PL206015B1

PL206015B1 - Sposób odkwaszania in situ wody zawierającej kwas siarkowy

Info

Publication number: PL206015B1
Application number: PL369621A
Authority: PL
Inventors: Günter Luther
Original assignee: Horn Martin
Priority date: 2001-11-14
Filing date: 2002-09-18
Publication date: 2010-06-30
Also published as: WO2003045854A1; DE10155760A1; PL369621A1; DE10155760B4; AU2002351658A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób odkwaszania in situ wody zawierającej kwas siarkowy.

Chodzi tu zwłaszcza o wodę ze zbiorników pozostałych po wyrobiskach odkrywkowych.

W EP-A-1 066 889 opisany jest układ do odkwaszania in situ wody zawierającej kwas siarkowy i/lub zanieczyszczonej kwasem siarkowym, w którym w wydzielonym zbiorniku zasobu wodnego umieszczone są nośniki, w których osiedlone są mikroorganizmy, służące najpierw do odkwaszania wydzielonego zbiornika wody, a następnie do odkwaszania zasobu wodnego oraz odpowiedni sposób, oparty na wykorzystaniu tego znanego układu.

Wiadomo, że przy pracach górniczych, na przykład przy wydobyciu węgla brunatnego oraz przy wydobyciu minerałów, powstają struktury geologiczne, w których zakłócona jest naturalna gospodarka siarką. W wielu obszarach krajowych i zagranicznych w trakcie wydobycia węgla brunatnego, węgla kamiennego, rud i minerałów powstają zbiorniki, stanowiące z ekologicznego punktu widzenia źródło różnorakich problemów, którym towarzyszą gigantyczne zniszczenia środowiska. Zasadniczym składnikiem tych procesów jest powstawanie kwasu siarkowego w wyniku procesów biotycznych lub abiotycznych.

Znany układ pozwolił na efektywne i wykazujące długotrwałe skutki oczyszczanie na dużą skalę dużych objętości wody, zwłaszcza zbiorników pozostałych po wyrobiskach odkrywkowych, aby na długi czas zachować jakość wody, nie pozwalając przy tym na powstawanie nowych pozostałości przy znanej obróbce.

Znany układ i znany sposób okazały się rzeczywiście nie tylko na skalę laboratoryjną, lecz także w bezpośrednim zastosowaniu w zbiornikach pozostałych po wyrobiskach odkrywkowych, bardzo skutecznym środkiem do oczyszczania wody zawierającej kwas siarkowy, aby jednak przykładowo można było szybciej neutralizować ilości powstałego i nadal powstającego rozpuszczonego siarczanu, spodziewane ogółem w Republice Federalnej Niemiec i szacowane na co najmniej 3 miliony ton, podejmuje się starania, aby zwiększyć już i tak dobrą wydajność znanego układu względnie znanego sposobu.

Celem wynalazku jest zaproponowanie sposobu opisanego na wstępie rodzaju, który byłby w stanie znacznie podwyż szyć wydajność odkwaszania in situ wody zawierają cej kwas siarkowy, aby można było szybciej i bardziej efektywnie przeprowadzać neutralizację siarczanu, rozpuszczonego w zbiornikach pozostałych po wyrobiskach odkrywkowych, przy czym sposób ma się nadawać do tego, by można go było realizować in situ szybko i bezpośrednio w miejscu znajdowania się przeznaczonej do neutralizacji, zawierającej kwas siarkowy wody, a co za tym idzie, zapewniać jeszcze bardziej skuteczne, dające dłuższy efekt i szybsze odzyskiwanie jakości wody, które charakteryzuje się długotrwałym brakiem pozostałości, przy czym należy również zapewnić możliwość realizacji znanego układu, ewentualnie dalej ulepszonego według wynalazku.

