Одной из основных проблем, стоящих перед организациями, эксплуатирующими сооружения по очистке шахтных вод, является достижение нормативных показателей по взвешенным веществам в очищенной воде. Такая проблема практически решается при наличии прудов для доочистки шахтных вод после отстойников. Но пруды-осветлители занимают значительные земельные площади, и в условиях Донбасса не всегда применимы. Целый ряд действующих шахт Донбасса не имеют прудов-осветлителей, и для них указанная выше проблема является весьма острой. Поэтому наиболее остро стоят вопросы обеспечения требуемой степени очистки шахтных вод.
     При этом много внимания уделяется поиску новых фильтрующих материалов с возможностью эффективного изъятия взвешенных веществ из шахтных вод и обеспечения при этом высокой производительности процесса и повышенной степени очистки.
     Особая задача была поставлена на шахте им. А.Ф. Засядько. Существующие очистные сооружения шахты перегружены и не обеспечивают требуемой степени очистки. В связи с этим поставлена задача улучшения работы шахтных отстойников.

     Защита водных ресурсов от истощения и загрязнения и их рациональное использования для нужд народного хозяйства – одна из наиболее важных проблем, требующих безотлагательного решения. В Украине широко осуществляются мероприятия по охране окружающей среды, в частности по очистке производственных сточных вод.
     Одним из основных направлений работы по охране водных ресурсов является внедрение новых технологических процессов производства, переход на замкнутые (бессточные) циклы водоснабжения, где очищенные сточные воды не сбрасываются, а многократно используются в технологических процессах. Замкнутые циклы промышленного водоснабжения дадут возможность полностью ликвидировать сбрасываемые сточные воды в поверхностные водоемы, а свежую воду использовать для пополнения безвозвратных потерь.
     Существенное влияние на повышение водооборота может оказать внедрение высокоэффективных методов очистки сточных вод, в частности физико-химических, из которых одним из наиболее эффективных является применение реагентов. Использование реагентного метода очистки производственных сточных вод не зависит от токсичности присутствующих примесей, что по сравнению со способом биохимической очистки имеет существенное значение. Более широкое внедрение этого метода как в сочетании с биохимической очисткой, так и отдельно, может в определенной степени решить ряд задач, связанных с очисткой производственных сточных вод. В ближайшей перспективе также намечается внедрение мембранных методов для очистки сточных вод.
     Таким образом, охрана и рациональное использование водных ресурсов – это одно из звеньев комплексной мировой проблемы охраны окружающей природной среды.

     Состав шахтных вод обусловлен условиями их образования в горных выработках и при оценке загрязненности характеризуется минерализацией, содержанием взвешенных веществ, концентрациями бактериальных и органических примесей.
     Концентрация взвесей в шахтных водах составляет для различных предприятий Министерства топлива и энергетики Украины от 50 до 2000 г/м³ и более, и в среднем не превышает 1000 г/м³. Исключение составляют некоторые шахты, где мутность достигает тысяч и десятков тысяч г/м³. При этом необходимо отметить, что содержание взвешенных веществ на одной и той же шахте может изменяться в значительных пределах в течение года, месяца и даже суток.
     Крупность большинства механических примесей менее 100 мкм. По имеющимся данным 90% взвешенных частиц шахтных вод имеют размер менее 60 мкм. По минералогическому составу механические примеси представляют собой в основной массе уголь, за исключением шахтных вод отдельных шахт, в которых они представлены в основном частицами размокающих горных пород.
     Таким образом, шахтные воды в большинстве своем по классификации, принятой в водоснабжении, относятся к водам мутным и среднемутным. Степень дисперсности взвешенных примесей свидетельствует о трудности их удаления из воды.
     Шахтные воды большинства угольных предприятий характеризуются значительными концентрациями растворенных солей. Общее солесодержание большинства шахтных вод г. Донецка и г. Макеевки находится в пределах от 1800 до 4000 г/м³, и является существенным фактором загрязнения природных водоемов (пресной считается вода с минерализацией до 1000 г/м³). В то же время с точки зрения удаления взвешенных веществ повышенная минерализация шахтных вод выступает фактором, способствующим осветлению. Растворенные соли придают шахтным водам характер электролита, что приводит к снижению стабильности частиц взвешенных примесей и к их легкой коагулируемости. Особая роль при этом принадлежит двухзарядным положительным ионам, представленным в составе шахтных вод ионами жесткости. Большинство шахтных вод имеет общую жесткость от 3 до 30 г-экв/м³.
     Водородный показатель практически всех шахтных вод составляет 6,5-9,0 и не отличается от рН природных вод.
     Для схем очистки шахтных вод важную роль играет также такой показатель, как их приток. Режим поступления шахтных вод на дневную поверхность различен: от практически равномерного в течение суток до чередования откачек с остановками через 1-2 часа.

