СПОСОБ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ КИСЛЫХ ШАХТНЫХ ВОД Российский патент 2017 года по МПК C02F1/66 C02F101/10 C02F103/10 

Изобретение относится к охране окружающей среды, а именно к нейтрализации кислых шахтных вод, например, угольных бассейнов.

Большинство из существующих способов нейтрализации кислых сточных вод характеризуются длительным временем проведения реакции.

Известен способ нейтрализации кислых сточных вод путем фильтрования через слой фильтрующего материала, содержащего двухкальциевые силикаты. В качестве такого материала используется пенобетон обычного твердения плотностью 500-800 кг/м³ и нейтрализацию ведут до рН 11-13 (Патент РФ №2283815 от 20.09.06).

Недостатками способа являются щелочное значение рН сточных вод после выхода из фильтрующей колонки и дороговизна материала.

Известен двухступенчатый процесс нейтрализации сточных вод, включающий в себя фильтрование сточных вод через мелкодисперсный феррохромовый шлак в течение 1 минуты на первой ступени, и нейтрализацию известковым молоком на второй ступени. На первой ступени рН увеличивается до значения 6-7, на второй ступени до 8,5-9,5 (Патент РФ №2207324 от 27.06.2003).

Недостатками данного способа являются сложность и длительность процесса нейтрализации.

Известен способ нейтрализации кислых сульфатсодержащих сточных вод, включающий нейтрализацию известковым молоком и осаждение образовавшихся взвешенных частиц в присутствии флокулянта. Нейтрализацию проводят 5%-ным известковым молоком до рН 9,4-9,5, затем вводят анионный флокулянт в концентрации 5-8 мг/л и пиритные отвальные хвосты горнообогатительного производства в концентрации 2,5-10,0 г/л, содержащие железо и серу, после чего воду перемешивают и отстаивают (патент РФ №2355647 от 20.05.09).

Недостатками известного способа являются сложность его осуществления, необходимость большого числа реагентов и дороговизна некоторых из них.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ нейтрализации кислых шахтных вод путем введения в стоки карбонатного материала. В качестве нейтрализующего карбонатсодержащего материала используют пульпу из шлама отхода Березниковского содового завода, состоящую из мелкодисперсного карбоната кальция не менее 80 мас. % и приготовленную в смесителе с использованием воды из шахтного самоизлива, при этом пульпу подают дозированным сливом в зону реакции - канал самоизлива кислых шахтных вод - с последующей подачей очищенных стоков в отстойник (патент РФ №2293063 от 10.02.2007). Данный способ принят за прототип.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого способа - способ нейтрализации кислых шахтных вод путем введения в стоки кальцийсодержащего материала.

Недостатками известного способа, принятого за прототип, являются сложность осуществления процесса, необходимость в специализированном механическом оборудовании, а также длительность осуществления процесса (на стадию приготовления пульпы в смесителе уходит до 20 мин).

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - упрощение способа нейтрализации кислых шахтных вод, удешевление его и уменьшение времени проведения.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе нейтрализации кислых шахтных вод путем введения в стоки кальцийсодержащего материала, в качестве кальцийсодержащего материала используют шлак, образующийся при производстве феррованадия силикоалюминотермическим методом, следующего гранулометрического состава: до 97 мас. % частиц размером менее 2 мм, содержащий оксид кальция в количестве 53,0-60,0 мас. % и оксид магния в количестве 8,0-9,0 мас. %, при этом нейтрализацию осуществляют проточным методом, используя шлак в виде фильтрующей дамбы.

Рекомендуется шлак брать из расчета 14-16 кг на нейтрализацию 1 м³ кислой шахтной воды с начальным значением рН=4.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - в качестве кальцийсодержащего материала используют шлак, образующийся при производстве феррованадия силикоалюминотермическим методом, следующего гранулометрического состава: до 97 мас. % частиц размером менее 2 мм, содержащий оксид кальция в количестве 53,0-60,0 мас. % и оксид магния в количестве 8,0-9,0 мас. %; нейтрализацию осуществляют проточным методом, используя шлак в виде фильтрующей дамбы; шлак берут из расчета 14-16 кг на нейтрализацию 1 м³ кислой шахтной воды с начальным значением рН=4.

Использование в качестве нейтрализующего кальцийсодержащего материала шлака указанного гранулометрического состава, образующегося при производстве феррованадия силикоалюминотермическим методом, и содержащего оксиды кальция и магния в указанных количествах, обеспечивает за счет высокой дисперсности материала большую площадь взаимодействия, что позволяет уменьшить время нейтрализации.

Проведение нейтрализации проточным методом, используя шлак в виде фильтрующей дамбы, обеспечивает реакционную способность всей массы шлака, что позволит упростить способ нейтрализации кислых шахтных вод, удешевить его и уменьшить время проведения.