Sposób odkwaszania in situ wody zawierającej kwas siarkowy, zwłaszcza wody ze zbiorników pozostałych po wyrobiskach odkrywkowych, w którym w wydzielonym zbiorniku zasobu wodnego umieszczone są nośniki, w których osiedlone są mikroorganizmy, służące najpierw do odkwaszania wydzielonego zbiornika wody, a następnie do odkwaszania zasobu wodnego, odznacza się według wynalazku tym, że:

a) wodę, znajdującą się w wydzielonym zbiorniku wody z zasobu wodnego nie poddaną obróbce zawierającą kwas siarkowy, prowadzi się najpierw w obiegu przez nośnik do chwili, gdy pH wody w wydzielonym zbiorniku przekroczy zadaną wartość, korzystnie pH jest > 5,

b) po przekroczeniu wartości pH w wodzie, znajdującej się w wydzielonym zbiorniku, zasobu wprowadza się do obiegu nie poddaną obróbce i zawierającą kwas siarkowy wodę z zasobu wodnego i prowadzi wspólnie przez no ś nik, odkwaszając tym samym analogicznie, jak w etapie a) sposobu,

c) na zakończenie odkwaszoną co najmniej częściowo w wydzielonym zbiorniku wodę, odprowadza się do zasobu wody, zawierającej kwas siarkowy.

Korzystnie wodę z wydzielonego zbiornika przed wprowadzeniem do nośnika kieruje się do mieszalnika, a stamtąd do nośnika.

Korzystnie do mieszalnika podaje się pożywki dla wzrostu i/lub ciągłego odżywiania mikroorganizmów.

Korzystnie nośnik składa się co najmniej z pierwszego i drugiego nośnika, przy czym pierwszy i drugi noś nik są umieszczone w obiegu jeden za drugim.

PL 206 015 B1

Korzystnie dla pracy w obiegu zgodnie z etapem a) sposobu kieruje się wodę po przejściu przez pierwszy i drugi nośnik do wydzielonego zbiornika.

Korzystnie przy pracy w obiegu zgodnie z etapem b) sposobu kieruje się wodę po przejściu przez pierwszy nośnik w obiegu częściowo ponownie na pierwszy nośnik, częściowo zaś przepuszcza się przez drugi nośnik, skąd odprowadza się ją do wydzielonego zbiornika.

Korzystnie odkwaszoną zgodnie z etapem b) sposobu wodę z wydzielonego zbiornika kieruje się do obszaru dna wydzielonego zbiornika.

Zaleta sposobu według wynalazku polega w zasadzie na tym, że cały proces można uruchamiać i realizować in situ z samoregulacją i samosterowaniem, aż do zneutralizowania całej, zawierającej kwas siarkowy wody z zasobu wodnego, na przykład zbiorników pozostałych po wyrobiskach odkrywkowych.

Wykorzystuje się przy tym fakt, że przykładowo w zbiornikach pozostałych po wyrobiskach odkrywkowych występują z reguły tak zwane reduktory siarczanów, znajdujące się właściwie w osadzie na dnie zbiornika. Wartości pH, na przykład w zbiornikach pozostałych po wyrobiskach odkrywkowych, leżą w przedziale od 2,5 do 3,0. Zawartości SO4 w tego typu zbiornikach osiągają wartości 2000 mg/l. Nie trzeba żadnych więcej informacji, aby stwierdzić, że tego typu zbiorniki pozostałe po wyrobiskach odkrywkowych nie nadają się ani do wykorzystania gospodarczego, na przykład hodowli ryb, ani do wykorzystania jako kąpieliska względnie akweny, na których uprawia się sporty wodne. Rozwiązanie według wynalazku stwarza również bardzo dobre warunki środowiskowe dla reduktorów siarczanów, aby zrealizowane zostało postawione zadanie, mianowicie zwiększenie wydajności odkwaszania względnie neutralizacji wody zawierającej kwas siarkowy.

