CN109070095B - 包括化学固定化、聚合物絮凝和脱水的稠细粒尾矿的处理 - Google Patents

包括化学固定化、聚合物絮凝和脱水的稠细粒尾矿的处理 Download PDF

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Abstract

提供用于处理包括关注成分(CoC)和悬浮固体的稠细粒尾矿的工艺。所述工艺包括使所述稠细粒尾矿经历包括如下的处理：所述CoC的化学固定化，所述悬浮固体的聚合物絮凝，和脱水。所述化学固定化可包括添加使得实现所述CoC的不溶化的化合物。使所述稠细粒尾矿经历化学固定化和聚合物絮凝可促进产生准备好用于填筑的材料，这可使得能够将所述材料作为永久性水中存储结构(PASS)的部分处置。

Description

包括化学固定化、聚合物絮凝和脱水的稠细粒尾矿的处理
技术领域
本技术领域总体上涉及得自采矿作业例如油砂开采的稠细粒尾矿(thick finetailings)的处理。
背景技术
得自采矿作业的尾矿经常被放置在专用处置池中用于沉降(settling)。在尾矿池中细粒固体从水的沉降可为相对缓慢的过程并且可形成稠细粒尾矿的阶层(stratum)。
已经开发了某些技术来将稠细粒尾矿脱水。稠细粒尾矿的脱水可包括与絮凝剂接触，然后将絮凝的材料沉积在陆上沉积区上，在陆上沉积区中所沉积的材料可释放水并且最终干燥。用于处理稠细粒尾矿的其它技术包括添加石膏和砂以产生固结着的(consolidating)尾矿。
在使稠细粒尾矿脱水的情况下，为了促进有效填筑(reclamation)，存在与处理所述材料有关的许多挑战。
发明内容
在本文中描述了可在形成永久性水中存储结构(永久性水生存储结构，permanentaquatic storage structure)(PASS)的情况下使用的用于处理稠细粒尾矿的工艺和系统的数种实施。
在一种实施中，提供用于处理得自油砂提取并且包括包含沥青、环烷酸、砷和硒的关注成分(constituents of concern)(CoC)的成熟细粒尾矿(mature fine tailings)(MFT)的工艺。
该工艺包括从尾矿池收取MFT和提供所述MFT的在线流。所述工艺进一步包括将固定化用水溶液在线添加到所述MFT的在线流(in-line flow)中并且其与所述MFI在线混合，从而产生经预处理的尾矿流。所述固定化用水溶液包括选自多价无机盐的固定化用化学品(固定用化学品，immobilization chemical)。所述经预处理的尾矿流包括：被固定化的沥青-粘土复合物，其包括在带负电的沥青液滴和带负电的粘土颗粒之间形成阳离子桥的多价阳离子；被不溶化的环烷酸；被不溶化的砷；和被不溶化的硒。
所述工艺进一步包括将絮凝剂水溶液在线添加到所述经预处理的尾矿流中以形成絮凝着的(flocculating)材料；在线调理和运输所述絮凝着的材料以在水释放区中产生絮凝的材料；将所述絮凝的材料沉积到陆上沉积区上，从而容许释放水从富集固体的材料分离；和形成用于保持所述富集固体的材料和水帽的永久性水中存储结构(PASS)。所述PASS的形成包括在所述水帽下面形成固结着的富含固体的下部阶层；和保持所述被固定化的沥青-粘土复合物、所述被不溶化的环烷酸、所述被不溶化的砷和所述被不溶化的硒以抑制所述CoC向所述水帽中迁移。
在涉及固定化用水溶液的在线添加的某些实施中，所述固定化用水溶液可为中性的或酸性的。此外，可将所述固定化用化学品于在线添加到所述MFT的在线流中之前完全溶解在所述固定化溶液中。在一些实施中，所述固定化用化学品向所述MFT中的在线添加和在线混合以足以基本上抑制多价阳离子氢氧化物的聚集和促进在带负电的沥青液滴和带负电的粘土颗粒之间的电荷中和的浓度和混合强度进行。在这点上，注意到，剂量和混合可导致阳离子氢氧化物的形成，虽然所述工艺和固定化效果不是根据这样的阳离子氢氧化物形成而设计的。所述工艺可包括使用如下的剂量和混合：其使这样的阳离子氢氧化物的聚集最小化，使得它通常不加入至固定化机理。
所述固定化用化学品可包括二价阳离子或三价阳离子。所述固定化用化学品可包括铝阳离子、三价铁阳离子、钙阳离子、或硫酸根阴离子。替代地，固定化用化学品可包括石膏和/或明矾或者由石膏和/或明矾构成。在涉及所述固定化用化学品的浓度的某些实施中，所述固定化用化学品可以低于其水饱和度的浓度添加。所述固定化用化学品可选择成如下、配制成如下和/或以如下的浓度添加：将存在于所述MFT中的沥青、环烷酸、砷和硒的基本上全部固定化，任选地，将所述MFT中存在的CoC的基本上全部都固定化，和进一步任选地，与不包括固定化用化学品的添加的对应工艺相比，避免增加絮凝剂剂量超过20％或者超过10％来实现相同的稳态沉积物粘土对水比率(CWR)。
关于所述絮凝剂水溶液的在线添加的工艺步骤，所述絮凝剂水溶液可包括阴离子型聚合物絮凝剂，可将其在添加至所述经预处理的尾矿流之前完全地溶解在所述絮凝剂水溶液中之中。在一些实施中，所述阴离子型聚合物絮凝剂包括具有高分子量的基于钠的聚合物絮凝剂或基于钙的聚丙烯酰胺-聚丙烯酸盐共聚物。
关于所述絮凝着的材料的在线调理的工艺步骤，该步骤可由管路(pipeline)剪切构成：所述管路剪切被管理成将所述絮凝着的材料的屈服强度提高至最大值，然后将所述屈服强度降低以实现所述水释放区，同时避免过剪切。
关于PASS实施，所述工艺可进一步包括管理所述PASS以使所述水帽适合于支持水生生物。在一些实施中，所述管理包括将淡水供应到所述水帽中；任选地构建和维护填筑地貌(landform)，其任选地包括岸线(shoreline)、沿岸带(littoral zone)、水进口和水出口。所述管理还可包括监测所述水帽的组成，和进一步任选地控制所述水帽的水位。此外，所述工艺可包括在所述水帽和所述富含固体的下部阶层之间中提供焦炭中间层。在另外的实施中，所沉积的富集固体的材料在沉积之后保持在原地并且形成所述PASS的固结着的富含固体的下部阶层。替代地，所述沉积的富集固体的材料在沉积之后未被移位。
在另一实施中，提供用于处理包括CoC和悬浮固体的稠细粒尾矿的工艺。任选地，所述稠细粒尾矿包括得自油砂提取的成熟细粒尾矿。所述工艺包括使所述稠细粒尾矿经历化学固定化和聚合型絮凝(聚合物絮凝，polymeric flocculation)以将所述CoC以化学方式固定化和使所述悬浮固体以聚合方式絮凝，以产生经处理的稠细粒尾矿；和将所述经处理的稠细粒尾矿脱水。所述脱水由此产生在所述CoC和所述悬浮固体方面贫化的水组分(含水组分，aqueous component)；和包括被以化学方式固定化的CoC和絮凝的固体的富集固体的组分。
关于固定化和絮凝工艺步骤，使所述稠细粒尾矿经历化学固定化和聚合型絮凝可包括将固定化用化学品添加至所述稠细粒尾矿以产生经预处理的尾矿；和将絮凝剂添加到所述经预处理的尾矿中以形成絮凝着的材料。任选地，所述固定化用化学品和所述絮凝剂是在线添加的。进一步任选地，所述固定化用化学品是作为固定化用水溶液的一部分添加的，和所述絮凝剂是作为絮凝剂水溶液的一部分添加的。在一些实施中，所述化学固定化包括将溶解的或可溶性的CoC不溶化，和任选地在带负电的CoC和带负电的矿物颗粒之间形成阳离子桥。
关于所述脱水工艺步骤，所述脱水可包括将所述经处理的稠细粒尾矿沉积到倾斜的陆上滩(sub-aerial beach)上。在一些实施中，所述脱水包括将所述经处理的稠细粒尾矿沉积到坑(pit)例如被采空的坑(其也可称为矿坑(矿井坑，mine pit))中。
在以上工艺的某些实施中，后者可进一步包括形成用于保持所述富集固体的组分的永久性水中存储结构(PASS)。所述PASS包括水帽；和在所述水帽下面并且抑制所述CoC向所述水帽中迁移的固结着的富含固体的下部阶层。
在另一实施中，提供用于处理包括CoC和悬浮固体的稠细粒尾矿的工艺。所述工艺包括使所述稠细粒尾矿经历化学固定化以将所述CoC固定化和产生经预处理的尾矿材料。所述工艺进一步包括使所述经预处理的尾矿材料经历聚合型絮凝以使所述悬浮固体絮凝和产生絮凝的尾矿材料；和将所述絮凝的尾矿材料脱水。所述脱水由此产生在所述CoC和所述悬浮固体方面贫化的水组分；和包括被以化学方式固定化的CoC和絮凝的固体的富集固体的组分。
在另一实施中，提供用于处理包括CoC和悬浮固体的稠细粒尾矿的工艺。所述工艺包括使所述稠细粒尾矿经历聚合型絮凝以使所述悬浮固体絮凝和产生絮凝的尾矿材料；和将所述絮凝的尾矿材料脱水。所述脱水由此产生在所述悬浮固体方面贫化并且包括CoC的水组分；和包括絮凝的固体的富集固体的组分。所述工艺进一步包括使所述水组分经历化学固定化以将所述CoC固定化和产生污染物贫化的水物流和包括被固定化的CoC的富集污染物的物流。
在另一实施中，提供用于处理包括CoC和悬浮固体的稠细粒尾矿的工艺。所述工艺包括使所述稠细粒尾矿经历聚合型絮凝以使所述悬浮固体絮凝和产生絮凝的尾矿材料；使所述絮凝的尾矿材料经历化学固定化以将所述CoC固定化；和将所述絮凝的尾矿材料脱水。所述脱水产生在所述CoC和所述悬浮固体方面贫化的水组分；和包括被以化学方式固定化的CoC和絮凝的固体的富集固体的组分。
在另一实施中，提供用于处理包括CoC和悬浮固体的稠细粒尾矿的工艺。所述工艺包括将固定化用化学品和聚合物絮凝剂同时添加到所述稠细粒尾矿中，以将所述CoC以化学方式固定化和使所述悬浮固体以聚合方式絮凝；和将所述稠细粒尾矿脱水。所述脱水由此产生在所述CoC和所述悬浮固体方面贫化的水组分；和包括被以化学方式固定化的CoC和絮凝的固体的富集固体的组分。
在另一实施中，提供用于处理包括CoC和悬浮固体的稠细粒尾矿的工艺。所述工艺包括向所述稠细粒尾矿添加聚合物型化合物。所述聚合物型化合物包括引起所述CoC的化学固定化的多价阳离子基团、和引起所述悬浮固体的聚合型絮凝的有机聚合物型基团。所述工艺进一步包括将所述稠细粒尾矿脱水以产生在所述CoC和所述悬浮固体方面贫化的水组分；和包括被以化学方式固定化的CoC和絮凝的固体的富集固体的组分。
