Промышленные воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Промышленные воды

1. Критерии оценки промышленных вод

Промышленные воды нетрадиционный вид минерального сырья; они представляют собой водные растворы, содержащие различные минеральные соли и полезные компоненты. В отечественной литературе в качестве синонима используют также термин "гидроминеральное сырье".

К промышленным водам относят минерализованные воды и рассолы, количество и качество которых позволяет в конкретных условиях их нахождения вести рентабельную добычу этих вод и извлечение из них полезной продукции с использованием современных технологических процессов.

Интерес к промышленным водам связан с рядом преимуществ этого вида полезного ископаемого перед твердыми сырьевыми источниками рассеянных элементов, металлов и минеральных солей. Промышленные подземные воды характеризуются широким региональным распространением и большими геологическими и эксплуатационными запасами. Они являются, как правило, поликомпонентным сырьем и могут одновременно использоваться в бальнеологии и теплоэнергетике. Добыча этих руд требует проведения относительно небольших горных работ и осуществляется скважинными водозаборами, позволяющими извлекать гидроминеральное сырье с больших глубин.

Промышленные воды характеризуются большим разнообразием общей минерализации, химического состава, содержания полезных компонентов и количественного их соотношения, а также газового состава и температуры. К числу наиболее распространенных типов гидроминерального сырья относят: 1) термальные рассолы межконтинентальных рифтовых зон; 2) термальные воды и рассолы островных дуг и областей альпийской складчатости; 3) воды и рассолы артезианских бассейнов; 4) рассолы (рапа) современных эвапоритовых бассейнов морского или океанического происхождения и континентальных озер; 5) морские воды (табл. 1).

Таблица 1 Основные виды гидроминерального сырья

В качестве самостоятельной разновидности рассматривают попутные и сточные (природно-техногенные) воды, которые в первичном состоянии относят к одному из пяти названных выше типов гидроминерального сырья, или они являются продуктами переработки других видов минерального сырья.

Рентабельность промышленного получения тех или иных компонентов из гидроминерального сырья определяется не только их концентрацией, но и глубиной залегания подземных вод и соответственно эксплуатационных скважин, фильтрационными свойствами водовмещающих отложений, дебитами эксплуатационных скважин, величиной эксплуатационных запасов и т.д. На экономические показатели эксплуатации существенно влияет способ сброса отработанных вод, что определяет затраты на охрану окружающей природной среды.

Фактические минимальные промышленные концентрации компонентов существенно различаются для одного и того же гидрогеологического района (бассейна), для разных районов эти концентрации колеблются в значительных пределах (табл. 2).

Таблица 2 Пределы изменения минимальных промышленных концентраций йода и брома (мг/л) для месторождений подземных вод России

Оценку и обоснование минимальных промышленных концентраций полезных компонентов в подземных водах производят конкретно для каждого района или месторождения.

Для районов с разными гидрогеологическими условиями устанавливают различные по абсолютной величине минимальные промышленные концентрации полезных компонентов при классификации промышленных вод и обосновании наличия их месторождений.

Требования к минимальным концентрациям в промышленных водах не являются постоянными и обусловлены во многом уровнями экономики, развития техники и технологии, потребления этих компонентов в различных отраслях хозяйства и конъюнктурой мирового рынка.

Промышленные воды могут служить минеральным сырьем на один, два элемента или их комплекс. Однако отнесение промышленных вод к категории того или иного вида минерального сырья требует надлежащего обоснования в результате всесторонней оценки месторождений промышленных вод на геолого-экономической основе.

Приведенные данные свидетельствуют, что понятие о промышленной ценности подземных вод, развитых в пределах той или иной гидрогеологической структуры в известной мере относительно. Отчасти поэтому общепринятой классификации промышленных вод, подобной систематике лечебных вод, не имеется. Оценку подземных вод для промышленных целей принято производить с учетом минимально допустимых концентраций элементов и соответственно присваивать название водам: бромная, йодная, иодобромная, стронциевая, литиевая и т.д.

2. Использование промышленных вод

В ряде развитых капиталистических стран (США, Япония, Италия, ФРГ и др.) достигнуты успехи в использовании гидроминерального сырья и добыче редких элементов и минеральных солей (табл. 3).

