием является «открытый водоотлив», при котором поступающая в выработки вода по водоотводным канавам или траншеям стекает в водосборники и откачивается за пределы карьерного поля. При значительной водоносности пород, характеризующихся повышенной водопроницаемостью, широко используются водопонижающие скважины, оборудуемые погружными насосами.
Отходы промышленной и бытовой деятельности человека плохо влияют на состояние почвы и атмосферы. Практически все виды производств, химические, мусорные свалки, отсутствие канализации в деревнях — причины загрязнения подземных вод.
Источники опасности
Загрязнение грунтовых вод — ухудшение качества опасными стоками, изменение состава, накопление посторонних предметов. Эти причины делают невозможным использование в повседневной жизни воды. Она грязная, и ее качество все ухудшается.
Выделяются следующие основные виды деятельности человека, создающие большое количество стоков:
- жилищно-коммунальное;
- сельское хозяйство;
- нефтедобыча и переработка;
- химическое;
- энергетическое;
- целлюлозно-бумажное производство;
- мусорные свалки;
- неверно организованные хранилища химических отработанных веществ.
Большинство элементов, вырабатываемых перечисленными источниками, растворимы, потому засорение иногда незаметно.
Отталкиваясь от его характера загрязнения, стоки разделяют на следующие группы:
- Бытовые — засоряются физиологическими, хозяйственно-бытовыми отходами.
- Атмосферные — воды для поливки улиц, дождевые и талые, выпавшие на территории населенного пункта. Наименее опасный вид стоков.
- Производственные — вода, прошедшая технологические процессы, откачанная во время добычи полезных ископаемых или содержащая промышленные отходы. В зависимости от содержащихся примесей и их количества, ее перед вторичным использованием или подвергают очистке (загрязненная) или выпускают в водоем (условно загрязненная).
У видов стоков разные степени засорения и количество, возвращаемое в природу. Бытовые стоки — минерально-органические, а количество их зависит от норм водоотведения (степени благоустройства домов). Общая масса атмосферных вод иногда меняется из-за климата, рельефа и застройки городов. Производственные стоки — степень засорения и количество зависят от профиля промышленного предприятия.
Виды загрязнения
Вещества, оказывающие неблагоприятное действие на окружающую среду, проникают через грунт и отравляют подземные воды.
На основании их категорий различают несколько видов засорения.
Нефтяное загрязнение
Устойчивый вид засорения, происходит из-за разлива нефти, забора сопутствующих ее добыче вод, закачки их для поддержания давления в пластах. Образуется при транспортировке, переработке нефти и повседневном использовании ее продуктов человеком.
Непосредственно грунтовых вод просочившиеся нефтепродукты достигают не полностью: часть испаряется, а часть остается в грунте. Те, что попадают, делятся: одна половина остается на поверхности (образует нефтяную пленку), другая — растворяется. Признак этого вида — характерный запах нефти.
Тепловое загрязнение
Представляет собой увеличение температуры подземных вод на 5-10 С°. Вследствие чего увеличивается растворимость или оседание химических веществ, меняется газовый, химический состав воды. Развивается микрофлора, фауна, как результат начинается цветение. Из-за теплового засорения исключается возможность практического применения грунтовых вод.
Возникает такой вид чаще всего возле мест нахождения крупных промышленных предприятий, а именно атомных и тепловых электростанций. На территориях городов — из-за выброса теплых коммунальных стоков, привлечения поверхностных вод вблизи водоемов с хорошо проницаемыми породами.
Из-за изменения температуры повышается токсичность загрязняющих веществ. Поэтому данный вид загрязнения часто идет вместе с другими, из-за чего неблагоприятное воздействие на воду усиливается, возникают нежелательные экологические последствия.
Химическое загрязнение
Наиболее встречаемое стойкое засорение, которое довольно долго сохраняется и сложно ликвидируется. Проявляется присутствием минеральных и органических веществ неестественного происхождения, химических и синтетических элементов, из-за чего происходит окрашивание ярким цветом, появление резкого запаха и повышение температуры.
