Научное обоснование и разработка технологии обогащения платинометальных руд зональных базит-ультрабазитовых комплексов в особых экологических условиях Камчатки

Рис. 4 Количественное и массовое распределения платиноидов по классам крупности в рудах с низким (<0,1г/т) и высоким (>2,5г/т) содержанием платины

Исследования гранулометрического состава платиносодержащей минерализации в пробах богатых руд показали, что основная масса платиноидов (68,1 масс.%) представлена зернами средних и крупных классов крупности (+80 мкм), благоприятных для выделения гравитационными методами. Характерным для руд с высокими содержаниями платины является наличие крупных (+400 мкм) зерен минералов МПГ, массовая доля которых в отдельных пробах составляет до 21,1 масс.%. При установленной максимальной крупности зерен 1,0 мм, среднеарифметический размер зерен составляет 52,7 мкм, а средневзвешенный - 191,7 мкм. Диаграмма массового распределения платиноидов имеет одномодальный характер с максимумом в гранулометрическом классе 200-400мкм (рис.4).

В соответствии с проведенными расчетами (2), несмотря на значительный объем руд с тонкой вкрапленностью, основная часть платиноидов в исходной рудной массе (60,7 масс.%) будет представлена классами, весьма благоприятными для извлечения методами гравитации (+80 мкм) (рис.5).

Рис. 5 Прогноз количественного и массового распределения платины по классам крупности в платинометальных рудах

Расчетный размер зерен платиноидов в руде составит 46,8 мкм, а средневзвешенный -161,2 мкм. Прогнозный выход платиноидов в классах крупности -20 мкм, определяющих теоретические потери при применении гравитационных методов обогащения, составит 13,6 масс.%. Диаграмма массового распределения платиноидов имеет два максимума в гранулометрических классах 80-120 мкм и 200-400мкм. Зависимости между содержанием платины в руде и основными гранулометрическими характеристиками продуктивной платиносодержащей минерализации аппроксимируются степенными функциями с высокими коэффициентами детерминации (рис.6).

Минералого-технологическими исследованиями установлены благоприятные условия для раскрытия основной продуктивной фазы платинометального оруденения при дезинтеграции, что вероятно и определяет его россыпеобразующий характер. В качестве основных признаков выделены: 1) локализация относительно крупных зерен платиноидов в пустотах, трещинах и межзерновых интерстициях вмещающих хромититов и дунитов; 2) отсутствие тесных срастаний платиносодержащих минералов с хромшпинелидами и оливином; 3) наличие у большинства выделений платиноидов «рубашки» из серпентина и хлорита, которая разрушается при минимальном механическом воздействии. Особенности измельчения платинометальных руд и необходимость сохранения средних и крупных фракций платиноидов в процессе дезинтеграции определяются низкой микротвердостью платиносодержащих минералов (изоферроплатины - 440 кг/мм²), на фоне относительно высоких показателей у вмещающих оливина (925 кг/мм²) и хромшпинелидов (1375 кг/мм²).

Рис. 6 Зависимость между содержанием платины (Pt) в руде и гранулометрическими характеристиками платиносодержащей минерализации: СА - среднеарифметический размер, СВ - средневзвешенный размер

Самые высокие показатели прямого гравитационного извлечения платины (до 95,3масс.%) установлены для минералого-технологических проб из богатых руд с содержанием платины 14,7-50,2г/т, из которых получены и самые богатые гравитационные концентраты (до 3,2 кг/т Pt) (рис.7).

Рис. 7 Зависимости извлечения платины в гравитационные концентраты (Е) от содержания платины в руде (С) и средневзвешенного размера платиноидов (СВ)

Для рядовых руд (0,46-1,65г/т Pt) уровень извлечения платины в бедные гравитационные концентраты (11,6-39,8г/т Pt) составляет не более 83,1 масс.%, а из дунитов с низкими (0,11-0,22 г/т) и фоновыми концентрациями (0,03-0,04г/т) в гравитационные концентраты извлечено не более половины содержащейся в них платины.

Обобщение результатов тестирования минералого-технологических проб в отдельных выборках по классам содержания платины, позволило, используя установленные закономерности (2), определить прогнозную обогатимость платинометальных руд зональных базит-ультрабазитовых комплексов методом прямой гравитации. При среднем содержании платины в руде 1,21 г/т, гравитационными методами из нее теоретически может быть извлечено не менее 86 масс.% платины. При организации двухстадиального измельчения руды и межциклового извлечения платиноидов для сохранения относительно крупных фракций, значительная часть платиносодержащей минерализации (не менее 85%) будет выделена в богатые гравитационные концентраты с содержанием платины более 1кг/т.

Экспериментальное изучение обогатимости платинометальных руд зональных базит-ультрабазитовых комплексов и разработка технологической схемы их обогащения

Для подтверждения теоретических выводов и определения параметров технологической схемы обогащения платинометальных руд зональных базит-ультрабазитовых комплексов проведен комплекс лабораторных исследований и полупромышленные испытания на технологической пробе руды массой 9750 кг.

Результаты лабораторных экспериментов по крупнокусковому тяжелосредному разделению и рентгенорадиометрической сепарации руды показали, что потери платины с легкими и малохромитовыми фракциями при предварительном выделении хромитового концентрата составляют до 42%, что подтверждает теоретические выводы, полученные в результате проведения минералого-технологических исследований, и не позволяет рекомендовать применение данных методов в технологической схеме. При разделении руды в магнитных полях выход платины в немагнитный продукт составил 38,9%, что также подтверждает теоретический прогноз и свидетельствует о нецелесообразности применения метода при обогащении платинометальных руд.

