Υγρά Απόβλητα στη Βιομηχανία Αξιοποίησης των Ορυκτών Υλών και των Υλικών

1. Υγρά Απόβλητα στη Βιομηχανία Αξιοποίησης των Ορυκτών Υλών και των Υλικών Δρ. Απόστολος Κούρτης Διπλ. Μηχανικός Μεταλλείων – Μεταλλουργός Ε.Μ.Π. ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΕΙΩΝ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑΣ Νοέμβριος 2012

2. Υγρά Απόβλητα Μεταλλευτική Βιομηχανία • Όξινα νερά μεταλλείων Βιομηχανία Εμπλουτισμού • Υδατική φάση τελμάτων • Νερά από φυσικές ή τεχνητές λίμνες καθίζησης και εγκαταστάσεις πύκνωσης Μεταλλουργική Βιομηχανία • Ύδατα ψύξης ή πλύσης • Υδατικά διαλύματα Υδρομεταλλουργίας

3. Υγρά Απόβλητα Περιεχόμενοι Ρυπαντές • Αιωρούμενα στερεά • Ανόργανες διαλυμένες ουσίες (βαρέα μέταλλα, Fe, Zn, Mn, Pb, As, Cd, Cr (Cr6-, Cr3-)κα) • Οργανικές ενώσεις (ξανθογονικά άλατα, φαινόλες) Άλλα χαρακτηριστικά • Χαμηλή τιμή pH (όξινα νερά μεταλλείων) ή υψηλή τιμή pH (υγρά απόβλητα επίπλευσης χαλκού) • Υψηλή θερμοκρασία

4. Υγρά Απόβλητα Όρια Απόρριψης Υγρών Αποβλήτων

5. Υγρά Απόβλητα Όρια απόρριψης υγρών αποβλήτων Το σύνολο των τοξικών ουσιών (As, Cd, Cr6+, Hg, Ni, Pb, Cu, Se, Zn, CN, C6H5OH) πρέπει να ικανοποιεί τη σχέση: Yi = Συγκέντρωση ρυπαντή Εi= Όριο απόρριψης Π.χ. βιομηχανικά απόβλητα με συγκέντρωση (mg/l): Κάδμιο 0,06, Χρώμιο6+ 0,15, Υδράργυρος 0,004, Νικέλιο 0,5, Μόλυβδος 0,08, Σίδηρος 1,0.

6. Υγρά Απόβλητα ΣΥΓΚΡΑΤΗΣΗ ΣΤΕΡΕΩΝ Διαδικασία καθαρισμού υγρών αποβλήτων που εμφανίζεται συχνά στη βιομηχανία. Ιδιαίτερα κατά τον εμπλουτισμό παράγονται μεγάλες ποσότητες τελμάτων οι οποίες αποβάλλονται σε τεχνητές λίμνες ή φυσικές λεκάνες καθίζησης. Τέτοιες λεκάνες χρησιμοποιούνται για την απομάκρυνση στερεών από νερά μεταλλείων, για αποστράγγιση απορριμμάτων εμπλουτισμού ή από την υπερχείλιση δεξαμενής κοκκοποιημένης σκουριάς

7. Υγρά Απόβλητα ΣΥΓΚΡΑΤΗΣΗ ΣΤΕΡΕΩΝ Φυσική Λεκάνη Καθίζησης

8. Υγρά Απόβλητα ΣΥΓΚΡΑΤΗΣΗ ΣΤΕΡΕΩΝ Συχνό πρόβλημα ο μεγάλος όγκος προς κατεργασία, το λεπτόκοκκο αιωρούμενο υλικό ή η πολύ μικρή ταχύτητα καθίζησης. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος το αιώρημα θα πρέπει να υποστεί συγκέντρωση ή πύκνωση. Αυτό γίνεται σε πυκνωτές (thickeners) γνωστοί και ως παχυντές που είναι δεξαμενές καθίζησης με περιστρεφόμενο σύστημα πτερυγίων (αναδευτήρας) το οποίο συγκεντρώνει τα στερεά που καταβυθίζονται στο κέντρο τους για απόρριψη ή ανακύκλωση.

9. Υγρά Απόβλητα ΣΥΓΚΡΑΤΗΣΗ ΣΤΕΡΕΩΝ

10. Υγρά Απόβλητα ΣΥΓΚΡΑΤΗΣΗ ΣΤΕΡΕΩΝ Παράδειγμα Σε συσκευές υγρού καθαρισμού απαερίων (πύργοι ψύξης, πύργοι καταιονισμού, πύργοι Venturi, υγρά ηλεκτρόφιλτρα) η απομάκρυνση της σκόνης γίνεται σε υδατικό αιώρημα. Πριν από την απόρριψη της σκόνης απαιτείται διαχωρισμός της από το νερό. Ο διαχωρισμός γίνεται σε δύο στάδια της πύκνωσης και της διήθησης. Μετά το διαχωρισμό η υγρή σκόνη σε μορφή πλακούντα (cake) είναι έτοιμη για ανακύκλωση ή απόθεση ενώ το νερό είναι δυνατό να επαναχρησιμοποιηθεί ή να απορριφθεί.

11. Υγρά Απόβλητα Πύκνωση Η πύκνωση (ή πάχυνση) είναι ουσιαστικά καθίζηση της σκόνης με τη βοήθεια της βαρύτητας και διαχωρισμός από το νερό σε μεγάλη δεξαμενή. Η ταχύτητα πάχυνσης αυξάνεται με τη χρήση κροκιδωτικών ουσιών (κατάλληλοι ηλεκτρολύτες που εξουδετερώνουν τα ηλεκτρικά φορτία των σωματιδίων και τους επιτρέπουν να συνενωθούν σε μεγαλύτερες ομάδες).

12. Υγρά Απόβλητα Πύκνωση Η ταχύτητα καταβύθισης τεμαχιδίων σε ήρεμο νερό δίνεται από τον τύπο του Stokes: vs: ταχύτητα καταβύθισης τεμαχιδίων (m/s) ρs:πυκνότητα στερεών (kg/m3) ρ1:πυκνότητα υγρού (νερού) (kg/m3) g: επιτάχυνση της βαρύτητας (m/s2) μ:ιξώδες του υγρού (N s/m2) d: διάμετρος του τεμαχιδίου (m)

13. Υγρά Απόβλητα Πύκνωση Η ταχύτητα υπερχείλισης v0 δίνεται από τον τύπο: Q: η παροχή προς τον πυκνωτή (m3/s) A:η επιφάνεια του πυκνωτή (m2) Τεμαχίδια με ταχύτητα καταβύθισης vs μεγαλύτερη από την ταχύτητα υπερχείλισης v0 (vs > v0) θα καταβυθιστούν στον πυκνωτή ενώ τεμαχίδια με vs< v0 οδεύουν κατά ένα μέρος στην υπερχείλιση.

14. Υγρά Απόβλητα Διήθηση Η διήθηση είναι το δεύτερο στάδιο στάδιο διαχωρισμού των στερεών από το νερό. Πλακούντας με 5-10% νερό, σε μερικές περιπτώσεις έως και 50% Η αρχή της διήθησης είναι ίδια με του σακκόφιλτρου. Πορώδες διάφραγμα (φιλτρόπανο) στη μία πλευρά του οποίου βρίσκεται το προς διήθηση υλικό σε μεγαλύτερη πίεση από ότι από την άλλη.

15. Υγρά Απόβλητα Διήθηση

16. Υγρά Απόβλητα Διήθηση

17. Υγρά Απόβλητα Διήθηση

18. Υγρά Απόβλητα ΣΥΓΚΡΑΤΗΣΗ ΒΑΡΕΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Τα βαρέα μέταλλα ενδιαφέρουν εξαιτίας της τοξικότητάς τους και του φαινομένου της βιοσυσσώρευσης (bioaccumulation) που παρουσιάζουν. Η βιοσυσσώρευση εκφράζεται από την τιμή του δείκτη βιοσυσσώρευσης Κ, ο οποίος δινεται από τη σχέση: Ο καθαρισμός των υγρών αποβλήτων από τα βαρέα μέταλλα γίνεται με χημικές, φυσικές ή βιολογικές μεθόδους. Συνηθέστερες είναι οι χημικές μέθοδοι.

19. Υγρά Απόβλητα ΣΥΓΚΡΑΤΗΣΗ ΒΑΡΕΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Χημικές Μέθοδοι Περιλαμβάνουν ρύθμιση της τιμής του pH και καταβύθιση των «εν διαλύσει» βαρέων μετάλλων με την προσθήκη χημικών αντιδραστηρίων. Τα κυριότερα βαρέα μέταλλα (π.χ. χαλκός, ψευδάγυρος) καταβυθίζονται ως αδιάλυτα υδροξείδια ή ανθρακικά άλατα. Τα καταβυθιζόμενα ιζήματα απομακρύνονται με τη βοήθεια ειδικών φίλτρων ή σε παχυντές με στόχο το σχηματισμό υδατικών διαλυμάτων με συγκεντρώσεις χαμηλότερες από τα όρια απόρριψης σε υδάτινο αποδέκτη.