Основные источники этого вида — промышленные стоки, газы и твердые отбросы, содержащие большое разнообразие неорганических и органических элементов. Воды, откачиваемые при добыче руды, угля; канализационные стоки населенных пунктов. Вблизи производственных бассейнов встречается присутствие тяжелых и токсичных металлов: железа, цинка, ртути, меди, свинца.
Химический состав подземных вод может меняться под влиянием активных веществ, а при воздействии инертных — нет.
Это зависит от характера химического загрязнения: точечный, линейный или площадной.
Бактериальное загрязнение
Проявляется повышенной концентрацией микроорганизмов, провоцирующих инфекционные заболевания (энтеробактерии, этеровирусы), представителей группы кишечной палочки. Этот вид имеет временный, локальный характер, потому что срок существования бактерий составляет максимум 1 год. Однако вблизи мест захоронения жертв масштабных эпидемий возникает благоприятная среда для формирования очагов постоянного существования патогенных микроорганизмов.
Главными источниками загрязнения подземных источников являются: животноводческие фермы, птицефабрики, выгребные ямы населенных пунктов, неисправности труб канализации. Места выброса канализационных стоков в поверхностные водоемы или откачки их в поглощающие колодцы, скважины, свалки.
Радиоактивное загрязнение
Происхождение засорения радиоактивными веществами носит естественный или техногенный характер. Первое возникает на местах тектонических нарушений, месторождений урана. Второе — результат испытаний ядерного оружия (экспериментальные взрывы бомб на основе водорода, атомов и нейронов), эксплуатация АЭС. Процессы переработки радиоактивных остатков, ядерного сырья. Производство ядерных реакторов, топлива, оружия, радиоактивные захоронения.
При стабильном функционировании АЭС некая часть радионуклидов регулярно вырабатывается в окружающую среду. К серьезным проблемам с экологией это не приведет в отличие от нарушений штатного режима работы АЭС. Ярким примером является катастрофа, произошедшая в Чернобыле 26 апреля 1986 г. Радиоактивное засорение распространилось на весь континент, возникли геопатогенные зоны длительного существования из-за скопившихся в подземных водах долгоживущих радионуклидов.
Агрохимическое загрязнение
Представляет собой засорение нитратами вследствие сельскохозяйственной деятельности. Главные его источники — удобрения, отбросы животноводческих ферм.
Нитраты растворимы, практически незаметны, способны распространяться до самых глубоких источников подземных вод, мигрировать по ним на дальние расстояния.
Диффузное загрязнение
Итог сельскохозяйственной деятельности человека, а именно обработки растений химическими веществами (пестицидами) для защиты от сорняков, насекомых, грибка. Их вносят в почву, распыляют самолетами или распрыскивают на растения.
Пестициды — биологически активные, стойкие, плохо растворяющиеся токсичные вещества, подвергающиеся процессам распада. Иногда могут преобразовываться в промежуточные соединения, более токсичные, чем исходные вещества.
Защита подземных вод
Экологические, природоохранительные организации в России следят за защитой окружающей среды.
Они осуществляют действия, направленные на защиту грунтовых вод.
Среди них можно отметить следующие:
- внедрение в производство новых технологий;
- современные способы очистки промышленных стоков (замена биохимической очистки стоков на мембранную, физико-химическую);
- переход на замкнутые циклы водоснабжения (стоки используются неоднократно).
В химической промышленности осуществляется переход от водяного охлаждения к воздушному. Это позволит сократить расход воды, а соответственно и количество стоков на 70-90%.
Защита подземных вод от истощения, загрязнения, рациональное их использование — проблемы, требующие скорейшего разрешения.
Во многих областях уже возникла нехватка водных ресурсов, а ведь жизнедеятельность человека, существование без них невозможно. Четко спланированная работа очистных сооружений, коммунальных служб, управляющих компаний позволит снизить уровень критичности и со временем разрешить данную проблему.
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )