Анализ эффективности геохимических барьеров как основа применения природоподобных технологий очистки воды
Об авторах
- 1 — д-р геол.-минерал. наук Профессор Санкт-Петербургский государственный университет ▪ Orcid
- 2 — Аспирант Санкт-Петербургский государственный университет ▪ Orcid
- 3 — д-р геогр. наук Профессор Санкт-Петербургский государственный университет ▪ Orcid
- 4 — канд. геогр. наук Доцент Санкт-Петербургский государственный университет ▪ Orcid
- 5 — Бакалавр Санкт-Петербургский государственный университет ▪ Orcid
Аннотация
Использование природоподобных технологий активно внедряется в различные сферы деятельности человека. Очистка сточных вод горнопромышленного производства – одна из них. В работе на основе многолетних исследований воздействия разработки Сибайского медноцинковоколчеданного месторождения выполнена оценка эффективности геохимических барьеров по очистке воды от Cu, Zn, Cd на р. Карагайлы, используемой для стока подотвальных и карьерных вод. В основу исследований положены результаты определения содержания металлов в воде и донных осадках, форм металлов и величины pH. С использованием дискриминантного анализа выделены четыре гидрогеохимические обстановки, обусловленные изменением системы водопользования в течение последних 20 лет, показаны механизмы формирования и разрушения геохимических барьеров. Статистическое моделирование процессов перевода металлов в твердую фазу и осаждения на дно выполнено на основе многомерно-регрессионного анализа. Осаждение Cu вызвано адсорбцией свежеобразованными гидроксидами Fe, в меньшей степени – выпадением в составе сульфатов при повышении щелочности воды. Проявлен антагонизм к гидроксидам Mn, обусловленный разными физико-химическими условиями их осаждения. Механизмы аккумуляции Zn обусловлены, в большей мере, фазовыми переходами в составе сульфатов при повышении pH c образованием собственных минеральных фаз. Вторым менее значимым механизмом выступает адсорбция на свежеобразованных гидроксидах Mn, что соответствует представлениям о близких условиях осаждения гидроксидов металлов. Поведение Cd отражает промежуточные между Cu и Zn условия осаждения в реке. В одинаковой степени механизмами аккумуляции выступают гидроксиды Fe и водные сульфаты, но отсутствует антагонизм к Mn. Выполненная оценка эффективности геохимических барьеров в очистке речных вод свидетельствует о перспективности использования природоподобных технологий in situ в водотоках, каналах и других системах отведения воды. Разработанные статистические модели могут быть использованы при постановке экспериментальных исследований и проектировании искусственных геохимических барьеров.
Ключевые слова:
донные отложения
тяжелые металлы
формы металлов
адсорбция металлов
статистическое моделирование
подотвальные и карьерные воды
геохимические барьеры
Литература
- Aqib Zahoor, Guozhu Mao, Xinming Jia et al. Global research progress on mining wastewater treatment: a bibliometric analysis // Environmental Science: Advances. 2022. Vol. 1. Iss. 2. P. 92-109. DOI: 10.1039/D2VA00002D
- Castellar J.A.C., Torrens A., Buttiglieri G. et al. Nature-based solutions coupled with advanced technologies: An opportunity for decentralized water reuse in cities // Journal of Cleaner Production. 2022. Vol. 340. № 130660. DOI: 10.1016/j.jclepro.2022.130660
- Wolkersdorfer C. Mine Water Treatment – Active and Passive Methods. Berlin: Springer, 2022. 328 p. DOI: 10.1007/978-3-662-65770-6
- Удачин В.Н., Аминов П.Г., Филиппова К.А. Геохимия горнопромышленного техногенеза Южного Урала. Екатерин-бург: УрО РАН, 2014. 251 с.
- Chanturiya V., Masloboev V., Makarov D. et al. Geochemical barriers for environment protection and recovery of nonferrous metals // Journal of Environmental Science and Health. Part A. 2014. Vоl. 49. Iss. 12. P. 1409-1415. DOI: 10.1080/10934529.2014.928543
- Денисова Ю.Л. Научное обоснование использования искусственных геохимических барьеров на основе отходов горнодобывающей промышленности для очистки сточных вод и извлечения цветных металлов: Автореф. дис. … канд. техн. наук. М.: Институт проблем промышленной экологии Севера, 2018. 21 с.
