Способ очистки остаточных растворов подземного выщелачивания Советский патент 1993 года по МПК E21B43/28 

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности, а именно к способам подземного выщелачивания металлов, и может быть использовано для очистки остаточных растворов подземного выщелачивания.

Целью изобретения является повышение степени очистки.

Цель достигается тем, что после проведения процесса выщелачивания остаточные растворы обрабатывают культуральной жидкостью, содержащей сульфатвосстанав- ливающие бактерии и органическое питание, в качестве сульфатвосстанавливающих бактерий используют природные микроорганизмы, выделенные из сёроцветных неокисленных пород отрабатываемого месторождения, при этом сульфатвосстанавливающие бактерии с органическим питанием предварительно адаптируют в остаточных растворах подземного выщелачивания с постепенным снижением значения рН от 4,5 до 1,5, а затем вводят в закачную скважину после окончания процесса выщелачивания,

В качестве органического питания используют сусло-продукт пивоваренной промышленности, при этом соотношение объемов сусла и питательной среды составляет от 1:50 до 1:200.

00

5

00 СП

со

Питательную среду предварительно обрабатывают электрическим током плотно- стьюот4,0- 103до9,0- 103А/м2.

Соотношение объема биомассы суль- фатвосстанавливающих бактерий к объему загрязненных очищаемых растворов составляет от 5:100 до 20:100.

Способ очистки остаточных растворов подземного выщелачивания осуществляется следующим образом.

Бурят закачные и откачные скважины. Через систему закачных скважин осуществляют подачу в продуктивный (рудовмещаю- щий) водоносный горизонт водных растворов реагента, например, серной кис- лоты, которая переводит полезные компоненты (металлы) в растворимую форму. Продуктивные насыщенные металлами растворы извлекаются из недр через систему откачных скважин. Для разработки место- рождений используются различные системы откачных скважин. Для разработки месторождений используются различные системы расположения скважин, ячеистые системы (квадратные или гексагональные ячейки с центральной откачной скважиной) и т.д. Расстояния между скважинами в ряду наблюдаются от 10 до 30 м, между рядами от 10 до 50 м и более.

Перед завершением извлечения полезных компонентов из недр осуществляют отбор диких (природных) сульфатвосстанавливающих бактерий (СВБ) из сероцветных неокисленных пород продуктивного горизонта за контуром выщелачивания, для чего проходится специ- альная скважина. Выделение продуктивных СВБ проводят на синтетической питательной среде Постгейта следующего состава, г/л воды: К2НР04 0,5; МЩС 1,0 CaS04 2Н20 1,0; MgS04 7НаО 2,0, лактат натрия 3,5; Fe2S6 следы, рН 7,0.

Выделенные СВБ далее адаптируют к ультракислым маточным растворам ПВ, которые содержат необходимые минеральные компоненты для жизнедеятельности СВБ.

Методика адаптации СВБ,

Адаптацию проводят на проточной лабораторной установке, которая состоит из емкости с маточным раствором, емкости с исходной накопительной культурой СВБ, выращенной на среде Постгейта, и приемника. Температурный режим 30-35°С, Маточный раствор из резервуара самотеком поступает через капельницу в нижнюю часть емкости с накопительной культурой СВБ с очень маленькой скоростью. На первом этапе адаптации маточник подают в течение суток до снижения значения рН в культуральной жидкости на 0,5 ед. по отношению к исходному значению рН культуры (замеры рН осуществляют на иономере ЭБ- 74). Затем в течение 7 дней маточник не пропускают через емкость с СВБ. По достижении значения рН 4 в культуральной жидкости увеличение кислотности снижается на 0,2 ед значения рН с паузой 10 дней. Таким образом, в процессе непрерывно-периодического режима получена накопительная культура СВБ, адаптированная к маточным сернокислотным растворам ПВ, За основу получения адаптированных штаммов бактерий взято непрерывное культивирование микроорганизмов (С.Дж. Перт Основы культивирования микроорганизмов и клеток, М., 1978).

Пример полупромышленного опыта по очистке остаточных растворов после выщелачивания редких и радиоактивных металлов раствором серной кислоты.

