Menetelmiä happaman valumaveden neutralointiin. Ritva Nilivaara-Koskela, Heini Postila, Mirkka Hadzic, Minna Arola & Anssi Karppinen 21.5.

Transkriptio

1 Menetelmiä happaman valumaveden neutralointiin Ritva Nilivaara-Koskela, Heini Postila, Mirkka Hadzic, Minna Arola & Anssi Karppinen

2 Esityksen sisältö Yleistä neutraloinnista Neutralointimateriaalit ja annostelutarpeen arviointi Testattuja neutralointiratkaisuja Kippaava neutralointilaitteisto Neutralointikaivo Pystypilotti Alivirtaamaputkella varustettu suodinpato Laskennallinen mitoitus 10 ha lohkolle ja 100 ha tuotantoalueelle Yhteenveto Kuva: Heini Postila

3 Tausta Aktiivinen vs. Passiivinen neutralointi Neutraloinnin haasteita Kokemuksia kaivosteollisuudesta HS vesien neutralointi Suomessa Ulkoisen voimanlähteen tarve Huoltotarve Kustannukset Soveltuvuus eri tyyppisille kohteille Neutralointimateriaalin pinnoittuminen Neutralointikapasiteetin riittävyys Virtaaman suuri ajallinen vaihtelu Vedenlaadun suuri ajallinen vaihtelu Sulfidimalmin käsittelyn yhteydessä Käytettävissä usein sähköä ja pudotuskorkeutta Tasainen virtaama Maatalous Turvetuotanto

4 Neutralointimenetelmiä Avoin kalkkikivioja Hapeton kalkkikivioja Kalkkikivikosteikko Kalkkikivijakokaivo Pitkä kalkkikivellä vuorattu oja Virtauksen aikaan saamiseksi pudotuskorkeutta Passiivinen, pinnoittuu Kalkkikivisuotimet Kalkkikivi vuorattu vettä läpäisemättömällä materiaalilla Estetään hapen kontakti happamaan veteen Alhaisille happi- ja metallipitoisuuksille Kosteikko, jonka alla kalkkikivikerros Alhaisille happi- ja metallipitoisuuksille Tukkeutumisvaara metallisaostumista johtuen Vesi johdetaan kalkkikivikaivoon pumpaten tai pudotuskorkeutta hyödyntäen Kaivon pohjalle purkautuvan veden voimasta kalkkikivi liikkuu ja vesi neutraloituu

5 Neutralointiin soveltuvia materiaaleja Kalkkikivi CaCO₃ Edullista useissa eri raekokoissa ph nousee maltillisesti maksimissaan 7-9,5 Parantaa käsitellyn veden puskurikykyä Liukoisuus alenee ph:n noustessa, reaktioaika pitenee Ei sovellu jos korkea asiditeetti, rauta-, sulfaatti- tai alumiinipitoisuus Kalsiumhydroksidi Ca(OH) 2 Soveltuu kohteisiin, joissa asiditeetti korkea ja virtaama suuri ph nousee helposti arvoon 12 Metallipitoisissa vesissä muodostuu paljon metallisaostumaa Välitön ph nousu, lyhyt kontaktiaika Teollisuuden sivutuotteet Muut neutraloivat kemikaalit

6 Asiditeetti Asiditeetti kuvaa vesistön puskurikykyä emäksen lisäystä vastaan, ts. neutraloitavissa olevan happamuuden määrää ph pysyy stabiilina - liukoisena olevien metallien (Al, Fe, Mn) pitoisuuksien vaihtelu muuttaa asiditeettia merkittävästi

7 Neutralointimateriaalin tarpeen arviointi Asiditeetti mmol CaCO 3 /l Lisää saman verran neutralointimateriaalia CaCO 3 :ksi muutettuna pvm Asiditeetti mmol/l ph CaCO 3 kulutus kg/m 3 Ca(OH) 2 kulutus kg/m 3 m 3 vettä / 1 t CaCO 3 m 3 vettä / 1 t Ca(OH) ,24 3,3 0,12 0, ,8 1,7 1, Metallien hapettuminen ja saostuminen ,75 2,9 0,58 0, TEOREETTINEN! Veden ph n. 6,3 Liuenneiden metallien pitoisuudet alhaiset Jos asiditeetti korkea, muodostuu paljon metallihydroksidilietettä!