- Назаров А.М., Латыпова Ф.М., Арасланова Л.Х. и др. Исследование эффективности природных и модифицированных сорбентов для очистки промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов // Нанотехнологии в строительстве. 2018. Т. 10. № 5. С. 125-143. DOI: 10.15828/2075-8545-2018-10-5-125-143
- Никашина В.А. Проницаемые геохимические барьеры как способ защиты окружающей среды от загрязнений. При-родные сорбенты для решения экологических задач. Математическое моделирование и расчет процессов. Обзор // Сорбци-онные и хроматографические процессы. 2019. Т. 19. № 3. C. 289-304. DOI: 10.17308/sorpchrom.2019.19/746
- Савенко А.В. Экспериментальное моделирование иммобилизации тяжелых металлов на карбонатном сорбционно-осадительном геохимическом барьере // Геохимия. 2016. № 8. С. 748-760. DOI: 10.7868/S0016752516060066
- Torres E., Lozano A., Macías F. et al. Passive elimination of sulfate and metals from acid mine drainage using combined limestone and barium carbonate systems // Journal of Cleaner Production. 2018. Vol. 182. P. 114-123. DOI: 10.1016/j.jclepro.2018.01.224
- Limper D., Fellinger G.P., Ekolu S.O. Evaluation and microanalytical study of ZVI/scoria zeolite mixtures for treating acid mine drainage using reactive barriers – Removal mechanisms // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2018. Vol. 6. Iss. 5. P. 6184-6193. DOI: 10.1016/j.jece.2018.08.064
- Mayacela-Rojas C.M., Molinari A., Cortina J.L. et al. Removal of Transition Metals from Contaminated Aquifers by PRB Technology: Performance Comparison among Reactive Materials // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2021. Vol. 18. Iss. 11. № 6075. DOI: 10.3390/ijerph18116075
- Кременецкая И.П., Мазухина С.И., Догобужская С.В., Иванова Т.К. Физико-химическое моделирование системы ZnSO4-CaO(MgO)-SiO2-H2O // Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Естественные и гуманитарные науки. 2022. Т. 1. № 2. С. 93-99. DOI: 10.37614/2949-1185.2022.1.2.011
- Mei Li, Yan Kang, Haoqin Ma et al. Efficient removal of heavy metals from aqueous solutions using Mn-doped FeOOH: Performance and mechanisms // Environmental Research. 2023. Vol. 231. Part 1. № 116161. DOI: 10.1016/j.envres.2023.116161
- Ahmed M., Elektorowicz M., Hasan S.W. GO, SiO2, and SnO2 nanomaterials as highly efficient adsorbents for Zn2+ from industrial wastewater – A second stage treatment to electrically enhanced membrane bioreactor // Journal of Water Process Engineering. 2019. Vol. 31. № 100815. DOI: 10.1016/j.jwpe.2019.100815
- Чантурия В.А., Маслобоев В.А., Суворова О.В. и др. Обоснование технологий переработки и снижения экологической опасности отходов горных предприятий: основные результаты и перспективы научного сотрудничества // Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Естественные и гуманитарные науки. 2022. Т. 1. № 2. С. 9-19. DOI: 10.37614/2949-1185.2022.1.2.002
- García-Valero A., Martínez-Martínez S., Faz A. et al. Environmentally sustainable acid mine drainage remediation: Use of natural alkaline material // Journal of Water Process Engineering. 2020. Vol. 33. № 101064. DOI: 10.1016/j.jwpe.2019.101064
- Харько П.А., Нуреев Р.Р., Пашкевич М.А. Возможность применения геохимических барьеров на основе известняка для очистки подотвальных вод от металлов // Вестник Евразийской науки. 2020. Т. 12. № 6. 9 с.
- Патент № 2779420 РФ. Способ очистки подотвальных вод от ионов железа и меди / Ю.Д.Смирнов, П.А.Харько, М.А.Пашкевич. Опубл. 06.09.2022. Бюл. № 25.
- Баюрова Ю.Л., Нестеров Д.П., Корнева Е.А. и др. Искусственные геохимические барьеры для решения экологиче-ских и технологических задач // Вестник МГТУ. 2013. Т. 16. № 3. C. 536-541.
- Черемисина О.В. Технологические аспекты защиты гидросферы от ионов тяжелых металлов в зоне влияния объектов цветной металлургии // Записки Горного института. 2013. Т. 203. С. 116-119.
- Петракова Е.А. Макрофиты в фиторемедиации и биоиндикации вод: Автореф. дис. … канд. биол. наук. Брянск: Брянский государственный университет им. академика И.Г.Петровского, 2017. 23 с.
- Mudruňka J., Matunová Kavková K., Kučerová R. et al. Technology of the Biological Treatment of Mine Water at the Kohinoor II Mine // Engineering Proceedings. 2023. Vol. 57. Iss. 1. № 34. DOI: 10.3390/engproc2023057034
- Petrov D.S., Korotaeva A.E., Pashkevich M.A., Chukaeva M.A. Assessment of heavy metal accumulation potential of aquatic plants for bioindication and bioremediation of aquatic environment // Environmental Monitoring and Assessment. 2023. Vol. 195. Iss. 1. № 122. DOI: 10.1007/s10661-022-10750-0
- Kapahi M., Sachdeva S. Bioremediation Options for Heavy Metal Pollution // Journal of Health and Pollution. 2019. Vol. 9. Iss. 24. № 191203. DOI: 10.5696/2156-9614-9.24.191203
- Khalid A., Khan Y., Hadi R. et al. Bioremediation of heavy metals from wastewater through soil bacteria // Journal of Xi’an Shiyou University, Natural Sciences Edition. 2023. Vol. 66. Iss. 04. 15 p. DOI: 10.17605/OSF.IO/CV3MU
- Prajapati A.V., Baxi N.N., Dave S.R., Tipre D.R. Mycosorption: a sustainable approach for removing heavy metals from simulated polluted water in non-competitive and competitive systems // Environment, Development and Sustainability. 2024. 19 p. DOI: 10.1007/s10668-024-04524-6
- Косарев А.М., Владимиров А.Г., Ханчук А.И. и др. Девон-каменноугольный магматизм и оруденение южно-уральской аккреционно-коллизионной системы // Геодинамика и тектонофизика. 2021. Т. 12. № 2. С. 365-391. DOI: 10.5800/GT-2021-12-2-0529
- Масленников В.В., Аюпова Н.Р., Масленникова С.П., Целуйко А.С. Гидротермальные биоморфозы колчеданных месторождений: микротекстуры, микроэлементы и критерии обнаружения. Екатеринбург: УрО РАН, 2016. 388 с.
- Опекунов А.Ю., Опекунова М.Г., Сомов В.В. и др. Влияние разработки Сибайского месторождения (Южный Урал) на трансформацию потока металлов в подчиненных ландшафтах // Вестник Московского университета. Серия 5. География. 2018. № 1. С. 14-24.
- Наследов А. IBM SPSS Statistics 20 и AMOS: профессиональный статистический анализ данных. СПб: Питер, 2013. 416 с.
- Емлин Э.Ф. Техногенез колчеданных месторождений Урала: Автореф. дис. … д-ра геол.-минерал. наук. Свердловск: Свердловский горный институт имени В.В.Вахрушева, 1988. 30 с.
- Опекунов А.Ю., Янсон С.Ю., Опекунова М.Г. и др. Гидрогеохимическая трансформация малых рек под воздействием горнодобывающих предприятий (на примере р. Карагайлы, г. Сибай) // Вопросы степеведения. 2022. № 3. С. 12-22. DOI: 10.24412/2712-8628-2022-3-12-22
- Ryskie S., Neculita C.M., Rosa E. et al. Active Treatment of Contaminants of Emerging Concern in Cold Mine Water Using Advanced Oxidation and Membrane-Related Processes: A Review // Minerals. 2021. Vol. 11. Iss. 3. № 259. DOI: 10.3390/min11030259
Похожие статьи
Получение смешанного коагулянта из отходов обогащения железной руды
2024 В. А. Матвеева, М. А. Чукаева, А. И. Семёнова
Комплексная утилизация осадков городских сточных вод с получением техногенного почвогрунта
2024 М. В. Быкова, Д. М. Малюхин, Д. О. Нагорнов, А. А. Дука
Экологическая безопасность и устойчивое развитие: новые подходы к очистке сточных вод
2024 М. А. Пашкевич, А. С. Данилов, В. А. Матвеева
Обоснование возможности применения отходов производства гуминовых препаратов для очистки сточных вод от металлов (Cd2+, Zn2+, Mg2+, Cu2+) с целью разработки эффективных мероприятий по экологической реабилитации
2024 Н. Ю. Антонинова, А. В. Собенин, А. И. Усманов, А. А. Горбунов