Эффективность прямого разделения руды на винтовом сепараторе типа MD Mineral technologies диаметром 350 мм оказалась низкой, так как, несмотря на большой выход концентрата (22,7%), в него было извлечено только 39,1% платины. Лабораторные эксперименты по извлечению крупных фракций платиноидов отсадкой с естественной и искусственной постелью показали, что для руд с высокими содержаниями платины, в крупнокусковой надрешетный и крупнозернистый подрешетный концентрат извлекается до 97% платины. Однако для руд с рядовыми содержаниями выделение крупнозернистых легких фракций с отвальным содержанием платины невозможно. В связи с необходимостью доизмельчения надрешетных легких фракций крупнозернистой отсадки и надрешетного крупнозернистого концентрата для дальнейшего обогащения в технологической схеме рекомендовано отдать предпочтение отсадке с искусственной постелью для возможности извлечения крупной платины при периодической сортировке материала постели. Лучшие результаты извлечения платины в гравитационные концентраты при перечистке надрешетного продукта основной отсадки достигнуты на концентраторе ИТОМАК-0,1 и винтовом шлюзе ВШ-350 (более 60%). Содержания платины в доизмельченных хвостах контрольной перечистки оказались близкими (0,14 г/т), что позволило рекомендовать использование одного из них в технологической схеме.

Оценка раскрытия включений тонкой платины проведена экспериментами по стадиальному доизмельчению хвостов концентрации с последующим их разделением на концентрационном столе СКЛ-2М. Установлено, что потери платины снижались по мере измельчения до содержания класса -0,074 мм на уровне 31,4%. Дальнейшее измельчение ухудшило разделение, что связано с переизмельчением платиносодержащих минералов и увеличением содержания шламов в пульпе.

Результаты лабораторных исследований подтвердили основные теоретические выводы, сделанные при проведении минералого-технологических исследований платинометальных руд, и позволили предложить технологическую схему проведения полупромышленных испытаний, которая включила в себя: 1) стадиальное дробление исходной руды крупностью -50 мм на щековой дробилке СМД-116 и комбинированной дробилке СМД-115 (малая щековая + валковая) до крупности -10 мм; 2) измельчение дробленой руды в стержневой мельнице; 3) первичная отсадка на отсадочной машине 2ОВД-1; 4) грохочение надрешетных продуктов отсадки и циркуляционных потоков второй стадии измельчения на вибрационном наклонном грохоте ГЖ-1 с плетеной сеткой квадратного сечения 0,48х0,48 мм; 5) двойную классификацию подрешетного продукта грохота на гидроциклонах диаметром 50 мм, обеспечивающих сброс тонких шламов; 6) доизмельчение класса +0,48 мм в шаровой мельнице МШР900х900 мм; 7) обогащение грубозернистых песков первой стадии классификации на винтовом шлюзе ВШ-500 и тонкозернистых песков второй стадии гидроциклонирования на винтовом сепараторе; 8) доводку концентратов винтовых аппаратов, а также подрешетных продуктов отсадки на концентрационных столах СКО-2 и СКО-0,5.

Главным достоинством испытанной технологической схемы стало получение весьма бедных отвальных хвостов и выделение значительной доли платины в богатые шлиховые концентраты, которые могут быть доведены до более высоких содержаний. Почти треть от исходного количества платины в пробе (27,3%) извлечено в продукты (2,9 кг), накопленные в постели отсадочной машины и выделенные из разгрузочного зумпфа стержневой мельницы и содержащие соответственно 864,27г/т и 2539,63г/т Pt. Значительное количество платины (19,7%) выделено при зачистке стержневой мельницы, в которой после испытаний осталось 46,87 кг промпродукта с содержанием 58,3г/т Pt. Более половины выделенной платины (55,7масс.%) оказалось в крупных фракциях +0,5мм, а массовая доля платины в классах крупности -0,1 мм, несмотря на значительное количество мелких и тонких зерен минералов МПГ (49,6%), составила только 3,4 масс.% (рис.8).

Рис. 8 Распределение платины по классам крупности в гравитационном концентрате руд при измельчении в одну (0,5 мм) и две стадии (2,0 мм и 0,5 мм)

В целом технологическая схема прямого гравитационного обогащения платиносодержащих дунитов без предварительного выделения хромитового концентрата, с двухстадиальным измельчением и межцикловым выделением крупной фракции платиноидов, позволила из руды со средним содержанием 1,69 г/т Pt извлечь в богатый (1,8% Pt) гравитационный концентрат 87,9% платины. Дополнительно к этому 6,1% платины выделено в бедные гравитационные концентраты (14,1г/т Pt), а общие потери платины при выходе хвостов 99,26% от исходного объема руды составили только 6%.

Разработанная и апробированная в полупромышленных условиях технологическая схема обогащения платинометальных руд Гальмоэнанского массива предложена к внедрению при строительстве обогатительной фабрики, условная производительность которой определена владельцем лицензии на разработку (ЗАО «Корякгеолдобыча») в 5 млн. тонн руды в год (рис.9).

Рис. 9 Рекомендуемая качественно-количественная и шламовая схема обогащения платинометальных руд зональных базит-ультрабазитовых комплексов

Расчет основных технико-экономических и финансовых показателей освоения платинометальных руд Гальмоэнанского зонального массива показал, что без затрат на решение проблем, связанных с особыми экологическими условиями Камчатки, полная себестоимость добычи и переработки 1 тонны платинометальной руды составит 694,1 рубля. Полная себестоимость производства 1 грамма платины оценивается в 475,4рубля. Чистая прибыль проекта за 10 лет эксплуатации месторождения составит 29 млрд.рублей.

Систематизация, типизация и оценка факторов, определяющих возможное негативное воздействие продуктов обогащения платинометальных руд зональных базит-ультрабазитовых комплексов на экосистемы лососевых нерестово-нагульных рек Камчатки

Обогащение платинометальных руд гравитационными методами предусматривает в технологической схеме значительный расход воды (около 3 м³ на тонну руды), что определяет необходимость строительства и эксплуатации в бассейнах прилегающих водотоков масштабных гидротехнических сооружений для её накопления и очистки. Важное рыбохозяйственное значение расположенных в зоне предполагаемого воздействия водных объектов оценивается суммарным потенциалом производства рыбопродукции в 1820 тонн биомассы ежегодно, что определяет необходимость проведения научно-обоснованного прогноза характера и масштаба изменения состояния экосистемы прилегающих лососевых нерестово-нагульных рек при организации масштабной переработки руд.