在另一实施中，提供用于处理包括包含表面活性剂和可溶性的金属、准金属和/或非金属化合物的CoC的稠细粒尾矿的工艺。所述工艺包括将固定化用化学品添加到所述稠细粒尾矿中以将所述CoC固定化和产生经预处理的尾矿。所述经预处理的尾矿包括被不溶化的表面活性剂；和被不溶化的金属、准金属和/或非金属化合物。所述工艺进一步包括将絮凝剂添加到所述经预处理的尾矿中以使悬浮固体絮凝和形成絮凝着的材料；调理所述絮凝着的材料以产生絮凝的材料；和将所述絮凝的材料脱水。所述脱水产生在所述CoC和悬浮固体方面贫化的水组分；和包括所述被不溶化的表面活性剂、所述被不溶化的金属、准金属和/或非金属化合物和所述絮凝的固体的富集固体的组分。
在另一实施中，存在用于处理包括包含烃、表面活性剂和可溶性的金属、准金属和/或非金属化合物的CoC的稠细粒尾矿的工艺。所述工艺包括将固定化用化学品添加到所述稠细粒尾矿中以将所述CoC固定化和产生经预处理的尾矿。所述经预处理的尾矿包括被固定化的烃-矿物复合物；被不溶化的表面活性剂；和被不溶化的金属、准金属和/或非金属化合物。所述工艺进一步包括将絮凝剂添加到所述经预处理的尾矿中以使悬浮固体絮凝和形成絮凝着的材料；调理所述絮凝着的材料以产生絮凝的材料；和将所述絮凝的材料脱水。所述脱水产生在所述CoC和悬浮固体方面贫化的水组分；和包括所述被固定化的烃-矿物复合物、所述被不溶化的表面活性剂、所述被不溶化的金属、准金属和/或非金属化合物和所述絮凝的固体的富集固体的组分。
在另一实施中，存在处理包括CoC和悬浮固体的稠细粒尾矿的工艺。所述工艺包括将基于硫酸铝的化合物添加到所述稠细粒尾矿中以将所述CoC固定化和产生经预处理的尾矿。所述基于硫酸铝的化合物是在足够的剂量和混合下添加的，使得铝阳离子在带负电的不混溶的CoC和带负电的粘土颗粒之间形成阳离子桥，以产生被固定化的复合物；和将溶解的CoC不溶化以形成被不溶化的CoC。所述工艺进一步包括将基于阴离子型聚丙烯酰胺的絮凝剂添加到所述经预处理的尾矿中以使所述悬浮固体絮凝和形成絮凝着的材料；调理所述絮凝着的材料以产生絮凝的材料；和将所述絮凝的材料脱水。所述脱水产生在所述CoC和悬浮固体方面贫化的水组分；和包括所述被固定化的复合物、所述被不溶化的CoC、和所述絮凝的固体的富集固体的组分。
在另一实施中，提供处理包括CoC和悬浮固体的稠细粒尾矿的工艺。所述工艺包括将基于硫酸钙的化合物添加到所述稠细粒尾矿中以将所述CoC固定化和产生经预处理的尾矿。所述基于硫酸钙的化合物是在足够的剂量和混合下添加的，使得钙阳离子在带负电的不混溶的CoC和带负电的粘土颗粒之间形成阳离子桥，以产生被固定化的复合物；和将溶解的CoC不溶化以形成被不溶化的CoC。所述工艺进一步包括将基于阴离子型聚丙烯酰胺的絮凝剂添加到所述经预处理的尾矿中以使所述悬浮固体絮凝和形成絮凝着的材料；调理所述絮凝着的材料以产生絮凝的材料；和将所述絮凝的材料脱水。所述脱水产生在所述CoC和悬浮固体方面贫化的水组分；和包括所述被固定化的复合物、所述被不溶化的CoC、和所述絮凝的固体的富集固体的组分。
在另一实施中，提供用于存储稠细粒尾矿的永久性水中存储结构(PASS)。所述PASS包括限定侧壁和底部的容纳结构；在所述容纳结构内的水帽；和在所述水帽下面的富含固体的下部阶层。所述富含固体的下部阶层包括经以聚合方式絮凝的固体和被固定化的CoC。
关于所述PASS的分层，所述富含固体的下部阶层可由如下形成：将通过化学固定化和聚合物絮凝而预处理的稠细粒尾矿排放到所述容纳结构中。任选地，所述富含固体的下部阶层来自沉积的经预处理的材料并且在沉积之后保持在原地。在一些实施中，所述PASS包括在所述水帽和所述富含固体的下部阶层之间中的中间层。所述中间层可由粗的粒状材料例如焦炭组成。所述焦炭可得自沥青加工操作。
在涉及所述被固定化的CoC的实施中，所述被固定化的CoC可包括被固定化的沥青-粘土复合物、被不溶化的CoC(例如被不溶化的表面活性剂和/或被不溶化的环烷酸、被不溶化的砷、被不溶化的硒、和/或被不溶化的重金属)并且可进一步选自二价和三价盐，包括明矾、石膏或两者。
在涉及所述水帽的实施中，所述PASS可包括用于将淡水引入到所述水帽中的淡水管线(line)；和/或用于从所述水帽除去再循环水的再循环水管线。所述水帽可具有适合于支持水生生物的组成。任选地，所述PASS包括选自岸线和沿岸带的填筑地貌，和/或配置用于监测所述水帽的组成的监测系统。
在另一实施中，提供用于处理包括CoC和悬浮固体的稠细粒尾矿的系统。所述系统包括：
用于运输所述稠细粒尾矿的尾矿供应管路；
用于添加固定化用化学品的与所述尾矿管路流体连通的固定化添加管线；
用于注入聚合物絮凝剂以产生絮凝尾矿材料的与所述尾矿管路流体连通的聚合物絮凝剂注射器；
用于运输和调理所述絮凝尾矿材料的与所述聚合物絮凝剂注射器流体连通的尾矿调理管路；
用于接收絮凝尾矿材料和将其沉积到陆上沉积区上的沉积出口；和
包括所述陆上沉积区并且配置成容纳所述絮凝尾矿材料并且容许水帽和在所述水帽下面的富含固体的下部阶层的形成的容纳结构，所述富含固体的下部阶层包括经以聚合方式絮凝的固体和被以化学方式固定化的CoC。
在另一实施中，提供用于处理包括悬浮固体和在水里是移动的CoC的细粒尾矿的工艺。所述工艺包括添加固定化用化学品以与所述CoC反应和使得能够将其固定化；和添加聚合物絮凝剂以使所述悬浮固体絮凝。所述工艺进一步包括产生经处理的尾矿材料；和将所述经处理的尾矿材料脱水。所述脱水产生水组分；和包括变成在水里是固定的CoC和絮凝的固体的富集固体的组分。
在涉及固定化和絮凝的实施中，所述固定化用化学品可包括二价阳离子和/或三价阳离子，任选地石膏和/或明矾。可选择所述固定化用化学品以将沥青通过与悬浮的粘土进行阳离子桥接而固定化、将环烷酸固定化、将砷固定化、和/或将硒固定化。所述固定化用化学品和所述聚合物絮凝剂可各自在线添加，和进一步任选地各自溶解在相应的水溶液中添加。此外，所述絮凝剂可包括阴离子型聚合物絮凝剂，例如具有高分子量的基于钠的或基于钙的聚丙烯酰胺-聚丙烯酸盐共聚物。
在涉及脱水的实施中，所述脱水可包括将所述经处理的尾矿材料连续地排放到坑中以容许从所述富集固体的组分的初始水释放；和将所述富集固体的组分压缩到随后沉积的经处理的尾矿和/或水帽下面。
在以上工艺的某些实施中，后者可进一步包括形成用于保持所述富集固体的组分的永久性水中存储结构(PASS)，其被任选地容纳在矿坑中。所述PASS包括水帽；和在所述水帽下面并且抑制所述CoC向所述水帽中迁移的固结着的富含固体的下部阶层。所沉积的富集固体的组分可在沉积之后保持在原地并且可形成所述PASS的所述固结着的富含固体的下部阶层。
任选地，所述工艺还包括管理所述PASS以使所述水帽适合于支持水生生物。所述管理可包括将淡水供应到所述水帽中；填筑地貌的构建和维护；监测所述水帽的组成；和/或控制所述水帽的水位。
关于所述经处理的尾矿材料的操作，所述经处理的尾矿材料可被排放，使得初始水释放导致在所述富集固体的组分中至少0.5、0.6、0.65、0.70、0.75、0.80、0.85、0.90、0.95或1的初始粘土对水比率(CWR)。所述经处理的尾矿材料可被排放在陆上，和可被排放以避免过剪切所述经处理的尾矿材料中的絮凝体(flocs)。任选地，将所述经处理的尾矿材料有意地剪切以便以初始水释放为代价来改善从沉积物的长期水释放，并且进一步任选地以达到在约50μm和约200μm之间的目标絮凝体尺寸以增强长期水释放。絮凝体尺寸测量可使用多种设备和技术例如聚焦光束反射测量(FBRM)设备进行。
在另一实施中，提供用于处理稠细粒尾矿的工艺。所述工艺包括将固定化用化学品添加至所述稠细粒尾矿以形成经预处理的材料；和使所述经预处理的材料经历管路剪切调理以形成经调理的经预处理的材料。提供所述管路剪切调理，使得所述经调理的经预处理的材料具有目标流变特性。所述工艺进一步包括将絮凝剂添加至所述经调理的经预处理的材料以产生絮凝的材料；和将所述絮凝的材料脱水。
在涉及剪切调理的某些实施中，可进行所述工艺的管路剪切调理以将所述经预处理的材料的屈服应力从初始屈服应力向上改变为上部峰值(crest)屈服应力，然后向下改变为在所述初始屈服应力和所述上部峰值屈服应力之间中的下部屈服应力，使得所述经调理的经预处理的材料具有所述下部屈服应力。任选地，进行所述管路剪切调理，使得所述下部屈服应力呈现出从所述上部峰值屈服应力起约30％-80％的屈服应力降低。进一步任选地，进行管路剪切调理，使得所述下部屈服应力比所述上部峰值屈服应力低至少约25Pa，或者为在约10Pa和约15Pa之间。还可进行所述管路剪切调理，使得所述下部屈服应力在屈服应力对时间的总体上平坦的平台上。此外，可进行所述管路剪切调理以产生具有提高的屈服应力的凝胶状态的经预处理的材料；然后产生具有未凝胶化状态和与所述凝胶状态的经预处理的材料相比降低的屈服应力的经调理的经预处理的材料。任选地，进行所述管路剪切调理，使得所述经调理的经预处理的材料在向其添加所述絮凝剂时具有湍流制度(型态，regime)。进一步任选地，根据赋予所述经预处理的材料的剪切强度、剪切持续时间和/或总剪切能量控制所述管路剪切调理。
在涉及固定化的某些实施中，将所述固定化用化学品添加至所述稠细粒尾矿可经由管道(pipe)接头(junction)在线进行。可将所述固定化用化学品和所述稠细粒尾矿供应通过静态混合器以形成所述经预处理的材料；和可将所述经预处理的材料供应通过调理管路以在添加所述絮凝剂之前向所述经预处理的材料赋予所述管路剪切调理的全部。任选地，所述固定化用化学品包括明矾、石膏、或硫酸铁。
在另一实施中，提供用于处理稠细粒尾矿的工艺。所述工艺包括将包括固定化用化学品的酸性溶液添加至具有初始尾矿pH的所述稠细粒尾矿以形成具有降低的pH的经预处理的材料；和使所述经预处理的材料经历管路剪切调理以形成经调理的经预处理的材料。提供所述管路剪切调理，使得所述经调理的经预处理的材料至少具有比所述降低的pH大的目标pH。所述工艺进一步包括将絮凝剂添加至所述经调理的经预处理的材料以产生絮凝的材料；和将所述絮凝的材料脱水。
在所述工艺的一些实施中，将所述酸性溶液添加至所述稠细粒尾矿是经由管道接头在线进行的；将所述固定化用化学品和所述稠细粒尾矿供应通过静态混合器以形成所述经预处理的材料；将所述经预处理的材料供应通过调理管路以在添加所述絮凝剂之前向所述经预处理的材料赋予所述管路剪切调理的全部。
在涉及剪切的某些实施中，可进行所述管路剪切调理，使得所述目标pH为至少7.5或至少8。任选地，进行所述管路剪切调理，使得所述目标pH比对于在添加所述酸性溶液之后的所述经预处理的材料获得的最低pH高至少15％、至少25％、至少50％、至少75％或更高。还可进行所述管路剪切调理，使得所述目标pH与所述初始尾矿pH相差不超过10％。可进一步进行所述管路剪切调理以实现基于所述絮凝剂的最佳活性的所述目标pH。
在涉及固定化的某些实施中，所述酸性溶液包括硫酸。所述固定化用化学品可包括明矾、石膏、或硫酸铁。可将所述固定化用化学品在添加至所述稠细粒尾矿之前完全溶解在所述酸性溶液中。
在另一实施中，提供用于处理稠细粒尾矿的工艺。所述工艺包括将固定化用化学品添加至所述稠细粒尾矿和将其供应至混合器以形成经预处理的材料。所述固定化用化学品剂量是基于所述混合器以及所述稠细粒尾矿的密度特性确定的。所述工艺进一步包括使所述经预处理的材料经历管路剪切调理以形成经调理的经预处理的材料。所述工艺还包括将絮凝剂添加至所述经调理的经预处理的材料以产生絮凝的材料；和将所述絮凝的材料脱水。
在以上工艺的某些实施中，将所述固定化用化学品经由管道接头、任选地T接头添加至所述稠细粒尾矿，并且所述混合器为位于所述管道接头下游并且邻近所述管道接头的静态混合器。可在添加所述固定化用化学品之前在线测量所述稠细粒尾矿的密度特性，并且使用在线密度测量结果来控制所述固定化用化学品剂量。
在另一实施中，提供用于处理稠细粒尾矿的工艺。所述工艺包括将固定化用化学品添加至所述稠细粒尾矿以形成经预处理的材料；和使所述经预处理的材料经历剪切调理以形成经调理的经预处理的材料。所述工艺进一步包括将絮凝剂添加至所述经调理的经预处理的材料以产生絮凝着的材料；和使所述絮凝着的材料经历剪切调理以将絮凝体尺寸提高至上部水平和然后将所述絮凝体破碎并且将絮凝体尺寸降低至在目标絮凝体尺寸范围内，从而形成经调理的絮凝的材料。所述工艺还包括将所述经调理的絮凝的材料排放到坑中以使得实现所述絮凝体的沉降和固结以及水的分离以形成上部水帽，从而形成永久性水中存储结构(PASS)。
在以上工艺的一些实施中，所述目标絮凝体尺寸范围是基于在所述PASS内的最小沉降速率和最大的沉降的体积而预定的。任选地，所述目标絮凝体尺寸范围在约50微米和约200微米之间。进一步任选地，所述目标絮凝体尺寸范围足以提供对于在所述PASS内在1年内实现大于0.65的粘土对水比率(CWR)而言的最小沉降速率；或者所述目标絮凝体尺寸范围是针对所述稠细粒尾矿的起始CWR设计的以在所述PASS内在1年内实现大于0.65的CWR。
在涉及剪切的某些实施中，使所述絮凝着的材料经历所述剪切调理可由如下构成：将所述絮凝着的材料在调理管路中管路剪切调理、任选地管道剪切调理以形成所述经调理的絮凝的材料。所述经调理的絮凝的材料向所述坑中的排放可在离开所述调理管路之后立即进行。
在涉及传送的某些实施中，所述工艺进一步包括将所述经调理的絮凝的材料从所述调理管路传送至排放位置。所述传送可经由与所述调理管路的下游端流体地耦合的传送管路进行。所述传送管路可位于所述坑的倾斜侧上，和/或可配置和运行成使得所述经调理的絮凝的材料在非湍流制度下流经其。替代地，所述传送管路可配置和运行成使得所述经调理的絮凝的材料在层流制度下流经其。此外，所述传送可在低到足以将絮凝体尺寸基本上保持在所述目标絮凝体尺寸范围内的剪切条件下进行。
在另一实施中，提供用于处理稠细粒尾矿的工艺。所述工艺包括将固定化用化学品添加至所述稠细粒尾矿以形成经预处理的材料；和使所述经预处理的材料经历剪切调理以形成经调理的经预处理的材料。所述工艺还包括将絮凝剂添加至所述经调理的经预处理的材料以产生絮凝着的材料；和使所述絮凝着的材料经历剪切调理以形成经调理的絮凝的材料。所述工艺进一步包括将所述经调理的絮凝的材料在非湍流条件下和在如下的剪切速率和能量条件下传送至排放位置：其比用于形成所述经调理的絮凝的材料的剪切调理的那些低。所述工艺然后包括将在所述排放位置处的所述经调理的絮凝的材料排放于坑中以使得实现所述絮凝体的沉降和固结以及水的分离以形成上部水帽，从而形成永久性水中存储结构(PASS)。
在涉及剪切的某些实施中，使所述絮凝着的材料经历剪切调理是在调理管路中进行的以将所述絮凝着的材料的屈服应力提高至上部峰值，然后使所述屈服应力降低并且进入其中水从絮凝体释放的水释放区。
在涉及传送的某些实施中，所述传送经由与所述调理管路的下游端流体地耦合的传送管路进行。所述传送管路可位于所述坑的倾斜侧上；和/或可配置和运行成使得所述经调理的絮凝的材料在层流制度下流经其。所述传送可在低到足以基本上将絮凝体尺寸保持不变的剪切条件下进行。所述传送管路可具有比所述调理管路的管道直径大的管道直径，并且可运行成使得通过其的流速(flow rate)比所述调理管路的流速低。任选地，所述传送管路包括平行排列并且与所述调理管路流体连通的多个传送管道段。所述多个传送管道段可对安置成用于将调理着的絮凝的材料排放到所述坑中的不同位置处的相应排放单元进行供应。任选地，所述工艺可进一步包括随着在所述坑内流体上升而将所述传送管路移位。
在涉及固定化和絮凝的某些实施中，将所述固定化用化学品添加至所述稠细粒尾矿、使所述经预处理的材料经历剪切调理、将所述絮凝剂添加至所述经调理的经预处理的材料、和使所述絮凝着的材料经历剪切调理的步骤均在与所述坑间隔开的位置处进行。替代地，这些相同的步骤可全部通过未被移位的装备进行。
在另一实施中，提供用于处理稠细粒尾矿的工艺。所述工艺包括将固定化用化学品添加至所述稠细粒尾矿以形成经预处理的材料，所述固定化用化学品包括三价铁阳离子；和使所述经预处理的材料经历剪切调理以形成经调理的经预处理的材料。所述工艺还包括将絮凝剂添加至所述经调理的经预处理的材料以产生絮凝的材料；和将所述经调理的絮凝的材料排放到坑中以使得实现所述絮凝体的沉降和固结以及水的分离以形成上部水帽，从而形成永久性水中存储结构(PASS)。任选地，所述固定化用化学品包括硫酸铁。
在另一实施中，提供用于处理包括关注成分(CoC)和悬浮固体的稠细粒尾矿的工艺。所述工艺包括使所述稠细粒尾矿经历化学固定化和聚合型絮凝以将所述CoC以化学方式固定化和使所述悬浮固体以聚合方式絮凝，以产生经处理的稠细粒尾矿。所述化学固定化包括添加硫酸铁。所述工艺进一步包括将所述经处理的稠细粒尾矿脱水以产生在所述CoC和所述悬浮固体方面贫化的水组分；和包括被以化学方式固定化的CoC和絮凝的固体的富集固体的组分。
在另一实施中，提供用于处理得自油砂提取并且包括包含沥青、环烷酸、砷和硒的关注成分(CoC)的成熟细粒尾矿(MFT)的工艺。所述工艺包括从尾矿池收取MFT；提供所述MFT的在线流；将固定化用水溶液在线添加到所述MFT的在线流中并且与其在线混合，从而产生经预处理的尾矿流。所述固定化用水溶液包括包含硫酸铁的固定化用化学品。所述经预处理的尾矿流包括包含在带负电的沥青液滴和带负电的粘土颗粒之间形成阳离子桥的三价铁阳离子的被固定化的沥青-粘土复合物；被不溶化的环烷酸；被不溶化的砷；和被不溶化的硒。所述工艺进一步包括将絮凝剂水溶液在线添加到所述经预处理的尾矿流中以形成絮凝着的材料；和在线调理所述絮凝着的材料以在水释放区中产生絮凝的材料。所述工艺还包括将所述絮凝的材料排放到坑中和容许释放水从富集固体的材料分离。所述工艺另外包括在所述坑中形成永久性水中存储结构(PASS)用于保持所述富集固体的材料和水帽。所述富集固体的材料形成在所述水帽下面的固结着的富含固体的下部阶层；并且保持所述被固定化的沥青-粘土复合物、所述被不溶化的环烷酸、所述被不溶化的砷和所述被不溶化的硒以抑制所述CoC向所述水帽中迁移。
附图说明
图1为一种实例稠细粒尾矿脱水操作的流程图。
图2a-2e为说明稠细粒尾矿脱水操作的任选实例的流程图。
图3为通过使用不同化学品，不同的CoC从MFT释放水的相对除去效率的图。
图4a和4b为对于不同CoC，除去百分比对明矾浓度的图。
图5为释放水电导率和钙浓度对明矾浓度的图。
图6a和6b为对于不同CoC，除去百分比对石膏浓度的图。
图7为释放水电导率和钙浓度对石膏浓度的图。
图8a-8c为对于显示CWR响应的三种aPAM，聚合物絮凝剂剂量对明矾剂量的图。
图9a为对于所述三种aPAM，25小时CWR对明矾浓度的图；和图9b为对于所述三种aPAM，最佳聚合物剂量对明矾浓度的图。
图10a为对于所述三种aPAM，25小时CWR对石膏浓度的图；和图10b为对于所述三种aPAM，最佳聚合物剂量对石膏浓度的图。
图11a和11b为对于aPAM聚合物B和C，在添加明矾的情况下，最佳聚合物剂量对混合速度的图。
图12a和12b分别为对于aPAM聚合物B和A，聚合物絮凝剂剂量对石膏剂量的图。
图13a和13b为金属浓度(砷和硒)对为了在PASS地貌封闭之后10年将浓度降低至低于目标水平而用淡水稀释的百分比的图。
图14为环烷酸浓度对用淡水稀释的百分比的图。
图15为水力电导率对用淡水稀释的百分比的图。
图16为对于明矾、硫酸和硫酸铁，被隔绝(sequester)在尾矿中的沥青的百分比对固定化用化学品剂量的图。