В опыте используют две скважины: за- качную и откачную. В закачную скважину подают СВБ, а маточный раствор откачной скважины используют для получения накопительной культуры СВБ.

Параметры очищаемого пласта: глубина очищаемого пласта 700 м. Температура в пласте 35°С, очистке подвергают горнорудную массу радиусом 2 м, мощностью 15 м, объемом 189 м3. Объем порового пространства, заполненного загрязненным маточным (остаточным) раствором, составляет около 38 м3 (при пористости 20%). Следовательно, необходимо очистить 38 м3 загрязненного раствора со значением рН 1,8, концентрацией сульфат-ионов 10000 мг/л и нитрат-ионов 300 мг/л.

В лабораторных исследованиях установлено, что объем вносимой в закачную скважину накопительной культуры СВБ должен составлять 5-20% объема очищаемого раствора с концентрацией клеток не менее 10 кл./мл. В данном опыте взято 4 м3.(10%) культуры СВБ с концентрацией клеток 10 в 1 мл.

Получение накопительной культуры СВБ,

В емкость из нержавеющего материала объемом 4,5 м и герметично закрывающейся крышкой, вносят 3% инокулята (120 л), остальное свободное пространство заполняют маточным раствором со значением рН 3 и концентрацией Сорг 0,5 г/л сусла, через 10 дней культивирования по достижении концентрации клеток в емкости 106 кл./мл накопительная культура готова для подачи в пласт,

Культиватор СВБ соединен с з.акачной и откачной скважинами системой труб, снабженных вентилями для регулирования подачи растворов.

После подачи в закачную скважину 4 м накопительной культуры СВБ в течение 70 сут бактерии находятся в контакте с компонентами загрязненного раствора. Периодически из закачной скважины пробоотборником отбирают пробы на анализ. В результате бактери- ального восстановления сульфатов происходит образование сероводорода, который связывается с халькофильными и близкими к ним элементами в нерастворимую сульфидную (дисульфидную) форму. При этом происходит снижение окислительно- восстановительного потенциала среды, что приводит к восстановлению нитратов до молекулярного азота (химически). В результате сульфатредукции происходит подщелачивание среды согласно реакции: S042 + 6Н20 + 8е - H2S + ЮОН. Концентрация сульфатов при этом снижается до 800 мг/л, что соответствует их содержанию в пластовых водах до проведения сернокислотного подземного выщелачивания (800 мг/л), а нитратов до 32 мг/л.

Исходный раствор после сернокислотного ПВ, подлежащий очистке, имеет следующий состав: общая минерализация 12 г/л; рН 1,5; Eh 640 мВ; составляющие компоненты, мг/л: S0«2 10000, N0/ 300, AI3+ 500, Ве2+ 0,01; As3+ 0,1, РЬ2+ 0,5; Zn 7,0; Cd2+ 0.1; Mn2+ 100; Со2+ 2,0; V 10,0, U 10,0.

После подачи раствора биомассы СВБ в течение 70 сут сульфатвосстанавливающие бактерии находятся в контакте с компонентами загрязнителя. В результате воздействия СВБ сульфат-ион восстанавливается до сероводорода, а нитрат-ион -до азота, происходит подщелачивание среды с увеличением значений рН и существенное снижение Eh. Данные по очистке растворов от основных элементов-загрязнителей представлены,.в таблице.

Как видно из вышеприведенной таблицы, в результате обработки остаточных растворов ПВ раствором биомассы СВБ осуществляется их довольно интенсивная очистка. Причем наиболее эффективно этот процесс протекает в первые две недели, когда концентрация сульфат-иона снижается на 77%, а нитрат-иона - на 83%. К концу наблюдаемого периода (70 суток) концентрация сульфат-иона близка к требованиям ПДК для питьевой воды (500 мг/л), а по нитрат-иону ниже ПДК (50 мг/л).

