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yflK 502/504
News of the Ural State Mining University 4 (2016)
DOI 10.21440/2307-2091-2016-4-38-40
Die Erforschung von Prozessen der chemischen Verunreinigung des Dränagewassers durch Stickstoffverbindungen am Beispiel von dem Tagebau eines grossen Bergbauunternehmens
A. W. Chochrjakow, A. G. Studenok, G. A. Studenok
Ein wichtiger ökologischer Aspekt der Arbeit aller Bergbauunternehmen, die Bohr-und Sprengarbeiten am Haufwerks mit unter Anwendung der Industriesprengmittel (Poremit, Granemit, Igdanit) auf Basis vom Ammonsalpeter durchführen, ist die unvermeidliche Verunreinigung des Dränagewassers Stickstoffverbindungen (das Ammonium-Ion NH4+, das Nitrit-Ion NO2- und das Nitrat-Ion NO3-). Das Dränagewasser, das bei der Entwässerung der Vorkommen ausgepumpt wird, wird in der Regel in die oberflächlichen abgeleitet, was zur Gewässerverunreinigung führt. Die Erfüllung der verschärften Anforderungen der Umweltschutzgesetzgebung, in Bezug auf den Wasserobjektschutz vor der Verunreinigung durch Stickstoffverb-ind-ungen bei der Ableitung (Ablassung) des Dränagewassers, bedingt die Notwendigkeit der Auswahl und der Entwicklung von ökologisch-wirtschaftlich optimalen Technologien ihrer Reinigung. Dafür ist es für Bergbauunternehmen nötig, die Bildungsvorgänge ihrer chemischen Zusammensetzung in Bezug auf Schmutzstoffe (Verschmutzungsverbindungen) und Dränagewasservolumen, die der Reinigung unterliegen, zu erforschen. Im Artikel sind Bildungsvorgänge der chemischen Verunreinigung des Dränagewasser durch Stickstoffverbindungen untersucht, die am Beispiel eines grossen Tagebaus der Bauindustrie erforscht wurden. Das Hauptziel der Er-forschung war die Untersuchung der potenziellen Technologien für Was-ser-reinigung des Dränagewassers. Die Forschungsergebnisse sind vom betrachteten Unternehmen dafür benutzt, die Stickstof-fentfernugstechnologie für Dränagewasser zu entwickeln und die Arbeit der Reinigungsanlagen in Abhängigkeit von Natur- und Betriebsfaktoren unter Berücksichtigung der konkreten Bedingungen des Unternehmens und seiner Infrastruktur (der Zusammenhang zwischen dem Austrag der Stick-stoffverbindungen und jahreszeitlicher Schwankung des natürlichen Wasserflusses), Masse des Haufwerks, den angewendeten Arten der Sprengmittel zu optimisieren.
Schlüsselwörter: Waesserverunreinigung; Bohrschiessarbeiten; Tagebauedraenge-waesser; der Ammoniakstickstoff, das Nitrit-Ion, das Nitrat-Ion, Auspumpen der Draengewaesser.
Der Bohr- und Sprengvortrieb des Haufwerks unter Anwendung der Industriesprengmittel (Poremit, Granemit, Igdanit) auf Basis vom Ammonsalpeter (NH4NO3) bei der Förderung im bewässerten Tagebau führt zur Verunreinigung des Dränagewasser durch Stickstoffverbindungen (das Ammonium-Ion NH4+, das Nitrit-Ion NO2- und das Nitrat-Ion NO3-). Das Dränagewasser, das bei der Entwässerung der Lagerstätte aus-gepumpt wird, wird in der Regel in die oberflächlichen Wasserobjekte abgeleitet (abgelassen), was zu Wasserverunreinigung führt. Das Problem ist charakteristisch für fast alle Bergbauunternehmen [1-4]. Im Swerdlowsker Gebiet (Region) sind das die "Katschkanarer Bergbau- und Aufbereitungskombinat AG", die "Uralasbest AG", die "Vysokogorskij Bergbau- und Aufbereitungskombinat AG" und andere Bergbau- und Bauindustrieunternehmen mit Tagebauen und den Untertagebauen, die der Bohr- und Sprengvortrieb des Haufwerks anwenden.
Die Erfüllung der Anforderungen der Umweltschutzgesetze in Bezug auf den Wasserschutz vor der Verunreinigung durch Stickstoffverbindungen bei der Ableitung des Dränagewassers bedingt die Notwendigkeit der Auswahl und Entwicklung von ökologisch-wirtschaftlich optimalen Technologien der Abwasserreinigung [5]. Dafür ist es nötig, die Bildungsvorgänge ihrer chemischen Zusammensetzung in Bezug auf Schmutzstoffe und Dränagewassermengen, die der Reinigung unterliegen, zu erforschen.