图17为对于明矾、硫酸和硫酸铁，释放水中的总有机碳含量对固定化用化学品剂量的图。
图18为对于明矾、硫酸和硫酸铁，释放水中的砷含量对固定化用化学品剂量的图。
图19为对于明矾、硫酸和硫酸铁，释放水中的硒含量对固定化用化学品剂量的图。
图20为对于明矾、硫酸和硫酸铁，释放水中的环烷酸含量对固定化用化学品剂量的图。
图21为从化学固定化到排放到永久性水中存储结构PASS中的一种在线操作的示意图。
图22为化学固定化到排放到永久性水中存储结构PASS中的另一在线操作的示意图。
图23为对于两种类型的尾矿和混合速度，pH对混合时间的图。
图24为对于两种类型的尾矿和混合速度，pH对Kc的图。
图25为在具有0.2的进料CWR和425rpm的混合速度的MFT中，对于几种固定化用化学品剂量，静态屈服应力对混合时间的图。
图26为在具有0.3的进料CWR和425rpm的混合速度的MFT中，对于几种固定化用化学品剂量，静态屈服应力对混合时间的图。
图27为对于几种混合速度，静态屈服应力对混合时间的图。
图28为对于几种混合速度，静态屈服应力对Kc的图。
图29为对于具有0.35的进料CWR并且暴露于低剪切的经预处理的(对于该图和其它图，其可被认为是凝结的)MFT，总混合能量对絮凝剂剂量和对7天水澄清度的图。术语“cMFT”或“cTFT”可分别被认为是经预处理的和/或经凝结的MFT或TFT的简写。
图30为对于具有0.35的进料CWR并且暴露于低剪切的经预处理的MFT，总混合能量对絮凝剂剂量和对28天CWR的图。
图31为对于具有0.35的进料CWR并且暴露于高剪切的经预处理的MFT，总混合能量对絮凝剂剂量和对7天水澄清度的图。
图32为对于具有0.35的进料CWR并且暴露于高剪切的经预处理的MFT，总混合能量对絮凝剂剂量和对28天CWR的图。
图33为对于经预处理的细粒尾矿的两种混合时间，CWR对沉降时间的图。
图34为对于两种进料CWR和三种沉积物高度，CWR对沉降时间的图。
图35为对于两种聚合物剂量和两种剪切速率，CWR对沉降时间的图。
图36为对于两种聚合物剂量和两种Rate，CWR对沉降时间的图。
图37为对于两种进料CWR和两种Rate，CWR对沉降时间的图。
图38为对于两种总能量、两种剪切速率和两种Rate，CWR对沉降时间的图。
图39为对于三种聚合物剂量和三种T50，CWR对沉降时间的图。
图40为对于四种聚合物剂量，(在聚合物注入之前、期间和之后的)平均絮凝体尺寸对混合时间的图。
图41为对于四种进料CWR，平均絮凝体尺寸对总能量的图。
图42为在0ppm明矾和1300g/T聚合物下，对于两种Rate，，CWR对沉降时间的图。
图43为在950ppm明矾和1400g/T聚合物下，对于两种Rate，CWR对沉降时间的图。
图44为在950ppm明矾和2800g/T聚合物下，对于两种Rate，CWR对沉降时间的图。
图45为对于经预处理的和絮凝的MFT和对于絮凝的MFT，柱标高(elevation)对CWR的图。
图46为对于经预处理的和絮凝的MFT和对于絮凝的MFT，柱标高对矿物上的粘土百分比的图。
具体实施方式
本文中描述的技术涉及包括关注成分(CoC)和悬浮固体的稠细粒尾矿的处理。可使所述稠细粒尾矿经历包括所述CoC的化学固定化、所述悬浮固体的聚合物絮凝、以及脱水的处理。
处理所述尾矿的长期结果可为包括适合于支持水生生物和休闲活动的水帽的永久性水中存储结构(PASS)。描述了如下技术：其促进经处理的稠细粒尾矿沉积在沉积场所处，所述沉积场所随着时间流逝而变成所述PASS。在一些实施中，在所述稠细粒尾矿的脱水期间从水分离的固体不需要被(例如从干燥用区域)移位(对于用于将稠细粒尾矿脱水的其它已知技术，情况可为如此)。相反，所述固体保持在原地并且在所述PASS的底部处形成固体的淀积层的基础。已知用于处理尾矿的之前的技术使用聚合物絮凝来将稠细粒尾矿的物流脱水。然而，所述PASS技术另外保证处理所述稠细粒尾矿以提供CoC的化学固定化(所述CoC否则将残留在水中或迁移到水中)，使得固有地形成于所述固体、淀积层上面的水层让CoC被除去，从而容许所述水帽成为其可支持水生生物的品质。虽然PASS的尺寸可变化，但是在一些实施中所述PASS可容纳100,000,000-300,000,000立方米的体积并且在其最大深度处可为大约100米深。使用该规模的PASS，来自经处理的稠细粒尾矿的絮凝的材料可直接被沉积到邻近于所述PASS占用空间(footprint)和/或形成所述PASS占用空间的部分的陆上沉积区上。在将经处理的稠细粒尾矿进料到所述PASS中的矿井封闭之后的相对短的时间例如10年内，所述尾矿的填筑完成。即，所述固体被包含在所述PASS的基础中并且CoC被固定化在所述固体层内。所述水帽具有支持水生生物和休闲活动的品质。
例如，在包括CoC例如溶解的金属、准金属和/或非金属、环烷酸和沥青的油砂成熟细粒尾矿(MFT)的情况下，所述化学固定化可包括添加除了沥青液滴与悬浮的粘土的化学桥接之外还使得实现所述金属、准金属和/或非金属、以及环烷酸的不溶化的化合物。还可使所述MFT经历聚合物絮凝，其可包括添加聚合物絮凝剂溶液，之后为管路调理。然后可将已经经历固定化和絮凝的MFT脱水。所述脱水可通过将所述絮凝的尾矿材料供应至脱水设备和/或陆上沉积场所而进行。虽然在本文中讨论和涉及得自油砂提取操作的MFT，但是应注意，可使用本文中描述的技术处理多种其它包含污染物的尾矿和淤浆物流。
应注意，表述“关注成分”(CoC)中的术语“成分”可被认为包括或对应于被某些学会、监管机构、或其它组织认为是“污染物”的物质，其按照管辖区域和按照评价标准可变化。
在一些实施中，使所述稠细粒尾矿经历化学固定化和聚合物絮凝便于产生准备好用于填筑的材料，这可使得能够将所述材料作为永久性水中存储结构(PASS)的部分处置。
尾矿是得自采矿提取过程的剩余材料。许多不同类型的尾矿可使用本文中描述的技术的一种或多种处理。在一些实施中，本文中描述的技术可用于“稠细粒尾矿”，其中稠细粒尾矿主要包括水和细粒。所述细粒为具有最高达约44微米的各种尺寸的小的固体粒子。所述稠细粒尾矿具有这样的固体含量：其中细粒部分足够高，使得细粒倾向于保持悬浮于所述水中并且所述材料具有缓慢的固结速率。更特别地，所述稠细粒尾矿可具有小于或等于1的粗颗粒对所述细粒的比率。所述稠细粒尾矿具有这样的细粒含量：其足够高，使得所述细粒的聚合物絮凝和絮凝的材料的调理可实现其中释放水可流动通过絮凝体和从絮凝体流走的两相材料。例如，稠细粒尾矿可具有在10重量％和45重量％之间的固体含量、和基于全部固体的至少50重量％的细粒含量，从而赋予所述材料相对低的砂或粗固体含量。所述稠细粒尾矿可收取自例如尾矿池，并且可包括通常被称作“成熟细粒尾矿”(MFT)的事物。
MFT指的是典型地在尾矿池中形成层并且包含水和提高含量的显示出相对缓慢的沉降速率的细粒固体的尾矿流体。例如，当将全尾矿(其包括粗固体材料、细粒固体、和水)或者稀细粒尾矿(其包括相对低含量的细粒固体和高的水含量)供应至尾矿池时，所述尾矿随着时间流逝而通过重力分离成不同层。底部层主要为粗材料例如砂，并且顶部层主要为水。中间层是相对地砂贫化的，但是仍然具有相当量的悬浮在水相中的细粒固体。该中间层经常被称作MFT。MFT可由得自不同类型的所开采矿石的加工的多种不同类型的尾矿形成。虽然当得自供应自提取操作的某些全尾矿时MFT的形成典型地花费相当量的时间(例如，在所述池中在重力沉降条件下在1和3年之间)，但是应注意，可更快速地形成MFT和MFT状材料，这取决于所述尾矿的组成和后提取加工(其可包括在将经加工的尾矿供应至尾矿池之前增稠或可除去一定量的粗固体和/或水的其它分离步骤)。
在一种实施中，使所述稠细粒尾矿首先经历化学固定化，之后聚合物絮凝，然后脱水以产生其中CoC被固定化的富集固体的尾矿材料。在由于多种原因，在某些浓度下、在某些基质内、和/或以某些化学形式，某些成分的存在可为不期望的意义上，CoC有时可被称为污染物。以下进一步详细地描述了包括化学固定化、聚合物絮凝和脱水的多种尾矿处理。
化学固定化
取决于所开采矿石的性质和用于从所述矿石提取有价值化合物的加工技术，稠细粒尾矿可包括许多CoC。稠细粒尾矿可包括溶解的CoC、在水中不混溶的分散的CoC、以及细小的悬浮固体。
例如，得自油砂开采的稠细粒尾矿可包括金属(例如重金属)、多原子非金属(例如硒)、准金属(例如砷)、表面活性剂(例如环烷酸)、残留沥青、以及其它CoC。所述CoC可以多种形式和作为多种化合物的部分存在于所述尾矿材料中。为了填筑所述稠细粒尾矿，可处理所述CoC，使得包括经处理的尾矿的最终地貌满足法规要求。
在一些实施中，用于处理稠细粒尾矿的工艺包括沥青的固定化；由于表面活性剂、金属、非金属和/或准金属引起的毒性的除去；和淤浆材料的聚合物絮凝以降低所得经处理的细粒尾矿地貌的水力电导率。
在一些实施中，可将所述稠细粒尾矿用可包括多价阳离子(例如三价或二价)的固定化用化学品处理。所述多价阳离子可作为无机盐的部分添加。所述多价盐可预先溶解在水溶液(其可为例如酸性的或中性的)中来添加至所述稠细粒尾矿。可使用多种多价无机盐作为固定化用化学品。例如，对于某些CoC的化学固定化，可使用硫酸铝(例如在可为硫酸的酸溶液中)、硫酸铝钾、铁硫酸盐或氯化物或水合硫酸钙(石膏)。例如，三价阳离子Fe3+可作为硫酸铁(III)Fe2(SO4)3的部分添加。将硫酸铁添加至所述稠细粒尾矿可提供某些优点，例如较低的潜在H2S排放。
添加至稠细粒尾矿的所述多价阳离子可发挥多种作用。一种作用是，所述多价阳离子可在所述细粒尾矿中的带负电的沥青液滴和带负电的粘土颗粒之间形成阳离子桥。该沥青液滴桥接可帮助将所述沥青固定化于在经处理的尾矿的脱水之后形成的富集固体的材料内。沥青液滴与粘土的化学桥接可降低气泡吸附到沥青上和从所述富集固体的材料迁移出来的可能性；或者沥青液滴与粘土的化学桥接可提高所述沥青液滴的密度和粘度并且防止在沉积物致密化时通过浮力作用在沉积物中向上迁移。因此，所述沥青可保持被固定化在所述固体材料内并且因此抑制其向相邻水域中的迁移。