Основу проведения систематизации, типизации и оценки факторов возможного негативного воздействия продуктов переработки платинометальных руд представляют результаты многолетнего комплексного эколого-рыбохозяйственного мониторинга эксплуатации россыпных месторождений платины Сейнав-Гальмоэнанского горного узла. Правомерность применения принципа аналогии в данном случае определяется следующим: 1) разработка россыпей и рудного месторождения проводится в одинаковых условиях, на общей территории и в бассейнах тех же водотоков; 2) масштабы ведения горно-добычных работ сопоставимы по объему перерабатываемой горной массы (россыпи - до 2 млн.м³ песков; руды - 5 млн.т руды в год); 3) технология обогащения платиносодержащих песков и платинометальных руд основана на гравитационных методах обогащения, исключающих использование химических реагентов и требующих создания значительных технологических запасов воды.

На начало разработки россыпных месторождений ихтиофауна водных объектов горного узла включала в себя 11 видов рыб, среди которых наиболее массовыми являлись тихоокеанские лососи (горбуша, кета, нерка, кижуч и чавыча). Для оценки динамики техногенного изменения структурных особенностей естественных биомов в зоне действия горнодобывающего предприятия изучены семь полных возвратов лососей испытавших на пресноводном этапе жизненного цикла масштабное воздействие горно-добычных работ. Исследованиями установлено, что в последние годы разработки россыпных месторождений, несмотря на общее увеличение захода лососей в основной бассейн территории, численность подхода производителей на нерест в отдельные водотоки горного узла резко сократилась. Значительно уменьшилась плотность заполнения нерестилищ среднего и верхнего течения водотоков, расположенных непосредственно в зоне техногенного воздействия, что вызвало увеличение нагрузки и переполнение нерестилищ на приустьевых площадках. Зафиксировано отчетливое снижение численности и обеднение видового состава лососевой молоди и жилых рыб, а также изменение физиологического состояния большей части рыбного сообщества в зоне техногенного воздействия, в первую очередь, в связи с различными механическими повреждениями жабр. Значительные трансформации в водотоках горного узла претерпели структура и численность сообществ донных организмов, что определило активную миграцию рыбного населения в связи с обеднением кормовой базы. В целом, результаты многолетнего мониторинга свидетельствует о проявлении признаков деградации существующего водного сообщества, которые вызваны техногенной трансформацией среды обитания гидробионтов в зоне действия горнодобывающего предприятия.

Гидрологические наблюдения за изменением состояния прилегающих водных объектов при освоении крупных россыпных месторождений позволяют выделить три основные группы факторов, определяющих основное негативное воздействие добычных работ с применением гравитационных методов обогащения на экосистемы лососевых нерестово-нагульных рек.

Первая группа факторов представлена прямыми техногенными изменениями руслового режима рыбохозяйственных водных объектов и связана с деформациями или переносом естественного русла в процессе строительства и эксплуатации очистных сооружений.

Помимо полного уничтожения участков рек и ручьев в зоне их переноса, спрямление естественных русловых меандров сопровождается активизацией горизонтальных и вертикальных русловых деформаций, активной эрозией рыхлых отложений и коренных пород, увеличением уклона поверхности водного потока и ростом его транспортирующей способности. На основе изучения динамики изменения продольного профиля в пределах руслоотводов выделено три участка, характеризующихся различным режимом выноса и аккумуляции твердого обломочного материала. От верхней границы руслоотвода вплоть до выхода водного потока на толщу коренных пород наблюдается активная эрозия ложа и стенок с выносом значительных объемов обломочного материала вниз по течению. Непосредственно на коренных породах русло представляет собой водослив, который имеет порожисто-водопадную форму, характеризуется замедленной эрозией и практически полным отсутствием рыхлых отложений. В развитии нижнего участка выделяется два периода, когда первоначально здесь происходит активное врезание с выносом рыхлых отложений, а после выхода профиля на базис эрозии идет направленная аккумуляция обломочного материала с верхней части руслоотвода.

Основные негативные последствия данной группы факторов определяются безвозвратной утратой для нереста лососевых рыб участков естественного русла в зоне его переноса. Водопады и пороги, формирующиеся при выработке продольного профиля искусственного русла в коренных породах, создают дополнительные, в некоторых случаях непроходимые, препятствия для подхода лососей-производителей к нерестилищам в верхней части водотоков. Отсутствие укрытий и изменение кормовой базы в руслоотводах провоцирует миграцию молоди лососей для нагула на другие участки водной акватории. Значительный объем рыхлого материала, который выносится из руслоотводов, ведет к изменению морфологии естественного русла и гранулометрического состава русловых отложений в нижней части водных объектов и негативно сказывается на размере площадей пригодных для нереста лососевых рыб. Оценивая долю участия данной группы факторов в общем воздействии горно-добычных работ на водные экосистемы, следует отметить их локальное распространение, которое практически не выходит за пределы установленного горного отвода.

Вторая группа факторов представлена техногенными изменениями водного режима рыбохозяйственных водотоков и вызвана фильтрацией поверхностных и грунтовых вод в карьеры очистных сооружений.

Результаты проведенных наблюдений свидетельствуют о значительном уменьшении водности нерестово-нагульных рек в зоне действия горнодобывающего предприятия с формированием устойчивой обратной гидравлической связи, когда поверхностные воды водотоков питают грунтовые горизонты. Для расположенных в зоне ведения горно-добычных работ относительно крупных водных объектов с удельным расходом воды более 10 м³/с, уменьшение водности в низкую межень обычно не превышает 20%, что находится в пределах естественных колебаний. На малых реках и ручьях техногенное уменьшение водного потока может достигать 55% и сопровождаться значительным изменением морфодинамического типа русла.