W korzystnej postaci wykonania sposobu wartość pH jest tak dobrana, ż e wynosi > 5. Okazał o się, że wartość pH wody w zbiorniku wydzielonym > 5 jest szczególnie korzystna dla optymalnej przemiany reduktorów siarczanów, zawartych w odkwaszanych akwenach, przy czym granica ta może jednak ulegać zmianie w zależności od różnych reduktorów siarczanów.

W innej korzystnej postaci wykonania sposobu wodę z wydzielonego zbiornika przed wprowadzeniem do nośnika kieruje się do mieszalnika, a stamtąd do nośnika. Mieszalnik służy między innymi do odgazowania znajdującej się w obiegu, przeznaczonej do odkwaszania wody, na przykład do usuwania z niej CO2 i H2S. Korzystnie mieszalnik może także służyć do mieszania wody, poddawanej w obiegu obróbce, z pożywkami dla wzrostu i/lub ciągłego odżywiania mikroorganizmów. Poż ywki można przy tym doprowadzać odpowiednio do natężenia przepływu, jakie jest żądane lub jakie jest osiągane w ramach sposobu.

W nastę pnej postaci wykonania sposobu nośnik składa się co najmniej z pierwszego i drugiego nośnika, przy czym pierwszy i drugi nośnik są umieszczone w obiegu jeden za drugim. Nośnik względnie pierwszy i drugi nośnik mogą być wykonane z bali materiału organicznego, na przykład bali słomy, w których umieszczone są mikroorganizmy, powodujące właściwe odkwaszanie względnie neutralizację wody zawierającej kwas siarkowy.

Podział nośnika na pierwszy i drugi nośnik, przy czym możliwy jest także podział na więcej niż dwa nośniki, ma tę zaletę, że celem pracy w obiegu zgodnie z etapem a) sposobu wodę można kierować do wydzielonego zbiornika po przejściu przez pierwszy i drugi nośnik, przy czym w innym korzystnym wariancie sposobu przy pracy w obiegu zgodnie z etapem b) sposobu kieruje się wodę po przejściu przez pierwszy nośnik w obiegu częściowo ponownie na pierwszy nośnik, częściowo zaś przepuszcza się przez drugi nośnik, skąd odprowadza się ją do wydzielonego zbiornika. Poprzez odpowiednie prowadzenie sposobu przy użyciu pomp i zaworów, można zatem w jednym i tym samym nośniku realizować zarówno uruchamianie sposobu, jak też ciągły proces odkwaszania względnie neutralizacji wody zawierającej kwas, w związku z czym faktycznie potrzebny jest tylko jeden nośnik, stanowiący reaktor in situ.

Jak już wspomniano, w obszarze dna zbiorników pozostałych po wyrobiskach odkrywkowych znajdują się często osady, w których w zasadzie usytuowane są reduktory siarczanów. Dlatego też korzystne jest, jeżeli odkwaszoną zgodnie z etapem b) sposobu wodę z wydzielonego zbiornika kieruje się do obszaru dna wydzielonego zbiornika, w którym należy się spodziewać obecności reduktorów siarczanów. Środek ten sprawia, że w pobliżu dna wydzielonego zbiornika powstaje zarówno strefa anaerobowa, korzystna dla reduktorów siarczanów, jak też otoczenie o podwyższonej wartości pH. W ten sposób wzrasta dodatkowo redukcja siarczanów w pobliż u dna wydzielonego zbiornika. Ponieważ siarczek żelaza osadza się w osadzie i na nim, z uwagi na anaerobowość wody nie zachodzi niebezpieczeństwo powrotnej przemiany siarczka w siarczan.

PL 206 015 B1

Energię potrzebną do realizacji sposobu można wytwarzać w dowolny sposób i doprowadzać z zewną trz, na przykł ad do pracy pomp potrzebnych w realizacji sposobu oraz zaworów w odpowiednich przewodach dla różnych obiegów wody zawierającej kwas siarkowy względnie wody neutralizowanej. Korzystne jest jednak wytwarzanie energii w samym obszarze realizacji sposobu, aby na przykład można go było przeprowadzać całkowicie niezależnie od istniejącej infrastruktury, to znaczy również niezależnie od sieci elektrycznej.