所述多价无机盐的另一作用是将存在于所述稠细粒尾矿中的某些CoC不溶化。例如，表面活性剂、金属、非金属、准金属和其它化合物可以可溶物形式存在于所述细粒尾矿材料的水中。在得自油砂的稠细粒尾矿中，表面活性剂例如环烷酸就水毒性而言被认为是CoC。此外，化合物例如硒和砷也可存在并且受某些法规要求管制。所述多价无机盐的添加使得这样的溶解的CoC能够沉淀并且保持不溶化，使得所述CoC无法再溶解。不溶化使所述CoC从所述固体材料迁移出去或者进入水柱的风险降低。
在一些实施中，化学固定化是通过凝结剂的添加而进行的，所述凝结剂通过双层压缩(double-layer compression)使所述稠细粒尾矿中的颗粒失稳并且改变孔水化学性质。在此意义上，所述固定化用化学品可包括或者为用于使CoC从所述稠细粒尾矿凝结以形成凝结的CoC的凝结剂。所述凝结剂可包括如上所述的多价无机盐并且可包括其它各种常规的凝结剂物种。如将关于图2a-2e进一步描述的，通过将所述凝结剂添加至所述稠细粒尾矿而化学固定化可在絮凝之前、期间或之后进行，虽然在许多情况下预先添加可为优选的操作模式。
本文中涉及的某些化学品在水处理领域中可称作凝结剂并且可因此在本申请中称作“凝结剂”。然而，应注意，这样的化学品在本文中用于PASS技术中的固定化的目的，而不是如例如在水处理工业中所理解的仅凝结。在此意义上，术语“凝结剂”和“固定化用化学品”可为能互换地使用的，只要所述凝结剂发挥如本申请中所描述的固定化的作用。还应注意，本文中描述的某些固定化用化学品可或可不发挥凝结的作用。在一些实施中，将所谓的凝结剂以多于已知在水处理工业中用于凝结的量、例如多于用于仅凝结而不是固定化的目的的350ppm的量添加至所述细粒尾矿。注意到，在许多情况下，所添加的固定化用化学品将实际上导致一些或者显著的凝结。还注意到，可将通常不导致凝结的固定化用化学品与提供凝结效果的单独的凝结剂化学品一道使用。
固定化用化学品添加和混合到稠细粒尾矿中
当将所述固定化用化学品在絮凝之前的上游添加时，可规定所述固定化用化学品注入和后续的混合的某些特征以增强在絮凝之前的预处理(例如预凝结)。例如，所述固定化用化学品注射器、后续的混合器、以及通向所述絮凝剂注射器的管路长度和直径可设计和提供成保证期望的固定化用化学品混合和凝结时间以助长预凝结的优点。在一些情况下，所述固定化用化学品注射器可为在线添加单元例如T或Y管道接头，并且可在所述固定化用化学品注射器的下游提供至少一个静态混合器。不过应注意，所述固定化用化学品注射器可采取其它形式和具有用于添加所述固定化用化学品的替代构造。例如，所述固定化用化学品注射器可配置用于注入包括在溶液中(例如在含酸的水溶液中)的固定化用化学品物种的固定化用化学品溶液，并且因此可适合于液相注入所述固定化用化学品溶液到所述稠细粒尾矿的在线流中。替代地，某些固定化用化学品可以干料形式(例如粉末)添加并且所述固定化用化学品添加单元在这样的情况下可被设计用于干料添加。所述固定化用化学品添加单元可包括在线动态混合器(例如桨式混合器型)或其它类型的混合器单元。
在一些实施中，固定化用化学品剂量可基于多种因素确定，所述因素包括所述稠细粒尾矿的性质以及可存在的所述固定化用化学品添加单元和后续的混合器设备的配置。例如，在一些实施中，所述固定化用化学品可作为固定化用化学品溶液通过如下添加：在线添加到之后紧跟着混合器例如静态混合器的所述稠细粒尾矿的在线流中。固定化用化学品剂量可基于所述稠细粒尾矿的固体含量和/或密度以及所给的混合器设计(例如静态混合器的数量和类型)而确定和提供。例如，混合器效果可根据赋予所述固定化用化学品-尾矿混合物的剪切而预定，所述剪切可取决于稠细粒尾矿性质以及其它操作参数例如所述流体的流速和温度。
固定化用化学品剂量确定可采取多种形式。例如，给定具体的稠细粒尾矿密度和给定的混合器设计，可确定有效的固定化用化学品剂量的范围以及最佳的固定化用化学品剂量。这样的确定可基于实验室实验(例如使用间歇混合器单元例如搅拌容器)和/或小规模中试实验(例如小型连续在线添加和混合单元)确定。此外，可确定和使用对于将所述固定化用化学品在添加到所述稠细粒尾矿中时分散而言的固定化用化学品分散目标以提供通向所述固定化用化学品注射器的合适的管道长度和直径以保证在所述固定化用化学品注射器处所述尾矿的湍流。例如，目标剪切速率可在实验室和/或小规模单元上试验，并且对于大规模操作而言，通向所述固定化用化学品注射器的管路以及操作条件(例如流速)可相应地确定。例如，如果为了固定化用化学品添加而以所述稠细粒尾矿流的某一雷诺数(Re)为目标，则管路直径和流速可基于所要处理的所述稠细粒尾矿的密度和粘度而提供成保证最小的湍流水平。一旦所述系统可供使用并且管路直径被固定，则最小湍流水平可通过控制某些操作变量例如所述稠细粒尾矿的流速(例如通过上游泵调节)和可能地密度和/或粘度(例如通过稀释或加热而调节)而实现。
在一些情况下，固定化用化学品剂量和分散要求可部分地或主要地基于稠细粒尾矿密度和所给混合器设计而确定。还应注意，可使用其它方法来设计用于固定化用化学品添加、分散和后续的向絮凝步骤运输的系统。在一些实施中，所述稠细粒尾矿的流动制度在所述固定化用化学品添加点处为湍流并且在所述固定化用化学品添加点的刚好下游提供静态混合器以产生被彻底混合的凝结着的材料(通常其也可被称作经预处理的材料，因为凝结可存在或可不存在)，其然后被经由管路朝着絮凝步骤运输。
管路设计、流速控制以及所述稠细粒尾矿的决定性性质可用于在所述固定化用化学品添加点处实现第一湍流制度，而在所述固定化用化学品添加点下游的混合器设计可用于在所述工艺中的那点处实现第二湍流制度。所述第一和第二湍流制度可具有不同的最小目标阈值或者目标范围。
还应注意，可使用单个固定化用化学品添加点或多个固定化用化学品添加点。各个固定化用化学品添加点可具有后续的混合器布置，并且在各个添加点处的剂量可基于进来的尾矿物流的性质以及下游混合器设计而确定。
将经预处理的稠细粒尾矿管道输送(pipelining)去絮凝
在所述固定化用化学品的添加之后，在所述固定化用化学品和所述稠细粒尾矿的组分之间发生一系列的动力学限制的反应。在一些实施中，这些反应导致在管路运输期间在凝结着的稠细粒尾矿(其也可称作经预处理的TFT)中的pH和流变性变化。应注意，在pH和流变性方面的变化可进一步影响后续的工艺步骤、特别是絮凝阶段。混合强度对pH和流变性的影响在下文中进一步讨论并且也描述于实验部分中。
就pH而言，当所述固定化用化学品为作为含酸溶液的部分(例如，在硫酸溶液中的明矾)添加的碱性化合物时，所得固定化用化学品-尾矿混合物的pH可显示出初始的降低，之后升高，因为所述混合物缓冲回到更高的pH。图23和24说明该pH降低和后续的升高。其它试验已经显示，在固定化用化学品酸性溶液的添加之后，pH可向下至低达4.5或5。
在一些实施中，将所述凝结着的材料运输去絮凝的管路可配置和运行成至少赋予絮凝之前的所述凝结着的材料以目标管道-混合水平。例如，所述管路可具有足够的长度和直径以赋予管道-剪切混合，使得所述材料的pH已经弹回最小目标值或者在目标范围内。所述目标pH弹回值可为，例如，所述稠细粒尾矿的初始pH或者基于所述絮凝剂的最佳活性的期望的pH。在一些情况下，所述目标pH弹回值可在7.5和8.5之间。所述目标pH弹回值也可基于所获得的最低pH，例如基于由在固定化用化学品添加之后的初始降低获得的最低pH值的5％、10％、15％、20％、25％、35％、45％、55％、65％、75％、85％、95％或更高的pH升高。
此外，运输所述凝结着的材料的管路可在赋予所述材料的混合强度和/或总混合能量方面进行配置。例如，越高的混合强度可导致越快速的pH降低，之后越快速的pH升高(参见图23和24)。因此，除了管路长度之外还可考虑可影响混合强度的流速和管路直径，以提供在足够的时间尺度内赋予足够的混合能量以便在凝结的材料到达所述絮凝剂注射器时实现目标pH弹回值的尺寸和条件。
此外，还可测量所述稠细粒尾矿(例如CWR)的性质并且使用其来配置运输所述凝结着的材料的管路。如可在图23中看到的，越低的CWR可在一些混合强度下导致越快速的pH降低和弹回，特别是在所试验的100RPM混合强度下，其中对于0.2CWR的pH变化与0.35CWR相比更快。因此，所述稠细粒尾矿的CWR或其它性质(例如密度)可用于确定期望的管路配置和尺寸以实现目标pH弹回值。
在一些实施中，当使凝结着的材料经历基于管路运输和管道剪切的混合时，可发生某些流变性变化。例如，管路混合可在导致凝结着的材料达到后凝胶阶段状态的剪切条件下进行足够的时间，这可使后续步骤中的聚合物絮凝剂剂量减少。更特别地，可进行管路混合以导致凝结着的材料在屈服强度方面提高并且达到具有凝胶状性质的大体上凝胶状的状态，然后可继续管路混合，使得该凝胶状材料返回至具有淤浆状流体性质的未凝胶化状态。以此方式，可进行管路混合以保证在所述固定化用化学品和所述稠细粒尾矿的组分之间的凝结/固定化反应的充分进行，同时避免如果将所述絮凝剂与凝胶化的、高屈服强度材料混合会出现的困难。在这点上，应注意，凝胶状材料具有更高的屈服强度并且将更难以与所述絮凝剂混合。因此，在所述凝胶状材料已经“破碎”并且屈服强度已经显著降低之后将所述絮凝剂添加至凝结的淤浆可促进所述絮凝剂的快速且彻底的混合和降低的絮凝剂剂量需求。为了在絮凝之前实现这样的后凝胶阶段材料，可进行向凝结着的材料赋予足够的管路剪切能。可评估剪切强度和持续时间以及总混合能量以提供管路配置和运行条件(例如，管路直径和长度、流速等)，其也可基于所述材料的性质(例如密度、CWR、粘度、屈服强度等)。
