طراحی سیستم جریان قائم برای تصفیه غیر فعال پساب اسیدی معدن براساس داده های معدن مس سونگون

مقدمه

پساب اسیدی معدن یکی از آلاینده های اصلی زیست محیطی در مناطق  معدنی در سراسر جهان می باشد. پساب اسیدی معدن در اثر اکسیداسیون کانیهای سولفیدی که در طی عملیات معدنکاری در معرض اکسیژن و آب قرار     مى گیرند ، پدید می آید. در نواحی معدنکاری زغالی (مثل طزره ، زیر آب ، سنگرود ) و سولفیدى ( مانند مس سرچشمه ، سونگون و سرب و روی کوشک و... )، عمومی ترین کانی سولفیدی پیریت (

                            (۱)

                                          (۲)

                                           (۳)

این فرایند با اکسیداسیون پیریت آغاز شده و آهن دو ظرفیتی ، سولفات و عامل اسیدی (معادله ۱) آزاد می کند. این واکنش با حضور باکتری تیوباسیلوس سریعتر انجام می شود. آهن دو ظرفیتی در اثر اکسیداسیون به آهن سه ظرفیتی تبدیل می شود ( معادله ۲ ). در نهایت آهن سه ظرفیتی با آب واکنش داده ( هیدرولیز شده ) و تشکیل هیدرواکسید آهن نامحلول به رنگ نارنجی(FeOOH)  نموده و باعث آزاد شدن عامل اسیدی بیشتری می گردد (معادله ۳ ). فرایند تشکیلFeOOH  به اسیدیته (pH) وابسته بوده و زمانی که اسیدیته از چهار بیشتر باشد به سرعت تشکیل می شود[۳].

تصفیه غیر فعالAMD

روشهای تصفیه غیر فعال بطور مشخص بعد از تالاب ها و دیگر فرآیندهای طبیعی مدل سازی شده اند و با اصلاحاتی که روی آنها صورت گرفته به سمت اهداف تصفیه خاص پیشرفت و توسعه یافته اند[۹]. در برخى شرایط، این فرآیندها روشهاى جایگزینى قابل اجرا براى روشهاى متداول رسوب دادن- خنثى کردن به وسیله آهک و روش رسوب دادن با سولفید مى‌باشند. اگر چه در روش‌هاى تصفیه غیرفعال از فرآیند مشابه سیستم‌هاى تصفیه فعال استفاده مى‌شوند ولى روش اجرا متفاوت است در این روش مواد قلیایى به داخل آبهاى اسیدى اضافه مى‌شود تا موجب افزایش pH گردد. این چنین سیستم هاى تصفیه ای ویژه مناطقى هستند که پسابهای اسیدى دارای جریان کم مى‌باشد. هزینه‌هاى نگهدارى این روشها نسبتاً پایین بوده و حتى اگر در برخى مناطق تصفیه شیمیایى تکمیلى نیز مورد نیاز باشد این روش‌ها هنوز اقتصادى هستند به ویژه اینکه این روشها براى تصفیه پسابهایی که درجه حرارت، شدت جریان و ترکیب شیمیایى آنها نوسان نمى‌کنند و در تمام سال ثابت مى‌مانند، ایده آل هستند( شکل ۱)[۱].

سیستم های جریان قائم

سیستم های تصفیه پساب معدنی جریان قائم ترکیبی از روشهای تصفیه تالاب های غیر هوازی و ALD به جهت کاهش و جبران محدویت های هر کدام از آنها مى باشد [۷]. اجزای اصلی این سیستم ها مشابه تالاب غیرهوازی است اما یک سیستم زهکشی درون لایه آهکی افزوده شده است که جریان حرکت AMD را از درون لایه ارگانیکی و سنگ آهک تقویت می کند. سه جزء اصلی سیستم جریان قائم عبارتند از : سیستم زهکشی ،  لایه آهکی و  لایه ارگانیکی ، این سیستم درون یک حوضه بسته آبی ساخته شده و سیستم زهکشی بصورت یک لوله ثابت قائم ساخته شده است تا تنظیم کننده عمق آب باشد تا همواره لایه های مواد آلی و آهکی در زیر آب غوطه ور باشند. در حین عبور آبهای اسیدی از طریق لایه مواد آلی دو عمل اساسی انجام می شود:  اکسیژن حل شده در پساب معدنی بوسیله باکتریهای بی هوازی جذب و مصرف می شود و باکتری احیا کننده سولفات در منطقه بی اکسیژن لایه  آلی محیط را قلیایی می کند(معادله۴).  وجود اکسیژن حل شده به مقدار کم ، کربن احیا کننده و سولفات حل شده برای احیاء سولفات ضروری است. یک لایه آلى مصرف کننده غلظت های زیر یک میلی گرم بر لیتر اکسیژن محلول برای جلوگیری از ایجاد لجن روى سنگ آهک ضروری است. در لایه آهکی ،   حل شده بوسیله آبهای اسیدی و بی اکسیژن در اثر حرکت به درون سیستم زهکش قلیائیت محیط را افزایش می دهد. فاضلاب خروجی نهایی از طریق لوله قائم  ثابت سیستم زهکش به درون حوضچه ته نشینی تخلیه می شود تا خنثی سازی اسید و ته نشست فلز قبل از تخلیه نهایی انجام شود[۹]. 