Одновременно за счет образования в остаточных растворах сероводорода и под- щелачивании среды в пределах очищаемого очага загрязнения образовались новые гео химические барьеры и осуществляемся очистка растворов от других элементов-загрязнителей. Так. на сероводородном барьере осаждаются: железо, цинк, свинец, ртуть,

никель, кобальт, на нейтрализационном - алюминий, марганец, бериллий, хром, на восстановительном -уран, мышьяк. Концентрации элементов-загрязнителей в пределах обрабатываемого СВБ объема за 70 сут

процесса очистки достигают значений, близких к ПДК для питьевых вод или ниже этих значений.

Общая минерализация к моменту завершения процесса очистки составляет 1,3-1,5 г/л, т.е. снижается в 8-9 раз по сравнению с исходной.

Обоснование предлагаемых параметров режима очистки маточных (остаточных)

растворов ПВ получено в результате специальных лабораторных исследований и натурного эксперимента и приведено на фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 показана зависимость интенсивности восстановления сульфат-ионов сульфатвосстанавливающими бактериями во времени при различной плотности тока; кривая 1 при плотности тока 4,0 10 А/м . кривая 2 - при плотности тока 1 10 А/м ,

кривая 3 при плотности тока 1 104 А/м2 и кривая 4 при плотности тока 9,3 10 А/м . Обработка биомассы током обеспечивает интенсификацию роста сульфатвосстанав- ливающих бактерий. При плотности тока ниже 4 103А/м2(например,(1-3) 103А/м2 время роста СВБ и соответственно восстановления сульфат-ионов увеличивается (кривая 2), При плотности тока больше 9,0 х

хЮ3 также наблюдается замедление наращивания биомассы СВБ, что приводит к уве- личению времени восстановления сульфат-ионов (кривая 3). Оптимальный (по

данным 35 опытов) является диапазон плотности тока от 4,0 103 до 9,0 103 А/м2 (заштрихованная область).

На фиг. 2 показана зависимость концентраций микроорганизмов (Ig кл/мл) во времени при различных соотношениях объемов органического питания и питательной среды СВБ: кривая 1 - при соотношении 0,4:200, кривая 2 - при соотношении 1:200, кривая 3 - при соотношении 1:50. Подача

органического питания обеспечивает рост СВБ. При выходе за верхний предел (1:200) (например, 0,4:200) прирост биомассы является недостаточным для реализации очистки остаточных растворов ПВ (кривая 1). За нижний предел (1:50) увеличение прироста биомассы экономически нецелесообразно (кривая 3). Оптимальным (по данным более

30 опытов) является соотношение объемов сусла и питательной среды в пределах от 1:50 до 1:200 (кривая 2).

Соотношение такого важного параметра очистки остаточных растворов после сернокислотного процесса ПВ металлов, как соотношение объемов биомассы СВБ к объему загрязненных растворов, проведено по результатам около 50 опытов, в процессе которых испытываются различные сернокислотные растворы с концентрацией сульфат-иона от 10 до 20 г/л, различные соотношения объемов биомассы и загрязненных растворов и различная продолжительность экспериментов.

Ниже представлены обобщенные результаты исследований, из которых видно, что при одинаковой продолжительности экспериментов (60 сут) и соотношении объемов биомассы к загрязненному раствору менее 5:100 снижается качество очистки остаточных растворов от основного элемента- загрязнителя - сульфат-иона (например, 4:100), а при увеличении соотношения объемов биомассы к загрязненному раствору более 20:100 (например, 25:100) эффект очистки по сравнению с оптимальным вариантом (5:100-20:100) является незначительным при одновременном росте объемов закачки в недра СВБ.

Для предлагаемого способа очистки сернокислотных растворов ПВ необходимо использовать природные (дикие) сульфат- восстанавливающие бактерии, которые отбираются-из керна одной или нескольких скважин, пробуренных в сероцветных неокисленных породах за . пределами развития полиэлементного оруднения. Эксперименты однозначно показывают, что наиболее быстро в сернокислотных средах (рН 4,5-1,5) адаптируются природные СВБ.