Основные негативные последствия изменения водного режима малых нерестово-нагульных рек и ручьев определяются сокращением количества рукавов, являющихся местами нереста лососей и удобными стациями для нагула их молоди. В маловодные годы активный дренаж руслового потока в отдельных случаях ведет к пересыханию естественного русла и полному уничтожению нерестовых площадок в верхней части водотоков. Следует отметить, что воздействие данной группы факторов на водные экосистемы также имеет локальное распространение и отражается исключительно на средних и верхних участках малых нерестовых рек и ручьев.

Третья группа факторов представлена техногенным изменением мутности водных потоков, увеличением количества взвешенных наносов и заилением русловых отложений рыбохозяйственных водных объектов и определяется поступлением с площади ведения горно-добычных работ значительного объема взвешенных веществ.

Гидрологическими наблюдениями установлено, что если в естественных условиях при отсутствии атмосферных осадков содержание взвеси в водных потоках нерестово-нагульных рек территории, как правило, не превышает 1-3 мг/л, то в водотоках расположенных в зоне воздействия она составляла не менее 10 мг/л, достигая в отдельных случаях 1,5 г/л. Изучение гранулометрического состава взвешенных веществ показало, что увеличение содержания взвеси сопровождается существенным уменьшением крупности частиц. Если в естественных условиях средняя крупность взвеси составляет от 24 до 55 мкм, то в водотоках расположенных в зоне действия горнодобывающего предприятия её размер уменьшается до 3 - 16 мкм (рис.10).

Рис. 10 Зависимость средней крупности взвешенных частиц (d_ср) от содержания взвеси в водном потоке (S)

Техногенный характер процесса определяется поступлением высокодисперсных взвешенных веществ со сточными водами, в которых средний размер взвешенных частиц составляет 4 мкм, а подавляющее их количество имеет размер менее 2 мкм (рис.11).

Рис. 11 Гранулометрический состав взвеси в водных объектах горного узла

В связи с малым весом высокодисперсных частиц, увеличение составляющей тонких фракций ведет к росту транспортирующей способности водного потока и позволяет переносить значительные объемы твердого материала на значительное расстояние от источника загрязнения. Перенасыщение водного потока взвесями определяет формирование значительных объемов взвешенных наносов, что проявляется в характере изменения мутности воды по простиранию водотоков, когда на мелких плесах с медленным течением происходит кратковременное оседание взвешенных частиц с их повторным взмывом на перекатах. Увеличение содержания тонких фракций в водном потоке существенно изменяет гранулометрический состав верхнего слоя русловых отложений нерестовых рек. Проведенные исследования показали, что содержание илистых фракций в составе русловых отложений нерестовых рек находящихся в зоне техногенного воздействия за время ведения горно-добычных работ выросло в среднем в два раза.

Негативный эффект техногенного увеличения мутности воды и заиления русловых отложений на первый взгляд малозаметен, но именно это продолжительное по времени изменение среды обитания гидробионтов представляет наибольшую опасность при ведении горно-добычных работ, так как широкомасштабно действует на всю нижележащую водную акваторию. Снижение продуктивности рыбохозяйственных водотоков в данном случае может проявиться через несколько лет, но будет иметь устойчивый и необратимый характер, так как негативное воздействие отразится на всех элементах водной экосистемы. Локализация третьей группы факторов является определяющим для сохранения важного рыбохозяйственного значения лососевых нерестово-нагульных рек территории при освоении платинометальных руд.

Для проведения объективной количественной оценки уровня загрязнения рыбохозяйственных водных объектов взвешенными веществами предлагается ввести показатель (К_ТЗ), который представлен отношением суммарного объема стока взвешенных веществ с площади водного бассейна с учетом ведения горно-добычных работ(W_ТС) к объему стока в естественных условиях (W_ЕС):

Определить объемы стока взвешенных веществ в условиях малоосвоенных территорий Крайнего Севера и Дальнего Востока, где отсутствует постоянная сеть гидрометрических наблюдений, позволяют существующие в современной гидрологии индикационные эмпирико-аналитические методы оценки, основу которых составляют эпизодические наблюдения за параметрами стока взвешенных веществ в водотоках, расположенных в зоне техногенного воздействия. Общий объем техногенного стока с площади ведения горно-добычных работ определяется при этом путем прямого сложения индивидуальных расчетов по каждому источнику загрязнения: 1) поверхностных смыв работ (W_смыв); 2) вынос твердого материала из руслоотводов (W_русл); 3) организованный сброс сточных вод (W_сбр) и 4) аварийные сбросы технологических вод (W_авар).

W_ТС = W_смыв + W_русл + W_сбр + W_авар

Проведенные расчеты годового объема стока взвешенных веществ для эталонного объекта - Сейнав-Гальмоэнанского горного узла позволяют сделать вывод, что воздействие разработки россыпных месторождений платины на экосистемы главной водной артерии территории - крупной нерестовой реки Вывенка, определяется показателем К_ТЗ =1,14. Установлено, что основную роль в формировании техногенного стока взвешенных веществ (68%) играет сброс сточных вод с повышенным содержанием высокодисперсных взвесей. Это определяет основной задачей обеспечения экологической безопасности рыбохозяйственных водных объектов при освоении платинометальных руд - проведение глубокой очистки подготовленных к сбросу в водоприемники сточных вод от высокодисперсных взвешенных частиц.

Теоретическое обоснование и экспериментальное изучение возможности применения акустического воздействия для очистки сточных вод от высокодисперсных взвешенных частиц

Воздействие консервативных химических соединений на экосистемы нерестовых рек мало изучено, поэтому применение химических реагентов (коагулянтов), как традиционного высокоэффективного метода глубокой очистки воды, в заданных экологических условиях невозможно, так как может вызвать частичную деградацию или полное уничтожение рыбного сообщества. Хорошие результаты очистки воды от высокодисперсных взвесей могут быть получены при использовании различных типов фильтров, гидроциклонов и центрифуг, однако высокая себестоимость очистки и малая производительность промышленных аппаратов, при значительных объемах промышленных сточных вод определяют их применение затратным и экономически нецелесообразным.