به منظور جلوگیری از انباشته شدن و اندود شدن لایه آهکی با لجن های آهن سه ظرفیتی و آلومینیم یک سیستم شیر سیفون به مجموعه زهکش اضافه شده است [۶]. وقتی که این سیفون باز است سطح تخلیه پساب کمتر از ارتفاع لوله ثابت می باشد. فشار آبی (۲ تا ۳ مترى) ناشی از آب موجود در سیستم آبها را از سیستم به سرعت حرکت داده و باعث انتقال رسوبات آلومینیم و آهن ژله ای شکل که در لوله های زهکشی و فضاهای خالی سنگ آهک تجمع یافته اند ، می شود. باز کردن دوره ای شیر سیفون لجن های ناشی از هیدروکسید های فلزی را دفع کرده و آنها را به درون حوضچه ته نشینی تخلیه می نماید.

طراحی سیستم های جریان قائم

سیستم های تصفیه غیرفعال جریان قائم توانایی خنثی سازی اسیدیته و افزایش رسوب فلز را در موقعیت های سخت تصفیه دارند. در اثر مخلوط شدن پساب اسیدی معدن با سنگ آهک در سیستم های جریان قائم عمل خنثی شدن اسید نسبت به تالاب های غیرهوازی سریعتر بوده و همچنین زمان ماندگاری پساب در این روش کمتر و سطح مورد نیاز کوچکتر است. این سیستم ها برای ته نشینی و نگهداری فلز در حالت محلول به یک حوضچه اکسیداسیون- ته نشینی در محل خروجی فاضلاب نیازمند است. برای پساب های معدنی که حاوی مقادیر بالایی از آهن سه ظرفیتی هستند اگر زمین به اندازه کافی در اختیار باشد روشهای جریان قائم بایستی توسط یک حوضچه ته نشینی یا یک تالاب هوازی همراه باشد. حذف چنین فلزاتی قبل از تصفیه جریان قائم طول عمر مفید سیستم را افزایش داده و هزینه نگهدارى در مقابل ایجاد رسوبات و لجن های هیدروکسید فلزی روی سطح لایه ارگانیکی را کاهش می دهد. در صورتى که آبهاى ورودی حاوی رسوبات باشند احداث حوضچه ته نشینی در کنار این مجموعه ضرورى است[۹].

۱- اندازه لایه سنگ آهک

گرچه نرخ حذف آهن در واحد سطح به عنوان شاخصى در طراحی سیستم های تصفیه تالاب بکار مى رود ولی نرخ تولید قلیا در واحد سطح با سیستم های جریان قائم متفاوت است. تحقیقات انجام شده وجود رابطه بین کیفیت آب ورودی فاضلاب ، مدت زمان ماندگاری پساب معدنی در لایه آهکی و میزان تولید قلیا را آشکار ساخته است[۵]. عامل اول کنترل کننده تولید قلیا توسط سیستم های جریان قائم ، نرخ حل شدن آهک نسبت به نرخ سرعت پساب اسیدی معدن در سیستم است. عامل بعدی کنترل کننده ، مدت زمان ماندگاری پساب اسیدی معدن در لایه آهکی می باشد. سنگ آهک در ساعات اولیه تماس با پساب اسیدی معدن سریعتر حل می شود. اما پس از مدتى که آب اسیدی در تماس با آهک از  و  محلول اشباع می شود ، نرخ انحلال آهک بطور قابل ملاحظه ای کم می شود. عامل دیگر کنترل کننده حلالیت آهک،  pH محیط است زیرا در pH کمتر ،  با سرعت بیشتری حل می شود.

با استفاده از مدل ارایه شده توسط جیگ[۴] می توان نرخ تولید قلیائیت سیستم جریان قائم را بر اساس تابعی از مدت زمان ماندگاری پساب درون لایه آهکی و غلظت آهن و اسیدیته غیر منگنزی پساب معدنی تخمین زد. حجم و کیفیت پساب معدنی که بایستی تصفیه گردد برای تخمین اندازه لایه آهکی مورد نیاز جهت تولید قلیائیت لازم استفاده می شود. این مدل حداقل مقدار مورد نیاز طرح را ارائه می دهد ولی بهتر است که سیستم های تصفیه کننده بزرگتر از مقدار ارایه شده توسط مدل ، ساخته شوند. افزایش اندازه سیستم جریان قائم ( لایه آهکی) احتمال موفقیت تصفیه را افزایش خواهد داد.