     Как показывает анализ существующего положения в области очистки шахтных вод, в настоящее время на большинстве шахт Донбасса осветление шахтных вод на поверхности осуществляется в две стадии: предварительная – в горизонтальных отстойниках, окончательная – в прудах-осветлителях. Частично вода осветляется в зумпфах еще до откачки ее на дневную поверхность. Нестабильность степени загрязнения шахтных вод, откачиваемых на поверхность, неравномерность работы шахтных водоотливов, неравномерность распределения очищаемых вод по поперечному сечению отстойников, заиливание отстойных сооружений и другие причины приводят к неудовлетворительной работе очистных сооружений с низким эффектом осветления. Пруды-осветлители для окончательной очистки также имеют ряд недостатков: не осветляют шахтные воды в паводок, не подвергаются чистке и заиливаются раньше расчетного срока, занимают значительные площади.
     Таким образом, традиционно применяемые на практике схемы осветления шахтных вод являются простыми, но малоэффективными и не соответствуют современному уровню развития технологии очистки производственных стоков, а также требованиям, предъявляемым к очищенным сточным водам. Поэтому в отрасли наблюдается тенденция применения новых, более совершенных, технологических схем очистки шахтных вод.
     Нетрудно заметить, что все традиционные схемы очистки шахтных вод в принципе повторяет технологии, применяемые при очистке поверхностных вод в системах коммунального водоснабжения. И это понятно, так как содержание взвесей в исходной и очищенной воде близки в обеих отраслях.
     Совместный анализ схем с данными по мутности шахтных вод дает вывод о том, что для большинства шахт для глубокой очистки неизбежно применение двухступенчатого осветления: осаждение взвесей в тех или иных отстойниках (или изъятие их в осветлителях со взвешенным слоем осадка) на первой ступени и фильтрование на второй. Известны недостатки двухступенчатых схем, связанные с наличием первой ступени, – громоздкость и малая производительность отстойников; большие капитальные затраты на их сооружение; использование принципа объемной коагуляции, требующего повышенных доз реагентов; затруднения, связанные с чисткой отстойников. Недостатком осветлителей со взвешенным слоем осадка является также их неустойчивая работа при изменении качества и расходов исходной воды.
     Интенсификации процесса осветления можно достичь использованием фильтрования вместо отстаивания. Однако традиционные фильтровальные установки не рассчитаны на осветление мутных вод, каковыми являются шахтные воды, без предварительной очистки. Исследования ученых Харьковского, Одесского и Макеевского инженерно-строительных институтов, данные зарубежных исследований показывают, что мутные воды можно осветлять до высоких кондиций только на двухступенчатых фильтрах с реагентной обработкой или без нее таковой.
     Однако низкая грязеемкость традиционных и новых фильтрующих материалов, даже таких как керамзит и вспученный пенополистирол, не позволяет получить значительную длительность фильтроцикла при осветлении мутных вод. Вследствие этого удельный расход воды на регенерацию загрузок достигает значительной величины и снижает эффективность работы таких установок.

