Войти
Кислотный дренаж шахты, кислотный и металлосодержащий дренаж(AMD) или дренаж кислых пород(ARD) - это истечение кислой воды из металлических шахт или угольных шахт.
Дренаж кислых пород происходит естественным образом в некоторых средах как часть процесса выветривания горных пород, но он усугубляется крупномасштабными возмущениями почвы, характерными для горнодобывающей промышленности и других крупных строительных работ, обычно в породах, содержащих большое количество сульфидных минералов. Области, где земля была нарушена (например, строительные площадки, подразделения и транспортные коридоры), могут создавать дренаж кислых пород. Во многих населенных пунктах жидкость, стекающая из угольных запасов, предприятий по переработке угля, угольных промыслов и отвалов угольных отходов, может быть очень кислой, и в таких случаях ее рассматривают как дренаж кислых пород. Эта жидкость часто содержит токсичные металлы, такие как медь или железо. Все это в сочетании с пониженным уровнем pH пагубно сказывается на водной среде водотока.
Такой же тип химических реакций и процессов может происходить при нарушении кислых сульфатных почв, образовавшихся в прибрежных или устьевых условиях после последнего крупного повышения уровня моря, и представляет собой аналогичную опасность для окружающей среды.
Исторически кислотные сбросы действующих или заброшенных шахт назывались кислотным дренажем шахт или AMD. Термин «дренаж кислых пород», или ARD, был введен в 1980-х и 1990-х годах для обозначения того, что кислотный дренаж может происходить не из шахт, а из других источников. Например, доклад, представленный в 1991 году на крупной международной конференции по этому вопросу, был озаглавлен: «Прогнозирование осушения кислых пород - уроки из базы данных» И AMD, и ARD относятся к низкому pH или к кислым водам, вызванным окислением сульфидных минералов, хотя ARD является более общим названием.
В тех случаях, когда дренаж из шахты не является кислым и содержит растворенные металлы или металлоиды или изначально был кислым, но был нейтрализован на пути его потока, тогда он описывается как «нейтральный шахтный дренаж »,« горные воды »или другие. Ни одно из этих имен не получило всеобщего признания.
Подземная добыча часто продвигается ниже уровня грунтовых вод, поэтому воду необходимо постоянно откачивать из шахты, чтобы предотвратить затопление. Когда шахту бросают, откачка прекращается, и вода затопляет шахту. Такое введение воды является первым шагом в большинстве ситуаций, связанных с дренажем кислых пород. Хвосты отходов отвалы или пруды и угольные отвалы также являются важным источником кислотного дренажа шахт.
После воздействия воздуха и воды окисление сульфидов металлов (часто пирита, который представляет собой сульфид железа) в окружающей породе, и покрывающая порода вызывает кислотность. Колонии бактерий и архей значительно ускоряют разложение ионов металлов, хотя реакции также происходят в абиотической среде. Эти микробы, названные экстремофилами за их способность выживать в суровых условиях, естественным образом встречаются в горных породах, но из-за недостатка воды и кислорода их численность обычно остается низкой. Особые экстремофилы, известные как ацидофилы, особенно любят низкие уровни pH в заброшенных шахтах. В частности, Acidithiobacillus ferrooxidans является ключевым участником окисления пирита.
Металлические рудники могут генерировать высококислотные выбросы, где руда является сульфидным минералом или связана с пиритом.. В этих случаях преобладающим металлом ионом может быть не железо, а скорее цинк, медь или никель. Наиболее часто добываемая медная руда, халькопирит, сама по себе представляет собой сульфид меди и железа и встречается с рядом других сульфидов. Таким образом, медные рудники часто являются основными виновниками кислотного дренажа шахт.
На некоторых рудниках кислотный дренаж обнаруживается в течение 2–5 лет после начала добычи, тогда как на других рудниках он не обнаруживается в течение нескольких десятилетий. Кроме того, кислый дренаж может образовываться в течение десятилетий или столетий после его первого обнаружения. По этой причине кислотный дренаж шахт считается серьезной долгосрочной экологической проблемой, связанной с добычей полезных ископаемых.
Для получения дополнительной информации см. Ацидофилы в кислых дренажных водах
Химия окисления пиритов, получение ионов двухвалентного железа и впоследствии ионов трехвалентного железа очень сложна, и эта сложность значительно препятствует разработке эффективных вариантов обработки.