Учитывая простоту конструкции и низкий уровень затрат на строительство и эксплуатацию, широкое применение на горнодобывающих предприятиях Крайнего Севера и Дальнего Востока находят горизонтальные типы отстойников. Механическое отстаивание является эффективным для взвешенных частиц крупного (более 50мкм) и среднего (5-50 мкм) размеров, а для осаждения высокодисперсных и коллоидных частиц в таких очистных сооружениях необходимо проведение их предварительное агрегирование, которое в заданных экологических условиях может быть выполнено исключительно методами физического воздействия.

Скорость осаждения высокодисперсных взвесей, включая коллоидные системы, незначительна, что объясняется малой массой частиц и отсутствием самопроизвольной коагуляции в связи с наличием на их поверхности одноименных электрических зарядов. Заряженные частицы отталкиваются друг от друга, но если вследствие броуновского движения расстояние между ними становится меньше критического, то они могут соединяться и коагулироваться. Одним из физических методов ускорения движения высокодисперсных взвешенных частиц в воде могут являться акустические воздействия в низком звуковом и звуковом диапазоне частот, которые характеризуется объемным распространением и относительной экологической безопасностью для окружающей среды.

В основу разработанного комплексного метода очистки сточных вод от взвешенных веществ положены следующие механизмы физической коагуляции частиц различной дисперсности под воздействием акустических волн: 1) коагуляция подвижных высокодисперсных частиц за счет увеличения количества их столкновений с более крупными малоподвижными частицами в бегущих гидроакустических волнах большой интенсивности; 2) коагуляция частиц различной дисперсности, за счет увеличения количества их столкновений при перемещении в области сжатия стоячих гидроакустических волн; 3) принудительное осаждение частиц различной дисперсности, в том числе и вновь образованных агрегатов, из верхнего слоя воды под воздействием избыточного акустического давления, возникающего при распространении звуковых волн из воздуха в водную среду.

Процесс очистки сточных вод от высокодисперсных взвешенных веществ сводится к последовательному увеличению крупности взвешенных частиц в процессе акустического воздействия и ускоренному осаждению в каскаде горизонтальных отстойников за счет роста массы новообразованных агрегатов и состоит из трех основных этапов.

На первом этапе осуществляется агрегирование самой представительной группы взвесей с размером частиц от 1 до 5 мкм, для чего в центральной части отстойников верхних порядков устанавливаются гидроакустические излучатели низкого звукового и звукового диапазона частот. Коагуляция взвесей достигается под воздействием бегущих гидроакустических волн высокой интенсивности, когда подвижные высокодисперсные частицы «прибиваются» к крупным и менее подвижным.

На втором этапе осуществляется агрегирование высокодисперсных частиц крупностью менее 1 мкм, для чего в местах слива воды между горизонтальными отстойниками нижних порядков устанавливаются излучатели электромагнитных волн, а в бортовых частях отстойников гидроакустические излучатели звукового диапазона частот, направленные на встречу друг другу и работающие в синхронном режиме. Под воздействием электромагнитных волн осуществляется компенсация поверхностных зарядов высокодисперсных частиц, а эффект коагуляции достигается за счет их перемещения в области «сжатия» стоячих гидроакустических волн, где барьерное расстояние между частицами преодолевается под воздействием интенсивного акустического давления.

На третьем этапе осуществляется осветление верхнего приграничного слоя воды, для чего на водоупорных дамбах горизонтальных отстойников устанавливаются направленные акустические излучатели. Принудительное осаждение исходных и агрегированных взвешенных частиц из верхнего слоя воды происходит за счет непрерывного воздействия на частицы различной дисперсности избыточного акустического давления, вектор которого направлен навстречу и вниз по отношению к движущемуся потоку воды.

Первые эксперименты по определению эффективности очистки сточных вод комплексным методом с акустическим воздействием были проведены при разработке россыпных месторождений платины Сейнав-Гальмоэнанского горного узла на смежных горизонтальных отстойниках с небольшими линейными размерами 80х60х3м и объемом 14400 м3 каждый. В центре отстойников были установлены гидроакустические излучатели звукового диапазона частот и по два акустических излучателя располагались на водоупорных дамбах. Анализ работы блока отстойников в штатном режиме показал, что при содержании взвешенных веществ на уровне 95 мг/л, эффективность осаждения взвесей составляла в нем не более 37%. Реализация комплексного метода с использованием акустического воздействия позволила повысить эффективность очистки до 74% и получить на выходе из блока очистных сооружений сточные воды с содержанием взвешенных веществ на уровне 25 мг/л.

Масштабные эксперименты по апробации метода, которые можно сопоставить с промышленными испытаниями, были поставлены на трех смежных горизонтальных отстойниках большого размера (140х100х8м и объем 112000м3). Необходимо отметить, что проведение экспериментов проводилось в условиях высокого содержания взвешенных веществ в воде на входе в очистные сооружения (1,04 - 1,96 г/л). Работа среднего отстойника в штатном режиме была неэффективна в связи с избыточным поступлением загрязненных вод из верхнего отстойника и интенсивным водообменном нижних и средних слоев воды. На первом этапе испытаний гидроакустические излучатели низкого звукового и звукового диапазона частот были установлены в верхнем и среднем горизонтальных отстойниках, а четыре акустических излучателя размещались на водоупорной дамбе между ними. Общая эффективность работы каскада горизонтальных отстойников при использовании акустического воздействия выросла на 34% и составила в целом 51%. На втором этапе эксперимента гидроакустические излучатели низкого звукового и звукового диапазона частот были перенесены в средний и нижний горизонтальные отстойники, а акустические излучатели размещены на водоупорной дамбе между ними. В штатном режиме, при содержании взвесей в загрязненной воде 1,45 г/л, эффективность работы каскада составляла 14 %, а осаждения взвесей в среднем отстойнике не происходило по-прежнему. В процессе реализации комплексного метода с акустическим воздействием, при более загрязненной воде 1,8 г/л, общая эффективность работы данного блока очистных сооружений составила 38%. Следует отметить, что при использовании комплексного метода начал работать средний отстойник, эффективность осаждения взвесей в котором составила 12%.