在一些实施中，还可提供所述凝结着的材料的管路混合以保证凝结的淤浆在所述絮凝剂添加点处的湍流制度或目标湍流水平。所述凝结着的材料可因此沿着管路由于其变化的性质而具有不同的流动制度性质。管路直径和长度以及流速可提供成使得所述稠细粒尾矿在所述固定化用化学品添加点处和在所述絮凝剂添加点处具有湍流制度，而在这两个添加点之间中的某些点处的凝结着的材料的流动制度可为非湍流或层流。为了提供这样的流动制度性质，可控制许多因素，包括流速、管道尺寸(长度和直径)、固定化用化学品混合器类型和操作、固定化用化学品剂量、和进来的稠细粒尾矿性质(例如粘度或密度，其可通过例如预稀释而控制)。
应注意，在注入所述固定化用化学品和/或絮凝剂时，取决于相应的所注入化学品在初始混合状态下的混合要求，可使用不同的流动制度。因此，对于在注入某些化学品时的初始混合，可使用层流制度。
于在线系统中，应注意，所述絮凝剂注入的时机与所述固定化用化学品和絮凝剂注入点之间的距离有关。那些注入点之间的距离也可通过经预处理的细粒尾矿在所述固定化用化学品和絮凝剂注入点之间的混合在强度和时间方面表征。因此，混合时间和混合距离均可用于评估混合对所述凝结着的材料和所述絮凝剂添加点的影响。如上所述，所述固定化用化学品管路混合和所述絮凝剂注入点可提供成使得一旦凝结的材料已经离开凝胶阶段和/或经历pH弹回就添加所述絮凝剂。在另一实例中，在所述固定化用化学品注入点下游注入所述聚合物絮凝剂使得管路混合在临界混合范围内可促进增强的絮凝。临界混合范围可对于开放的管道配置通过使用各种经验和/或计算方法确定。此外，在动态桨式混合器中，已经发现，最佳聚合物絮凝剂剂量随着临界混合常数(Kc)升高(例如20至12,000的(Kc))而降低。对于间歇或在线搅拌釜叶轮容器确定的Kc值可用于帮助预测对于在线开放管道操作而言的临界混合范围，并且可使用基于坎普数(Camp Number)的比例缩放(scaling)方法。
在一些实施中，在注入所述絮凝剂之前进行预剪切以增强在凝结的尾矿内的均匀剪切。此外，可使用一个或多个在线高剪切静态混合器(或其它在线剪切设备)来增强或保证凝结的尾矿的芯在所述管道内的混合以在所述管道内进一步降低屈服应力。
在一些实施中，使所述凝结着的材料经历充分混合(例如管路剪切混合)以就其屈服应力性质而言在从峰值下降之后达到大体上稳定的屈服应力平台。图25-28说明对于所述固定化用化学品-尾矿混合物的混合而言屈服应力演变的实例曲线。在一些情况下，所述混合进行成达到目标屈服应力值或范围或者达到基于屈服应力的最大或平均峰值的目标屈服应力降低(例如最大或平均峰值的30％-80％、40％-70％、或50％-60％降低)。例如，如图25中所示，使用1800ppm的明矾剂量情况下，最大屈服应力为约25Pa，其降低至约10Pa-12Pa的平台值，这代表所述最大值的52％-60％的降低。
应注意，某些聚合物絮凝剂可对pH和流变性变化敏感。因此，聚合物絮凝剂消耗和沉积性能两者可受在所述固定化用化学品注入位置下游的所述聚合物絮凝剂注入位置影响。在一些实施中，可基于经历絮凝的经预处理的稠细粒尾矿的包括屈服强度和/或pH在内的性质增强所述絮凝剂注入的时机。在实验部分中还将讨论某些增强技术和与其相关的细节。还应注意，运输所述凝结着的材料的管路可具有多种布置，包括：由一系列的管道段构成的单个管路；或者管路网络，其包括分流器，所述分流器通到多个平行管路中，所述多个平行管路在絮凝之前可再接合为单个管路。这样的管路网络可配置成提高赋予所述材料的管路剪切，并且还可被控制和运行成在期望时赋予所述材料不同水平的剪切。还注意到，所述管路可包括沿着其长度布置的一个或多个剪切设备(例如静态混合器)以赋予所述材料以期望剪切的部分，并且这样的剪切设备和管路可布置成使得所述材料可通过或绕过所述剪切设备。
因此，可提供各种管路配置以产生准备好用于絮凝的经预处理的凝结的材料。例如，所述材料的混合强度、混合时间、管路长度以及直径、固定化用化学品剂量、屈服应力与流速是这样的相关的互相关联的因素：可对所述因素进行管理以产生在絮凝点处具有目标pH、屈服应力和流动制度特性的经预处理的凝结的材料。对于包括从所述固定化用化学品混合器到所述絮凝剂注射器的简单管路的在线系统而言，可鉴于流速和尾矿性质(特别是密度)而设计管路长度和直径以便在使得实现目标pH、屈服应力和流动制度特性的强度下和时间期间内赋予管道剪切能量。
该管路可沿着其长度的大部分或全部具有单一直径，或者其可在沿着其长度的特定位置处具有不同直径以在某些位置处实现期望的效果。例如，所述管路可包括具有相对小的第一直径的接近所述固定化用化学品添加点的管道段以赋予较高的剪切速率(即，较高的剪切强度)以在该上游位置处导致急剧的pH降低和/或急剧的屈服应力升高。所述管路还可包括具有为所述凝结着的材料提供期望的剪切能量和停留时间的管道长度和较大的第二直径的后续的中间管道段。该中间管道段可配置成赋予期望的混合能量和强度以实现期望的pH和屈服应力特性，但是未必以直接方式与湍流或流动制度有关。接着，所述管路可包括进料到所述絮凝剂注射器中的下游管道段，并且该管道段可具有较小的第三直径以在所述材料接触所述絮凝剂时保证湍流。该下游管道段可为长度相对短的，因为其仅仅必须将所述材料的湍流在絮凝剂添加之前斜线升高至期望的水平并且不必设计成赋予给定量的能量来用于pH和屈服应力演变。对于实现期望的pH、屈服应力和流动制度特性而言，多种其它管路配置也是可能的。例如，替代地，可增大管道段以保证层流。
絮凝
可将聚合物絮凝剂添加至所述细粒尾矿以使悬浮固体絮凝和促进水从絮凝的固体的分离。所述聚合物絮凝剂可针对所要处理的给定类型的细粒尾矿以及基于其它标准而选择。在油砂MFT的情况下，所述聚合物絮凝剂可为中等电荷(例如30％)高分子量阴离子型聚合物。所述聚合物絮凝剂可为基于聚丙烯酰胺的聚合物例如聚丙烯酰胺-聚丙烯酸盐共聚物。所述聚合物絮凝剂可具有多种结构性和功能性特征，例如支化的结构、剪切回弹性、对于快速-缓慢混合的水释放响应性、等等。
应注意，聚合物絮凝剂不限于中等电荷，因为改变pH可影响电荷要求。在一些实施中，所述聚合物絮凝剂电荷是根据pH选择的。
在一些实施中，总的絮凝和脱水操作可包括如下中描述的各种技术：加拿大专利申请No.2，701，317；加拿大专利申请No.2，820，259；加拿大专利申请No.2，820，324；加拿大专利申请No.2，820，660；加拿大专利申请No.2，820，252；加拿大专利申请No.2，820，267；加拿大专利申请No.2，772，053；和/或加拿大专利申请No.2，705，055。这样的技术–包括涉及如下的那些：絮凝剂选择；快速分散；管路絮凝和水释放调理(容忍，condoning)；基于坎普数的设计和操作；注射器设计和操作；陆上沉积和操作；预剪切；预稀化；和预筛选–可用于或者修改用于与涉及化学固定化、聚合物絮凝和脱水的本文中描述的技术一起使用。将以上文献引入本文作为参考。还应注意，当与本申请中描述的技术例如化学固定化和凝结以及后絮凝操作、排放和管理包括在一起时，可对这样的文献中描述的各种技术进行修改。
在一些实施中，所述聚合物絮凝剂是作为水溶液的部分添加的。替代地，所述聚合物絮凝剂可作为粉末、分散体、乳液、或者反相乳液添加。将所述聚合物絮凝剂作为液体物流的部分引入可促进所述絮凝剂在所述稠细粒尾矿中的快速分散和混合。
在一些实施中，可使用聚合物絮凝剂注射器将所述聚合物絮凝剂注入到经预处理的稠细粒尾矿中。例如，可使用静态注射器和/或动态注射器进行絮凝剂添加。所述注入可在线进行，即在例如所述管路中进行。在所述絮凝剂注入点下游的管路的长度可专用于将所述聚合物絮凝剂分散到所述经预处理的稠细粒尾矿中，从而产生准备好用于调理和最终的脱水的经处理的稠细粒尾矿。
如以上进一步提及的，已经经历凝结的进来的经预处理的稠细粒尾矿可在具有促进絮凝剂的分散、与悬浮固体的混合和反应的某一pH、屈服应力、和流动制度特性的情况下到达所述絮凝剂注射器。
紧跟在絮凝剂注入(例如经由其中絮凝剂入口与管道侧壁间隔开并且分布在所述经预处理的尾矿流动通过其的环形环周围的同心环形注射器)之后，可存在分散管道段，其接收所述絮凝着的材料并且赋予所述材料以管道剪切。该分散管道长度以及聚合物絮凝剂剂量可基于多种因素而提供，所述因素可包括所述稠细粒尾矿的密度和/或粘土含量以及所述絮凝剂注射器设计。在一些情况下，对于给定的注射器设计和稠细粒尾矿密度，可确定聚合物絮凝剂剂量和分散管道长度的最佳范围，特别是当已经提供目标pH、屈服应力、和流动制度特性时。以下将在实验部分中进一步详细地讨论关于工艺建模的更多内容。
在絮凝之后的管路调理和运输
在一些实施中，所述工艺包括在絮凝剂添加和分散之后经处理的稠细粒尾矿的管路调理。所述管路调理可特别地针对将进行的脱水、沉积和处置的类型(例如异位脱水设备、以薄(thin)升举物(lifts)形式的陆上沉积、或者排放到坑以形成永久性水中存储结构(PASS)中，如将在下文中更详细地描述的)而修改。为了通过以薄升举物形式的陆上沉积而脱水，可进行所述管路调理以将所述絮凝的材料的屈服应力提高至其中所述材料呈现出凝胶状特性的峰值或最大值，然后降低所述屈服应力并且引起絮凝体破碎以形成在然而仍具有相对大的絮凝体的水释放区中的絮凝的材料。为了在PASS内脱水，可改变所述管路调理，使得所述絮凝体破碎将所述絮凝体减小至为所述PASS的形成提供沉降时间和沉降的体积特性的更小的尺寸。用于薄升举物脱水的絮凝体尺寸可被提供成促进从所述絮凝的固体快速的初始水释放和分离，而用于所述PASS实施的絮凝体尺寸可被提供成促进快的沉降时间和小的沉降的体积两者。例如，用于通过以薄升举物形式的陆上沉积而脱水的目标絮凝体尺寸可大于约100μm、约150μm、约200μm、或者约250μm；而用于经由所述PASS实施而脱水的目标絮凝体尺寸可在约50μm和约200μm之间、在约50μm和约150μm之间、或者在约75μm和约125μm之间。为了工艺控制和测量，所述目标絮凝体尺寸可视为平均絮凝体尺寸。可提供用于所述PASS实施的絮凝体尺寸，以便平衡将取决于所述稠细粒尾矿的起始CWR的沉降速度和所沉降的体积的竞争效应，以在排放到所述PASS容纳结构中之后1年内实现至少0.65的CWR。目标絮凝体尺寸取决于所述稠细粒尾矿的聚合物剂量，而不管起始CWR为何。例如，在约0.1的起始CWR的情况下，目标絮凝体尺寸可被提供成在排放1年内实现高于80％的体积减小，而在约0.4的起始CWR的情况下，目标絮凝体尺寸可被提供成在排放1年内实现高于32％的体积减小。