Таблица 3 Добыча редких элементов и минеральных солей в развитых капиталистических и развивающихся странах

*В знаменателе доля от общей добычи, %.

Удерживают первое место в мире по производству из гидроминерального сырья (тыс. т/год): США лития около 16, брома до 190, оксида магния до 750, поваренной соли около 16000; Япония йода до 7; Италия боратов около 35. Сохраняется тенденция к расширению использования различных видов гидроминерального сырья для промышленного производства редкометалльной и химической продукции.

Ниже приведена краткая характеристика основных видов гидроминерального сырья в мире.

Термальные воды и рассолы рифтовых зон. Термальные рассолы рифтовых зон (Калифорнийский залив, Красное море) потенциальный сырьевой источник хлорида кальция, поваренной соли, брома, меди, цинка, свинца, железа, серебра и других ценных элементов. В некоторых впадинах (Атлантис-II, Дискавери и др.) центрального трога Красного моря придонная вода отличается крайне высокой минерализацией (до 257 г/л) и повышенной температурой. Термальные рассолы в сопоставлении с морской водой обогащены хлоридом натрия и характеризуются относительно высокими концентрациями калия, железа, марганца, цинка, брома и других элементов.

Калифорнийский рифт характеризуется приуроченностью к нему нескольких геотермальных систем (в том числе Сьерро-Прието и Солтон-Си), трассирующихся появлением четвертичного вулканизма, выходами горячих источников и парогазовых струй с исключительно высокими температурами (более 300°С) и повышенной минерализацией. Периодически здесь из добываемых подземных вод получают хлорид кальция; в 1934-1954 гг. из рассолов добывали углекислоту, общее производство которой за указанный период составило 70 млн. м³; ведут исследования по извлечению цинка, железа, магния и свинца.

Термальные воды и рассолы островных дуг и областей альпийской складчатости используют для добычи бора и аммиачных продуктов. Возможно извлечение германия, вольфрама, цезия, лития и мышьяка. Наиболее известный пример использование парогидротермальных вод месторождения Лардерелло (провинция Тоскана, Италия), где наряду с использованием геотермальной энергии осуществляют добычу бора и аммиачных продуктов. Температура получаемой пароводяной смеси равна 220-230 °С; суммарная производительность водозабора достигает 70-75 тыс. т/сут. Содержание борной кислоты в водах источников провинции Тоскана колеблется от 0,1 до 0,7 %. Представляют практический интерес гидротермы Исландии, Японии и Новой Зеландии.

Воды и рассолы артезианских бассейнов широко используют для добычи поваренной соли, солей калия и кальция, а также магния, йода и брома во многих странах, включая Россию.

Уникальные промышленные воды и рассолы добывают в США и Японии.

Продуктивные водоносные комплексы Мичиганского бассейна (США) сложены разновозрастными (от ордовика до плейстоцена) карбонатными, терригенными и эвапоритовыми отложениями. Водоносные породы в шт. Оклахома представлены преимущественно известняками и доломитами, реже песчаниками. Глубина залегания рассолов достигает 3-4 км и более; минерализация рассолов колеблется от 225 до 580 г/л. Из рассолов в промышленных масштабах добывают хлориды кальция и магния, бром и йод.

В Японии имеются системы артезианских бассейнов, представленные небольшими впадинами, выполненными палеоген-неогеновыми и четвертичными отложениями. Одно из наиболее крупных в мире месторождений йода связано с бассейном Канто, в пределах которого в средне-позцнеплиоцеповых отложениях, имеющих мощность 800 м и представленных песками и глинами, на площади около 12 тыс. км² распространены воды, концентрация йода в которых достигает 160 мг/л.

Рассолы современных эвапоритовых бассейнов континентального и морского происхождения используют для получения соды, поваренной соли, солей калия и лития, а также бора, йода и брома. Такие бассейны известны в США (озера Серлз, Сильвер-Пик, Бристоль, Большое Соленое озеро, Большое Борное озеро), КНР (Цайдамская впадина), Чили (салар Атакама), а также в Турции, Иране, Афганистане, Индии, Мексике и других странах.

Наиболее известным является месторождение рассолов карбонатного типа соленого оз. Серлз в шт. Калифорния (США). Эксплуатацию рассолов осуществляет завод в г. Трона с целью получения соды, сульфата натрия, хлорида калия, сульфата калия, брома и бромидов, очищенной буры, борной кислоты, карбоната натрия, фосфорной кислоты, карбоната (а также фосфата и сульфата) лития.

Оз. Сильвер-Пик расположено в шт. Невада (США) в бессточной долине Клайтон, которая выполнена рыхлыми терригенными отложениями мощностью 220 м, вмещающими рапу хлоридного типа с минерализацией до 200 г/л и концентрацией лития 0,04 %. С помощью солнечной испарительной системы концентрацию лития и рапе повышают до 0,5 %; запасы лития в Сильвер-Пик неоднократно переоценивались в пределах от 10 до 1 млн. т (в пересчете на оксид лития).

В Чили с саларом Атакама связано одно из крупнейших месторождений хлоридных рассолов, насыщающих озерные отложения, содержание лития в которых достигает 0,2%; запасы лития (в виде его оксида) оценивают в 0,85 млн. т.

Рассолы Большого Соленого озера (США), имеющего площадь 2,5 тыс. км и глубину 8-15 м, содержат 3,2 млрд. т поваренной соли, 450-540 млн. т сульфата натрия, 180 млн. т солей калия, 4 млн. т хлористого лития. Из рассолов здесь добывают поваренную соль, соли калия, магний и бром; намечается добыча лития и рубидия.

Из морской воды в промышленных масштабах добывают натрий, хлор, магний и бром. При производстве хлоридов натрия и соединений магния попутно извлекают соли кальция и калия. Запатентовано много способов извлечения из морской воды также йода, калия, золота и серебра; имеются проекты добычи урана и лития. Мировой океан, содержащий около 270000 млрд. т D₂O, является весьма перспективным источником для получения тяжелой воды. С учетом незначительных концентраций элементов в большинстве случаев морские воды требуют дополнительного концентрирования.

Попутные и сточные воды и рассолы, прошедшие цикл технологической переработки, в ряде случаев можно использовать в качестве источника сырья для получения ценных элементов. Эти воды рассматривают как природно-техногенную разновидность гидроминерального сырья. К ним относят рассолы нефтепромыслов, теплоэнергетических установок, солепромыслов и предприятий по производству калийных солей с применением методов выщелачивания и галургической переработки, опреснительных установок и т.д. Это сырье используют для добычи брома и йода (нефтяные воды шт. Оклахома, США), хлоридов кальция (термальные рассолы Солтон-Си, США), бора и брома (солепромыслы и калийные предприятия Германии и Франции), поваренной соли (опреснение морских вод в Японии).

В целом в сферу практического использования за рубежом включены практически все виды перечисленного выше гидроминерального сырья. Изучением и освоением месторождений природных вод и рассолов занимаются многочисленные компании.

3. Распространение промышленных вод и их использование в России

Промышленные подземные минерализованные воды и рассолы широко развиты на территории России и приурочены, как правило, к глубоким частям крупных артезианских бассейнов, которые в структурно-тектоническом отношении соответствуют впадинам, выделяемым в рельефе складчатого основания древних докембрийских и эпигерцинских платформ, крупным предгорным и межгорным впадинам. Масштабы распространения, химический состав промышленных подземных вод и характер изменения в них концентраций редких элементов различны в разных районах и определяются общей геологической и гидрогеологической обстановкой.

В основу районирования подземных промышленных вод, как и общего гидрогеологического районирования, положен геоструктурный принцип, в соответствии с которым главными элементами районирования являются крупные гидрогеологические области (платформенные и горно-складчатые).

Крупные гидрогеологические структуры, характеризующиеся общностью закономерностей распространения подземных промышленных вод, объединяют в провинции. В пределах отдельных частей таких провинций в связи с различными геолого-структурными условиями и гидрогеологическими особенностями процессы формирования ресурсов и химического состава подземных вод могут быть различными. Промышленные воды в пределах провинций могут иметь сходные условия и закономерности распространения.

В пределах провинций выделяют территории (гидрогеологические структуры второго порядка), которые рассматривают в качестве районов (бассейнов) распространения подземных промышленных вод. Каждый такой район (бассейн) характеризуют особенности геологической истории развития и условий формирования подземных вод.