     На большинстве шахт Донбасса в эксплуатации находятся горизонтальные отстойники проточного типа. Отстойники секционируются, каждая секция представляет собой емкость глубиной 2-4 м, шириной около 6 м и длиной 20-25 м. На некоторых отстойниках для улучшения равномерности распределения воды по сечению устроены в начале и конце секций полупогружные щиты, а также лотки для рассредоточенного сбора осветленной воды.
     Удаление осадка из отстойников производится путем опорожнения секции и откачки осадка, разжижаемого гидромонитором, грязевыми насосами в емкости для накопления шлама. Чистка отстойников производится, как правило, два раза в год.
     Эффект осветления в таких сооружениях невысок. Причины малоэффективной работы горизонтальных отстойников заключаются в следующем: неравномерная подача шахтных вод на очистные сооружения в течение суток, несвоевременная чистка отстойников от осадка. Процесс безреагентного отстаивания целесообразно использовать при осветлении мутных вод (с содержанием взвесей 500-600 г/м³) со снижением концентрации взвешенных веществ до 50-150 г/м³.
     Для улучшения работы отстойников предлагается применять коагулянты и флокулянты, увеличивать равномерность работы шахтного водоотлива, устраивать усреднители, улучшать конструкцию горизонтальных отстойников.
     Можно согласиться с тем, что использование реагентов позволяет резко ускорить процесс осветления и увеличить эффект очистки. При применении реагентов показатель производительности увеличивается в 3-4 раза.
     Однако следует отметить недостатки реагентного осветления. В этом случае необходимо реагентное хозяйство, что значительно повышает капитальные затраты и усложняет работу очистных сооружений. Кроме того, ввод коагулянта в очищаемую шахтную воду на действующих отстойниках приведет к изменению характера осадка (он станет менее плотным) и увеличению его количества по объему. Эксплуатирующиеся отстойники не предназначены для работы в таких условиях, потребуется их оборудование новыми системами удаления осадка.
     Некоторые проблемы осветления воды в отстойных сооружениях можно решить с помощью применения принципа тонкослойного отстаивания. В последние годы это направление получило развитие в разработках ДонУГИ. Здесь предложены наклонные полочные отстойники различных конструкций: металлические для малой и железобетонные для большой производительности. По сравнения с обычными тонкослойные отстойники имеют увеличенную в 2-3 раза производительность, соответственно, меньшие габариты и размеры капитальных вложений. Но на пути широкого внедрения этих сооружений имеются препятствия, связанные с большой материалоемкостью устройств, усложнением конструкции, трудностями при удалении осадка. Кроме того, тонкослойные отстойники, работающие с применением реагентов, сохраняют недостатки, связанные с использованием принципа объемной коагуляции.
     Избежать этих недостатков можно исключением из схем очистки сооружений для предварительного осветления воды. При этом необходимо помнить, что самым производительным является процесс фильтрования.

     Наряду с таким направлением интенсификации процесса очистки шахтных вод как использование тонкослойного отстаивания в отрасли развивается второй путь – очистка их от взвешенных веществ без предварительного осветления прямым фильтрованием.
     Интересные работы в этом направлении проводились в ДонУГИ. Исследователи предлагают использовать для очистки шахтных вод напорные фильтры различных конструкций. Наибольший интерес представляют двухкамерные фильтры, работающие по принципу двухступенчатого фильтрования. На первой ступени (в верхней камере) вода с содержанием взвесей до 200 г/м³ проходит предварительное осветление фильтрованием сверху вниз через загрузку из керамзитового песка с крепостью зерен 1,8-2,5 мм и толщиной 1,3 м. В нижней камере вода фильтруется через слой кварцевого песка меньшей крупности (0,8-1,6 мм) такой же толщины. Содержание взвесей в фильтрате не превышает 1,5 г/м³ при вводе перед фильтрами коагулянта и 15-20 г/м³ без коагулянта. При диаметре двухкамерного фильтра около 1,5 м его производительность составляет 25-30 м³/ч. К недостаткам конструкции следует отнести большие габариты по высоте (свыше 5 м), что увеличивает строительный объем.
     Представляют интерес также шестисекционные напорные фильтры, разработанные в ДонУГИ. Установки работают по принципу сверхскоростного фильтрования, когда попеременно одна из секций находится в режиме промывки, а остальные пять с высокой скоростью фильтруют воду. Достоинство конструкции, выгодно отличающее ее от предыдущей, – возможность использования стандартных корпусов осветлительных фильтров, выпускаемых отечественной промышленностью.
     Для механизации загрузки-выгрузки напорных фильтров в ДонУГИ разработан аппарат, позволяющий в 4-5 раз снизить трудоемкость этой операции, сократить время на их выполнение.
     Предложен еще один довольно оригинальный способ осветления шахтных вод. Первая ступень очистки осуществляется под землей закачиванием воды в выработанное пространство и фильтрованием через него. При этом содержание взвешенных веществ снижается до величины 19-39 г/м³. На второй ступени вода пропускается через скорые напорные фильтры, установленные на поверхности, очищаясь до 8-10 г/м³.
     Представляющий интерес способ очистки шахтных вод разработан А.В. Малышевым и Ю.П. Черемных. Они предлагают в процессе фильтрования через загрузку из зернистого материала создавать с интервалом 3-10 минут гидравлические импульсы давления для срыва задержанных верхними слоями частиц и переноса их в нижележащие слои. Способ позволяет полнее использовать грязеемкость загрузки. Но кроме положительного влияния импульсы давления будут играть и отрицательную роль, так как в период их действия должен увеличиваться вынос взвеси в фильтрат.
     А.М. Фоминых предлагает вводить в воду перед фильтрованием совместно с полиакриламидом тонкомолотый каменный уголь, что приводит к уменьшению объема осадка и возможности его утилизации сжиганием. Одновременно повышается степень очистки воды.
     Одним из направлений технического прогресса в области фильтрования является поиск новых фильтрующих материалов вместо кварцевого песка. Такая их замена преследует две цели. С одной стороны стандартный кварцевый песок переходит в разряд дефицитных материалов, с другой стороны идет поиск фильтрующих материалов с лучшими, чем у кварцевого песка, адгезионными свойствами, большей пористостью и грязеемкостыо.
     Одним из перспективных новых фильтрующих материалов, представляющих наибольший интерес для угледобывающей промышленности, является горелая порода, представляющая собой «угленосные породы типа песчаников, сланцев, в которых при подземных пожарах и при горении в терриконах сгорают угольные примеси и остается обожженная минеральная глинисто-песчаная часть». Горелые породы недефицитны, имеют повышенные фильтрующие свойства.
     Анализ местных фильтрующих материалов, проведенный ДонУГИ, позволяет выделить из новых материалов дробленый керамзит. Как отмечалось выше, он рекомендован для загрузки двухкамерных фильтров. Общеизвестным недостатком керамзита является низкая износоустойчивость. К тому же затруднена унификация этого материала, так как свойства керамзита, выпускаемого различными заводами, существенно отличаются.
     Имеются сведения об использовании в фильтрах для очистки шахтных вод такого нового материала, как гранулы вспененного полистирола. По данным В.А. Горшкова он был испытан в двухъярусных фильтрах с плавающей загрузкой. При скорости фильтрования 5 м/ч вода очищалась с 300 до 30 г/м³.
     Резюмируя обзор способов и установок для фильтрования шахтных вод, можно сделать вывод, что основные усилия исследователей и разработчиков направлены на увеличение грязеемкости загрузок фильтров.
     Но даже самые совершенные конструкции фильтров не позволяют очищать мутные воды, так как грязеемкость их все еще недостаточна. Для использования высокопроизводительного способа осветления воды – фильтрования – для изъятия большого количества взвешенных веществ нужен принципиально новый фильтрующий материал. Поскольку зернистые фильтрующие материалы уже практически исчерпали возможности повышения грязеемкости, выход представляется в использовании волокнистых фильтрующих материалов.