絮凝体尺寸减小可通过如下而实现：使所述经处理的稠细粒尾矿经历足以将较大的絮凝体破碎以形成较小的絮凝体的管路剪切，同时避免将所述材料过剪切(其中所述絮凝体将显著地破碎并且所述材料将通常返回至其初始的缓慢的沉降特性)。所述管路剪切可包括在调理段中高的剪切速率和/或足够小的管道直径。所述调理管路可基于对于用于赋予所述材料的剪切速率和总剪切能量的预定目标值，例如基于经验和/或建模信息而配置和实施。还应注意，所述系统可包括用于测量大概的絮凝体尺寸(例如在线、近线(at-line)或离线(off-line))的监测装备，使得可基于所测量的絮凝体尺寸修改和/或调节所述调理管路以提供对于在目标絮凝体尺寸范围内而言必需的剪切。
在一些实施中，所述调理管路终止于其中将所述经处理的稠细粒尾矿供应至脱水设备或场所的排放点处。在替代实施时，所述调理管路进料到将所述经处理的稠细粒尾矿在降低的剪切条件下运输至排放位置的传送管路。所述调理和传送管路可一起配置成向沉积之前的所述材料提供目标总剪切能量，以及高的初始剪切(即，在所述调理管路)中以及之后的较低的剪切(即，在所述传送管路中)。
在一些实施中，赋予排放之前的所述经处理的稠细粒尾矿的总剪切能量高到足以达到目标絮凝体破碎，并且仍然在促进所述PASS内的水澄清度和沉降特性的范围内。例如，发现，在絮凝剂添加至凝结的稠细粒尾矿之后，在最佳聚合物剂量处，可赋予30分钟的在150s-1内的平均剪切速率。基于该值，调理和传送管路可设计和实施成在该包线内运行。下文中将讨论关于传送的更多内容。
在所述PASS内水从絮凝体分离可包括数种物理机理。沉降可理解为所述絮凝的材料的体积减小，使得沉降是通过沉降、固结和其它体积减小机理获得的。例如，在水分离期间，其中固体絮凝体和粒子向下下落通过液相的沉降机理可演变为固结机理。对在所述PASS内的沉降建模可组合包括沉降数据、固结数据和其它水-分离数据在内的多种输入数据。
经处理的稠细粒尾矿的传送和排放
如上所述，所述系统可包括如下的传送管路：其被尺寸定成和配置用于从所述调理管路一直到排放都赋予所述材料降低的或者最小的剪切。当从所述絮凝剂注射器至所述排放点的距离相当大或者足够大使得简单地继续所述调理管路将在排放之前赋予过度剪切和冒着将所述材料过剪切的风险时，这可为特别有利的。所述传送管路可被提供成与所述调理管路相比具有更大的直径以降低在该运输步骤期间的剪切。替代地，所述传送步骤可包括不一定涉及提高管道直径的其它方法或系统，例如将来自单个调理管路的经处理的稠细粒尾矿的流分流到多个传送管线中并且使所述传送管线以降低的流速运行，从而在排放之前降低赋予所述材料的剪切。
可协力地控制流速和管道直径以充分地降低剪切以使絮凝体尺寸在传送(即，从调理到排放)期间基本上保持。在一些情况下，将传送期间的絮凝体尺寸变化保持在150μm内，同时将絮凝体尺寸保持在50μm-200μm内。因此，如果传送之前的初始絮凝体尺寸处于200μm的最大目标尺寸，则最大絮凝体尺寸变化应为150μm，使得排放时的絮凝体尺寸为至少50μm。如果初始絮凝体尺寸小于200μm，则最大絮凝体尺寸变化应保持在更低的水平以保证在排放时50μm的最小絮凝体尺寸。替代地，当在传送之前的初始絮凝体尺寸高于200μm时，则絮凝体尺寸变化可大于150μm。通常，可瞄准在传送之前和在传送之后的絮凝体尺寸并且可管理工艺条件(例如剪切条件)，使得在排放时的絮凝体尺寸在期望的范围内。
参照图21和22，显示了用于将经处理的稠细粒尾矿运输和排放到坑中的两种可能实施。
在图21所示的第一实施中，将经处理的稠细粒尾矿到在管路调理阶段之后直接排放到PASS的容纳结构中。所述管路的排放段是与所述管路的调理段直接流体连通的。在该脱水情况下，所述固定化用化学品(例如凝结剂)和所述絮凝剂的在线注入可位于在所述调理管路的上游的扶壁(buttress)上，所述调理管路可为从所述扶壁朝着排放位置向下倾斜提供的。在此情况下，所述化学品注入器材(assets)(例如固定化用化学品注射器和絮凝剂注射器)可不得不在所述PASS的水平随着时间流逝而升高时反复地移位，以例如保持所述管路的调理段的坡度。然后将所述经处理的稠细粒尾矿排放到所述PASS的坑中以容许絮凝体沉降以及水分离和形成上部层，从而形成水帽。在没有传送管路的情况下，在所述化学品注入单元的操作和移位方面可存在某些挑战和限制。
在如图22中所示的第二实施中，将经处理的稠细粒尾矿在管路调理阶段之后传送至排放位置。可修改管路几何结构以包括与调理管路流体连通的传送管道段或布置。此外，可将化学品注入器材提供在随着所述PASS的水平升高，不需要移位的中央位置中，这与图21的实施相反。此外，所述管路的调理段也可定为成从所述扶壁移开，这可增强该步骤的可达性(accessibility)和可供使用的方面。所述调理可进行成将所述絮凝体和所述经处理的稠细粒尾矿调理至其中继续管路剪切不会对末期的絮凝体尺寸或者所排放材料在所述PASS中的沉降行为具有显著或者有益影响的状态。然后，可将经絮凝和调理的稠细粒尾矿经由所述传送段送至所述管路的排放段。所述管路的传送段可位于倾斜的坡道(ramp)或土方上以促进向排放段的分布。传送段的存在因此便于系统器材随着时间流逝的高效移位(例如因为仅有传送和排放器材可必须被移位)以及将化学品注入单元集中于对于操作、维护、化学品供应等而言更合适的位置中。所述传送系统促进化学品添加和调理步骤的稳定运行以可靠地产生具有期望特性的经处理的稠细粒尾矿，而低剪切传送系统提供为将准备好沉积的材料运输至在任意给定时间运行的各种各样的不同的排放点和可随着时间流逝而改变位置的不同排放点提供增强的适应性和灵活性。
就传送方法而言，在原位或异位脱水情况下，可控制经絮凝和调理的稠细粒尾矿的传送以将絮凝体尺寸保持在对于脱水而言的最佳值或者最佳范围内，直至沉积到所述PASS的容纳结构中。例如，可根据包括到排放段的距离以及来自经处理的细粒尾矿的絮凝体的耐磨耗性在内的多种参数选择所述管道的长度和直径。此外，所述传送管道可配置、安置和运行成使得不需要额外的泵送来将所述材料运输至排放位置。例如，可将所述传送管道安置在所述PASS容纳结构的具有足以使所述材料在重力下流动的倾斜度并且将由上游泵提供的头部保持至排放位置的倾斜的(clopped)段上。
就排放方法而言，在原位脱水情况下，可将经处理的稠细粒尾矿在相对长的时期内连续地排放到陆上坑中(例如约20米/年的升高速率)，并且释放水到达表面并且固体沉降至底部。排放点有时可淹没在水中或者下面的尾矿沉积物内，但是首要的排放方法将包括将所述材料排放到所述流体的顶部上和/或邻近所述流体表面的固体地面上。所述排放应设计和管理成避免过剪切或破坏所述絮凝体以促进初始的高的水释放和良好的沉降速率。因此，排放点不应定位在可导致引起过剪切的高能量冲击的高于固体表面的显著高度处。
在一些实施中，可使用具有排放末端的漂浮管道段来接近未被充分利用的排放区域。所述漂浮可装备有漂浮设备或者可通过其它手段支持。
在异位脱水情况下，在沉积之前已经除去大部分水的情况下，可改变排放方法，例如将排放物分布成防止水池化和改变管道段和排放末端以容纳更高固体的材料。
还应理解，类似的原理可应用于传送段和排放段两者以将絮凝体尺寸保持在对于期望的水释放和沉降特性而言最佳的范围内。例如，传送段可设计成包括多个管道以将来自调理段的经处理的细粒尾矿的流分流。类似地，排放段可设计成包括多个管道以将来自调理段或传送段的经处理的细粒尾矿的流分流。
脱水
如上所述，在几个加拿大专利申请中描述的各种脱水技术可在本文中描述的技术的情况下使用。应注意，总的工艺可包括几个脱水步骤，将关于例如图1a和1b更详细地对其讨论。通常，脱水可通过固-液分离器(SLS)或者通过陆上沉积/排放而进行。也可进行SLS和陆上脱水的组合。
可使用各种类型的SLS。例如，可使用带式过滤器和/或增稠器从富集固体的尾矿材料分离固体贫化的水物流，其两者可经历在脱水之后的进一步加工。
在通过陆上沉积而脱水的情况下，取决于所使用的沉积和后沉积处理方法，多种脱水机理可起作用。例如，薄升举物沉积可促进释放水从沉积的材料流走，之后通过冷冻-解冻、蒸发、和渗透机理脱水。对于为了促进经处理的细粒尾矿的稠得多的下部阶层与上部水帽的形成而进行的沉积，下部阶层可以固结作为显著的脱水机理而脱水。将关于形成和管理用于细粒尾矿和CoC的永久性水中存储结构(PASS)讨论关于此的更多内容。
PASS地貌的特性
在一些实施中，如上所述，可经由已经经历化学固定化和絮凝的稠细粒尾矿的原位和/或异位脱水而构建永久性水中存储结构(PASS)。下文中提供所述PASS地貌的一些特性的概要。
所述PASS的容纳结构可为以前的矿坑，其可包括多种坑内结构性特征例如梯段(bench)和坑内岩墙(dyke)。在矿坑封闭之后，可进行坑内结构和地貌(例如岩墙、渣坑(dump)、临时坝(temporary dam)、坑壁)的准备。然后经处理的细粒尾矿的放置可开始。经处理的细粒尾矿在所述PASS的不同形成阶段可以多种方式排放。根据尾矿管理和填筑考虑，可将经处理的细粒尾矿排放到坑内。在经处理的细粒尾矿的放置期间或之后，可构建另外的地貌、地表水进口和出口、和可供使用的基础设施作为总体PASS系统的部分。