8 Testattuja neutralointiratkaisuja

9 Kippaava neutralointilaitteisto Kippaava neutralointilaitteisto dia 1 Sähkötön Sovellettavissa eri kohteille Kuva: Ritva Nilivaara-Koskela

10 Kippaava neutralointilaitteisto dia 2 Kippaava neutralointilaitteisto Granuloitu kaliumhydroksidi Ca(OH) 2

11 Neutralointikaivopilotti Neutralointikaivo dia 1

12 Testaukset Neutralointikaivo dia 2 Testatut materiaalit Aito kalsiittimurske (kalkkikivi) 1-3 mm (12 kg) ja 2-4 mm (6 kg) Granuloitu kalsiumhydroksidi noin 1-3 mm (4 kg) ja 4-10 mm (3 kg, ei saatu liikkeeseen) Maksimivirtaama 2,5 l/s, materiaalipatjan maksimikorkeus 19 cm Seuranta: jatkuvatoiminen yläja alapuolinen ph mittaus ja vesinäytteet Rakeiden pinnoittuminen SEManalyysillä Kuva: Minna Arola

13 Neutralointikaivo dia mm Aito kalsiittimurskeella tehtyjen testien ph a) Materiaalia oli alussa 12 kg ja lopussa jäljellä noin 3 kg (toimintakatko n ). Pumppausnopeus 2,5 l/s. b) Kaivo täytettiin viiden päivän välein siten, että lisäyksen jälkeen materiaalia oli kaivossa aina aloitusmassan verran eli 12 kg. Pumppausnopeus 1,5 l/s.

14 Neutralointikaivo dia 4 Muita tuloksia ja havaintoja Sekä aito kalsiittimurskeen että granuloidun kalsiumhydroksidin 1-3 mm materiaalit vaikuttivat soveltuvilta (isompia raekokoja ei saatu kunnolla liikkumaan) Veden ph nousi CaCO 3 :lla 1-2 ph yksikköä, mutta asetettua tavoitearvoa (ph 5,5) ei aina saavutettu. Osittain liian lyhyt viipymä jopa 1,5 l/s virtaamalla, käsiteltävän veden asiditeetin vaikutus Neutralointikaivosta lähtevän veden kiintoainepitoisuus korkeampi (materiaalin hienoaines/metallisaostumat) laskeutusallas/ojasto Pinnottumisanalyysin (SEM) perusteella kalkkikiven pintaan kertynyt hieman alumiinia ja rautaa, mutta ei suuria muutoksia Sopivan virtaaman määrittäminen tärkeää: materiaali liikkeessä, viipymä

15 Pystypilotti/leijutuskolonni Pystypilotti dia 1 Kuva: Toni Karjalainen

16 Pystypilotti dia 2 Testaukset, tuloksia ja havaintoja Materiaali: 2-5 mm granuloitua kalsiumhydroksidia (21 kg) Nosti ph:ta tehokkaasti pääasiassa yli 12 Tulevan veden asiditeetin ja ph tietojen perusteella lähes kaikki materiaali kului neutraloimiseen Pinnoittumisanalyysin (SEM) perusteella granuloiden pintaan kertynyt mm. magnesiumia, piitä, alumiinia, rikkiä ja rautaa Ratkaisun jälkeen erillinen allas, jossa metallit voisivat saostua Kuva: Heini Postila

17 Alivirtaamaputkella varustetut suodinpadot Suodinpadot dia 1 Materiaalit Aito kalsiittimurske (0-10 mm ja 0-90 mm) ja Raahen Rautaruukki Oyj:n teräskuona (7-15 mm ja mm) Kuva: Heini Postila

18 Suodinpadot dia 2 Alivirtaamaputkella varustettu teräskuonasuodinpato Pinnankorkeudessa vain vaihteluväliä kannattaa tarkastella, sillä nollakohdan korkeustasoa ei vaaitettu

19 Suodinpadot dia 3 Tuloksia ja havaintoja: Pinnoittumisanalyysin (SEM) perusteella: Teräskuonarakeiden pintaan oli kertynyt ensimmäisen käyttövuoden aikana rautaa, piitä, alumiinia ja hieman rikkiä Kalkkikivirakeet eivät olleet juuri pinnoittuneet padon sisältä, keskellä pinnassa rautaa Teräskuonasuodinpato: Nosti valumaveden ph:ta tutkitun kahden kesän ajan, ph:n nousun suuruus vaihteli Materiaalia ei enää saatavilla Kalkkikivisuodinpato: Mukana myös hienojakoista materiaalia (0>), vesi ei välttämättä juuri virrannut padon sisällä, vaan alivirtaamaputkea pitkin tai yli ei hyvää neutralointitulosta (Kalkkikiven seulonta?)

20 Neutralointiratkaisujen laskennallinen mitoitus 10 ha lohkolle ja 100 ha tuotantoalueelle

21 Teoreettinen lähtötilanne ja neutralointimateriaalin tarve Suure Tilanne 1 Tilanne 2 Tilanne 3 Tilanne 4 Tilanne 5 Tilanne 6 Pinta-ala (ha) Virtaama (m 3 /d) , , ,4 Asiditeetti (mmol/l) CaCO 3 kulutus päivässä (kg/d) a a Ca(OH) 2 kulutus päivässä (kg/d) CaCO 3 Kulutus 2 viikon aikana (kg) a a Ca(OH) 2 kulutus 2 viikon aikana (kg) CaCO 3 suursäkin (1000 kg) riittoisuus (vrk) a a Ca(OH) 2 suursäkin (1000 kg) riittoisuus (vrk) a Kalkkikiveä ei voida käyttää neutralointiin, jos veden asiditeetti on näin korkea.

22 Neutralointikaivon LASKENNALLISTA esimerkkimitoitusta Ominaisuus Tilanne1 Tilanne 2 Tilanne 3 Tilanne 4 Tilanne 5 Tilanne 6 Materiaali CaCO 3 CaCO 3 CaCO 3 CaCO 3 Ca(OH) 2 Ca(OH) 2 Kaivon pohjan halkaisija [m] 1,5 0,5 1,8 0,8 2 1,3 EBTC:n avulla laskettava tarvittava materiaalin minimimäärä kaivossa [m 3 ] a 0,4 0,04 0,4 0,04 0,4 0,04 EBTC:n avulla laskettava tarvittava materiaalin minimimäärä kaivossa [kg] Materiaalipatjan korkeus (2 viikon kulutukseen tarvittava määrä) [m] 0,52 0,47 0,73 0,37 4,09 0,97 Materiaalipatjan vähimmäiskorkeus riittävän kontaktiajan saavuttamiseksi [m] 0,23 0,20 0,16 0,08 0,13 0,03 Materiaalin korkeus suurimmillaan 0,52+0,35 (2 viikon huoltoväli) [m] =0,87 0,67 0,88 0,45 4,22 1,00 Liikkuvan materiaalipatjan korkeus 1,4*0,87 (1,4*materiaalin maksimikorkeus) [m] =1,22 0,94 1,24 0,63 5,91 1,40 Vapaan tilan korkeus [m] b 0,87 0,67 0,88 0,45 4,22 1,00 Kaivon vähimmäiskorkeus [m] 2,09 1,62 2,12 1,07 10,13 2,40 Aito Kalsiittimurskeelle 1-3 mm laboratoriotulosten perusteella arvioitu riittävä kontaktiaika 40 s

23 Neutralointikaivon laskennallinen mitoitus, lisähuomioita: Kuva: Minna Arola Laskennallisesti vaikuttaisi soveltuvan tilanteisiin, joissa virtaama on pieni tai jos virtaama on suuri, niin asiditeetti on matala Huomioitavia tekijöitä mm. pumppauksen tarve, kaivon materiaali, virtaama, selkeytysojasto/allas Vaatii ison mittakaavan testausta, lukemat arvioita