Хотя многие химические процессы способствуют осушению кислых рудников, окисление пирита является самым большим фактором. Общее уравнение для этого процесса:
Окисление сульфида до сульфата солюбилизирует двухвалентное железо (железо (II) ), которое впоследствии окисляется до трехвалентного железа. железо (железо (III) ):
.Любая из этих реакций может происходить спонтанно или катализироваться микроорганизмами, которые получают энергию от реакции окисления. Образующиеся катионы железа могут также окислять дополнительный пирит и восстанавливаться до ионов двухвалентного железа:
.Чистым эффектом этих реакций является высвобождение H, который снижает pH и поддерживает растворимость иона трехвалентного железа.
Температура воды до 47 ° C была измерена под землей в Шахта Железной горы, а уровень pH может достигать -3,6.
Организмы, вызывающие кислотную добычу. ainage может процветать в водах с pH, очень близким к нулю. Отрицательный pH возникает, когда вода испаряется из уже кислых бассейнов, увеличивая концентрацию ионов водорода.
Примерно половина сбросов из угольной шахты в Пенсильвании имеет pH ниже 5. Однако часть шахтных стоков как в битуминозных, так и в антрацит области Пенсильвании является щелочным, потому что известняк в покрывающих породах нейтрализует кислоту до выхода дренажа.
Осушение кислых горных пород недавно стало препятствием для завершения строительства межштатной автомагистрали 99 рядом с Государственным колледжем, Пенсильвания. Однако дренаж кислой породы происходил не из шахты; скорее, он был получен путем окисления богатой пиритом породы, которая была обнаружена во время дорожных работ и затем использовалась в качестве наполнителя при строительстве I-99. Похожая ситуация сложилась в аэропорту Галифакс в Канаде. Когда это явление является результатом землеройных работ, отличных от добычи полезных ископаемых, это иногда называют «дренаж кислой породы».
Когда pH дренажной системы кислой шахты превышает 3, либо при контакте с пресной водой, либо нейтрализуя минералы, ранее растворимые ионы железа (III) осаждаются в виде гидроксида железа (III), желто-оранжевого твердого вещества, в просторечии известного как желтый мальчик. Возможны другие типы осадков железа, включая оксиды и оксигидроксиды железа, а также сульфаты, такие как ярозит. Все эти осадки могут обесцвечивать воду и задушить жизнь растений и животных в русле реки, нарушая течение экосистемы (особое нарушение в соответствии с Законом о рыболовстве в Канаде). В процессе также образуются дополнительные ионы водорода, которые могут еще больше снизить pH. В некоторых случаях концентрация гидроксидов железа у желтого мальчика настолько высока, что осадок может быть извлечен для коммерческого использования в пигментах.
Многие выбросы кислых пород также содержат повышенные уровни потенциально токсичных металлов, особенно никеля и меди с более низкими уровнями ряда следов и ионов полуметаллов, таких как свинец, мышьяк, алюминий и марганец. Повышенные уровни тяжелых металлов могут быть растворены только в воде с низким pH, как это обнаруживается в кислых водах, образующихся в результате окисления пирита. В угольном поясе вокруг долин южного Уэльса в UK высококислотные никелевые сбросы с мест хранения угля оказались особенно неприятными.
Кислотные шахты также влияют на диких животных, живущих в пораженном водоеме. Водные макробеспозвоночные, обитающие в ручьях или частях ручьев, пострадавших от кислотного дренажа шахт, демонстрируют меньше особей, меньшее разнообразие и меньшую биомассу. Многие виды рыб также не переносят загрязнения. Среди макробеспозвоночных одни виды можно найти только при определенных уровнях загрязнения, в то время как другие виды можно найти в широком диапазоне.
В условиях добычи полезных ископаемых это ведущая практика провести геохимическую оценку горных материалов на ранних стадиях проекта, чтобы определить потенциал AMD. Геохимическая оценка направлена на отображение распределения и изменчивости ключевых геохимических параметров, характеристик образования кислоты и выщелачивания элементов.
Оценка может включать:
В Соединенном Королевстве многие сбросы с заброшенных шахт освобождены от регулирующего контроля. В таких случаях Агентство по охране окружающей среды, работающее с партнерами, такими как Угольное управление, предоставило некоторые инновационные решения, включая построенные водно-болотные угодья, например, в долине река Афан около Порт-Талбот и построенное водно-болотное угодье рядом с рекой Нит в Инисарведе.
Хотя заброшенные подземные рудники производят большую часть дренажа кислотных шахт, некоторые недавно добытые и восстановленные открытые рудники образовали ARD и ухудшили местные ресурсы подземных и поверхностных вод. Кислая вода, образующаяся на действующих шахтах, должна быть нейтрализована до pH 6-9, прежде чем будет разрешен сброс с шахты в ручей.