     Лавсановое волокно получают расплавливанием лавсана и пропусканием расплава через тонкие фильеры. Лавсановые нити имеют толщину 7-20 мкм и имеют на своей поверхности положительный электрический заряд. Лавсановые нити сплетаются в ерши на специальных станках, сконструированных Макеевским инженерно-строительным институтом. Станок осуществляет стрижку пучков лавсанового волокна на отрезки длиной около 50 мм, их закладывание между двумя продольными осевыми нитями из капронового волокна, закручивание осевых нитей и наматывание получившегося таким образом бесконечного ерша на катушку.
     Вес одного погонного метра ерша составляет величину порядка 50 г. На 1 м³ загрузки с плотной установкой ершей затрачивается 700 погонных метров, а масса такого объема лавсановых ершей состав около 35 кг. Для сравнения отметим, что объемная насыпная масса самого легкого зернистого неплавающего фильтрующего материала – дробленого керамзита – составляет минимум 250 кг/м³, а традиционного кварцевого песка – до 1500 кг/м³ и выше.
     Пористость такой загрузки превышает 99%, в то время как пористость кварцевого песка составляет около 40%, дробленого керамзита 60%. Этот показатель потенциально обеспечивает высокую грязеемкость нового фильтрующего материала: большой объем порового пространства дает возможность разместиться в загрузке большому количеству загрязнений.
     Адгезионные свойства лавсановых ершей также намного выше, чем у зернистых загрузок. Активная поверхность волокон лавсановых ершей в одном кубометре лавсановых ершей составляет около 10000 м². Общеизвестно, что удельная поверхность дробленого керамзита составляет величину до 4000 м², кварцевого песка – до 2000 м², то есть в 2,5-5 раз меньше. Высокая удельная поверхность лавсановых ершей характеризует прекрасные адгезионные свойства этого нового фильтрующего материала и высокую его грязеемкость.
     Кроме того, наличие на поверхности волокон положительного заряда усиливает адгезию загрязнений на лавсановых ершах, вызывает контактную коагуляцию частиц примесей без обработки их коагулянтами и флокулянтами.
     Совокупность указанных свойств лавсановых ершей обеспечивает их высокие технологические качества как фильтрующей загрузки и позволяет предположить возможность очистки с их помощью мутных шахтных вод без предварительного осветления и с высокой производительностью.