Экспериментально установлено, что оптимальное количество шлака для повышения рН шахтной воды с начальным значением, равным 4 до значений 7,0, составляет 14-16 кг.

Использование шлака в количестве менее 14 кг на нейтрализацию 1 м³ кислой шахтной воды не позволит обеспечить достижение показателя кислотности воды (рН) равной нейтральной 7,0.

Использование шлака в количестве более 16 кг на нейтрализацию 1 м³ кислой шахтной нецелесообразно, это приведет к увеличению рН воды выше 7,0 и создаст щелочную среду.

Шлак, образующийся при производстве феррованадия силикоалюминотермическим методом, представляет собой мелкодисперстный порошок с гранулометрическим составом: до 97% частиц лежит в интервале до 2 мм.

Преобладающими минералом в шлаке является мервинит, также в состав входят двукальцевый силикат, мелит, периклаз. Общее содержание оксидов кальция и магния достигает 61-69%. Химический состав шлаков производства ферросплавов представлен в таблице.

Исследования показали, что шлак относится к 4 классу опасности и обладает следующими характеристиками: содержание в водной вытяжке токсичных веществ на уровне ниже фильтрата из твердых бытовых отходов, биохимическая потребность в кислороде (БПК20) и химическая потребность в кислороде (ХПК) - не выше 300 мг/л, удельная эффективная активность природных радионуклидов составляет 58 Бк/кг. Высокая дисперсность материала обеспечивает большую площадь взаимодействия и уменьшение времени нейтрализации.

Сущность способа поясняется чертежом, на котором показана схема нейтрализации кислых шахтных вод при помощи дамбы из шлака. На схеме показаны:

1 - русло реки;

2 - заградительное сооружение;

3 - накопительный пруд;

4 - дамба из шлака, образующего при производстве феррованадия.

Пример осуществления способа.

Исследования проводились на шахтных водах Кизеловского угольного бассейна, характеризующихся высокой минерализацией и сернокислой реакцией среды (значение рН 2-4).

В качестве нейтрализующего кальцийсодержащего материала использовали шлак, образующийся при производстве феррованадия силикоалюминотермическим методом. Нейтрализацию осуществляли проточным методом.

Конструкторским решением для осуществления очистки сточных вод служит фильтрующая дамба из шлака 4. В качестве устройства для равномерной подачи воды может использоваться пруд 3 перед дамбой. Сточные воды подаются самотеком по водоотводной канаве.

Проведенные исследования показали, что для нейтрализации кислой шахтной воды со значения рН=4 до нейтральной реакции среды (рН=7) необходимо добавить 1,5 г шлака на 100 мл воды, или в пересчете 15 кг на 1 м³, реакция происходит в течение 1 минуты.

При добавлении 1 грамма шлака на 100 мл рН воды с рН=4 поднимается до 5,8. При добавлении 2 граммов шлака на 100 мл рН воды поднимается до 8,8 при одной и той же длительности процесса, равной 1 минуте.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет полностью нейтрализовать кислые шахтные воды в течение короткого промежутка времени, дешевый и простой в выполнении.

Изобретение может быть использовано в охране окружающей среды при нейтрализации кислых шахтных вод угольных бассейнов. Для осуществления способа в качестве нейтрализующего кальцийсодержащего материала используют шлак, образующийся при производстве феррованадия силикоалюминотермическим методом и включающий до 97 мас. % частиц размером менее 2 мм. Шлак содержит оксид кальция в количестве 53,0-60,0 мас. % и оксид магния в количестве 8,0-9,0 мас. %. Нейтрализацию осуществляют проточным методом, используя шлак в виде фильтрующей дамбы, сооружаемой из расчета 14-16 кг шлака на нейтрализацию 1 м³ кислой шахтной воды с начальным значением рН=4. Изобретение обеспечивает упрощение и удешевление процесса нейтрализации кислых шахтных вод, и уменьшение времени его проведения. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

1. Способ нейтрализации кислых шахтных вод путем введения в стоки кальцийсодержащего материала, отличающийся тем, что в качестве кальцийсодержащего материала используют шлак, образующийся при производстве феррованадия силикоалюминотермическим методом, следующего гранулометрического состава: до 97 мас. % частиц размером менее 2 мм, содержащий оксид кальция в количестве 53,0-60,0 мас. % и оксид магния в количестве 8,0-9,0 мас. %, при этом нейтрализацию осуществляют проточным методом, используя шлак в виде фильтрующей дамбы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что шлак берут из расчета 14-16 кг на нейтрализацию 1 м³ кислой шахтной воды с начальным значением рН=4.