۲- محاسبه حجم سنگ آهک اولیه

مرحله اول در فرایند برآورد ابعاد سیستم ، تعیین ضخامت لایه آهکی و تعداد سلولهای جریان قائم مورد نیاز برای تصفیه مناسب است. در تعیین ابعاد سیستم بهتر است علاوه بر تولید قلیای کافی برای خنثی سازی اسیدیته غیر منگنزی ورودی مقدارى هم برای دست یابی به یک ضریب ایمنی مناسب در نظر گرفته شود. به منظور دستیابی به احتمال موفقیت منطقی در تصفیه پساب معدنی ، سیستم برای تولید حداقل ۱۰۰ میلی گرم بر لیتر قلیا بیشتر از میزان مورد نیاز برای حذف اسیدیته غیر منگنزی زمانی که زمین کافی در اختیار است طراحی شود[۹]. میزان اسیدیته غیر منگنزی بصورت زیر قابل محاسبه است:

               (۸)Non-Mn Acidity = Acidity -

که در آن Acidity : اسید کُل ( میلی گرم بر لیتر معادل )

[Mn]: غلظت منگنز (میلی گرم بر لیتر) بر حسب کیفیت آب ورودی

Non-Mn Acidity: اسیدیته ناشی از فلزات  و دیگر یونها (میلی گرم بر لیتر معادل )

 ابتدا نرخ تولید میزان قلیائیت طرح تخمین زده مى شود ، مدت زمان ماندگاری درون آهک در یک سیستم بصورت معادله زیر تخمین و برآورد می شود.

                         (۹)

که در معادله (۹) :  : مقدار قلیای خالص تولید شده ( میلی گرم بر لیتر )

[Fe]: غلظت کل آهن (میلی گرم بر لیتر) بر حسب کیفیت آب ورودی

Non-Mn Acidity: اسیدیته غیر منگنزی (میلی گرم بر لیتر)

: متوسط زمان ماندگاری در لایه سنگ آهک (ساعت)

معادله (۹) را می توان به لحاظ ریاضی برای   حل نمود ، اگر لازم باشد و یا می توان زمان ماندگاری پساب معدنی را بر حسب شرایط سایت و استفاده از مدل تخمین زد و شرایطی را فراهم نمود که برای تصفیه پساب معدنی بر اساس مشخصات AMD مناسب باشد. شکل ۴ با پیش بینی حاصل از معادله (۹) را برای نمونه آب آزمایش شده معدن مس سونگون نشان می دهد.

این مدل برای سیستم هایی کاربرد دارد که سنگ آهک تشکیل دهنده آن دارای درصد کلسیم بالا و در حد ۱۰ الی ۱۵ سانتی متر خرد شده باشند. سنگ آهک کلسیم بالا حاوی بیش از ۹۰ درصد   بوده و از سنگ آهکی که مقدار قابل توجهی منگنز دارد حلالیت بیشترى دارد. زمان ماندگاری که در اثر حل کردن معادله (۹) بدست می آید بایستی برای محل میزان انحلال سنگ آهک در طول عمر سیستم تنظیم گردد. بر اساس بررسیهای جیگ و همکارانش (۲۰۰۱) ، آن مدل با انجام آزمایشهایی روی داده های حاصل از آبهای اسیدی ورودی به سیستمهای جریان قائمی توسعه یافته که غلظت آهن موجود کمتر از ۳۰۰ میلی گرم بر لیتر و غلظت اسیدیته غیر منگنزی کمتر از ۵۰۰ میلی گرم بر لیتر بوده است. این مدل برای زهکشیهایی که غلظت آلومینیم آن بیش از ۶۰  میلی گرم بر لیتر باشد آزمایش نشده است.

