酸性矿山水处理技术的新进展.pdf

安全与环保酸性矿山水处理技术的新进展 中国杨文甫 祝玉学 编译摘要:介绍了第五届国际酸性岩石水会议的最新动态,重点介绍3个实例:(1)萨姆特维尔露天金矿采用传统方法处理废弃的扰动区;(2)利利/奥劳矿采用生物硫酸盐还原方法就地处理酸性水并去除重金属;(3)拉瓦尔大学试验的硅酸盐覆盖技术用来处理酸性尾矿。关键词:酸性矿山水 污水处理 土地恢复第五届国际酸性岩石水会议(ICARD2000)于2000年5月2124日在科罗拉多州丹佛市举行。为期3天的会议有约150篇论文报告和张贴,叙述了目前酸性岩石水(ARD)科学与技术工艺的最新水平。1 酸性岩石水有许多文献论及酸性岩石水(ARD)的形成,ARD起因于黄铁矿和其他硫化物分解生成的H+和SO2-4。当岩石中含硫化物的矿物与空气、水接触时便会发生上述过程。环境中自然存在某些细菌,它们能显著地增加酸形成的速率。美国大多数ARD来自含黄铁矿的煤矿、煤碎石堆,以及金属矿山和尾矿,尤其如铅、铜、锌和钼等金属矿的开采。生成酸有可能威胁到河流和野生生物。ARD能破坏鱼类和其他水生生物,而且,一旦发生,实际上它不可能逆转。每年可能需要花费数百万美元来处理这样的排水。并且,在开始治理之后,可能要持续几个世纪。许多政府和产业领导都认定ARD为当今采矿工业所面对的首要环境问题。最后,所有者/生产者确定停机时间的损失时必须针对每个部件的事故积率和备件的准备时间来评估(例如,若花费10个月时间获得1台特定变压器或1个大齿轮,那么就必须各备用1台)。经验表明,扣除人为超负荷和水淹之类的事故之后电动机年度事故检修间隔情况是:中速(200 r/min)和低速(10 r/min)同步电动机约为500天3,而高速(900 r/min)转子绕组式感应电动机约为100天。正如你所看到的,我们的论文包括历史性的可利用数据。我们很高兴看到设备制造厂家特定的历史数据和一些相当合理地对前景设想。我们希望有机会成为你们的“更准确信息”的读者。(田召会 张光烈)(收稿日期 2001-05-16)062001年第4期原文无单位,估计应为“天”。校者注 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/ 酸性水将会自然产生,然而,采矿作业由于非常大面积的暴露而大大增加了这种影响规模。在整个开采过程中,可能是几处可形成ARD,如井下作业区、排土场和尾矿库。2 全球化酸性水处理规划酸性水是全世界所公认的问题,这项技术规划起始于审查几个国家酸性水处理规划的全体会议,澳大利亚、加拿大、瑞典和美国代表都提交了论文。加 拿 大 环 球 支 持 机 构(GlobalSustainability Services)的H1 布若怀特的论文讨论了防止酸性水的国际网络(INAP),它于1998年由17个国际矿业公司组成,其目的是“为了通过信息共享和研发技术,促进在硫化矿物的管理和减少与酸性水有关责任方面的重大改进”。H1 布若怀特指出,“自从INAP开通后,已组成二个小组来鉴证这些研究项目,设立8个网络,以促使在这个专门技术领域的成员之间相互影响和共享信息”。H1 布若怀特认为,为了促进成员之间的信息共享,必须建立INAP网址。然而,没有哪个成员进入.au网的公开区域。在美国,国家矿业协会和州际矿业协约委员会于1995年成立了一个酸性水处理技术倡 导(ADTIAcid Drainge TechnologyInitiative)组织,成立ADTI的目的是为了鉴别、评估及发展经济有效且实用的酸性水处理技术。ADTI的宗旨是增进产业、联邦和州管理机构之间的意见一致。美国内政部的P1 史讨论了废弃矿山土地恢复程序,评叙了美国在已停产的和已废弃的矿山净化方面所作出的成就。他认为,这种矿山在美国境内可能多达10万处,此程序的目的是识别和优先考虑这些场地。