Введение

Отток кислой воды из металлорудных или угольных шахт. Кислотный шахтный дренаж, кислотно-металлический дренаж (AMD) или кислотный дренаж горных пород (ARD) – это отток кислой воды из металлорудных и угольных шахт. Кислотный дренаж горных пород возникает естественным образом в некоторых средах как часть процесса выветривания горных пород, но усугубляется масштабными нарушениями земной поверхности, характерными для горнодобывающей промышленности и других крупных строительных работ, обычно в породах, содержащих большое количество сульфидных минералов. В районах, где земля была нарушена (например, на строительных площадках или при строительстве дорог), может образовываться кислотный дренаж горных пород. Во многих местах жидкость, стекающая с угольных складов, угольных перегрузочных пунктов, угольных обогатительных фабрик и угольных отвалов, может быть сильно кислой, и в таких случаях рассматривается как кислотный дренаж горных пород. Эта жидкость часто содержит высокотоксичные металлы, такие как медь или железо. В сочетании с пониженным pH они оказывают негативное воздействие на водные экосистемы рек и ручьев. Аналогичные химические реакции и процессы могут происходить при нарушении кислотных сульфатных почв, образованных в прибрежных или эстуарных условиях после последнего крупного повышения уровня моря, что представляет собой сопоставимую угрозу для окружающей среды.

Номенклатура

Исторически кислотные стоки из действующих или заброшенных шахт назывались кислотным шахтным дренажем, или AMD. Термин кислотный дренаж горных пород, или ARD, был введен в 1980-х и 1990-х годах, чтобы указать на то, что кислотный дренаж может образовываться не только из шахт, но и из других источников. Например, статья, представленная в 1991 году на крупной международной конференции по этой теме, называлась: "Прогнозирование кислотного дренажа горных пород – уроки, извлеченные из базы данных". И AMD, и ARD относятся к водам с низким pH или кислым водам, вызванным окислением сульфидных минералов, хотя ARD является более общим термином. В случаях, когда сток из шахты не является кислым и содержит растворенные металлы или металлоиды, или был изначально кислым, но нейтрализовался по мере течения, он описывается как "нейтральный шахтный дренаж", "вода, подверженная влиянию горнодобывающей деятельности" или иным образом. Ни одно из этих других названий не получило широкого распространения.

Возникновение

Подземные горные работы часто ведутся ниже уровня грунтовых вод, поэтому воду необходимо постоянно откачивать из шахты, чтобы предотвратить затопление. Когда шахта прекращает работу, откачка останавливается, и вода заполняет шахту. Это проникновение воды является начальным этапом в большинстве случаев кислотной дренажной ситуации. Хвостохранилища или отвалы, отвалы пустой породы,

Металлические рудники могут образовывать сильно кислые стоки, если руда является сульфидным минералом или связана с пиритом. В этих случаях преобладающим ионом металла может быть не железо, а цинк, медь или никель. Наиболее распространенная медная руда, халькопирит, сама по себе является сульфидом меди и железа и встречается в сочетании с различными другими сульфидами. Таким образом, медные рудники часто являются основными источниками кислотной шахтной дренажи. На некоторых рудниках кислая дренаж обнаруживается в течение 2–5 лет после начала добычи, в то время как на других рудниках она не обнаруживается в течение нескольких десятилетий. Кроме того, кислая дренаж может генерироваться в течение десятилетий или столетий после ее первого обнаружения. По этой причине кислотная шахтная дренаж считается серьезной долгосрочной экологической проблемой, связанной с горнодобывающей промышленностью.

Влияние на pH

Под землей на шахте Железной Горы были зафиксированы температуры воды, достигающие крайне высоких значений, а показатель pH может опускаться до −3,6. Организмы, вызывающие кислый шахтный дренаж, способны процветать в воде с pH, близким к нулю. Отрицательные значения pH возникают при испарении воды из уже кислых водоемов, что приводит к увеличению концентрации ионов водорода. Примерно половина стоков угольных шахт в Пенсильвании имеет pH ниже 5. Однако часть шахтного дренажа как в битуминозных, так и в антрацитовых районах Пенсильвании является щелочной, поскольку известняк в вскрышных породах нейтрализует кислоту до выхода дренажа на поверхность.

