Подходы к выбору систем очистки дренажных вод заброшенных горных выработок Кизеловского угольного бассейна

Существующие системы очистки кислотного дренажа шахт могут быть классифицированы как активные или пассивные. Пассивные методы, основанные на самоподдерживающихся геохимических, биологических и физических процессах, более экономичны и, следовательно, предпочтительны для заброшенных горных выработок. Однако эффективность применения таких методов имеет ряд ограничений. К ключевым параметрам, обуславливающим выбор технологии пассивной или активной очистки, является расход потока и кислотность воды, учитывающая, кроме рН, содержание в воде ионов металлов, гидролиз которых сопровождается выделением в раствор ионов водорода. Целью данной работы является подбор возможных систем очистки кислых шахтных вод, поступающих в р. Косьва (Пермский край), с учетом существующих критериев и рекомендаций по управлению шахтным дренажем, а также опубликованных материалов, обобщающих опыт очистки кислых стоков на заброшенных рудниках. Для выбора системы очистки были рассчитаны следующие параметры: кислотность воды (мг/л эквивалента CaСО3), учитывающая рН и содержание металлов Fe, Al, Mn, и «кислотная нагрузка», соответствующая массе щелочного материала (эквивалентного CaCO3), требуемой для нейтрализации поступающего объема шахтной воды в день. Сопоставление значений рассчитанных параметров с рекомендованными критериями показали, что кислотность воды в большинстве изливов превышает значения, оптимальные для эффективного применения методов пассивной очистки. Однако для потоков с относительно небольшим дебитом возможность применения пассивных технологий может быть рассмотрена при условии последовательного размещения систем очистки (каналов, прудов-осадителей, заболоченных участков).

Фетисова Н. Ф., Фетисов В. В. Подходы к выбору систем очистки дренажных вод заброшенных горных выработок Кизеловского угольного бассейна // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 1. – С. 109–124. DOI: 10. 25018/0236_1493_2024_1_0_109.

Исследование выполнено при поддержке Пермского научно-образовательного центра «Рациональное недропользование», 2023.

Фетисова Наталья Фотеевна — канд. геол.-минерал. наук, научный сотрудник, Горный институт Уральского отделения РАН, e-mail: fetisova.n.f@gmail.com,
ORCID ID: 0000-0002-2346-337X,
Фетисов Вячеслав Владимирович — канд. геол.-минерал. наук, доцент, Пермский государственный национальный исследовательский университет, e-mail: fetisov.v.v@gmail.com, ORCID ID: 0000-0003-4712-4265.

Фетисова Н.Ф., e-mail: fetisova.n.f@gmail.com.

1. Chen G., Ye Y., Yao N., Hu N., Zhang J., Huang Y. A critical review of prevention, treatment, reuse, and resource recovery from acid mine drainage // Journal of Cleaner Production. 2021, vol. 329, article 129666. DOI: 10.1016/j.jclepro.2021.129666.

2. Rambabu K., Banat F., Pham Q. M., Ho S.-H., Ren N.-Q., Show P. L. Biological remediation of acid mine drainage: review of past trends and current outlook // Environmental Science and Ecotechnology. 2020, vol. 2, article 100024. DOI: 10.1016/j.ese.2020.100024.

3. Ushakova E., Menshikova E., Blinov S., Vaganov S., Perevoshchikov R. Distribution of trace elements, rare earth elements and ecotoxicity in sediments of the Kosva Bay, Perm Region (Russia) // Journal of Ecological Engineering. 2022, vol. 23, no. 4. DOI: 10.12911/22998993/146269.

4. Jones D. R., Taylor J., Pape S., McCullough C. D., Brown P., Garvie A., Appleyard S., Miller S., Unger C., Laurencont T., Slater S., Williams D., Scott P., Fawcett M., Waggitt P., Robertson A. Preventing acid and metalliferous drainage: leading practice sustainable development program for the mining industry / Commonwealth of Australia, Canberra, 2016, 221 p.

5. Iatan E-L. Gold mining industry influence on the environment and possible phytoremediation applications / Phytorestoration of abandoned mining and oil drilling sites. Chapter 16. Oxford: Elsevier, 2021, pp. 373—408. DOI: 10.1016/B978-0-12-821200-4.00007-8.

6. Naidu G., Ryu S., Thiruvenkatachari R., Choi Y., Jeong S., Vigneswaran S. A critical review on remediation, reuse, and resource recovery from acid mine drainage // Environmental Pollution. 2019, vol. 247, pp. 1110—1124. DOI: 10.1016/j.envpol.2019.01.085.

7. Максимович Н. Г., Пьянков С. В. Кизеловский угольный бассейн: экологические проблемы и пути решения. — Пермь: ПГНИУ, 2018. — 288 с.

8. Фетисова Н. Ф. Исследование форм миграции металлов в реках, подверженных влиянию шахтных вод Кизеловского угольного бассейна // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. — 2021. — № 1. — С. 141—152. DOI: 10.18799/24131830/2021/1/3007.