Dlatego też korzystne jest wytwarzanie energii na przykład w postaci energii słonecznej i/lub energii wiatru i/lub energii wytwarzanej za pomocą ogniw paliwowych, co umożliwia realizację sposobu w miejscu przeznaczenia, całkowicie niezależnie od elementów infrastruktury.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat układu do realizacji sposobu w odniesieniu do etapu uruchamiania, fig. 2 schemat odpowiadający fig. 1, na którym zachodzi ciągły proces odkwaszania wydzielonego zbiornika po zakończeniu etapu uruchamiania sposobu z fig. 1, fig. 3 - nośnik, składający się z nośnika pierwszego i drugiego, stanowiący reaktor in situ, jaki można zastosować w sposobie według wynalazku, oraz fig. 4 - wykres przedstawiający możliwe do osiągnięcia przy użyciu sposobu według wynalazku odkwaszenie zasobu wodnego w czasie około 2 miesięcy od etapu uruchamiania (tryb pracy w obiegu) aż do etapu ciągłego odkwaszania (tryb mieszania).

Układ 10, za pomocą którego można realizować na przykład sposób według wynalazku, jest przedstawiony schematycznie na fig. 1 do 3. Najpierw jest opisana budowa układu 10 z fig. 1 do realizacji etapu a) sposobu.

Układ 10 zawiera tutaj pewną liczbę reaktorów in situ 18, z których jeden przedstawiono w powiększeniu na fig. 3. Reaktor in situ 18 zawiera obudowę, która, w odniesieniu do fig. 1 do 3, jest otwarta od góry i od dołu, oraz jest zaopatrzona w otwór dopływowy względnie odpływowy dla wody 120 z wydzielonego zbiornika 12. Nośnik 14 w reaktorze in situ 18 jest podzielony na pierwszy i drugi nośnik 140, 141, przy czym w przestrzeni pomiędzy pierwszym i drugim nośnikiem 140, 141 umieszczone są przewody odpływowe 122, porównaj fig. 2. Przykładowo, czego jednak nie należy rozumieć ograniczająco, na fig. 1 i 2 umieszczone są cztery reaktory in situ 18, które, przy nadaniu im odpowiedniej flotacyjności, są umieszczone w wydzielonym zbiorniku 12 zasobu wodnego 13. Wydzielony zbiornik 12 jest oddzielony od zasobu wodnego 13 elementami ograniczającymi 121, wskutek czego do wydzielonego zbiornika 12 po jego oddzieleniu nie zachodzi niekontrolowany dopływ otaczającej go wody, zawierającej kwas siarkowy. Element ograniczający 121 wydzielony zbiornik może przykładowo mieć w zasadzie kołowy przekrój i być wykonany z folii lub innych odpowiednich materiałów, aby zapobiec przepływowi wody 11 zawierającej kwas siarkowy z otaczającego zasobu wodnego 13 do wydzielonego zbiornika 12. Dolny element ograniczający wydzielony zbiornik 12 stanowi dno 17 wydzielonego zbiornika, zaopatrzone z reguły w warstwę sedymentacyjną.

Pierwszy nośnik 140, czyli na fig. 1 i 2 nośnik najwyższy, jest usytuowany swoją powierzchnią 142 poniżej powierzchni 123 wydzielonego zbiornika 12. Reaktory in situ 18 mają wylot 124 i wylot 125, przy czym wyloty 124 wszystkich czterech reaktorów in situ 18 są połączone ze sobą i przez przewód odpływowy 126 z pompą 21, która tłoczy wodę 120 pochodzącą z wydzielonego zbiornika 12 reaktorów in situ 18, czyli już częściowo odkwaszoną, po jej przejściu przez pierwszy i drugi nośnik 140, 141, do mieszalnika 15 umieszczonego nad czterema reaktorami in situ 18, w odniesieniu do fig. 1 do 3.