Dem Ergebnis der vorher ausgeführten Forschungen zufolge am Beispiel (in Bedingungen) eines Grosstagebaus wurde festgestellt, dass die Stickstoffverbindungenmenge, die sich in das Dränagewasser bei den Sprengarbeiten (Schiessarbeiten) lösen, von 3 bis 4 % vom Stickstoffgehalt, die angewendeten Sprengmittel enthalten, beträgt [6]. Das Einströmen von Stickstoffverbindungen ins Dränagewasser bei den Bohr- und Sprengarbeiten führt zur wesentlichen Überschreitung ihres zulässigen Gehaltes in Oberflächen- und Grundwässern bei der Ableitung des Dränagewassers, was diese Gewässer verschmutzt.
Das Einströmen der Ammonium-Ionen ist mit der Lösung und der Ausschwemmung des Ammoniumnitrates beim Laden der bewässerten Bohrlöcher verbunden. Die Dränagewasserverunreinigung durch Nitrit-Ionen entsteht wegen der Sorption der während der Sprengungen entstehenden Stickstoffoxide vom Haufwerk, ihrer folgenden Ausschwemmung durch Niederschläge und des Einströmens der entstehenden Nitrit-Ionen in die Dränagewasser [7]. Das Einströmen der Nitrat-Ionen in die Dränagewasser entsteht sowohl durch Prozesse der Lösung des Ammoniumnitrates beim Laden der bewässerten Bohrlöcher, als auch wegen der Ausschwemmung durch Niederschläge der von dem Haufwerk sorbierten Stickstoffoxide (die Zeichnung 1).
Der Tagebau des betrachteten Bergunternehmens wird entwässert durch einen Dränageschacht und ein Netz von Entwässerungsbohrlöchern, die im Bereich der Bergbauarbeiten bis in die horizontale Strecken, die sich unter dem Tagebau befinden, gebohrt sind, mit dem folgenden Auspumpen des Wassers auf die Oberfläche. Die Strecken sind in bestimmten Plätzen durch Dämmschotte getrennt, die mit Abflussröhren mit Schiebern ausgerüstet sind, was erlaubt, einen Teil der Ausbaue in den Zeiträumen des intensiven Wasserzuflusses zu überfluten und damit die Wasserhaltung zu steuern und die Hochwasserzeiten abzugleichen. Das Auspumpen des Wassers auf die Oberfläche wird mit den Pumpen ZNS-300/540 ausgeführt, mengenmässig wird das ausgepumpte Wasservolumen durch die Arbeitsleistung und die Arbeitszeit der Pumpen bestimmt.
An der Zeichnung 2 ist die monatsdurchschnitliche Entwässerungsdynamik im Zeitraum 2006-2015 angeführt.
Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass das maximale monatsdurchschnittliche Dränage-wasservolumen (bis zu 70 % des Jahrvolumens des Dränagewassers) im wärmen Zeitraum des Jahres entsteht (April-Oktober), was mit natürlichen Faktoren verbunden ist (die Schneeschmelze und Niederschläge, die auf das Einzugsgebiet des Bergwerks fallen).
Das Dränagewasser hat einen hohen natürlichen und industriellen Verschmutzungsgrad. Es enthält chlorid-hydrogenkarbonate oder magne-sium-chlorid-hydrokarbonate (Zusammenfassung), mit der Mineralisation 0,4-1,3 g/dm3, Gesamthärte bis zu 8,2-10,5 mol/dm3, pH bis zu 8,5-9,5.
Die Wasseranalyse auf Stickstoffverbindungen wird vom Laboratorium der Betriebskontrolle ausgeführt mit der Anwendung von folgenden zugelassenen Methoden (PND F):
- Ammoniaksticktoff: die photometrische Methode mit Nessler-Reagens;
- Nitritstickstoff: die photometrische Methode mit Sulfanilsäure und a-Naphtylamin;
- Nitratstickstoff: die photometrische Methode mit Natriumsalizylat.
Die chemische Zusammensetzung des Dränagewassers in Bezug auf
Stickstoffverbindungen, die stets vom Laboratorium der Betriebskontrolle des betrachteten Unternehmens ausgeführt wird (die Periodizität der Probeentnahmen ist zweimal pro Monat) ermöglicht die quantitative Zuordnung des Dränegewasserschadens durch Stickstoffverbindungen zu bestimmen.
Die Analyse der Berichte des Unternehmens in Bezug auf qualitative und quantitative Zusam-menfassung zeigt, dass der Überschuss der Konzentrationen der Stickstoffverbindungen die Grenzkonzentration für fischwirtschaftliche Wasserobjekte [8] beträgt:
- Ammoniakstickstoff - 15-30 mal;
- Nitrit-Ion - 50-150 mal;
- Nitrat-Ion - 2.0-3.5 mal.