Для оценки времени, необходимого для осаждения взвешенных веществ из сточных вод испытавших акустическое воздействие были проведены эксперименты по отстаиванию воды из приповерхностных горизонтов нижнего отстойника. Результаты экспериментов показали, что значительная часть исходных и агрегированных взвешенных частиц может быть осаждена в процессе отстаивания сточных вод с эффективностью 10-11% общего количества взвесей за сутки.

При проектной мощности горно-обогатительного предприятия 5 млн. тонн руды в год, объем очистки технологических и сточных вод от взвешенных веществ составит около 20 млн.м³. При прогнозируемом содержании взвешенных веществ в промышленных водах 200 мг/л, на выходе из очистных сооружений планируется получать сточные воды с содержанием взвеси на уровне 20-25 мг/л (эффективность очистки 90%). В соответствии с технологической схемой комплексного метода очистки сточных вод для очистных сооружений обогатительной фабрики определены основные этапы, оптимальные режимы акустического воздействия и произведен выбор основного акустического оборудования (Табл.1).

Таблица 1

Основные этапы, оптимальные режимы и оборудование для реализации комплексного метода очистки сточных вод с акустическим воздействием при переработке платинометальных руд

Расчетная себестоимость очистки 1 тыс. м³ промышленных и сточных вод от высокодисперсных взвешенных частиц с применением акустического воздействия составит 115,43 рубля, что определяет всего 0,12% затрат (или 0,59 рубля) в себестоимости производства 1 грамма платины.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основании выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований обоснована возможность промышленного освоения нового вида платиносодержащего минерального сырья - дунитов зональных базит-ультрабазитовых комплексов и доказано, что извлечение платины из них определяется прямым извлечение минералов МПГ, представленных преимущественно платино-железистыми сплавами.

1. Определен петрологический, химический и минеральный состав платинометальных руд и установлены основные критерии платиноносности зональных базит-ультрабазитовых комплексов, что позволило выделить в качестве наиболее перспективного объекта для промышленного освоения - перекристализованные дуниты, несущие признаки высокотемпературных структурных деформаций и интенсивной флюидной проработки.

2. На основе комплекса современных минералого-технологических методов исследования доказано, что платина присутствует в руде исключительно в собственных свободных минеральных формах, установлен качественно-количественный состав и контрастные технологические свойства платиносодержащей минерализации, выявлено совместное присутствие в руде двух минеральных ассоциаций (платино-хромитовой и платиноносных дунитов), определен уровень их продуктивности, различия в составе и технологических свойствах. Это позволило теоретически обосновать неэффективность извлечения платины путем предварительного разделения руды различными физическими методами с выделением хромитового концентрата и доказать необходимость стадиального измельчения руды с межцикловым выделением крупной фракции платиноидов на ранних стадиях дезинтеграции для обеспечения полноты извлечения платины в богатые гравитационные концентраты.

3. Проведена систематизация, типизация и оценка негативного воздействия горно-перерабатывающего производства с использованием гравитационных методов обогащения на экосистемы лососевых нерестово-нагульных рек с выделением основных групп факторов, которые представлены техногенными изменениями руслового и водного режима рыбохозяйственных водных объектов и техногенным стоком взвешенных веществ. Доказано, что наиболее значительное воздействие на гидробионты оказывает поступление в водные потоки высокодисперсных взвешенных частиц, размер которых значительно меньше средней крупности естественной «природной» взвеси. Для объективной количественной оценки загрязнения рыбохозяйственных водных объектов взвешенными веществами, рекомендовано введение показателя, определяемого отношением объема консолидированного стока в условиях техногенного воздействия к объему стока с площади водосбора в естественных условиях.

4. Раскрыты теоретические предпосылки процесса агрегирования взвешенных частиц различной дисперсности при комплексном акустическом воздействии в звуковом и низком звуковом диапазоне частот и выделены следующие его механизмы:

- направленное движение высокодисперсных частиц с «прибиванием» к относительно крупным малоподвижным частицам в силовом поле бегущих гидроакустических волн большой интенсивности.

- перемещение частиц различной дисперсности в области сжатия стоячих гидроакустических волн.

- перемещение частиц различной дисперсности из верхнего слоя воды под действием избыточного акустического давления, возникающего при распространении звуковых волн из воздуха в водную среду.

5. Разработана, прошла полупромышленные испытания и реализована при крупно-объемном опробовании рудных зон Гальмоэнанского зонального массива технологическая схема обогащения платинометальных руд с двухстадиальным измельчением и межцикловым выделением крупной фракции платиноидов в богатые гравитационные концентраты, что позволяет из исходной руды с содержанием 1,69 г/т извлекать до 94% платины.

6. Для объективной количественной оценки загрязнения рыбохозяйственных водных объектов взвешенными веществами рекомендовано применение индикационных эмпирико-аналитических методов расчета объема выноса взвешенных веществ на основе эпизодических наблюдений за параметрами стока по выделенным источникам техногенного загрязнения: организованный сброс сточных вод; поверхностный смыв с площади ведения горно-добычных работ; вынос твердого материала из руслоотводов и аварийные сбросы технологических вод.

7. Экспериментально подтверждена эффективность комплексного физико-механического метода очистки промышленных и сточных вод от взвешенных частиц различной дисперсности с применением акустического воздействия в звуковом и низком звуковом диапазоне частот. Апробация метода в промышленных условиях при разработке россыпных месторождений платины показала возможность роста эффективности работы очистных сооружений, представленных горизонтальными отстойниками различных линейных размеров, на 30-40%.