В пределах провинции Русской платформы подземные промышленные воды приурочены к впадинам, выделяемым в складчатом докембрийском фундаменте, а также к предгорным платформенным прогибам. Во впадинах и прогибах мощность зоны распространения промышленных подземных вод составляет 1000-3000 м, достигая иногда 5000 м. Наиболее перспективные для практического использования промышленные подземные воды связаны в основном с терригенными комплексами нижнего карбона верхнего и среднего девона, характеризующимися сравнительно устойчивой и относительно высокой водообильностью, а также трещиноватыми и закарстованными карбонатными отложениями девонского возраста.

Данные о величинах концентраций редких элементов в промышленных подземных водах Русской платформы приведены в табл. 4.

Таблица 4 Обобщенные сведения о концентрациях некоторых редких элементов в рассолах провинции Русской платформы

В осадочной толще Прикаспийской провинции выделяют надсолевой, солевой и подсолевой структурные и гидрогеологические этажи. Подземные воды надсолевого гидрогеологического этажа характеризуются пестрой минерализацией и преимущественно хлоридно-натриевым составом с незначительными концентрациями редких и рассеянных элементов.

Солевой структурный этаж сложен галогенной толщей кунгурского яруса нижней перми и казанского яруса верхней перми. Внутрисолевые крепкие рассолы линзообразно запечатаны в доломитовых и ангидритовых коллекторах внутри соляных пород и имеют локальное распространение. Рассолы по химическому составу хлоридные натриево-магниево-калиевые, магниево-натриевые, магниевые с минерализацией 320-520 г/л. Концентрации полезных компонентов в них достигают (мг/л): калия 6000; йода 47; брома 4250; бора 1000; стронция 3530.

В подсолевом структурном этаже (от кровли докембрийского кристаллического фундамента до артинского яруса нижней перми включительно) заключены весьма крепкие рассолы в терригенных и терригенно-карбонатных нижнепермских докунгурских отложениях и рассолы более низкой минерализации в терригенных, карбонатных и карбонатно-сульфатных отложениях карбона и девона. Подсолевые рассолы докунгурских отложений нижней перми имеют минерализацию 244-503 г/л, характеризуются хлоридным натриево-кальциевым и кальциевым (Са до 86 %) составом и высокими концентрациями калия, редких и рассеянных элементов, абсолютные содержания которых достигают следующих величии (мг/л): калия 10000; йода 20; брома 2500; стронция 12000. Рассолы карбонатных и карбонатно-сульфатных отложений нижнего карбона и верхнего девона имеют относительно пониженную минерализацию (198-390 г/л) и более низкие концентрации микроэлементов, чем в нижнепермских докунгурских рассолах, кроме йода, концентрации которого достигают местами 90-95 мг/л.

Замкнутый характер Прикаспийской впадины, длительные процессы прогибания и мощное осадконакопление, слабое дренирование подземных вод определяют в целом застойный характер режима глубоких подземных вод и их высокую минерализацию.

Провинция Скифской плиты охватывает территорию одноименной платформенной артезианской области. В ее пределах в осадочном чехле выделяют несколько водоносных комплексов, которые формируют крупную водонапорную систему, подразделяемую на Азово-Кубанский и Восточно-Предкавказский артезианские бассейны, разделенные Ставропольским поднятием.

Водонапорную систему Скифской эпипалеозойской плиты подразделяют на два гидрогеологических этажа, разделенных мощной (до 1000 м) толщей майкопских глин. В разрезе выделяют до девяти водоносных комплексов. Подземные воды с минерализацией 70-135 г/л преимущественно хлоридного и кальцие-во-натриевого состава в терригенных и карбонатных отложениях юрского, мелового и палеоген-неогенового возраста обогащены редкими и рассеянными элементами.

Подземные воды водоносных комплексов характеризуются значительными гидростатическими напорами, обеспечивающими их самоизлив на поверхность при вскрытии скважинами. Водообильность пород, заключающих промышленные подземные воды, изменяется в значительных пределах. Восточно-Предкавказский бассейн, отличающийся от других бассейнов этого региона повышенной тектонической активностью, характеризуется более высокими концентрациями редких элементов (табл. 5).

