بخشی از مقاله
زيست بررسي روش هاي تصفيه زه آب هاي معدني اسيدي
چکيده :
با توسعه کارهاي معدن کاوي، اغلب آب هاي زيرزميني زهکشي شده توسط معادن داراي آلاينده هائي هستند که پخش و انتشار چنان زه آبهائي يک مشکل زيست محيطي عمـده بـوده و مـي توانـد در سـه سـطح اساسـي کمينه سازي گردد. نخست : از طريق جلوگيري از فرآيندهايي که منجر به توليد زه آبهـاي اسـيدي مـي گردنـد دوم از طريق پيش گيري از اختلاط جريان هاي زه آبهاي معدني آلوده و پاک با يکديگر و سوم از طريـق جمـع آوري و اصلاح رفتار سيال خروجي. روش هاي بسياري براي کنترل زه آبهاي معدني اسيدي در هر يـک از سـه سطح بالا وجود دارد که متناسب با شرايط مورد استفاده قرار مي گيرند. اين مقالـه نحـوه ي تشـکيل زه آبهـاي معدني اسيدي ، روش هايي که به طور رايج براي تصفيه ي اين زه آبها مورد استفاده قرار مي گيرند و نقاط قوت و ضعف هريک و همچنين پارامترهايي که در انتخاب يک سيستم تصفيه موثر مي باشندرا مورد بررسي قرار مي دهد.
کلمات کليدي
زه آب هاي معدني اسيدي ، زئوليت طبيعي ، تصـفيه ي شـيميايي و بيولـوژيکي ، لاگـون ، جداسـازي فلـزا سنگين
١ . مقدمه
زه آبهاي معدني اسيدي ١(AMD) يکي از عمده ترين چالش هاي روبروي صنعت معدن کاري در سرتاسر جهان مي باشند که تهديد هاي جدي را براي سلامت انسانها، حيوانات وسيستم هاي اکولوژي به همراه دارد و صنايع معدني جديد و قديمي را در بسياري از کشورها تحت تاثير قرار مي دهد، چراکه زه آبهاي معدني اسيدي حاوي فلزات سنگين آلاينده مانند٣+Cr ,٣+Al , ٢+Cd‚٢+Zn‚٢+Mn‚٣+Fe‚٢+Cu و٢+Pb مي باشند که تمايل زيادي براي تجمع در ارگانيسم هاي زنده دارند و اختلالات و بيماري هاي فراواني را بوجود مي آورند[١,٢].
زه آبهاي اسيدي غني از سولفور به وسيله فرآيندهاي صنعتي گوناگوني مانند فرآيندهاي گالوانيکي (برقي )، شستشوي جريان هاي گازي در نيروگاههاي برق از طريق اسکرابرها، تاسيسات آبکاري فلزات ، دباغ خانه ها و غيره توليد مي گردند. با اين حال منبع اصلي چنين جريان هايي صنايع معدني مي باشند[٣]. زه آبهاي معدني اسيدي مي توانند در اثر فعاليت هاي زير زميني معدن هاي عميق نيز توليد شوند. اين مورد زماني که معدن فعال بوده و سطح ايستابي آب با استفاده از پمپاژ پايين نگه داشته مي شود از اهميت کمتري برخوردار است ولي زماني که معادن غيرفعال بوده و پمپ ها خاموش مي شوند، جهش سطح ايستابي آب مي تواند منجربه آلودگي آب هاي زير زميني گردد. بعلاوه آب هايي که مجددا معادن را پر مي نمايند همه نمک هاي اسيدي که درخلل و فرج کانال هاي زيرزميني تشکيل شده اند را در خود حل مي کنند که آلاينده هاي بسيار بالقوه اي از نظر خاصيت اسيدي و مقدار فلزات مي باشند. از طرف ديگر حدود ٩٠ درصد از سنگ هاي معدني اوليه ، مواد زائدي مي باشند که مواد با ارزش در ميان آنها قرار گرفته اند، بنابراين صنعت معدن با حجم عظيمي از پسماندهاي (نخاله هاي ) معدني مواجه مي باشد که عبور آب از ميان اين نخاله ها نيز سبب توليد زه آبهاي معدني اسيدي مي گردد. مسئله ي مهم ديگري که در اينجا بايد در نظر گرفته شود پتانسيل آلودگي دراز مدت زه آبهاي معدني اسيدي مي باشد به طوري که توليد اين زه آبها مي تواند براي سال هاي بسياري بعد از بسته شدن معدن ادامه داشته باشد[٤,٥,٦].
به طور کلي جلوگيري از تشکيل يا انتشار زه آبهاي معدني اسيدي از منابع آن ، به عنوان يک گزينه برتر در کنترل زه آبها در نظر گرفته مي شود ولي اين کار در بسياري از مکان ها از نظر عملي امکان پذير نمي باشد و در چنين مواردي جمع آوري وتصفيه زه آبهاي معدني ضروري مي باشد. در اين مقاله نحوه تشکيل زه آبهاي معدني اسيدي و روش هاي تصفيه آنها مورد بررسي قرار مي گيرند.
٢. تشکيل زه آبهاي معدني اسيدي
زه آبهاي معدني اسيدي (AMD) زماني توليد مي شوند که مواد حاوي سولفيد در مجاورت اکسيژن و آب قرار مي گيرند. اکسايش مواد سولفيدي و به دنبال آن ايجاد خاصيت اسيدي از طريق چندين واکنش اتفاق مي افتد. اجزاء تشکيل دهنده اصلي براي توليد زه آبهاي معدني اسيدي عبارتند از: (١) مواد سولفيدي (٢) آب يا رطوبت اتمسفر و (٣) يک اکسيد کننده به ويژه اکسيژن اتمسفر يا يک ماده شيميايي. فلزات بسياري به صورت کاني هاي سولفيد وجود دارند و تمايل براي آميزش با سولفيد آهن باعث شده که مواد معدني حاوي سولفيد در زمين بسيار فراوان باشند. از طرفي ذخاير زغال سنگ نيز حاوي مقادير مختلفي (معمولا ٢٠-١ درصد) سولفور به صورت سولفيد آهن و سولفور آلي مي باشند. معمولا توليد زه آب هاي معدني اسيدي در سنگ هاي حاوي ذرات سولفيدآهن اتفاق مي افتد. البته گونه هاي بسيار زيادي از مواد سولفيدي از قبيل پيروتيت (FeS) و کالکوسيت (CuS٢) موجود مي باشند که آنها نيز مي توانند باعث توليد زه آب معدني اسيدي شوند. بااينکه اکسايش موادسولفيدي به صورت طبيعي اتفاق مي افتد، ولي فعاليت هاي معدني از طريق افزايش مقدار سولفوري که در معرض تماس با آب و اکسيژن قرار مي گيرد مي توانند توليد زه آبهاي معدني اسيدي را تقويت نمايند. در اکثر موارد باکتري ها نيز از طريق کمک به تفکيک مواد سولفيدي نقش عمده اي را در سرعت بخشيدن به نرخ توليد اسيد، بازي مي کنند.
پارامترهايي که نرخ توليد اسيد را تعيين مي نمايند عبارتند از:
(١) PH ; (٢) دما; (٣) مقدار اکسيژن فاز گاز اگر که اشباعيت کمتر از ١٠٠ درصد باشد ; (٤) غلظت اکسيژن در فاز آب ; (٥) درجه ي اشباعيت با آب ; (٦) فعاليت شيميايي +Fe٣ ; (٧) سطح سولفيد فلزي که در معرض تماس قرارمي گيرد ;
(٨) انرژي فعالسازي شيميايي موردنياز براي آغاز توليد اسيد; (٩) فعاليت باکتريايي.
پارامترهاي فيزيکي به ويژه ميزان نفوذپذيري محل انباشت زباله ها نيز در توليد خاصيت اسيدي بسيار مهم مي باشند.