9. Ushakova E., Menshikova E., Blinov S., Osovetsky B., Belkin P. Environmental assessment impact of acid mine drainage from Kizel Coal Basin on the Kosva Bay of the Kama Reservoir (Perm Krai, Russia) // Water (Switzerland). 2022, vol. 14, no. 5, article 727. DOI: 10.3390/w14050727.

10. Максимович Н. Г., Хмурчик В. Т., Березина О. А. Формы переноса микроэлементов в речной сети и распределение их во фракциях донных отложений в районах угледобычи // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 11. — С. 52—66. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_11_0_52.

11. Блинов С. М., Максимович Н. Г., Найданова Н. Ф., Шлыков В. Г., Потапов С. С. Минералогические основы утилизации отходов ОАО «Березниковский содовый завод» // Минералогия техногенеза. — 2003. — № 4. — С. 51—55.

12. Максимович Н. Г. Создание геохимических барьеров для очистки кислых стоков породных отвалов // Уголь. — 2006. — № 9 (965). — С. 64—65.

13. Рыбников П. А., Рыбникова Л. С., Максимович Н. Г., Деменев А. Д. Исследование гидрогеологических условий угольных месторождений на постэксплуатационном этапе с использованием гидродинамического моделирования (на примере Кизеловского угольного бассейна, Западный Урал, Россия) // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 3-1. — С. 475—487. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-31-0-475-487.

14. Taylor J., Pape S., Murphy N. A summary of passive and active treatment technologies for acid and metalliferous drainage (AMD). Fremantle, Werstern Australia, 2005, 49 p.

15. Skousen J. G., Rose A. W., Geidel G., Foreman J., Evans R., Hellier W. Handbook of technologies for avoidance and remediation of acid mine drainage. Morgan-town, National Mine Land Reclamation Center, 1998, 131 p.

16. Skousen J., Ziemkiewicz P. Performance of 116 passive treatment systems for acid mine drainage / Proceedings of 22nd National Meeting of the American Society of Mining and Reclamation. Lexington, ASMR, 2005, pp. 1100—1133. DOI: 10.21000/JASMR05011100.

17. Skousen J., Zipper C. E., Rose A., Ziemkiewicz P. F., Nairn R., McDonald L. M., Kleinmann R. L. Review of passive systems for acid mine drainage treatment // Mine Water and the Environment. 2017, vol. 36, pp. 133—153. DOI: 10.1007/s10230-016-0417-1.

18. Kirby C. S., Cravotta C. A. Net alkalinity and net acidity 1: theoretical considerations // Applied Geochemistry. 2005, vol. 20, pp. 1920—1940. DOI: 10.1016/j.apgeochem.2005.07.002.

19. Kirby C. S., Cravotta C. A. Net alkalinity and net acidity 2: practical considerations // Applied Geochemistry. 2005, vol. 20, pp. 1941—1964. DOI: 10.1016/j.apgeochem.2005.07.003.

20. Еделев А. В. Прогнозная оценка состава дренажных вод, взаимодействующих с сульфидсодержащим веществом // Геология и геофизика. — 2013. — Т. 54. — № 1. — С. 144—157.

21. Фетисова Н. Ф. Кислотность и щелочность шахтных вод как ключевые показатели для планирования систем очистки // Горное эхо. — 2022. — № 2(87). — С. 32—38. DOI: 10. 7242/echo.2022.2.5.

22. Геоэкологическая геоинформационная система Кизеловского угольного бассейна: [сайт]. URL: http://kub.maps.psu.ru (обращение 24.10.2022).

23. Parkhurst D. L., Appelo C. A. J. Description of input and examples for PHREEQC version 3-A computer program for speciation, batch-reaction, one-dimensional transport, and inverse geochemical calculations. Techniques and Methods / Book 6 Modeling Techniques, chapter 43 of Section A: Groundwater. Denver, Colorado, 2013, 497 p. DOI: 10.3133/TM6A43.

24. Максимович Н. Г., Хмурчик В. Т., Мещерякова О. Ю., Березина О. А., Деменев А. Д. Формирование техногенных донных отложений под влиянием изливов кислых шахтных вод Кизеловского угольного бассейна / Сергеевские чтения. Фундаментальные и прикладные вопросы современного грунтоведения: Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. T. 23. — М.: Геоинфо, 2022. — С. 385—387.

25. Fetisova N. F. Arsenic speciation and sorption in acid mine drainage and the polluted water of the Kosva river basin, Russia // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2022, vol. 962, no. 1, article 012050. DOI: 10.1088/1755-1315/962/1/012050.

26. Lozano A., Ayora C., Fernández-Martínez A. Sorption of rare earth elements on schwertmannite and their mobility in acid mine drainage treatments // Applied Geochemistry. 2020, vol. 113, article 104499. DOI: 10.1016/j.apgeochem.2019.104499.