Желтый мальчик

Когда pH кислотного шахтного дренажа повышается выше 3, либо при контакте со свежей водой, либо благодаря нейтрализующим минералам, ранее растворимые ионы железа(III) выпадают в осадок в виде гидроксида железа(III) – желто-оранжевого твердого вещества, в обиходе известного как "желтый мальчик". Возможны и другие виды осадков железа, включая оксиды и оксигидроксиды железа, а также сульфаты, такие как ярозит. Все эти осадки могут изменять цвет воды и подавлять жизнь растений и животных на дне водоема, нарушая речные экосистемы (что является отдельным правонарушением в соответствии с Законом о рыболовстве Канады). В процессе также образуются дополнительные ионы водорода, которые могут еще больше снижать pH. В некоторых случаях концентрация гидроксидов железа в "желтом мальчике" настолько высока, что осадок можно извлекать для коммерческого использования в качестве пигмента.

Загрязнение микроэлементами и полуметаллами

Многие кислые горные воды также содержат повышенные уровни потенциально токсичных металлов, особенно никеля и меди, а также более низкие уровни целого ряда микроэлементов и полуметаллов, таких как свинец, мышьяк, алюминий и марганец. Повышенные уровни тяжелых металлов могут быть растворены только в водах с низким pH, что характерно для кислых вод, образующихся при окислении пирита. В угольном бассейне, расположенном вокруг южных долин Уэльса в Великобритании, особо сложными оказались сильнокислые, богатые никелем стоки с угольных складов.

Влияние на водную фауну

Кислотный шахтный дренаж также оказывает влияние на дикую природу, обитающую в поражённом водоёме. Водные макробеспозвоночные, живущие в ручьях или участках ручьёв, затронутых кислотным шахтным дренажом, демонстрируют меньшую численность, меньшее видовое разнообразие и меньшую биомассу. Многие виды рыб также не переносят это загрязнение. Среди макробеспозвоночных некоторые виды встречаются только при определённом уровне загрязнения, а другие – в широком диапазоне.

Надзор

В Соединенном Королевстве многие стоки из заброшенных шахт не подлежат нормативному регулированию. В таких случаях Агентство по охране окружающей среды и Natural Resources Wales, работая с партнерами, такими как Coal Authority, предложили ряд инновационных решений, включая системы искусственных водно-болотных угодий, например, на реке Пеленна в долине реки Афан близ Порт-Тальбота и искусственное водно-болотное угодье рядом с рекой Ниат в Йнисарведе. Хотя основная часть кислотной шахтной воды образуется на заброшенных подземных шахтах, некоторые недавно разрабатываемые и рекультивированные открытые шахты также производят кислотную дренажную воду (ARD) и ухудшают качество местных подземных и поверхностных водных ресурсов. Кислая вода, образующаяся на действующих шахтах, должна быть нейтрализована до достижения pH 6–9 перед разрешением сброса в водоток. В Канаде работы по снижению воздействия кислотной шахтной воды сосредоточены в рамках программы Mine Environment Neutral Drainage (MEND). Общая стоимость ущерба от кислотной дренажной породы оценивается от 2 до 5 миллиардов канадских долларов. За восемь лет работы программа MEND заявила о сокращении потенциального ущерба от ARD на сумму до 400 миллионов канадских долларов при инвестициях в размере 17,5 миллионов канадских долларов.

Нейтрализация силикатов кальция

Сырье из кальциевого силиката, полученное из переработанного сталеплавильного шлака, также может использоваться для нейтрализации активной кислотности в системах AMD путем удаления свободных ионов водорода из основного раствора, тем самым повышая pH. По мере того как силикат-анион захватывает ионы H+ (повышая pH), он образует моносилициевую кислоту (H4SiO4) – нейтральное вещество, растворенное в растворе. Моносилициевая кислота остается в основном растворе, выполняя множество функций по смягчению негативных последствий кислых условий. В основном растворе силикат-анион очень активно нейтрализует катионы H+ в почвенном растворе. Хотя механизм его действия отличается от известняка, способность кальциевого силиката нейтрализовать кислые растворы эквивалентна известняку, что подтверждается его значением CCE в 90–100% и относительной нейтрализующей способностью в 98%. В присутствии тяжелых металлов кальциевый силикат реагирует иначе, чем известняк. Поскольку известняк повышает pH основного раствора, а при наличии тяжелых металлов обычно ускоряется осаждение гидроксидов металлов (с крайне низкой растворимостью) и значительно возрастает риск обрастания частиц известняка. В кальциево-силикатном агрегате, по мере поглощения видов кремниевой кислоты на поверхности металла, формирование слоев кремния (моно- и бислоев) приводит к образованию коллоидных комплексов с нейтральным или отрицательным поверхностным зарядом. Эти отрицательно заряженные коллоиды создают электростатическое отталкивание друг от друга (а также от отрицательно заряженных гранул кальциевого силиката), стабилизируя захваченные металлические коллоиды и поддерживая их в дисперсном состоянии – эффективно прерывая осаждение металла и снижая уязвимость материала к обрастанию. После адсорбции загрязняющих веществ места обмена на ионообменных смолах необходимо регенерировать, что обычно требует использования кислых и щелочных реагентов и приводит к образованию рассола, содержащего загрязняющие вещества в концентрированном виде. Южноафриканская компания, получившая в 2013 году премию IChemE (www.icheme.org) за управление и обеспечение водоснабжения (очистка AMD), разработала запатентованный процесс ионного обмена для экономичной очистки шахтных сточных вод (и AMD).