محل هاي انباشت زباله با ميزان نفوذپذيري بالا، نفوذ اکسيژن بالايي را دارا مي باشند که به سرعت بخشيدن به واکنش هاي شيميايي، و به دنبال آن دماهاي بالاتر و افزايش نفوذ اکسيژن از طريق جابجايي کمک مي کنند[٧].
٣. روش هاي " کنترل منبع " و "کنترل انتشار"
بديهي است که " پيشگيري بهتر از درمان است " ، با اين حال هميشه جلوگيري از تشکيل زه آبهاي معدني اسيدي امکان پذير نمي باشد. اين روش ها به عنوان اقدامات " کنترل منبع " شناخته مي شوند (شکل ١ ) و فقط به اختصار توضيح داده مي شوند.
يک راه براي جلوگيري از تشکيل زه آبهاي معدني اسيدي آب بندي و عايق کردن معدن هاي متروکه مي باشد.
اکسيژن محلول در آب (٩-٨ ميلي گرم در ليتر) با استفاده از ميکروارگانيسم هاي اکسيدکننده مواد معدني مصرف مي شود، از طريق آب بندي معدن مي توان از فراهم شدن مجدد اکسيژن محلول به وسيله پديده هاي انتقال جرم و نفوذ جلوگيري کرد. با اين حال اين کار فقط در مکان هايي موثر مي باشد که محل همه مجراها و کانال ها معلوم باشد و نفوذ آب هاي حاوي اکسيژن نيز اتفاق نيفتد[٨]. براي جلوگيري از ورود آب به محل انباشت زباله مي توان اقدامات زير را انجام داد: (١) انحراف مسير جريان آب هاي سطحي ; (٢) جلوگيري از نشت آب هاي زير زميني ; (٣) جلوگيري از نفوذ آب هيدرولوژيکي ; و (٤) تعيين محل زباله هاي توليد کننده اسيد [٧].
ذخيره شيرابه هاي توليد شده از پسماندهاي معدني دفن شده به طور وسيعي براي جلوگيري از توليد زه آبهاي معدني اسيدي مورد استفاده قرار مي گيرد[٩]. براي اينکار مي توان از پوشش آب هاي کم عمق استفاده نمود. کارايي اين سيستم ها مي تواند با استفاده از پوشاندن پسماندها با يک لايه از مواد آلي بهبود يابد. اين کار داراي دو مزيت کاهش نفوذ اکسيژن و جلوگيري از سوسپانسيون شدن مجدد پسماندها در اثر باد ولرزش هاي موجود مي باشد. براي سطح کاني هاي واکنش پذير مي توان از پوشش هاي خشک استفاده کرد(شکل ٢). لايه آب بندي که پسماندها را مي پوشاند معمولا از رس ساخته مي شود، البته در نواحي که فصول خشک ورطوبت شديدي را دارا مي باشند، خشک شدن و ترک خوردن پوشش اتفاق مي افتد که کارايي اين سيستم را نسبت به مناطق معتدل کاهش مي دهد[١٠].
شکل ٢ : طرح يک پوشش خشک براي به حداقل رساندن توليد سيالات خروجي از پسماندهاي معدني
روش ديگري که براي به حداقل رساندن توليد زه آبهاي معدني اسيدي پيشنهاد گرديده است اختلاط مواد توليد کننده اسيد و مواد مصرف کننده اسيد با هم مي باشد که در نهايت ترکيبات دوستدار محيط زيست را توليد مي کنند. نوعي از اين کار افزودن فسفات به صورت جامد به زباله هاي معدني حاوي سولفيد آهن به منظور ته نشين کردن آهن (III) به صورت فسفات آهن مي باشد. البته جلوگيري از اکسايش سولفيد آهن با استفاده از اين روش به دليل مسلح شدن (armouring) مواد فسفاتي اضافه شده موقتي مي باشد. استفاده از فسفات هاي انحلال پذير(به همراه پراکسيد هيدروژن ) نيز يکي از تکنولوژي هاي پوششي مي باشد که در آن پراکسيد، سولفيد آهن را اکسيد نموده و آهن سه ظرفيتي توليد مي نمايد، آهن سه ظرفيتي با فسفات واکنش داده و يک سطح پوششي محافظ از فسفات آهن سه ظرفيتي توليد مي نمايد[١١].