Mieszalnik 15 służy do odgazowania wody tłoczonej w przewodzie odpływowym 126, na przykład usunięcia z niej CO₂ i H₂S. Do mieszalnika 15 uchodzi także przewód 160, przez który ze zbiornika 16 do mieszalnika 15 tłoczy się pożywkę, ewentualnie za pośrednictwem zaworu 20.

W układzie z fig. 1 realizuje się etap a) sposobu. Po napełnieniu wydzielonego zbiornika 12 nie poddaną obróbce, zawierającą kwas siarkowy wodą 11 z zasobu wodnego 13 i oddzieleniu go od zasobu wodnego 13 w sposób nieprzepuszczalny dla cieczy, wodę prowadzi się w obiegu przez nośnik 14, składający się tutaj z pierwszego i drugiego nośnika 140, 141. Obieg ten utrzymuje się tak długo, aż woda 120 z wydzielonego zbiornika 12 dzięki działaniu mikroorganizmów w nośniku 14 względnie pierwszym i drugim nośniku 140, 141 przekroczy zadaną wartość pH, na przykład pH > 5. Odkwaszanie wody zawierającej kwas siarkowy, która najpierw tworzy wydzielony zbiornik 12, jest przy tym wspomagane także przez reduktory siarczanów i żelaza, znajdujące się na dnie 17 względnie w osadzie wydzielonego zbiornika 12.

Jeżeli nastąpi przekroczenie zadanej wartości pH, wówczas rozpoczyna się etap b) sposobu, realizowany przykładowo za pomocą układu, przedstawionego na fig. 2. Z uwagi na przejrzystość rysunku układ z fig. 2 jest przedstawiony jako układ oddzielny, jednak w zasadzie chodzi tutaj o ten

PL 206 015 B1 sam układ 10, jaki przedstawiono na fig. 1. Na potrzeby etapu b) sposobu jest on jednak inaczej eksploatowany. Elementy układu 10 są jednak tymi samymi elementami, co w układzie 10 z fig. 1. Jeżeli mianowicie zgodnie z etapem b) po przekroczeniu przez wodę 120 z wydzielonego zbiornika 12 zadanej wartości pH nie poddaną obróbce, zawierającą kwas siarkowy wodę z zasobu wodnego 13 podaje się do obiegu i prowadzi wspólnie przez nośnik 14, złożony z pierwszego i drugiego nośnika 140, 141, wówczas przez przewód odpływowy 122 pomiędzy pierwszym i drugim nośnikiem 140, 141 odkwaszona woda 120 z wydzielonego zbiornika 12 jest co najmniej częściowo prowadzona przez pompę obiegową 21 do mieszalnika 15, po czym ponownie podawana na nośnik 14 względnie reaktor in situ 18, częściowo zaś przez wyloty 125 odprowadzana do obszaru dna 17 wydzielonego zbiornika. Równocześnie za pomocą pompy 22, która tłoczy wodę 120 z wydzielonego zbiornika 12, woda 120 jest podawana do mieszalnika 15, przy czym również ten obieg jest utrzymywany w sposób ciągły i mieszany z wodą 120 z wydzielonego zbiornika 12, doprowadzaną przez przewód odpływowy 122 do mieszalnika 15.