Строительные водно-болотные угодья

В 1980-х годах для очистки кислотного шахтного дренажа, образующегося на заброшенных угольных шахтах в Восточных Аппалачах, были предложены системы искусственных водно-болотных угодий. Как правило, эти угодья получают воду с близкой к нейтральной реакцией после её нейтрализации (обычно) с использованием установки для обработки на основе известняка. Осаждение металлов происходит в результате их окисления при близкой к нейтральной pH, комплексообразования с органическим веществом, а также осаждения в виде карбонатов или сульфидов. Последнее обусловлено анаэробными бактериями, содержащимися в осадке, способными восстанавливать ионы сульфата до ионов сульфида. Эти ионы сульфида затем связываются с ионами тяжелых металлов, вызывая их осаждение из раствора и, по сути, обращая весь процесс. Преимуществом решения с использованием искусственных водно-болотных угодий является его относительно низкая стоимость. Их эффективность ограничена нагрузками по металлам, которые они могут обработать (из-за больших объемов потока или высокой концентрации металлов), однако современные специалисты успешно создают искусственные водно-болотные угодья, способные очищать большие объемы воды (см. описание искусственного водно-болотного угодья на шахте Кемпбелл) и/или сильно кислую воду (при условии надлежащей предварительной обработки). Как правило, сточные воды из искусственных водно-болотных угодий, получающих воду с близкой к нейтральной реакцией, хорошо буферизованы при pH 6,5–7,0 и могут быть легко сброшены. Некоторые осадки металлов, удерживаемые в осадке, нестабильны при контакте с кислородом (например, сульфид меди или элементарный селен), поэтому очень важно, чтобы осадок водно-болотных угодий оставался в основном или постоянно затопленным. Примером эффективного искусственного водно-болотного угодья является участок на Афон Пелена в долине реки Афан над Порт-Тальботом, где успешно очищаются сильно железистые стоки с шахты Уитворт.

Осаждение сульфидов металлов

Большинство основных металлов в кислом растворе выпадают в осадок при контакте со свободным сульфидом, например, из H2S или NaHS. Разделение твердой и жидкой фаз после реакции позволяет получить сточные воды, не содержащие основных металлов, которые могут быть сброшены или подвергнуты дальнейшей обработке для снижения содержания сульфатов, а также концентрат сульфида металла, представляющий потенциальную экономическую ценность. В качестве альтернативы, ряд исследователей изучали осаждение металлов с использованием биогенного сульфида. В этом процессе сульфат-редуцирующие бактерии окисляют органические вещества, используя сульфат вместо кислорода. Продуктами их метаболизма являются бикарбонат, способный нейтрализовать кислотность воды, и сероводород, образующий высоконерастворимые осадки со многими токсичными металлами. Несмотря на перспективность, внедрение этого процесса замедлено по ряду технических причин.

Технологии

Существует множество технологий лечения возрастной макулярной дегенерации.

Метагеномное исследование

С развитием крупномасштабных стратегий секвенирования геномы микроорганизмов в сообществах кислотных шахтных вод секвенируются непосредственно из окружающей среды. Практически полные геномные сборки позволяют получить новое понимание структуры сообщества и реконструировать их метаболические пути. Наши знания об ацидофилах в кислотных шахтных водах остаются ограниченными: мы знаем о гораздо большем количестве видов, ассоциированных с кислотными шахтными водами, чем можем определить их роли и функции.

Микробы и открытие лекарств

Недавно ученые приступили к изучению кислотных шахтных вод и территорий, подвергшихся рекультивации после добычи полезных ископаемых, в поисках уникальных почвенных бактерий, способных стать основой для разработки новых лекарственных препаратов. Почвенные микробы давно известны как источник эффективных лекарств, а новые исследования, в том числе работы, проводимые в Центре фармацевтических исследований и инноваций, указывают на то, что эти экстремальные среды представляют собой неисчерпаемый источник для новых открытий.

Список выбранных кислотных месторождений дренажа рудников по всему миру

Этот список включает в себя как шахты, являющиеся источником кислотного шахтного дренажа, так и речные системы, значительно пострадавшие от этого дренажа. Он далеко не исчерпывающий, поскольку во всем мире существуют тысячи подобных объектов.