加拿大的G1A1 哲姆布雷介绍了矿山环境中和水程序(MENDMine Environ2ment National Drainage Program),其成立于1998年,是为了“科学地发展基本消除酸性水技术”。他认为酸性水始终是加拿大采矿工业面对的最大的环境责任。3 技术论文技术论文题目包括处理、地球化学、预测、尾矿库建筑、露天坑成湖、建模、废弃的矿山土地迁移、风险评价和土地恢复。许多文章论及ARD的处理。其中几篇论文叙述硫酸盐还原菌(SRB),包括SRB反应障、媒介细菌的硫酸盐还原和金属硫化物沉淀。另一些论文论及注入碱性石灰浆进行就地治理、采用活性硅和硅微囊进行溶滤和金属回收。使人们产生浓厚兴趣的另一类论文题是ARD的地球化学。此领域的文章包括平衡状态、次生矿物和地球化学模型,还提出用氧化硫化铁和生物治理的方法。几篇论文讨论了ARD的预测问题,包括酸产生和中和的潜势、湿度管检测步骤、数据解释、矿物属性和尾矿分解。下面是本次会议节选文章的概要。311 科罗拉多州萨姆特维尔矿苏铂玢德矿区场地酸性岩石水的减轻科罗拉多公共卫生和环境部的A1 坎贝尔和M1J1 戈布拉以及美国复垦局(BOR)分别讨论了萨姆特维尔矿苏铂玢德矿区场地酸性岩石水。作者们指出,在萨姆特维尔矿苏铂玢德矿区应用了许多处理、控制和防止ARD的技术。这个遥远矿区的难题包括产生酸的岩土广泛存在、广阔的露天和地下矿山工程及寒冷、潮湿的气候。当政府于1992年12月接管这片废弃场地时,水处理成为燃眉之急,继后的土地恢复工作着重于ARD的预防和控制,以减少将来水处理量。目前,在16国外金属矿山 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/萨姆特维尔地区,正在采用常规方法、革新方法和实验方法的结合来减轻ARD。萨姆特维尔矿苏铂玢德矿区是露天金矿,当其经营公司即萨姆特维尔联合采矿公司及其母公司银河梯矿业国际公司宣布破产后,它于1992年12月被废弃。应科罗拉多公共卫生与环境部(CDPHE)的要求,美国环境环保总署(EPA)采取紧急措施,以阻止氰化物溶液从堆浸衬垫的释放。EPA聘请BOR提供工程设计、合同管理和工程建筑管理服务。此场地已于1994年6月列入国家优先考虑的目录中。从1995年以来,科罗拉多州大学展开研究,以便确定场地植被的步骤。这283万m2场地位于里奥格兰德地区西南部的大陆分水岭以东约312 km2的圣胡安山。该场地的扰动区在南山的北侧,位于海拔标高3 4003 700 m。平坦场地主要限于左城址和下面发现的湿地,除回填矿坑外,扰动区呈陡峭地形,有33%或更陡的坡度。在萨姆特维尔矿,大约总支出的55%用在水处理上,土地恢复工作以消除ARD产生为目标,并且已把水的处理费用从1 200万美元/a减少到200万美元/a。场地恢复包括解毒和覆盖堆浸衬垫,矿山废石从水路上移走,填塞地下平硐和放缓较陡的废石堆。萨姆特维尔矿其他的土地恢复工作包括回填矿坑和洼地,建造永久性排水通道、中和扰动表面的石灰石以及采用一种本地的种子混和料植被。革新技术中包括把石灰石乱石放进陡峭的排水通道,作为一种被动处理形式,以及用农用石灰石放在永久性运输道路表面。控制ARD的试验技术正在研究之中。几种因素联合使萨姆特维尔场地土地恢复困难和昂贵。这些因素包括地质、湿润的气候、陡的坡度、露天和地下矿山工程的存在、湿地和培养资源。随着土地恢复工作完成和重新植被,水处理量正在减少。ARD的预防是关键。重整坡度、石灰石中和和植被等传统方法在萨姆特维尔矿成功地减轻了ARD。但是,仍存在二个难题,即矿山边坡的暴雨径流;从地下矿山工程和堆浸衬垫下面的碎石充填盲沟的酸水渗漏。对这些剩下的ARD源的长期水处理是一个解决办法。但是,如果不能降低处理成本,这种方法并不是最好的。