В Канаде работа по уменьшению воздействия кислотного дренажа в шахтах сосредоточена в рамках программы «Нейтральный дренаж шахтной среды» (MEND). Общая сумма ответственности за дренаж кислых пород оценивается от 2 до 5 млрд канадских долларов. В течение восьми лет MEND утверждает, что сократила ответственность ARD на сумму до 400 миллионов канадских долларов при вложении 17,5 миллионов канадских долларов.
Безусловно, наиболее часто используемым промышленным способом обработки кислого дренажа шахт является осаждение извести (CaO ) в процессе высокоплотного ила (HDS). В этом случае известковая суспензия диспергируется в резервуаре, содержащем кислотный дренаж шахт и рециркулируемый ил, чтобы повысить pH воды примерно до 9. При таком pH наиболее токсичные металлы становятся нерастворимыми и выпадают в осадок, чему способствует присутствие рециркулируемого ила. Необязательно, в этот резервуар может быть введен воздух для окисления железа и марганца и содействия их осаждению. Полученную суспензию направляют в емкость для отстаивания осадка, например в осветлитель . В этом резервуаре чистая вода будет перетекать для выпуска, тогда как осевшие металлические осадки (шлам) будут рециркулироваться в резервуар для кислотной обработки дренажа шахты с боковым потоком, сбрасывающим шлам. Существует ряд вариаций этого процесса, которые диктуются химическим составом ARD, его объемом и другими факторами. Как правило, продукты процесса HDS также содержат гипс (CaSO 4 ) и непрореагировавшую известь, которые улучшают как ее оседаемость, так и устойчивость к повторному подкислению и мобилизации металлов. Общее уравнение для этого процесса:
или, точнее, в водном растворе :
Менее сложные варианты этого процесса, такие как простая известь нейтрализация, может включать в себя не более чем бункер для извести, смесительный бак и отстойник. Эти системы намного дешевле в строительстве, но они также менее эффективны (т.е. требуется более длительное время реакции, и они производят разряд с более высокими концентрациями следов металлов, если они есть). Они подходят для относительно небольших потоков или для дренажа менее сложных кислотных шахт.
Сырье из силиката кальция, полученное из переработанного стального шлака, также может использоваться для нейтрализации активной кислотности в Системы AMD путем удаления свободных ионов водорода из основного раствора, тем самым увеличивая pH. Поскольку силикатный анион захватывает ионы H (повышая pH), он образует монокремниевую кислоту (H 4 SiO 4 ), нейтральное растворенное вещество. Монокремниевая кислота остается в основной массе раствора и играет важную роль в коррекции неблагоприятных воздействий кислых условий. В объемном растворе силикатный анион очень активно нейтрализует катионы H в почвенном растворе. Хотя его способ действия сильно отличается от известняка, способность силиката кальция нейтрализовать кислотные растворы эквивалентна известняку, о чем свидетельствует его значение CCE 90-100% и его относительное значение нейтрализации 98%.
В присутствии тяжелых металлов силикат кальция реагирует иначе, чем известняк. Поскольку известняк повышает pH основного раствора и если присутствуют тяжелые металлы, осаждение гидроксидов металлов (с чрезвычайно низкой растворимостью) обычно ускоряется, и вероятность образования брони частиц известняка значительно увеличивается. В агрегате силиката кальция по мере того, как разновидности кремниевой кислоты абсорбируются на поверхности металла, образование слоев диоксида кремния (моно- и двухслойных) приводит к образованию коллоидных комплексов с нейтральными или отрицательными поверхностными зарядами. Эти отрицательно заряженные коллоиды создают электростатическое отталкивание друг с другом (а также с отрицательно заряженными гранулами силиката кальция), а изолированные коллоиды металлов стабилизируются и остаются в диспергированном состоянии, что эффективно препятствует осаждению металла и снижает уязвимость материала для образования брони.
Обычно известняк или другие известковые слои, которые могут нейтрализовать кислоту, отсутствуют или недостаточны на участках, которые производят дренаж кислых пород. На участки можно вносить известняковую крошку для создания нейтрализующего эффекта. Там, где использовался известняк, например, в середине Уэльса, положительное влияние было намного меньше, чем ожидалось, из-за создания слоя нерастворимого сульфата кальция на известняковой крошке, связывающего материал и предотвращает дальнейшую нейтрализацию.