Die bei der Betriebskontrolle bestimmten Konzentrationen von Stickstoffverbindungen im Dränagewasser sind durch die Ausschwemmung aus dem Haufwerk bedingt und ermöglichen es ihre Menge als das Produkt der monatsdurchschnittlichen Konzentrationen und des monatsdurchschnittlichen Volumens zu zu bewerten.
Zeichnung 1. Die Quellen des Einströmens der Stickstoffverbindungen in die Dränagewasser bei den Sprengarbeiten.
38 ДЕКАБРЬ 2016 | ВЫПУСК 4(44)
ИЗВЕСТИЯ УРАЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
A. V. Hohryakov et al. / News of the Ural State Mining University 4 (2016) 38-40
EARTH SCIENCES
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Zeichnung 2. Das monatsdurchschnittliche Dränagewasservolumen des Unternehmens im Zeitraum 2006-2015.
In den Zeichnungen 3-5 sind die Angaben für die monatsdurchschnittlichen Ausschwem-mungsmassen von den Stickstoffverbindungen im Dränagewasser des Tagebaus im Zeitraum 2006-2015 angeführt.
Die Analyse der Ergebnisse der Untersuchung des Dränagewassers in Bezug auf die Stickstoffverbindungen zeigt die Jahreszeitenschwankung des Einströmes in die Umwelt (maximale Masse ist für die warmen Jahreszeiten charakteristisch).
Die Analyse der Ergebnisse zeigt folgendes:
- 21 % von der jahresdurchschnittlichen Ausschwemmung des Ammonium-Ions fällt auf den kalten Zeitraum (November-März) und 79 % fällt auf den warmen Zeitraum (April-Oktober);
- 31.5 % von der jahresdurchschnittlichen Ausschwemmung des Nitrit-Ions fällt auf den kalten Zeitraum (November-März) und 68.5 % fällt auf den warmen Zeitraum (April-Oktober);
- 31% von der jahresdurchschnittlichen Ausschwemmung des Nitrit-Ions fällt auf den kalten Zeitraum (November-März) und 69 % fällt auf den warmen Zeitraum (April-Oktober).
Die Erhöhung der Ausschwemmung von Stickstoffverbindungen ist mit der Erhöhung der Drängewässervolumenentstehung durch Niederschläge, die auf das Einzugsgebiet des Unternehmens fallen (Regenwässer und die Schneeschmelze).
In den Zeichnungen 6-8 sind die graphischen Abhängigkeiten der Ausschwemmungsmassen von Stickstoffverbindungen vom ausgepumpten Dränagewasservolumen angeführt.
Die Analyse von angeführten graphischen Abhängigkeiten zeigt, dass die Ausschwemmungsmassen von Stickstoffverbindungen vom ausgepumpten Drängewässervolumen innig, praktisch linear abhängt und diese Abhängigkeiten werden durch folgende dem 1 nahe Werte der Koeffizienten von der Linearkorrelation charakterisiert: für das Ammonium-Ion - 0,97, für das Nitrit-Ion - 0,95, für das Nitrat-Ion - 0,99.
Die Menge von Stickstoffverbindungen, die in Form der Ammonium-, Nitrit- und Nitrat-Ionen aus dem Haufwerk in die Dränagewasser kommt, kann mit der folgenden linearen empirischen Abhängigkeit charakterisiert werden (in den Grenzen der aktuellen Werten der Ausschwemmungmassen von einzelnen Stickstoffverbindungen und des Drängewässervolumens), t/Monat:
dabei Mn - die Ausschwemmungsmasse von Stickstoffverbindungen pro bestimmten Zeitraum, t; V - das Dränagewasservolumen, Tausende Kubikmeter / Monat; An, Kn - Koeffiziente, die physikalisch-chemische und hydrodynamische Bedingungen der Ausschwemmung von Stickstoffverbindungen aus dem Haufwerk charakterisieren:
- für Ammonium-Ionen A = -7,14; K = 0,025;
- für Nitrit-Ionen An = -0,12; Kn = 0,0096;
- für Nitrat-Ionen An = -3,9; Kn'= 0,11.
Die erhaltenen Koeffizientenwerte in den Gleichungen der linearen Regression, die den Zusammenhang zwischen der Ausschwemmungmasse von
Zeichnung 3. Monatsdurchschnittliche Ausschwemmungmassen vom Ammonium-Ion (NH4+) im Dränagewasser des Tagebaus.
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Zeichnung 4. Monatsdurchschnittliche Ausschwemmungmassen vom Nitrit-Ion (NO2 ) im Dränagewasser des Tagebaus.