Таблица 5 Средние концентрации редких элементов в водоносных комплексах Азово-Кубанского и Восточно-Предкавказского бассейнов

Практический интерес представляют промышленные йодные воды Азово-Кубанского бассейна и подземные поликомпонентные рассолы юрских и меловых отложений Восточно-Предкавказского бассейна. И в том, и в другом районе промышленные подземные воды этих бассейнов имеют высокую (до 80-100 °С) температуру, что предопределяет возможность дополнительного использования их теплового потенциала.

Глубокие подземные воды провинции Сибирской платформы соответствуют зоне распространения мощной нижнекембрийской соленосной толщи, которая охватывает огромную площадь Ангаро-Ленского, Тунгусского и юго-западной части Якутского артезианских бассейнов. Эта площадь является областью локализации в нижних частях геологического разреза весьма крепких (минерализация 270-350 г/л) и сверхкрепких (минерализация до 700 г/л) рассолов хлоридного кальциевого, кальциево-натриевого и кальциево-магниевого состава. Рассолы характеризуются высокими концентрациями редких и рассеянных элементов (мг/л): брома до 9000, стронция до 800, калия до 2000. Основные ресурсы этих рассолов аккумулированы в межсоленосных карбонатных и надсоленосных терригенно-карбонатных отложениях.

Подземные воды Западно-Сибирского артезианского бассейна приурочены к осадочным отложениям мезо-кайнозоя и верхней трещиноватой зоне палеозойского фундамента. По условиям питания и разгрузки, химическому составу подземных вод и характеру их связи с поверхностными водами артезианский бассейн разделяют на два гидрогеологических этажа. В состав верхнего входят континентальные песчано-глинистые отложения четвертичного, неогенового и палеогенового возраста. Подземные воды этого этажа бесперспективны на промышленные воды. Нижний этаж охватывает мезозойские отложения и включает четыре водоносных комплекса, разделенных региональными водоупорными толщами. Подземные промышленные воды связаны с водоносными комплексами нижнего гидрогеологического этажа бассейна.

В Западно-Сибирском бассейне проявляется четкая гидрогеохимическая зональность в виде закономерного увеличения минерализации подземных вод от прибортовых частей впадины к наиболее погруженным центральным и в смене в этом же направлении гидрокарбонатных и сульфатных вод хлоридными натриевыми. Промышленные йодные воды бассейна характеризуются хлоридным натриевым составом, сравнительно низкой (25-35 г/л) минерализацией. Они залегают на глубинах 1500-2500 м и распространены в центральной части впадины. гидроминеральный месторождение термальный

В Сахалинской провинции развиты артезианские бассейны площадью до 50 тыс. км² и бассейны трещинных вод площадью до 28 тыс. км. В вертикальном разрезе артезианских бассейнов Сахалина выделяют зоны: пресных вод с минерализацией до 1 г/л; слабосолоноватых вод с минерализацией 1-3 г/л; сильносолоноватых с минерализацией 3-10 г/л; слабосоленых с минерализацией 20-25 г/л. В последних трех зонах широко распространены хлоридно-гидрокарбонатные натриевые, гидрокарбонатно-хлоридные натриевые метановые и азотно-метановые бессульфатные воды. Одной из характерных особенностей этих вод является повышенное содержание в них йода, иногда бора. Обогащенные йодом и бором подземные воды выявлены и в пределах некоторых малых артезианских бассейнов третьего порядка, приуроченных к бассейнам трещинных вод. Однако перспективными на промышленные йодные, а иногда и бороносные воды, являются Северо-Сахалинский и Татарский бассейны.

Камчатская провинция включает Западно-Камчатский и Центрально-Камчатский прогибы с приуроченными к ним одноименными бассейнами подземных вод. В неогеновых и палеогеновых комплексах осадочных и вулканогенно-осадочных отложений этих бассейнов циркулируют термальные воды преимущественно хлоридно-натриевого состава с минерализацией 10-25 г/л, насыщенные метановыми и азотно-метановыми газами. Эти воды содержат повышенные концентрации йода (до 20-60 мг/л), бора (до 25-50 мг/л) и редких щелочных металлов (до 25-30 мг/л). В пределах горно-складчатых областей проявления подземных промышленных вод носят очаговый характер. Наиболее значительными концентрациями редких элементов обладают обогащенные углекислотой (углекислые, азотно-углекислые) термальные хлоридные воды. При относительно малой минерализации (обычно менее 35 г/л) углекислые воды содержат весьма высокие концентрации как катионогенных, так и анионогенных элементов.

