Сорбция тяжелых металлов из горных отвалов сапропеле-угольным рекультивантом

Перед Лабораторией рекультивации нарушенных горными работами земель была поставлена задача уменьшение содержания тяжелых металлов, нефтепродуктов и радионуклидов в отвальных породах фосфоритного карьера ПО «Эстонфосфорит». Карьер расположен на границе г. Таллинн, примыкает к жилым кварталам Маарду. Рекультивируемые земли после добычи фосфорита открытым способом подлежат сдаче под лесопосадки, парковую зону, луговые выпасы скота, сенокосы. Это значит, что к отвальным территориям карьера предъявляются повышенные требования по содержанию в слагаемых их поверхностных породах тяжелых металлов и радионуклидов природного происхождения и привнесенных в результате транспортно-добычных работ нефтепродуктов.

За основу в решении проблемы Центром по сапропелю был предложен двухкомпонентный сапропеле-угольный рекультивант в сыпучем мелко- гранулированном виде. Сапропель добывался непосредственно рядом с карьером на озере Маарду, приготавливался в цеху предприятия, а активированный гранулированный уголь марки АГ-3 в готовом виде завозился вагонами на промплощадку лаборатории. Компоненты определенного грансостава (сапропель 0-4 мм, уголь 2-4 мм) в пропорции 1:10 смешивались механическим путем образуя сапропеле-угольный почвообразующий рекультивант. В рекультивант добавлялись семена растений, поглощающих при росте тяжелые металлы и радионуклиды. Смесь погружалась на БЕЛАЗы, вывозилась на отвалы карьера и ровным слоем (150-300 мм) бульдозером ровнялась по его поверхности. Обычно, данный вид работ проводился перед дождливыми днями. При отсутствии дождя рекультивируемая площадь горного отвала обильно увлажнялась поливальными машинами.

Рис. 1. Цех приготовления сапропеле-угольного рекультиванта

Сапропель озера Маарду – это коллоидные отложения содержащие не менее 30% органического вещества, а также неорганические биогенные и проносимые водой компоненты. Данная масса добывалась шнеково-винтовым земснарядом, частично обезвоживалась и при влажности 65-70% гранулировалась, сушилась при T*С = 1050-1100 градусов в течение 20-22 часов. Остаточная влажность сапропеля составляла 18-20%, размер гранул 0-4 мм.

Гранулированный активный уголь АГ-3 (уголь АГ-3) ГОСТ 20464-75. Его получают в виде гранул из каменноугольной пыли и связующих веществ методом обработки водяным паром при температуре 850 – 950° C. Благодаря развитой структуре как микро-, так и макропор, уголь активный АГ-3 является универсальным для адсорбции различных органических соединений из жидких и газовых сред. Впервые уголь АГ-3 Центром по сапропелю был применен в качестве составного компонента почвенного сорбирующего рекультиванта. Обычно он используется в качестве фильтрующе-сорбирующей загрузки в адсорберах и фильтрах. Высокая механическая прочность угля активного АГ-3 позволяет работать с ним погрузочно-транспортным средствам, бульдозерам на отвалах, выравнивать и планировать его по площадям, обеспечивая тем самым высокий ресурс работы.

Внешний вид угля АГ-3

Цилиндрические гранулы темно-серого или черного цвета

Основной размер частиц, мм

Прочность гранул на истирание, %, не менее

Суммарный объём пор по воде, см3/г, не более

Динамическая активность по бензолу, мин, не менее

Насыпная плотность, г/дм3, не более

Исходные показатели по тяжелым металлам и нефтезагрязнителям в отвалах до проведения работ: НП (нефтепродукты) – 1.99 мг/л, Pb – 0.66, Cu – 1.12, Zn – 1,11. Показатели содержания загрязнителей в исследуемых отвальных почвах через 20 дней после обильного увлажнения: НП – 0.19 мг/л, Pb – 0.16, Cu – 0.32, Zn – 0,12. Показатели исследуемых загрязнителей отвальных почв после созревания сорбирующей в себе растительности и уборки ее с карьерных отвалов: НП – 0.03 мг/л, Pb – 0.06, Cu – 0.02, Zn – не обнаружено.

Исходя из полученных данных после первого вегетационного периода можно сделать вывод о том: - что после увлажнения отвальных пород с нанесенными на них слоем сапропеле-угольного рекультиванта начинается интенсивная сорбция нефтесодержащих продуктов и тяжелых металлов из пород в сапропеле-угольный слой, - произрастающая на сапропеле-угольном рекультиванте растительность с самого начала развития усваивает в себя тяжелые металлы и НП, - при благоприятных условиях достаточно одного весенне-летнего сезона (вегетационного периода), чтобы из отвальных пород карьера сорбировать практически все исследуемые тяжелые металлы и НП.

Скошенная растительность впитавшая в себе загрязнители вывозится на полигон и утилизируется известными способами.

При значительном содержании НП и тяжелых металлов в отвальных породах их сезонная сорбция растениями из сапропеле-угольного рекультиванта может быть недостаточной. Процесс повторяется на следующий год, пока не будут достигнуты ПДК.

Емкостные свойства сорбирующего рекультиванта определялась по формуле (РосГео 08-002-98)

Где g – масса сухого сорбирующего рекультиванта, г; V – объем воды, приливаемой к сорбирующему рекультиванту, л; Сисх – концентрация загрязнителя в исходной увлажненной породе отвала, мг/л; Сравн – равновесная (остаточная) концентрация в фильтрате, мг/л.

Степень извлечения загрязнителя из увлажненной отвальной породы определяется по формуле:

Как показали натурные опыты на отвалах карьера ПО «Эстонфосфорит», сапропеле-угольный рекультивант поглощает из увлажненных пород НП и тяжелые металлы при одновременном присутствии в его массе значительного объема загрязнителя. Нефтепродукты удаляются из насыщенного рекультиванта разложением их в последующем Дестройлом. Процесс разложения можно начинать уже при 73-75% насыщения при исходном содержании в пределах 30 мг/л. При этом емкость сапропеле-угольного рекультиванта в отношении этого загрязнителя равна 0,12 мг/г. Суммарный показатель СОЕ по трем металлам у предложенного сапропеле-угольного рекультиванта равен 3,82 мг/г. Из трех присутствующих в рекультиванте металлов наибольшая емкость в отношении ионов цинка. 1 г сапропеле-угольного рекультиванта способен поглотить 2,25 мг этого металла. Степень извлечения цинка из отвальных пород при исходной концентрации 474 мг/л равна 85%. Показатель сорбции по меди следующий: СОЕ сапропеле-угольной смеси – 0,88 мг/г, что соответствует степени извлечения 96% при исходном содержании 168 мг/л. Свинец поглощается сапропеле-угольным рекультивантом 0,76 мг на 1 г. Концентрация этого элемента уменьшилась на 90% при начальных 143 мг/л.

Определение СОЕ сапропеля в отношении НП, содержащихся в массе отвальных пород, и ионов тяжелых металлов, мг/г.

Условия проведения натурного эксперимента: V = 0,1 л; вес сорбирующего рекультиванта = 18 г; время контакта – 22 ч.