Для культивирования и адаптации СВБ вначале используют растворы с рН 4,5-3,5 (зона растекания остаточных растворов ПВ или разбавленные природными водами до рН 4,5-3,5 сильнокислые растворы рН 2- 1,5). В недра для очистки остаточных сернокислотных растворов ПВ следует подавать биомассу только с адаптированными к кислой среде СВБ. Опытные работы показали, что использование неадаптированных СВБ не обеспечивает их жизнедеятельность в жестких условиях техногенной кислой среды. При значениях рН 1,5 активность СВБ резко падает.

В ходе лабораторных опытов установлено, что кроме очистки остаточных сернокислотных растворов ПВ от основного компонента- за- грязнителя-сульфат-иона происходит (благодари образованию сероводороде при

восстановлении сульфат-иона) эффективная очистка остаточных растворов ПВ от других элементов-загрязнителей: железа, марганца, меди, цинка, алюминия, свинца, нитратов, селена, урана, никеля, кобальта, кадмия. Причиной осаждения указанных элементов-загрязнителей является образование при восстановлении сульфат-иона геохимических барьеров: сероводородного,

восстановительного, нейтрализационного. Осаждение из остаточных растворов ПВ указанных элементов в артезианских бассейнах с пресными водами происходит до значений, регламентируемых ГОСТами для

хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Таким образом, реализация способа обеспечивает эффективную очистку остаточных (после завершения процесса подземного выщелачивания) металлов,

локализующихся в водоносных горизонтах; достаточно быструю ликвидацию очага загрязнения подземных вод, ликвидацию экологической напряженности в продуктивном водносном горизонте и возможность дальнейшего использования подземных вод в районе отработанного подземным выщелачиванием месторождения для хозяйственно-питьевых нужд.

Реализация способа позволяет осуществить экологическую очистку маточных (ос- таточных) растворов ПВ металлов в контурах отработанной рудной залежи (блока, месторождения), т.е. в пределах только объема загрязнения без специального передвижения очага загрязнения.

Формул а изобретен И Я

1. Способ очистки остаточных растворов

подземного выщелачивания, отличающийся тем, что, с целью повышения степени очистки, остаточные растворы подземного выщелачивания обрабатывают культураль- ной жидкостью, содержащей источник органического питания и накопительную культуру сульфатвосстанавливающих бактерий, выделенных из сероцветных неокисленных пород отрабатываемого месторрждения, предварительно адаптированную в остаточных раствоpax подземного выщелачивания в условиях постепенного снижения значения рН от 4,5 до 1,5, при этом соотношение объема культу- ральной жидкости к объему остаточных растворов составляет 5-20:100.

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что в качестве источника органического питания используют сусло-продукт пивоваренной промышленности при соотношении объема сусла к объему культуральной жидкости от 1:50 до 1:200.

3. Способ по п. 1,отличающийся тем, что накопительную культуру бактерий

обрабатывают электрическим током плотностью от 4,0 103А/м2до9,0 -103А/м2.

Использование: горнодобывающая промышленность, при подземном выщелачивании руд. Сущность изобретения: в закачную скважину подают культуральную жидкость, содержащую накопительную культуру суль- фатвосстанавливающих бактерий, выделенных из сёроцветных неокисленных пород отрабатываемого месторождения, и органическое питание. Культуру бактерий предварительно адаптируют в остаточных растворах подземного выщелачивания при рН от 4,5 до 1,5. Соотношение объема культуральной жидкости к объему остаточных растворов 5- 20):100. В качестве органического питания используют сусло-продукт пивоваренной промышленности при соотношении объема сусла к объему культуральной жидкости от 1:50 до 1:200. Накопительную культуру бактерий обрабатывают электрическим током плотностью от 4,0 Ю3 до 9,0 103 А/м2. Уровень вредных загрязнений снижается до предельно допустимых концентраций, 2 табл., 2 ил. LO С

Т а б л и ц а 2

Результаты восстановления.сульфат-ионовпри различном соотношении СВБ и загрязненного (очищаемого) раствора, продолжительность опытов 60 суток, исходное содержание сульфат-иона 10 г/л.

I 2.345 67 89 Ю.сут Фиг. I

Таблица 1

Ј0

I 2345 6 7 8,cyr

Фиг. 2