در تولید پساب های معدنی زیاد ، روش مدل مذکور ، زمان ماندگاری چندین صد ساعت را تخمین    می زند. اگر محدودیت های زمین از ساخت چنین سیستم هاى بزرگی جلوگیری نماید، عمل تصفیه ممکن است بوسیله دو یا چند سلول جریان قائم متوالی که توسط یک حوضچه ته نشینی از هم جدا شده اند ،فراهم آید. با توجه به داده های معدن، ترکیب شیمی پساب اسیدی ذکر شده در شکل (۲) را در نظر بگیرید: مدت زمان ماندگاری پساب معدنی در یک سلول تنها برای تولید ۳۰۰ میلی گرم بر لیتر اسیدیته در حدود ۸۰۰ ساعت می باشد در حالیکه همین مقدار را می توان با دو سلول متوالی که توسط یک حوضچه ته نشینی از هم جدا شده اند به حدود ۳۰ ساعت کاهش داد که می تواند همان مقدار قلیا را تولید کند. با نگاهی محافظه کارانه بهتر است که زمان ماندگاری در محیط آهکی کمتر از ۱۵ ساعت نباشد و زمانهای بیشتر ترجیح داده می شود. زمانهای کم ( نرخ حرکت پساب معدنی از سیستم سریعتر است ) لایه ماده آلی در سیستم جریان قائم به علت نفوذ پذیری کم ، عملکردی محدود خواهد داشت . در سرعت های بالا نفوذ پذیری لایه آلی کم می شود ( بویژه زمانی که آهن روی سطح آن رسوب نماید). بدین ترتیب در طول عمر لایه آلی ، ظرفیت آن برای حذف اکسیژن از محیط پساب معدنی کم خواهد شد[۹]. بنابراین می توان انتظار داشت که سیستمهای بزرگتر با زمانهای ماندگاری بیشتر عملکرد طولانی تری را نسبت به سیستم های کوچکتر با زمان ماندگاری کمتر داشته باشند.

زمان ماندگاری محاسبه شده بوسیله معادله (۹) برآوردی از زمانی است که پساب اسیدی معدن بایستی در لایه آهکی برای رسیدن به نتایج مطلوب و مناسب قرار گیرد. به منظور تعیین ابعاد این سیستم زمان ماندگاری بایستی به حجم لایه آهکی تبدیل گردد ( بر حسب متر مکعب بیان         می شود) [۹].

                                                                                         (۱۰)

که در رابطه بالا : : دبی جریان ورودی پساب ( گالن بر دقیقه )

: زمان ماندگاری در لایه آهکی ( ساعت )

: حجم فضاهای خالی موجود در لایه آهکی که بصورت یک عدد اعشاری (۵/۰=۵۰%) بیان مى شود.

برآورد منطقی از میزان فضاهای خالی سنگ آهک با دانه بندی ۱۰ الی ۱۵ سانتی متری در حدود ۵۰ درصد  مى باشد.

۳- حجم سنگ آهک تعدیلى برای محاسبه مقدار خسارات در دراز مدت

مقدار حجم اضافی آهک مورد نیاز جهت جبران انحلال سنگ آهک در طول عمر SAPS  بر اساس رابطه زیر محاسبه مى گردد که برای زهکشهای آهکی بی اکسیژن تهیه شده است[۲] مقدار  بر حسب متر مکعب بیان می شود.                                                                              

                   (۱۱)

که در آن :   دبی جریان ورودی ( گالن بر دقیقه)

: تولید میزان قلیایی پیش بینی شده ( میلی گرم بر لیتر )

: طول عمر طرح (سال)

: درصد  موجود در سنگ آهک ( با یک رقم اعشار مثل ۹/۰=۹۰%)

این حجم از سنگ آهک باید به مقدار مورد نیاز برای تصفیه پساب اضافه گردد تا به زمان ماندگاری طرح دست یابیم (جدول ۱). افزایش این مقدار سنگ آهک در سیستم جریان قائم ، زمان ماندگاری طرح در صورتى که  بخشی از آهک توسط پساب معدنی گذرنده از سیستم حل گردد ، را بیشتر مى نماید. معمولاً در عمل برای تعیین لایه سنگ آهک مدت زمان ۲۰ تا ۲۵ سال تعریف می شود. برای ساخت لایه آهکی باید از سنگ آهک با درصد خلوص بالای کلسیم استفاده کرد. به علت حلالیت کمتر سنگ آهک دولومیتی از سنگ آهک نباید در ساخت لایه آهکى استفاده شود.

۴- لایه مواد آلی

این بخش از سیستم ، آسیب پذیرترین جزء اصلی سیستم می باشد و در عملکرد طولانی مدت بحرانی است. علاوه بر محل رشد و پرورش باکتریهای احیا کننده سولفات ، لایه ماده آلی اکسیژن محلول را حذف کرده و شرایط احیایی مورد نیاز برای جلوگیری از تشکیل لجن روی سنگ آهک را فراهم می آورد. حذف اکسیژن محلول بستگى مستقیم به درجه حرارت آب و زمان ماندگاری پساب معدنی در لایه مذکور دارد. بدین منظور برای اطمینان از اجرای خوب سیستم جریان قائم و جلوگیری از کاهش عملکرد ناشی از ایجاد لجن روی آهک ، لایه ماده آلی بایستی طورى  طراحی گردد تا از عملکرد آن در هوای سرد اطمینان حاصل شود. نفوذ پذیری خصوصیت و ویژگی کلیدی لایه آلی می باشد.

جدول ۱: محاسبه میزان آهک برای تولید قلیای مورد نیاز جهت خنثی سازی اسیدیته

کلید واژه ها: مسسونگون پساب معدن ذغالسنگ زمین شناسی زیست محیطی آذربایجان شرقى