20. Υγρά Απόβλητα ΣΥΓΚΡΑΤΗΣΗ ΒΑΡΕΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Χημικές Μέθοδοι (παράδειγμα) Απομάκρυνση εξασθενούς χρωμίου (Cr6-) (CrO42-, Cr2O72-) 2Na2CrO4 + 3Na2S2O4 + 2NaOH + 2H2O = 6Na2SO3 + 2Cr(OH)3 Na2Cr2O7 + 6FeSO4 + 6H2SO4 = Cr2(SO4)3 + 3Fe2(SO4)3 + 2NaOH + 5H2O Cr2(SO4)3 + 3Ca(OH)2 = 2Cr(OH)3 + 3CaSO4 Fe2(SO4)3 + 3Ca(OH)2 = 2Fe(OH)3 = 3CaSO4 ή Cr2(SO4)3 + 6NaOH = 2Cr(OH)3 + 3Na2SO4

21. Υγρά Απόβλητα ΣΥΓΚΡΑΤΗΣΗ ΒΑΡΕΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Φυσικές Μέθοδοι Βασικότερη η μέθοδος της αντίστροφης ώσμωσης. Σύμφωνα με μελέτες η μέθοδος της αντίστροφης ώσμωσης μπορεί να απομακρύνει σχεδόν όλες τις διαλυμένες ουσίες από υδατικά διαλύματα (απόβλητα). Λειτουργικά προβλήματα προκύπτουν από την επικάθιση του CaSO4στις μεμβράνες. Το πυκνό διάλυμα προς απόρριψη συνεχίζει να αποτελεί περιβαλλοντικό πρόβλημα καθώς απαιτεί περαιτέρω κατεργασία για να απορριφθεί.

22. Υγρά Απόβλητα ΣΥΓΚΡΑΤΗΣΗ ΒΑΡΕΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Βιολογικές Μέθοδοι Οι βιολογικές μέθοδοι καθαρισμού υγρών αποβλήτων στοχεύουν στη διάσπαση των βιοαποικοδομήσιμων οργανικών ενώσεων αζώτου και φωσφόρου και συγχρόνως στη δέσμευση των βαρέων μετάλλων. Οι βιολογικές μέθοδοι στηρίζονται στην ακόλουθη αντίδραση: Οργανικές ενώσεις Ν2 και P + Ο2 + Μικροοργανισμοί + Βαρέα μέταλλα = CO2 + Μικροοργανισμοί + Παραπροϊόντα Η ταχύτητα και η απόδοση της αντίδρασης εξαρτάται από τη συγκέντρωση των μικροοργανισμών.

23. Υγρά απόβλητα μεταλλείων Όξινη Απορροή Μεταλλείων (ΟΑΜ) • Θειούχα ορυκτά σε επαφή με νερό και οξυγόνο • Aυξημένες συγκεντρώσεις σε τοξικά και βαρέα μέταλλα • Xαμηλές τιμές pH και υψηλή οξύτητα.

24. Υγρά απόβλητα μεταλλείων Χημεία και κινητική του φαινομένου της ΟΑΜ • Κύρια αντίδραση: οξείδωση του σιδηροπυρίτη (FeS2) 2FeS2 + 7O2 + H2O  2Fe2+ + 4SO42- + 4H+(1.1) 2Fe2+ + ½ O2 + 2H+ 2Fe3+ + H2O (1.2) Fe3+ + 3H2O  Fe(OH)3 + 3H+(1.3) FeS2 + 14 Fe3+ + 8H2O  15Fe2+ + 2SO42- + 16H+(1.4) • Κινητική αντίδρασης 1.4 > 1.1 • Καθοριστική για την κινητική του φαινομένου η αντίδραση 1.2, παραγωγή Fe3+.

25. Υγρά απόβλητα μεταλλείων Βακτήρια που επηρεάζουν τη γένεση και αντιμετώπιση της ΟΑΜ Γένεση Fe2+→Fe3+βραδεία σε pH 2-3 Αυξανεται 4 έως 5 τάξεις μεγέθους από τη δράση των βακτηρίων του γένους Thiobacillus ΒακτήριαThiobacillus Αντιμετώπιση Me + H2S  MeS To H2S παράγεται βιοχημικά από τη δράση των θειοαναγωγικών βακτηρίων του θείου (SRB) . SRB Βακτήρια

26. Υγρά απόβλητα μεταλλείων Χαρακτηριστικά όξινων νερών μεταλλείων μικτών θειούχων