24 Kippaava neutralointilaitteisto mitoitus kahdeksi viikoksi Ominaisuus Tilanne 1 Tilanne 2 Tilanne 3 Tilanne 4 Tilanne 5 Tilanne 6 Pinta-ala (ha) Virtaama (m 3 /d) , , ,4 Asiditeetti (mmol/l) Neutralointimateriaali CaCO 3 CaCO 3 Ca(OH) 2 Ca(OH) 2 Ca(OH)2 Ca(OH)2 Kippaavan kourun tilavuus (l) Kourun täyttymisnopeus (s) Materiaalin määrä säiliössä (kg) Materiaalin tilavuus säiliössä (l) Materiaalisäiliön kokonaistilavuus (l) Säiliön täyttymisaika viipymäaika (s) Laskennallinen!

25 Kippaava neutralointilaitteisto mitoitus 1000 kg suursäkille Ominaisuus Tilanne 1 Tilanne 2 Tilanne 3 Tilanne 4 Tilanne 5 Tilanne 6 Pinta-ala (ha) Virtaama (m 3 /d) , , ,4 Asiditeetti (mmol/l) Neutralointimateriaali CaCO 3 CaCO 3 Ca(OH) 2 Ca(OH) 2 Ca(OH) 2 Ca(OH) 2 Materiaalin määrä säiliössä (kg) Materiaalin tilavuus säiliössä (l) Kippaavan kourun tilavuus (l) Materiaalisäiliön kokonaistilavuus (l) Materiaalin täyttöväli (vrk) Laskennallinen!

26 Yhteenveto testatuista neutralointimenetelmistä Neutralointi menetelmä Materiaalimäärälaskennassa huomioitava: Hävikki hienontumisen ja huuhtoutumisen kautta, mutta ei pinnoitumista Hävikki hienontumisen ja huuhtoutumisen kautta, mutta ei pinnoittumista Pinnoittuminen heikentää jossain vaiheessa tehoa Neutralointikaivo Kippaava neutralointilaitteisto Pumppauksen tarve Kyllä (tai riittävä korkeusero) Mahdollisesti ei Granuloitu kalsiumhydroksidi (2-5 mm) Suodinpato Ei Esim. riittävän CaO pitoinen tuote, esim. teräskuona (7-15 mm) Pystypilotti Kyllä Granuloitu kalsiumhydroksidi (2-5 mm) *Esitetyllä neutralointimateriaaliesimerkillä Hoito Vaatii täyttöä ja välillä puhdistamista Vaatii täyttöä ja välillä puhdistamista Uusittava kokonaan muutaman vuoden välein Vaatii täyttöä ja välillä puhdistamista Neutralointimateriaali esimerkiksi Kalkkikivi (1-3 mm) Hävikkiä hienontumisen ja huuhtoutumisen kautta hieman ja lisäksi pinnoitumista Soveltuvuus Lohko, koko tuotantoalue ph:n nousu* Maltillinen Lohko Yli ph 10 Lohko Lohko, koko tuotantoalue Maltillinen Yli ph 10

27 Neutralointiratkaisujen haasteita Pinnoittumisen ehkäiseminen Liukoisuuden aikaansaaminen materiaali liikkeeseen (veden virtaus, pudotuskorkeus, pumppaus) Riittävä reagointiaika Vedenlaadun ja virtaamien suuri vaihtelu laitteiston koko ja neutralointimateriaalin annostelu Rakennusmateriaalien hankauksen, happamuuden ja toisaalta voimakkaan emäksisyyden kesto Kuva:Ari-Pekka Auvinen

28 Neutralointiratkaisujen haasteita 2 Materiaalien valinta Sivutuotteet yleensä halvempia kuin teollisesti valmistetut Kalkkikivituotteiden neutralointikapasiteetin riittävyys Sopivan neutralointiratkaisun valinnassa huomioitavia tekijöitä Kohteen pinta-ala, energian saatavuus, vedenlaatu ja virtaama

29 Kiitos Kysymyksiä?