Высокоминерализованные воды и рассолы, свойственные глубоким частям крупных артезианских бассейнов, характеризуются, как правило, наличием повышенных концентраций не одного-двух, а нескольких полезных для промышленного извлечения компонентов в разнообразных для различных бассейнов сочетаниях (табл. 6).

Таблица 6 Состав полезных компонентов в промышленных водах крупных артезианских бассейнов

Существенным препятствием для промышленного извлечения редких металлов и бора из углекислых вод являются, как правило, незначительные их ресурсы и эксплуатационные запасы. Единичные месторождения углекислых и углекисло-азотных терм и бора формируются в очагах разгрузки крупных водонапорных систем. К такому типу месторождений условно отнесены Паужетское, Узонское, Налычевское на Камчатке.

Попутные воды нефтяных месторождений. Дополнительным источником гидроминеральных ресурсов служат попутные воды, добываемые вместе с нефтью и другими полезными ископаемыми. Эти воды, как и другие пластовые воды артезианских бассейнов, содержат повышенные концентрации йода, брома, лития, бора, стронция, магния, рубидия, цезия, германия и др. Однако практическое использование попутных вод затрудняется по следующим причинам. Во-первых, количество попутных вод (обычно незначительное по сравнению с запасами месторождений собственно гидроминерального сырья) целиком определяется режимом эксплуатации месторождений основных полезных ископаемых и в первую очередь нефтяных залежей. Во-вторых, повсеместная эксплуатация нефтяных месторождений с поддержанием пластового давления путем законтурной или внутриконтурной закачки воды в разрабатываемые горизонты приводит к разубоживанию попутных вод и ухудшению их качества как гидроминерального сырья. В-третьих, для попутных вод нефтяных месторождений необходима очистка от нефтепродуктов и нафтеновых кислот, стоимость которой сопоставима со стоимостью добычи и переработки гидроминерального сырья.

В России хлоридные натриевые рассолы издавна служили источником получения поваренной соли, для этой дели, использовались естественные рассольные источники и колодцы, а с ХVI в. глубоко залегающие рассолы стали добываться с помощью скважин, обсаженных деревянными трубами (Соликамск, Солигалич, Соливычегодск и др.). Один из солезаводов функционирует и в настоящее время. Это Троицкий солеваренный завод в Красноярском крае, на котором путем выпаривания рассола (М около 320 г/л), залегающего на глубине менее 100 м в нижнекембрийских доломитах и алевролитах, добывается 5 тыс. т/год пищевой соли.

Заслуживает также внимания Усольский солеваренный завод в Сибири, действовавший на базе природных рассолов до 1926 г. Сейчас на нем методом "подземного выщелачивания" эксплуатируется каменная соль нижнего кембрия, залегающая на глубине 0,7-1,4 км. В результате переработки искусственного рассола (М около З20 г/л), получаемого с помощью прямоточного способа выщелачивания, завод производит 100 тыс. т/год высококачественной соли.

Выявленные в стране запасы йода и брома в подземных водах полностью обеспечивают развитие йодобромной промышленности. Наибольшие перспективы имеют следующие месторождения: йодных вод Тюменское и Славяно-Троицкое, преимущественно бромных вод Долго-Камское. Только одно Тюменское месторождение может обеспечить гидроминеральным сырьем завод с производительностью в три раза превышающей производство йода в СССР. Выполнена оценка гидроминеральных ресурсов и других месторождений промышленных вод в Московском, Прибалтийском, Терско-Кумском, Ангаро-Ленском артезианских бассейнах. Йод и бром сейчас добывается из рассолов Краснокамского месторождения в Пермской области.

Касаясь вопроса комплексного использования гидроминерального сырья и тесно связанной с ним проблемы охраны гидросферы, необходимо также отметить недопустимость сброса в водотоки и водоемы обогащенных редкими элементами и солями сточных вод различных геотехнологических предприятий и солепромыслов. Ежегодные прямые потери ценных продуктов с ними по стране на начало 80-х годов, по данным Д.С. Балашова, С.С.Бондаренко и др., оцениваются приблизительно в 6 млрд. руб. При этом наносится огромный ущерб окружающей среде, поскольку сточные воды содержат целый ряд вредных для организма компонентов и соединений.

Размещено на Allbest.ru