Ponieważ w etapie b) sposobu nie poddaną obróbce, zawierającą kwas siarkowy wodę 11 doprowadza się z zasobu wodnego 13 do wydzielonego zbiornika 12, zatem odpowiednią objętość wody, doprowadzaną do wydzielonego zbiornika 12, trzeba ponownie z niego usunąć, porównaj strzałka 24. Odbywa się to w etapie c) sposobu, to znaczy, że na zakończenie co najmniej częściowo odkwaszoną wodę 120 z wydzielonego zbiornika 12 odprowadza się do zasobu wodnego 13 otaczającej, zawierającej kwas siarkowy wody 11. Obieg ten, realizowany, jak opisano powyżej, według trzech zasadniczych etapów sposobu, trwa tak długo, aż cała zawierająca kwas siarkowy woda 11 z otaczającego zasobu wodnego 13 zostanie tak odkwaszona względnie zneutralizowana, że nadaje się do użytku gospodarczego i nie budzi zastrzeżeń pod względem biologicznym i ekologicznym. Doprowadzanie wody 11 zawierającej kwas siarkowy z zasobu wodnego 13 odbywa się również za pomocą pompy 23, która podaje wodę 11 zawierającą kwas siarkowy również do mieszalnika 15, skąd po zmieszaniu z innymi, opisanymi uprzednio strumieniami wody w ramach sposobu może ona przedostawać się pod działaniem siły ciężkości do reaktorów in situ 18 w postaci mieszaniny wodnej 127.

Na reaktorach in situ 18 rozmieszczone są odpowiednio rury 19 do pobierania próbek, co pozwala na ciągłą i prostą kontrolę odkwaszającego względnie neutralizującego działania sposobu względnie układu 10. Kontrola może odbywać się na wylotach 125 i/lub na wylotach 124, porównaj zwłaszcza fig. 2 i 3.

Za pomocą nie przedstawionych tutaj oddzielnie urządzeń do wytwarzania energii, które można umieścić bezpośrednio w miejscu usytuowania układu 10 (energia słoneczna i/lub energia wiatru i/lub energia wytwarzana za pomocą ogniw paliwowych), sposób względnie układ 10 do realizacji sposobu można zasilać w energię.

Claims

1. Sposób odkwaszania in situ wody zawierającej kwas siarkowy, zwłaszcza wody ze zbiorników pozostałych po wyrobiskach odkrywkowych, w którym w wydzielonym zbiorniku zasobu wodnego umieszczone są nośniki, w których osiedlone są mikroorganizmy, służące najpierw do odkwaszania wydzielonego zbiornika wody, a następnie do odkwaszania zasobu wodnego, znamienny tym, że

a) wodę, znajdującą się w wydzielonym zbiorniku wody z zasobu wodnego nie poddaną obróbce i zawierającą kwas siarkowy prowadzi się najpierw w obiegu przez nośnik do chwili, gdy pH wody w wydzielonym zbiorniku przekroczy zadaną wartość, korzystnie pH jest > 5,

b) po przekroczeniu wartości pH w wodzie, znajdującej się w wydzielonym zbiorniku zasobu, wprowadza się do obiegu nie poddaną obróbce i zawierającą kwas siarkowy wodę z zasobu wodnego i prowadzi wspólnie przez nośnik, odkwaszając tym samym analogicznie, jak w etapie a) sposobu,

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wodę z wydzielonego zbiornika przed wprowadzeniem do nośnika kieruje się do mieszalnika, a stamtąd do nośnika.

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że do mieszalnika podaje się pożywki dla wzrostu i/lub ciągłego odżywiania mikroorganizmów.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że nośnik składa się co najmniej z pierwszego i drugiego nośnika, przy czym pierwszy i drugi nośnik są umieszczone w obiegu jeden za drugim.

PL 206 015 B1

5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że dla pracy w obiegu zgodnie z etapem a) sposobu kieruje się wodę po przejściu przez pierwszy i drugi nośnik do wydzielonego zbiornika.

6. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że przy pracy w obiegu zgodnie z etapem b) sposobu kieruje się wodę po przejściu przez pierwszy nośnik w obiegu częściowo ponownie na pierwszy nośnik, częściowo zaś przepuszcza się przez drugi nośnik, skąd odprowadza się ją do wydzielonego zbiornika.

7. Sposób według zastrz. 1 albo 6, znamienny tym, że odkwaszoną zgodnie z etapem b) sposobu wodę z wydzielonego zbiornika kieruje się do obszaru dna wydzielonego zbiornika.