Процессы катионообмена ранее были исследованы как потенциальная обработка кислых стоков шахт. Принцип заключается в том, что ионообменная смола может удалять потенциально токсичные металлы (катионные смолы) или хлориды, сульфаты и комплексы уранилсульфата (анионные смолы) из шахтной воды. После того как загрязнители адсорбируются, центры обмена на смолах должны быть регенерированы, что обычно требует кислотных и основных реагентов и генерирует рассол, содержащий загрязнители в концентрированной форме. Южноафриканская компания, получившая в 2013 году награду IChemE (ww.icheme.org) за управление водными ресурсами и водоснабжение (обработка AMD), разработала запатентованный ионообменный процесс, позволяющий экономно очищать шахтные сточные воды (и AMD).
Построенные системы водно-болотных угодий были предложены в 1980-х годах для обработки кислотных дренажных вод, образовавшихся в заброшенных угольных шахтах в Восточных Аппалачах. Обычно водно-болотные угодья получают почти нейтральную воду после того, как она была нейтрализована (обычно) процессом очистки на основе известняка. Осаждение металлов происходит в результате их окисления при pH, близком к нейтральному, комплексообразования с органическими веществами, осаждения в виде карбонатов или сульфидов. Последнее является результатом переносимых из осадка анаэробных бактерий, способных превращать сульфат-ионы в сульфид-ионы. Эти сульфидные ионы затем могут связываться с ионами тяжелых металлов, выделяя тяжелые металлы из раствора и эффективно обращая весь процесс вспять.
Привлекательность сконструированного раствора для заболоченных земель заключается в его относительно низкой стоимости. Они ограничены металлическими нагрузками, с которыми они могут справиться (либо из-за высоких потоков, либо из-за концентрации металлов), хотя нынешним практикующим специалистам удалось разработать искусственные водно-болотные угодья, которые обрабатывают большие объемы (см. Описание Кэмпбеллского рудника построенного заболоченного участка ) и / или очень кислая вода (с соответствующей предварительной обработкой). Как правило, сточные воды построенных водно-болотных угодий, в которые поступает вода, близкая к нейтральной, будут хорошо забуферены в пределах 6,5-7,0 и могут быть легко сброшены. Некоторые металлические осадки, оставшиеся в отложениях, нестабильны при воздействии кислорода (например, сульфид меди или элементарный селен), и очень важно, чтобы осадки водно-болотных угодий оставались в значительной степени или постоянно погруженными.
Пример эффективно построенного водно-болотного угодья находится в долине реки Афан выше Порт-Талбот, где были успешно обработаны сильно железистые сбросы из водохранилища.
Большинство неблагородных металлов в кислотном растворе осаждаются при контакте со свободным сульфидом, например из H 2 S или NaHS. Разделение твердой и жидкой фаз после реакции могло бы привести к выходящему потоку, не содержащему цветных металлов, который может быть сброшен или подвергнут дальнейшей обработке для снижения содержания сульфата, и концентрат сульфида металла с возможной экономической ценностью.
В качестве альтернативы несколько исследователей исследовали осаждение металлов с использованием биогенного сульфида. В этом процессе сульфатредуцирующие бактерии окисляют органическое вещество, используя сульфат вместо кислорода. Продукты их метаболизма включают бикарбонат, который может нейтрализовать кислотность воды, и сероводород, который образует малорастворимые осадки со многими токсичными металлами. Хотя этот процесс многообещающий, этот процесс медленно внедряется по ряду технических причин.
Существует множество технологий для лечения AMD, от традиционных дорогостоящих водоочистных сооружений до простых очистка воды на месте методы дозирования реагентов.
С развитием крупномасштабных стратегий секвенирования, геномы микроорганизмов в сообществе кислого дренажа шахт секвенируются непосредственно из Окружающая среда. Практически полные геномные конструкции позволяют по-новому взглянуть на сообщество и реконструировать их метаболические пути. Наши знания о ацидофилах в кислотных дренажных шахтах остаются рудиментарными: мы знаем о гораздо большем количестве видов, связанных с ARD, чем мы можем установить роли и функции.
Ученые недавно начали исследовать кислые дренажные системы шахт и участки рекультивации рудников на предмет уникальных почвенных бактерий, способных производить новые фармацевтические соединения. Почвенные микробы уже давно являются источником эффективных лекарств, и новые исследования, например, проведенные в Центре фармацевтических исследований и инноваций, предполагают, что эти экстремальные условия являются неиспользованным источником новых открытий.
В этот список входят как рудники, производящие кислотный дренаж, так и речные системы, в значительной степени затронутые таким дренажем. Это отнюдь не полная, так как во всем мире существует несколько тысяч таких сайтов.
 | На Викискладе есть материалы по теме Кислотный дренаж шахт . |