در بسياري از موارد، باکتري هاي اکسيدکننده سولفور و آهن نقش محوري در توليد زه آبهاي معدني اسيدي دارند.
تحقيقات بسياري در مقياس آزمايشگاهي وصنعتي براي جلوگيري از فعاليت اين باکتري ها با استفاده از بيوسيدها(زيست کش ها) انجام شده است . استفاده از سورفکتانت هاي آنيوني مانند سولفات دودسيل سديم (SDS) که سميت بالايي براي اين دسته از ميکروارگانيسم ها دارند مبهم مي باشد، با اين حال کارايي استفاده از بيوسيدها بسيار متغير است . در بهترين حالت فقط براي کنترل کوتاه مدت مشکل مورد استفاده قرار مي گيرند که آنهم نيازمند استفاده مکرر از مواد شيميايي مي باشد[١٢].
اقدامات کنترل انتشار به دو دسته فرآيندهاي فعال (يعني فرآيندهايي که نياز به ورود پيوسته خوراک دارند) و غيرفعال (يعني فرآيندهايي که نياز به ورود خوراک به صورت ناپيوسته دارند) تقسيم مي شوند. سيستم هاي غير فعال داراي مزيت نگهداري نسبتا کم نسبت به سيستم هاي فعال مي باشند، اگرچه که آنها ممکن است گران باشند و.يا نصب و برپايي آنها در وهله اول غيرعملي باشد. تقسيم بندي بسيار مفيدي براي تکنولوژي هاي تصفيه که برفعاليت هاي بيولوژيکي و غيربيولوژيکي تکيه دارند درزير موجود مي باشد(شکل ٣). در بين اين گروههاي اصلي فرآيندهايي نيز وجود دارند که مي توانند هم به عنوان فرآيندهاي فعال و هم به عنوان فرآيندهاي غيرفعال شرح داده شوند[٨].
٤. روش هاي اصلاح غيربيولوژيکي
٤. ١. تکنولوژي هاي فعال (تصفيه شيميايي فعال )
روش بسيار متداولي که براي اصلاح جريان هاي اسيدي مورد استفاده قرار مي گيرد يک فرآيند تصفيه اي فعال شامل افزودن يک عامل شيميايي خنثي کننده مي باشد. افزودن يک ماده قليايي به زه آبهاي معدني اسيدي ، PH را بالا برده و سرعت اکسايش شيميايي آهن (II) را سريع تر مي کند(هوادهي يا افزودن يک عامل اکسيدکننده شيميايي از قبيل پراکسيد هيدروژن نيز ضروري مي باشد) و باعث مي شود که بسياري از فلزات موجود در محلول به صورت هيدروکسيدها و کربنات ها ته نشين شوند و در نتيجه يک لجن غني از آهن حاصل مي گردد. در اين روش واکنشگرهاي خنثي کننده گوناگوني مانند آهک ( اکسيدکلسيم )، آهک آبديده ، کربنات کلسيم ، کربنات سديم ، هيدروکسيدسديم و اکسيد و هيدروکسيدمنيزيم مورد استفاده قرار مي گيرند. با وجود اينکه تصفيه شيميايي فعال مي تواند به طور موثري زه آبهاي معدني اسيدي را اصلاح نمايد ولي اين روش داراي معايبي مانند هزينه هاي بالاي اجرايي و توليد حجم بالاي لجن مي باشد. راهکارهايي که براي بهبود بازده فرآيند تصفيه شيميايي فعال مورد استفاده قرار مي گيرند عبارتند از:
١- افزودن چند مرحله اي واکنشگرها به همراه کنترل PH که موجب جداسازي انتخابي برخي از ترکيبات از قبيل آرسنيک و موليبدن از زه آبهاي معدني اسيدي مي گردد. ٢- استفاده از واکنشگرهاي لخته کننده براي افزايش ميزان رسوب دهي که درنتيجه آن جداسازي در استخرهاي ته نشيني بهبود مي يابد. ٣- لجن غني از آهن توليدي فقط حاوي ٤-٢ درصد مواد جامد مي باشد، بازچرخاني بخشي از لجن مي تواند لجني حاوي ٢٠ درصد مواد جامد را توليد نمايد که با آب گيري مقدار جامدات به ٥٠ درصد افزايش مي يابد.