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Zeichnung 5. Monatsdurchschnittliche Ausschwemmungmassen vom Nitrat-Ion (NO3-) im Dränagewasser des Tagebaus.
Stickstoffverbindungen und des Dränagewasservolumens (in den Grenzen der aktuellen Werten) hängen von äusseren und inneren Faktoren ab.
Zu den bestimmenden Faktoren gehören äussere Faktoren, die von den bergtech-nischen Bedingungen des Bergunternehmens abhängen (Sprengmittelverbrauch, Sprengmittelarten, Wasserzufluss in den Grubenbau, Wässerung der zu sprengenden Bohrlöcher).
Der vorausgehende Vergleich der Verbrauchsdynamik von angewendeten Sprengmitteln zur Ausschwemmungsdynamik von der Stickstoffverbindungenmasse hat keinen engen Zusammenhang zwischen ihnen, weder im monatsdurchschnittlichen noch im jahresdurchschnittlichen Verhältnis festgestellt.
Aus Sicht der Autoren, ist es damit verbunden, dass im betrachteten langfristigen Zeitraum die Ausschwemmung von Stickstoffverbindungen im Dränagewasser mit der Beteiligung von Sprengmitteln verbunden ist, die sowohl wesentlich früher als auch im betrachteten Zeitraum angewendet wurden (das heisst, wir betrachten eine längst enstandene Dränagewasserver-
Die Analyse der Ergebnisse von der Kontrolle der Zusammensetzung des Dränagewasser in Bezug auf die Stickstoffverbindungen.
Dränage-wasser-
Ausschwemmungmassen von Stickstoffverbindungen Tonnen/Jahreszeit
Anteil von jährlicher Ausschwemmung, %
(taus. m3 / Zeitraum) Ammonium-Ion Nitrit-Ion Nitrat-Ion Ammonium-Ion Nitrit-Ion Nitrat-Ion
Kalter Zeitraum (November-März) 2048 15,9 19,2 212,5 21,0 31,5 31,0
Warmer Zeitraum (April-Oktober) 4430 59,8 41,6 474,5 79,0 68,5 69,0
Insgesamt 6478 75,7 60,8 687,0 100,0 100,0 100,0
0
3,1
0
38,7
38,4
35,6
0
Mn = An + KV,
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A. V. Hoh.ryak.ov et al. / News of the Ural State Mining University 4 (2016) 38-40
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300 400 500 600 700 Ausgepumptes Drängewässervolum, taus. m3/Monat
Zeichnung 6. Die Abhängigkeit der Ausschwem-mungsmasse des Ammonium-Ions von dem Drängewässervolumen.
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Ausgepumptes Drängewässervolum, taus. m3/Monat
Zeichnung 7. Die Abhängigkeit der Ausschwem-mungsmasse des Nitrit-Ions von dem Drängewässervolumen
Ausgepumptes Drängewässervolum, taus. m3/Monat
Zeichnung 8. Die Abhängigkeit der Ausschwem-mungsmasse des Nitrat-Ions von dem Drängewässervolumen
unreinigung). Der entscheidende Faktor, der die Ausschwemmung von Stickstoffverbindungen bestimmt, ist also die Auspumpung des Dränagewassers (das Volumen der Wasserabführung), die wesentlich mit den Niederschlägen verbunden ist.
Die inneren Faktoren, die die Ausschwemmung von Stickstoffverbindungen bestimmen, sind mit den hydrodynamischen und physikalisch-chemischen Bedingungen der Ausschwemmung von Stickstoffverbindungen aus dem Haufwerk verbunden.
Bei der Anwendung der erhaltenen Gleichung am Beispiel eines konkreten Bergbauunternehmens ist es infolgedessen notwendig, die Ergebnisse der Betriebskontrolle in Bezug auf das Dränagewasservolumen und die Zusammensetzung des Dränagewassers zu bearbeiten, um die Koeffizienten der Regressionsgleichung zu bestimmen.
Auf Basis von ausgeführten Forschungen wurden Projektentscheidungen über die Reinigungsverfahren und technologische Kennwerten des Reinigungssystems für Dränagewasser von Stickstoffverbindungen in den Bedingungen des betrachteten Unternehmens getroffen.
QUELLENVERZEICHNIS 1. Kirjuchin W. A. Angewandte Hydrogeochemie. Die Sankt-Petersburgische Berghochschule, Sankt-Petersburg, 2010, 201 S.
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Alexandr Wladimirowitsch Chochrjakow,
ief.ie@m.ursmu.ru
Andrej Gennadjewitsch Studenok, Gennadij Andrejewitsch Studenok,
genand@mail.ru
Die Uraler staatliche Bergbauuniversität Jekaterinburg, Russland