试验方法可能是预防和提供低成本的被动处理方法的关键,这就是为什么它成为人们追求的前景广阔的技术的原因。全部土地的恢复工作完成后,还要在现场进行长达10年的年度监测和保养。监测用来评价土地恢复和确定侵蚀地貌修复,重新播种和其他维护的必要性。312 采用硫酸盐还原菌就地处理酸性矿山水的革新技术蒙大拿州的MSE技术应用组织(MSETechnology applications)的M1 凯特讨论了硫酸盐还原菌用于就地处理ARD。凯特介绍了革新技术应用硫酸盐还原菌(SRB)处理和控制AMD现场规模试验所收集的结果。现场规模试验中采用废弃矿山的地下工程作为“就地生物反应器”,此项目在矿山废弃物技术项目(MWTPMineWaste Technolygy Program)下 进 行,由EPA资助,并由EPA和美国能源部通过机构协议共同管理。MSE技术应用组织正在执行MWTP。现场示范将评价SRB处理和控制埃利斯顿附近的利利/奥芬矿的金属污染废水的能力。凯特给出了试验头4年所收集的数据。天然的酸产生典型地与硫化物有关的采矿活动同时发生。所以,它也是一个广泛分布的问题。据估计,美国大约有16 000 km262001年第4期 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/流域和117 km2的积水面严重受AMD影响。生物硫酸盐还原是通过生物过程的作用溶解的硫酸盐的化学还原。生物硫酸盐还原要求SRB(脱硫弧菌属的成员认为是所涉及到的主要的微生物),溶解的硫酸盐作为电子受体,碳源作为电子供体,硫酸盐还原产生硫化氢,然后与金属离子反应生成金属硫化物,金属硫化物迅速形成,大部分硫化物在低的pH值或中性pH值中是不溶的。生物硫酸盐还原按以下4种方式改善了酸性矿山水的质量:产生的硫化氢与溶解的金属反应作用,生成不可溶的金属硫化物,从溶液中沉淀下来。因为硫酸盐还原消耗H+,所以此反应对AMD的pH值有中和作用。此反应以有机培养基氧化生成碳酸氢盐的形式产生碱性。从废水水域中带走硫酸盐,生成硫化氢。然而,对于贵重金属矿的AMD,在处理系统的厌氧区的生物硫酸盐还原有一个金属去除的重要方法。因此,贵重金属矿被动的矿山水处理系统的焦点是去除金属,以及通过最佳厌氧还原环境,用生物硫酸盐还原生成碱性。在利利/奥芬矿矿山水中,在监测SRB技术现场试验头4年间铝、钙、铜、锌有高的去除率(70%100%),而砷、铁的去除率较低。在利利/奥芬矿平硐里面比入口处观察到更好的结果。这是因为利利平硐中以前的沉淀充当了金属再度污染源。这是竖井内和矿山注水井处理过的水,当处理过的水流经这段平硐,越过给养基到达平硐口时,便与沿平硐的沉淀物接触,再度污染那些处理过的水。在地下矿山系统中观察到硫酸盐还原,通过矿山水中硫酸盐的减少和可溶硫化物的发现,说明硫酸盐还原是明显的。313 预防酸性矿山水硅酸盐的覆盖技术来自加拿大魁北克省拉瓦尔大学的K1法陶斯和P1 布斯凯及美国艾奥瓦大学的B1伊万吉罗介绍了防止ARD的新的有前景的技术。作者们介绍了目前正进行的有关覆盖尾矿中硫化物以预防或降低AMD的研究成果。在此过程中,用含有H2O2、Na2SiO4的溶液和缓冲剂来处理黄铁矿。H2O2氧化一小部分黄铁矿,产生三价铁(Fe离子)。这些铁离子与硅酸盐离子反应,生成氢氧化铁沉淀于黄铁矿表面,形成被动的保护层。硅酸盐保护层能保护黄铁矿颗粒不受氧化。通过一系列试验,证实硅酸盐保护层能降低AMD。黄铁矿氧化开始是一个缓慢过程,因为黄铁矿表面pH值较高,大多数释放的铁最终以Fe(OH)3的形式存在,随着酸的继续生成,和黄铁矿表面pH值降至315以下,则阻止Fe(OH)3的生成,且溶液中游离态的Fe3+增加。