٤. ٢. تکنولوژي غيرفعال
يک روش جايگزين براي تصفيه شيميايي فعال استفاده از زه کش هاي سنگ آهکي بدون اکسيژن ٢(ALD)مي باشد .
دراين سيستم با افزودن مواد قليايي به زه آبهاي معدني اسيدي آهن را در فرم کاهش يافته باقي نگه مي دارند تا از اکسايش آهن (II) ودر نتيجه ته نشيني اکسيد آهن (III) بر روي سنگ آهک جلوگيري شود(مسلح شدن ) و کارايي عامل خنثي کننده کاهش نيابد. از آنجايي که ALD ها به حداقل نگهداري نياز دارند، استفاده از آنها براي تصفيه زه آبهاي معدني يک روش غيرفعال درنظر گرفته مي شود. در يک ALD ، زه آبهاي معدني از ميان بستري از ذرات سنگ آهک که درون يک زهکش نگهداري مي شوند عبور داده مي شوند، که اين بستر در برابر هوا و آب غيرقابل نفوذ مي باشد(معمولا از يک روکش زيرين پلاستيکي و يک پوشش رسي ساخته مي شوند). شکل زهکش از قطر کم (١-٠.٦ متر) به قطر زياد (٢٠-١٠ متر) تغيير مي کند و داراي عمقي در حدود ١.٥ متر و طولي در حدود ٣٠ متر مي باشد. با وجود اينکه ALD ها قليائيت را با هزينه کمتري توليد مي کنند ولي براي تصفيه همه زه آبهاي معدني اسيدي مناسب نمي باشند. براي زه آبهاي معدني اسيدي که حاوي غلظت هاي قابل توجهي از آهن (III) يا آلومينيم مي باشند، عملکرد کوتاه مدت ALDها خوب ميباشد، اما زياد شدن رسوبات هيدروکسيدي رفته رفته نفوذپذيري زهکش را کاهش مي دهد، که اين امر مي تواند باعث عملکرد نامطلوب زهکش ٦ ماه بعد از ساخت گردد. مشکل ديگري که براي اين سيستم ها وجود دارد تشکيل ژل هاي کربنات آهن (II) و کربنات منگنز ميباشد که باعث انحلال ناهمگن ذرات سنگ آهک مي گردد[١١].
٥. روش هاي اصلاح بيولوژيکي
٥. ١. فرآيندهاي بيولوژيکي مهم
روش هاي تصفيه بيولوژيکي زه آبهاي معدني اسيدي حاصل توانايي برخي از ميکروارگانيسم ها براي توليد خاصيت قليايي و تثبيت فلزات مي باشند، که در نتيجه آن واکنش هايي که سبب تشکيل زه آبهاي معدني اسيدي مي گردند در جهت عکس انجام مي شوند. فرآيندهاي بيولوژيکي که خاصيت قليايي توليد مي کنند غالبا فرآيندهاي کاهشي شامل نيتروژن دهي ، توليد متان ، کاهش سولفات ، آمونياک دهي (توليد آمونيوم از ترکيبات آلي حاوي نيتروژن ) و کاهش آهن و منگنز مي باشند.
فرآيندهاي بيولوژيکي مهمي که سبب توليد خاصيت قليايي مي شوند عبارتنداز:
