Способ очистки остаточных растворов подземного выщелачивания

 

Использование: горнодобывающая промышленность , при подземном выщелачивании руд. Сущность изобретения: в закачную скважину подают культуральную жидкость, содержащую накопительную культуру сульфатвосстанавливающих 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

COIO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Е 21 В 43/28

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4832650/13

{22) 24,04.90 (46) 07.05,93, Бюл. N 17 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт минерального сырья им, Н,М.Федоровского, Производственное геологическое объединение "Краснохолмсгеология" и

Московский геологоразведочный институт (72) Г.А,Шугина, И.Г.Абдельманов, К.Г.Бровин, И.В,Венатовский, P.È.Ãîëüäøòåéí, Б.И. Натал ьчен ко, Ю. В, Нестеров и

Е.М, Шмариович (73) Всесоюзный научно-исследовательский институт минерального сырья им. Н.М.Федоровского (56) Авторское свидетельство СССР

N. 924355, кл. В 43/28, 1982, (54) СПОСОБ ОЧИСТКИ ОСТАТОЧНЫХ

РАСТВОРОВ ПОДЗЕМНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ

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 сульфатвосстанавливающие бактерии и органическое питание, в качестве сульфатвосстанавливающих бактерий используют природные микроор Ж, 1814685 АЗ (57) Использование: горнодобывающая промышленность, при подземном выщелачивании руд. Сущность изобретения: в закачную скважину подают культуральную жидкость, содержащую накопительную культуру сульфатвосстанавливающих бактерий, выделенных из сероцветных 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 10 до 9,0 . 10 А/м, Уровень вредных загрязнений снижается до предельнодопусти. мых концентраций, 2 табл., 2 ил, ганизмы, выделенные из сероцветных неокисленных пород отрабатываемого месторождения; при этом сульфатвосстанавливающие бактерии с органическим питанием предварительно адаптируют в остаточных растворах подземного выщелачивания с постепенным снижением значения рН бт 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 обьемов сусла и питательной среды составляет от 1:50 до 1:200.

i 814685

Питательную среду предварительно обрабатывают электрическим током плотностью от 4,0 10 до 9,0 10 Аlм .

Соотношение объема биомассы сульфатвосстанавливающих бактерий к объему загрязненных очищаемых растворов составляет от 5;100 до 20:100.

Способ очистки остаточных растворов подземного выщелачивания осуществляется следующим образом. 10

Бурят закачные и откачные скважины.

Через систему закачных скважин осуществляют подачу в продуктивный (рудовмещаю- . щий) водоносный горизонт водных растворов реагента, например, серной кислоты, которая переводит полезные компоненты (металлы) в растворимую форму.

Продуктивные насыщенные металлами растворы извлекаются из недр через систему откачных скважин. Для разработки место- 20 рождений используются различные системы откачных скважин. Для разработки месторождений используются различные системы расположения скважин, ячеистые системы (квадратные или гексагональные 25 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.

Передзавершением извлечения полезных, 30 компонентов из недр осуществляют отбор диких (природных) сульфатвосстанавливающих бактерий (СВБ) из сероцветных неокисленных пород продуктивного горизонта эа контуром выщелачивания, для чего проходится специ- 35 альная скважина. Выделение продуктивных

СВБ проводят на синтетйческой питательной среде Постгейта следующего состава, г/л воды: к2нР04 0,5; NH4ct 1,0 cas04

2Н20 1,0; MgSO4 7Н20 2,0, лактат натрия 40

3,5; FezS04 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, 50 вь|ращенной 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 55

СВБ с очень маленькой скоростью. На первом этапе адаптации маточник подаю1 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 ЭВ—

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 UlTGMMoB бактерий взято непрерывное культивирование микроорганизмов (С,Дж. Перт Основы культивирования микроорганизмов и клеток, М., 1978).

Пример полупромышленного опыта по очистке остаточных растворов после выще- лачивания редких и радиоактивных металлов раствором серной кислоты. . В опыте используют две скважины: закачную 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 м, Объем порового пространства, заполненного загрязненным маточным (остаточным) раствором, составляет около 38 м (при пористости 20 ). Следовательно, необходимо очистить 38 м загрязненного раствора со значением рН 1,8, концентрацией сульфат-ионов 10000 мг/л и нитрат-ионов 300 мг/л.

В лабораторных исследованиях установлено, что обьем 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 м .(10 ) культуры СВБ с концентрацией клеток 10 в

1мл, Получение накопительной культуры ,СВБ, В емкость из нержавеющего материала объемом 4,5 м и герметично эакрывающейэ ся крышкой, вносят 3;, инокулята (120 л), остальное свободное пространство заполняют маточным раствором со значением рН

3 и концентрацией Сррг 0,5 г/л сусла, через

10 дней культивирования по достижении концентрации клеток в емкости 10 кл./мл накопительная культура готова для подачи в пласт, Культиватор СВБ соединен с закачной и откачнай скважинами системой труб, снаб1814885 женных вентилями для регулирования подачи раг:творов, 3

После подачи в закачную скважину 4 м накопительной культуры СВ Б в течение 70 сут бактерии находятся в контакте с компонентами загрязненного раствора. Периодически из закачной скважины пробоотборником отбирают пробы на анализ, В результате бактериального Bосстановления сульфатов происходит образование сероводорода, который связывается с халькофильными и близкими к ним элементами е нерастворимую сульфидную (дисульфидную) форму, При этом происходит снижение окислительновосстановительного потенциала среды, что приводит к восстановлению нитратов до молекулярного азота (химически). В результате сульфатредукции происходит подщелачивание среды согласно реакции;

504 + бН20+ 8е -) Н25+ 100Н . 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: 5042 = 10000, МО) =- 300, AI

= 500, Be = 0.01; As =- 0,1, Pb + = 0,5; Zn =

70; Cd+=01; Mn =-100; Со =-20; Ч=

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 подщелачивании среды в пределах очищаемого очага загрязнения образовались новые гео5

55 химические барьеры и осущегIIli«IeII я очистка растворов ог других элементов-загрязнителей, 1 ак. на серонодородном 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.

1и2.

На фиг. 1 показана зависимость интенсивности восстановления сульфат-ионов сульфатвосстанавливающими бактериями во времени при различной плотности тока;

3 2 кривая 1 при плотности тока 4,0 . 10 А/м . кривая 2 — при плотности тока 1 . 10 Аlм, 3 2 кривая 3 при плотности тока 1 10 А/м и

4 2 кривая 4 при плотности тока 9,3 . 10 А/м . з г

Обработка биомассы током обеспечивает интенсификацию роста сульфатвосстанавливающих бактерий. При плотности тока ниже 4 10 А/м (например,(1 — 3) 10 Аlм время роста СВБ и соответственно восстановления сульфат-ионов увеличивается (кривая 2), При плотности тока больше 9,0 х х10 также наблюдается замедление наращивания биомассы СВБ, что приводит к увеличению времени восстановления сульфат-ионов (кривая 3). Оптимальный (Ilo данным 35 опытов) является диапазон плотности тока от 4.0 10 до 9,0 10 А/м

3 2 (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

1814685

30 опытов) является соотношение обьемов 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 обьемов 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 злементазагрязнителя — сульфат-иона (например, 4:100), а при увеличении соотношения объемов биомассы к загрязненному раствору более 20:100 (н an ример, 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) сульфатвосстанавливающие бактерии. которые отбираются.из керна одной или нескольких скважин, пробуренных в сероцветных неокисленных ородах 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 21,5). 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 у ловиях 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- загрязнителя-сульфат-иона происходит (благодара обрвэоввнию сероводорода при

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

Осаждение из остаточных растворов ПВ укаэанных 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 (остаточных) растворов ПВ металлов в контурах отработанной рудной залежи (блока, месторрждения), т,е. в пределах только объема загрязнения беэ специального передвижения очага загрязнения.

Ф ор мул а изобретения

1. Способ очистки остаточных растворов подземного выщелачивания, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что, с целью повышения степени очистки, остаточные растворы подземного выщелачивания обрабатывают культуральной жидкостью, содержащей источник органического питания и накопительную культуру сульфатвосстанавливающих бактерий, выделенных из сероцветных неокисленных пород отрабатываемого месторрждения, предварительно адаптированную в остаточных растворах подземного выщелачивания в условиях постепенного снижения значения рН от 4,5до

1,5, при этом соотношение объема культуральной жидкости к объему остаточных растворов составляет 5-20:100.

2. Способ по и. 1, отличающийся тем, что в качестве источника органического питания используют сусло-продукт пивоваренной промышленности при соотношении объема сусла к обьему культуральной жидкости от 1;50 до 1:200, 10

1814685

3. Способ по и. 1, отличающийся обрабатывают электрическим током плотнотем, что накопительную культуру бактерий стью от 4,0 10 А/м до 9,0 10 А/м, 3 2 . 3 2

Таблица 1

Таблица 2

Результатывосстановления,сульфат-ионовпри различном соотношении СВБ и загрязненного (очищаемого) раствора, продолжительность опытов 60 суток, исходное содержание сульфат - иона 10 г/ л, 7

6 л

I ч. е 5

О

Ф

g 3

0 I 2 3 4 5 6 7 8 9 10,сут

Фиг. 1

1814685

2 Э 4 5 6 7 S,сут.

Составитель О.Комарова

Техред М.Моргентал Корректор В.Петраш

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1842 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного. комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5