     Для повышения эффекта осветления рекомендуется реконструировать действующие горизонтальные шахтные отстойники с применением перегородок из лавсановых ершей. Кардинальное конструктивное отличие реконструированного отстойника - наличие волокнистой перегородки в зоне осветления. Загрузка из лавсановых ершей устраивается в виде металлических каркасов из круглых профилей, плотно заполненных гирляндами ершей из лавсанового волокна. Толщина перегородки зависит от содержания взвешенных веществ в исходной шахтной воде и в среднем составляет 1,5-2 м. Завеса из лавсановых ершей помещается в начало секции отстойника, что создает определенные преимущества:

• это благоприятствует равномерному распределению потока по сечению;
• завеса в состоянии предельной заиленности может служить своеобразной контактной камерой хлопьеобразования: в порах лавсановых ершей частицы агломерируются, а затем укрупненными вымываются потоком очищаемой воды и быстрее осаждаются в отстойнике.

     Для интенсификации процесса хлопьеобразования и повышения эффекта осветления возможно применение реагентов (коагулянтов).
     Схема реконструкции шахтного отстойника приведена на рис.1.

Рис.1 – Схема реконструкции горизонтального шахтного отстойника

     Чистку перегородок рекомендуется производить вне секций отстойников. Для чистки один блок загрузки из лавсановых ершей извлекается из воды, транспортируется к шламовой яме и устанавливается над ней. Над шламовой ямой лавсановые ерши промываются встречными струями воды, а вымытые загрязнения попадают в шламовую яму. После отмывки блок возвращают в отстойник и переходят к промывке следующего блока.
     Основные достоинства предложенного способа осветления:

• лавсановые ерши являются новым эффективным фильтрующим материалом, обладающим высокой пористостью, удельной поверхностью, повышенными адгезионными свойствами; грязеемкость загрузки из лавсановых ершей может достигать 40 кг/м3 и выше; загрузка из лавсановых ершей успешно изымает мелкодисперсные частицы взвешенных веществ из шахтных вод;
• возможность очистки мутных вод в одну ступень без предварительного осветления, простота регенерации, практическое отсутствие потерь напора.

1. Лавсановые ерши являются новым эффективным фильтрующим материалом, обладающим высокой пористостью, удельной поверхностью, повышенными адгезионными свойствами; грязеемкость загрузки из лавсановых ершей может достигать 40 кг/м³ и выше.
2. Загрузка из лавсановых ершей успешно изымает мелкодисперсные частицы взвешенных веществ из шахтных вод; лавсановые волокна являются хорошей средой для контактной коагуляции агрегативно неустойчивых взвесей шахтных вод; в порах лавсановых ершей происходит агломерация взвешенных примесей.
3. Регенерация фильтров из лавсановых ершей производится продувкой воздухом в течение 2-3 минут с последующим сбросом осадка в сток.
4. Достоинствами фильтров с загрузкой из лавсановых ершей являются: возможность очистки мутных вод в одну ступень без предварительного осветления; высокие скорости фильтрования и повышенная производительность; экономия коагулянта; простота регенерации и получение при регенерации концентрированного осадка; практическое отсутствие потерь напора в чистой и заиленной загрузке и другие.

1. Горшков В.А. Очистка и использование сточных вод предприятий угольной промышленности. – М.: Недра, 1981. – 269 с.
2. Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами. – М.: Наука, 1977. – 356 с.
3. Коновалова Л.М. Очистка шахтных вод на напорных фильтрах. – Новокузнецк, 1980. – 314 с.
4. Матлак Е.С., Малеев В.Б. Снижение загрязненности шахтных вод в подземных условиях. – К.: Техника, 1991. – 136с.
5. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. – М.: Стройиздат, 1985. – 136с.
6. Чучелок А.С., Беляева Е.Л. Анализ существующих и поиск перспективных фильтрующих материалов для очистки шахтных вод – Материалы Ежегодной научно-практической конференции "ДНИ НАУКИ - 2005", Днепропетровск, 2005
7. Чучелок А.С., Беляева Е.Л. Применение новых технологий для реконструкции действующих шахтных отстойников с использованием лавсановой загрузки – Матеріали IV Міжнародної наукової конференцiї студентів та аспірантів "Охорона навколишнього середовища та рацiональне використання природних ресурсiв", Донецьк, 2005