在低pH值条件下,酸的、化学自养的、氧化铁细菌(氧化亚铁硫杆菌)以100多万倍的速度催化和加速Fe2+氧化成Fe3+,这样,由 于 细 菌 的 参 与,通 过 黄 铁 矿,Fe3+还原成Fe2+,通过空气中的氧,Fe2+氧化成Fe3+,变成一个有效的氧化循环。通过铁氧化-还原循环,电子迅速从FeS2转移到空气中的氧,在低pH值条件下,迅速使黄铁矿氧化。目前,由Fe-S氧化作用引起的酸性矿山水可用以下几种方法加以控制:施加石灰石和磷酸盐岩;在慢速释放丸剂形式施加杀菌剂;应用粘土垫层、塑料垫层和沥青营造完全缺氧环境;建立湿地。酸水治理的第一种技术是放缓酸水的产36国外金属矿山 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/生。不停止它,它的短期使用是因为通过铁氧化有形成保护层的可能。于第二种处理方法相关的问题是AMD短期被抑制,而化学氧化没有完全停止。垫层技术是AMD控制的另一形式,但费用可能过高,以及因其变坏而失效。当酸度较低时,湿地技术在处理黄铁矿氧化先兆方面是有效的。但是,当酸度较高时,湿地作为AMD改良技术则有其局限性。许多人都对这一系统的长期有效性提出了质疑。作者们介绍了最新研究项目的成果,即在魁北克省布查德-赫伯特矿的黄铁矿尾矿上形成硅酸盐覆盖层技术试验,目的是为了检验硅酸盐覆盖层在尾矿的有效性和耐久性。根据此试验,可得出结论:在黄铁矿颗粒表面能形成氢氧化铁-硅覆盖层。为了消除黄铁矿尾矿引起的AMD,硅酸盐覆盖技术看起来是有发展前景的,可以作为长期溶液单独使用,也可与其他预防方法(水下沉淀)结合使用。用硅酸盐覆盖黄铁矿可在处理厂的新鲜尾矿上进行,然而,在已经氧化了的尾矿上,作者们进行了成功的试验,这展示了这项技术应用于老尾矿的可能性,作者们不清楚这一技术现场应用的精确成本,但是,根据某些开办成本的估计,预计其实际成本可能低于1110美元/t。(收稿日期 2001-03-08)斯维达拉H6000圆锥破碎机在金川有色金属公司投入运行瑞典斯维达拉工业集团向中国镍、钴生产基地金川有色金属公司提供的1台H6000圆锥式破碎机经过测试、试运行,于2001年初正式进入生产运行阶段,至今,设备运行证明达到设计要求。这标志着斯维达拉关注中国西部开发战略有了进一步实质性进展。斯维达拉此次交付使用的H6000圆锥式破碎机采用的技术包括封闭式机体紧固装配结构、315 kW大功率破碎输入、低压单缸液压调节系统、排矿口智能化自动调节系统及可调节偏心距等新技术。斯维达拉十分重视这次与中国西部重要有色金属企业金川公司的合作,据总经理罗东先生介绍:“斯维达拉一直关注中国西部开发对相关行业发展的影响,并将加重为配合中国西部开发而做的投入。”金川有色金属公司是采、选、冶、化大型有色金属联合企业。是中国镍、钴生产基地和铂族金属提炼中心。从50年代至今,为中国镍、钴及贵金属生产作出了巨大贡献。80年代后期,金川公司的采矿、冶炼工艺和设备相继采用了当时国外先进技术、设备,使采矿和冶炼的生产能力大大超出了处于中间环节的选矿的生产能力。随着矿山出矿品位逐年降低,原矿氧化镁升高,选矿的生产能力更显不足,因此金川公司于2000年提出对选矿厂现有碎矿等关键工序进行技术改造。斯维达拉工业集团此次交付的H6000设备为金川公司选矿厂现有碎矿改造的关键设备。斯维达拉工业集团包括40余个涉及破碎筛分、矿物处理、压实摊铺等原料加工行业的子公司;主要品牌有Allis Charmers、MPSI、Denver2Sala、Dynapac、Demag、Barmac等;并于1999年8月在天津武清开发区设厂。据介绍,由于已交付的H6000破碎机生产运行情况良好,金川公司又与斯维达拉签署了再交付3台同样规格的破碎机用于投资118亿元的新建6 000 t/d选矿厂中的细碎作业。462001年第4期 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/