8. Выполненные в соответствии с теоретически обоснованными и экспериментально апробированными технологическими решениями укрупненные технико-экономические расчеты возможности освоения платиносодержащих дунитовых руд Гальмоэнанского зонального массива на севере Камчатке показали, что себестоимость производства 1 грамма платины составит 475,99 рубля.

Работа значительно расширяет минерально-сырьевую базу производства платины в России, а расчетные показатели инвестиционной привлекательности пионерного проекта и прогноз прибыли от его реализации позволяют высоко оценивать перспективы вовлечения данного вида платиносодержащего сырья в промышленное освоение уже в ближайшее время.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора

Монография

1. Козлов А.П., Чантурия В.А. Платиносодержащие дунитовые руды и их обогатимость. М.: УРАН ИПКОН РАН, 2009. 148 с.

Статьи в изданиях рекомендуемых ВАК

2. Полянин В.С., Ведерников Н.Н., Полянина Т.А., Козлов А.П. Геологическое строение и история формирования Гальмоэнанского мафит-ультрамафитового массива // Отечественная геология. 2000. № 1. С.44-52.

3.Осипенко А.Б., Сидоров Е.Г., Козлов А.П., Ланда Э.А., Леднева Г.В., Марковский Б.А. Геохимия магматических серий Гальмоэнанского базит-гипербазитового массива, Корякия // Тихоокеанская геология. 2002. №4. С. 79-90.

4. Сидоров Е.Г., Толстых Н.Д., Козлов А.П. Рудная платина Гальмоэнанского массива // Вестник Томского государственного университета - 2003. № 3.- С. 291-293.

5.Сидоров Е.Г., Осипенко А.Б., Козлов А.П., Костоянов А.И. Хромитовая минерализация в породах мафит-ультрамафитового массива Гальмоэнан // Геология рудных месторождений. 2004. Т.46. №3. С. 235-252.

6. Tolstykh N.D., Sidorov E.G., Kozlov A.P. Platinum-group minerals in lode and placer deposits associated with the Ural-Alaskan-type Gal'moenan Complex, Koryak-Kamchatka platinum belt, Russia // The Canаdean Mineralogist. 2004. V.42. №2. РP. 619-630.

7. Козлов А.П. Платинометальные месторождения Сейнав-Гальмоэнанского рудного узла (Корякия)» // Известия ВУЗов. Геология и разведка. 2007. №5. С. 47-51.

8. Козлов А.П. Геоэкологические аспекты разработки россыпных месторождений платины Сейнав-Гальмоэнанского рудного узла (Ю.Корякия)» // Маркшейдерия и недропользование. 2008. №1. С. 55-58.

9. Козлов А.П. Проблемы освоения россыпных месторождений с учетом особых экологических требований территории (Камчатка) // Известия ВУЗов. Геология и разведка. 2008. №2. С. 84-88.

10. Козлов А.П. Воздействие разработки россыпных месторождений на воспроизводство ихтиофауны прилегающих водных бассейнов (Камчатка) // Горный информационно-аналитический бюллетень МГГУ. 2008. №5. С. 376-383.

11. Козлов А.П. Прогнозная обогатимость платинометальных руд на основе минералого-технологических исследований (Гальмоэнанский массив, Камчатка) // Маркшейдерия и недропользование. 2009. № 2. С. 65-67.

12 Tolstykh N.D., Sidorov E.G., Kozlov A.P. Platinum-group minerals from the Olkhovaya-I placer related to the Karaginsky ophiolite complex the Kamchatkiy mys peninsula, Russia // The Canаdean Mineralogist. 2009. V.47. №4. РP.793-811.

13. Козлов А.П. Прогнозная обогатимость платинометальных руд на основе минералого-технологических исследований (Гальмоэнанский массив, Камчатка) // Горный информационно-аналитический бюллетень МГГУ. 2009. №15. С. 405-414.

14. Козлов А.П. Минералого-технологическая характеристика россыпеобразующих платинометальных руд зональных базит-ультрабазитовых комплексов // Горный информационно-аналитический бюллетень МГГУ. 2009. №15. С. 529-539.

15. Козлов А.П. Применение метода конечных элементов при моделировании процесса дезинтеграции платиносодержащих дунитовых руд // Маркшейдерия и недропользование. 2010. №1. С. 21-25.

16. Козлов А.П. О негативном воздействии горного производства на экосистемы лососевых нерестово-нагульных рек // Обогащение руд. 2010. №3. С. 30-34.

17. Козлов А.П., Бахарев С.А. К методологии очистки промышленных сточных вод в особых экологических условиях Камчатки // Обогащение руд (в печати).

18. Бахарев С.А., Козлов А.П. К вопросу использования методов нелинейной акустики при обогащении полезных ископаемых и очистке промышленных сточных вод // Горный журнал (в печати).

Статьи в сборниках и публикации в материалах научных мероприятий

19. Kozin N.N., Loginov V.A., Kozlov A.P., Zaitsev V.P., Sidorov E.G. The platinum mining activities of the Koryak mining company in Northern Kamchatka // Abstracts of the PDAC Convention 99. Toronto, Canada. 1999. РP. 9-10.

20. Полянин В.С., Полянина Т.А., Козлов А.П. Новые данные о геологическом строении и истории формирования Гальмоэнанского габбро-гипербазитового массива (Корякское нагорье) // Труды международной конференции «Палеозоны субдукции: тектоника, магматизм, метаморфизм, седиментогенез». Екатеринбург. 1999. С. 119-131.

21. Сидоров Е.Г., Осипенко А.Б., Леднева Г.Н., Марковский Б.А., Козлов А.П. Геохимия магматических серий зонально-концентрических массивов Ватыно-Вывенкского пояса, Корякия // Труды международного совещания «Общие проблемы петрологии. Петрохимическая типизация магматических ассоциаций». Сыктывкар. 2000. Т.1. С. 157-159.

22. Сидоров Е.Г., Козлов А.П., Ланда Э.А., Осипенко А.Б., Марковский Б.А. Петрогеохимические особенности пород Гальмоэнанского базит-гипербазитового массива, Корякия» // Материалы II научной сессии Камчатского отделения ВМО «Петрология и металлогения базит-гипербазитовых комплексов Камчатки». М.: Научный Мир. 2001. С. 14-30.

23. Толстых Н.Д., Сидоров Е.Г., Видик С.В., Козлов А.П., Вильданова Е.Ю. Минералого-геохимические особенности минералов платиновой группы россыпного месторождения р.Левтыринываям // «Петрология и металлогения базит-гипербазитовых комплексов Камчатки». М.: Научный Мир. 2001. С. 94-114.

24. Козлов А.П., Сидоров Е.Г., Романов А.П. Рудная платина Гальмоэнанского массива Камчатки (реальность и перспективы). // Материалы всероссийского семинара «Платина в геологических формациях Сибири». Красноярск. 2001. С. 79-80.

24. Сидоров Е. Г., Осипенко А. Б., Козлов А.П., Костоянов А.И. «Платиноносные хромититы Гальмоэнанского зонального массива, Корякия: строение, состав и условия формирования» // Материалы Всероссийского совещания «Геодинамика, магматизм и минерагения континентальных окраин Севера Пацифики» - Магадан - 2003. Т.2. С. 179-183.

25. Tolstykh N.D., Sidorov E.G., Kozlov A.P. The origin of mineral assembladge in ofiolitic complex of Kamchatka. // 32nd International Geolological Congress. Florence, Italy. 2004. Pt. 1, abs. 100-43. РP. 478-479.

26. Козлов А.П., Помельников И.И. Рациональные геотехнологии освоения месторождений благородных металлов в условиях особо охраняемых территорий Камчатки // Материалы IV международной научно-практической конференции. «Проблемы и пути устойчивого развития горнодобывающих отраслей промышленности». Хромтау, Республика Казахстан. 2007. С. 388-393.

27. Козлов А.П. Геотехнологические аспекты промышленной разработки платинометальных месторождений Гальмоэнанского базит-гипербазитового массива (Корякия) // Материалы международной конференции «Ультрабазит-базитовые комплексы складчатых областей». Иркутск: 2007. С. 381-385.

28. Козлов А.П. Разработка эффективной технологии обогащения руды платинометальных месторождений Гальмоэнанского базит-гипербазитового массива (Корякия) // Материалы международного совещания «Современные методы комплексной переработки руд и нетрадиционного минерального сырья (Плаксинские чтения-2007)» - Апатиты: КНЦ РАН. 2007. С. 98-103.

29. Козлов А.П. Технология промышленного обогащения руд платинометальных месторождений Корякско-Камчатского пояса» // Материалы 4 международной научной школы молодых учёных и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых». М.: ИПКОН РАН. 2007. С. 34-37.

30. Osipenko A.B, Kozlov A.P. An integrated 3d GIS model of Galmoenan mafik-ultramafik massif: a tool for efficient pgm development // 4^th Intеrnational Conference «GIS in Geology. Application in the Eatrh Sciences». Queretaro, Mexiko. 2007.

31. Козлов А.П. Проблемы загрязнения рек и прибрежных акваторий при разработке месторождений платины Ю.Корякии // Материалы XVII международной научной конференции (школы) по морской геологии «Геология морей и океанов». Москва. 2007.

32. Козлов А.П. Технология обогащения платинометальных руд с учетом экологических последствий разработки (Гальмоэнанский массив, Камчатка) // Материалы международного совещания «Современные проблемы обогащения и глубокой комплексной переработки минерального сырья (Плаксинские чтения-2008)». Владивосток. 2008. С. 50-52.

33. Козлов А.П. Роль геологических знаний в разработке эффективных технологий обогащения новых видов минерального сырья // Материалы международного совещания «Развитие идей Н.В.Мельникова в области комплексного освоения недр». М: ИПКОН РАН. 2009. С. 221-224.

34. Козлов А.П. Технология обогащения платиносодержащих дунитовых руд Гальмоэнанского зонального базит-ультрабазитового массива (Камчатка)» // Материалы III международной конференции «Ультрабазит-базитовые комплексы складчатых областей и связанные с ними месторождения» - Екатеринбург. 2009. Т.1. С. 233-235.

35. Сидоров Е.Г., Толстых Н.Д., Козлов А.П., Чубаров В.М. Коренная минерализация массива Гальмоэнан, Корякия (Урало-Аляскинский тип) // Материалы III международной конференции «Ультрабазит-базитовые комплексы складчатых областей и связанные с ними месторождения» - Екатеринбург. 2009. Т.2. С. 189-193.

36. Козлов А.П. Модель процесса дезинтеграции платиносодержащих руд в конусной дробилке с неподвижной осью. // Материалы международного совещания «Инновационные процессы в технологиях комплексной, экологически безопасной переработки минерального и нетрадиционного сырья (Плаксинские чтения-2009)». Новосибирск. 2009. С. 89-91.

37. Козлов А.П. Комплексирование физических методов очистки сточных вод при сбросе в нерестовые реки, имеющие важное рыбохозяйственное значение // Материалы международного совещания «Инновационные процессы в технологиях комплексной, экологически безопасной переработки минерального и нетрадиционного сырья (Плаксинские чтения-2009)». Новосибирск. 2009. С. 208-209.

38. Чантурия В.А., Козлов А.П. Технологические перспективы промышленного производства платины из дунитов зональных базит-ультрабазитовых комплексов урало-аляскинского типа // Материалы IV международного горно-геологического форума Мингео Сибирь 2010 и международного семинара «Платина в геологических формациях мира». Красноярск. 2010. С. 146-149.