所述PASS可看成一种类型的最终坑湖–但是其如何形成以及其目标特性不同于常规的最终坑湖。例如，排放的细粒尾矿在沉积到将变成最终坑湖的地貌中之前被预处理，以增强脱水和所述地貌的稳定性。常规的最终坑湖是通过如下形成的：将尾矿放置在矿坑(即，所述地貌)中，用水封盖，并且处理所述地貌内的所述水。在油砂应用中，常规的最终坑湖直接将未经处理的MFT沉积到所述地貌中。相比之下，所述PASS是由经预处理的材料形成的，使得所述MFT在沉积时脱水并且从所述MFT释放的水被预处理以将CoC以化学方式固定化在形成于所述PASS的基础处的固体层中。因此，所述PASS相对于常规的最终坑湖具有若干优点，例如遍及淀积层更一致的固定化特性、加速的脱水、以及与所述尾矿中的CoC有关的长期风险的减轻。
在PASS中，CoC在沉积在所述地貌中之前被固定化。除了将CoC化学固定化于淀积层中之外，在水中填筑过程中还可使用淡水稀释。注意，淡水稀释(意指已经存在的经预处理的水帽的稀释)不同于依赖于淡水帽去覆盖未经处理地沉积在地貌中(即，如在常规的最终坑湖中那样)的流体细粒尾矿。处于填筑状态的PASS将不具有持久的混浊、在水帽中不具有(或者具有可忽略不计的)沥青并且具有低于支持水生生物所需要的指南的毒性和金属。相比之下，常规的最终坑湖利用淡水帽和微生物活动作为水中填筑过程，并且未特别地采取步骤来从释放自细粒尾矿的水除去沥青。常规的最终坑湖将具有低的持久的混浊。
工艺实施
参照图1a-1b，存在两种主要的工艺实施，特别是就絮凝的尾矿材料的脱水而言。图1a说明原位工艺，其中脱水包括将絮凝的尾矿材料沉积到专用处置区域上和任选地形成永久性水中存储结构(PASS)，而图1b说明异位工艺，其中脱水包括将絮凝的尾矿材料供应至固-液分离器(SLS)。
图1a和1b中所示的工艺具有若干共同的要素。稠细粒尾矿(例如MFT)20收取自尾矿池22并且通过管路供应至多种加工单元。将固定化用化学品24添加至MFT物流20以产生经预处理的尾矿物流26。应注意，在添加固定化用化学品24之前MFT物流20可经历多种初步处理例如稀释、粗碎片预筛选、预剪切、稀化和/或化学处理以改善MFT物流的某些化学性质。然后将经预处理的尾矿物流26与聚合物絮凝剂28组合，聚合物絮凝剂28可经由同心环形注射器在线添加。聚合物絮凝剂28可添加成快速地分散到所述尾矿中，从而形成絮凝着的尾矿材料30。然后可使絮凝着的尾矿材料30经历剪切调理以发展适合于脱水的絮凝的材料32。
在一些实施中，如图1a中所示，使絮凝着的尾矿材料30经历管路调理34，其可为导致絮凝的材料32达到其中释放水容易从絮凝体分离和流走的状态的仅有的调理。替代地，可提供其它剪切机理。然后可使絮凝的材料32脱水。图1a说明如下情形：其中脱水包括将絮凝的材料32沉积到可为滩或者使用土方技术建造的陆上DDA 36上。各DDA 36可具有如下的沉积区：其具有倾斜的基础以促进释放水从所沉积的材料流走和促进释放水从絮凝体的这样的快速分离。
仍然参照图1a，随着时间流逝，可管理DDA 36的结构和操作使得形成PASS 38。PASS 38包括用于容纳所述材料的容纳结构40、水帽42、和在水帽以下的富含固体的阶层44。在PASS 38的形成期间，由所述经处理的材料的脱水产生水帽42。从絮凝体释放的释放水可为水帽42的水的主要来源，使得所述水帽中的水的品质与CoC的固定化直接相关。还可在所述PASS中在其正形成时添加淡水或另外来源的水，使得所述水帽包括来自除了所述尾矿的孔水之外的来源的水。所述富含固体的阶层包括絮凝的固体以及被固定化的CoC(其可包括沥青-粘土复合物、被不溶化的表面活性剂(例如环烷酸)、被不溶化的金属(例如砷和硒))并且因此抑制CoC向所述水帽或水柱中的迁移。一旦PASS 38基本上形成，则可将淡水物流46添加至所述PASS并且可从所述PASS取出出口水物流，以关于水帽42创造流通以便保持水位和/或逐渐地降低某些CoC水平以促进支持淡水植物和/或浮游植物。在一些实施中，PASS 38可通过如下形成：在其中排放经处理的尾矿一段时期(例如20年)以将所述PASS填充至期望的水平。在该形成时期期间，水帽42可基本上由如下构成：已经分离出的尾矿孔水、以及沉淀物和任选地一些计及蒸发而可使用的其它水来源。然后，在所述形成时期(例如20年)之后，实施水流通。所述水流通可包括将PASS 38与现有水路连接。所述水流通提供水从所述水帽进出的某些入口和出口流，并且逐渐降低所述水帽中的盐水平。所述水流通可被提供成使得所述水帽在预定时期内具有低于阈值的某一盐含量(例如在开始所述流通之后10年内低于期望的值)，并且可在所述水帽、入口流和出口流中监测盐水平。
可从所述PASS取出再循环水物流48用于再循环目的。此外，再循环水48从水帽42取出并且可供应至多种加工单元，例如作为聚合物溶液补给水50和用于提取操作54中的水52。
现在参照图1b，可将絮凝的材料32供应至SLS 56而不是DDA用于主要的脱水步骤。SLS 56可为各种不同类型的分离器。SLS 56产生水物流58和富集固体的物流60。在一些实施中，所述固定化用化学品可在SLS 56的上游作为例如物流24添加。在另外的实施中，可将下游固定化用化学品物流62添加到富集固体的物流60中，以产生可沉积的尾矿材料64，其可被沉积到DDA 36中。还应注意，所述固定化用化学品可在上游和下游点两者(例如物流24和62)处添加。在图1b中所示的情形中，可管理DDA 36使得随着时间流逝，形成了PASS 38。由于在SLS 56中的水58的上游分离，该异位脱水情形中所述PASS的水帽42可比原位情形的薄。实际上，在异位情形中，将释放水(其可为水帽42的水的主要来源)的一部分从所述固-液分离器取出作为再循环水58，从而与原位情形相比降低水帽42的水位。取决于期望的水帽深度，在异位实施中，如果来自留下的尾矿孔水的水不足，则可将来自其它来源的水添加至所述水帽。
现在转至图2a-2e，对于实现所述稠细粒尾矿存在的污染物固定化以及悬浮固体的聚合物絮凝，存在若干可能的工艺实施。通常，化学固定化和聚合物絮凝可在所述工艺中的不同点处并且通过使用不同的化学品添加途径而实施。
参照图2a，可将MFT物流20与固定化用化学品24组合以产生经预处理的尾矿26，其然后与聚合物絮凝剂28组合，使得产生絮凝的尾矿材料32并且絮凝的尾矿材料32然后经历脱水66。脱水步骤66导致水物流68和富集固体的物流70。可注意到，就将固定化用化学品24在絮凝剂28之前添加至所述稠细粒尾矿来说，图2a的情形是与图1a和1b的工艺类似的概括版工艺。
参照图2b，可将固定化用化学品24和絮凝剂28同时添加到MFT 20中。然后将所得絮凝的尾矿材料32供应至脱水步骤66。固定化用化学品24和絮凝剂28的共添加可通过将这两种添加剂经由单一添加管线或注射器引入、或者通过将这两种添加剂经由分开的管线或者注射器在MFT流20的单一点处引入而进行，使得这两种添加剂基本上同时与所述MFT进行混合和反应。
参照图2c，通过引入具有固定化用基团和聚合物絮凝用基团的单一添加剂72，可使MFT物流20经历化学固定化和聚合物絮凝，例如，包括钙阳离子基团和聚合物絮凝剂基团的基于钙的阴离子型聚合物絮凝剂可用于使得实现化学固定化和聚合物絮凝两者。基于多价阳离子而不是单价阳离子例如钠的聚合物絮凝剂可提供额外的固定化用功能性。阴离子度、钙含量、分子量、混合性质、和其它聚合物性质可根据所述稠细粒尾矿的特性修改以获得期望的固定化用和絮凝用功能性。因此，在一些实施中，可使用包括多价阳离子和阴离子型聚合物的单一添加剂。应注意，这样的添加剂可作为例如所述添加剂完全溶解在其中的水溶液的部分引入。
参照图2d，可首先使MFT物流20经历絮凝以产生絮凝物流74，絮凝物流74然后通过下游固定化用化学品76的添加而经历化学固定化，从而产生经处理的尾矿物流78，经处理的尾矿物流78可经历脱水步骤66。在这样的情形中，可修改在絮凝剂添加和脱水之间赋予所述尾矿的剪切和混合以提供合适的剪切来使所述尾矿絮凝，混合所述固定化用化学品以使得实现期望的不溶化和固定化反应，同时避免将絮凝体过剪切。
现在参照图2e，可首先使MFT物流20经历絮凝以产生絮凝物流74，其然后经历脱水66以产生水物流58和富集固体的物流60。就脱水步骤66(例如如图1b中那样使用SLS 56)在下游固定化用化学品62的添加之前进行而言，该情形与图1b中所示的情形类似。因此，富集固体的物流60可经历下游固定化，之后处置(丢掉)或进一步处理所得富含固体的物流80(例如经由搁浅或沉积到所述PASS中而进一步脱水)。此外，水物流58也可通过添加固定化用化学品物流82而经历固定化处理以产生经处理的水物流84用于再循环或沉积到贮罐(holding tank)、池中、或者作为所述PASS的水帽的部分。添加至水物流58的固定化用化学品物流82可包括与添加至富集固体的物流60的固定化用化学品62相同或不同的化合物并且可具有相同或不同的浓度廓线。在一些实施中，固定化用化学品物流62和82是制备的或者由普通化学品来源86得到的并且可针对它们不同的应用而不同地配制。
应注意，除了图2a-2e中所示那些之外的各种其它情形对于使MFT和/或其衍生物物流经历化学固定化和聚合物絮凝两者是可能的。所述工艺实施可取决于多种因素例如如下而选择：所述稠细粒尾矿和其CoC的特性、所述固定化用化学品和聚合物絮凝剂在与所述尾矿的反应性和混合方面的性质(例如脱水设备或者经由沉积、气候、沉积变量例如升举物厚度和表面坡度)、补给水化学性质、管路配置、以及沉积或PASS容量。
应注意，本文中描述的技术可用于处理得自油砂提取操作的MFT以及如下的各种其它稠细粒尾矿或淤浆：其包括CoC例如表面活性剂、金属化合物和/或烃或在所述淤浆的水相中不混溶的其它化合物。无论是应用于油砂MFT还是其它类型的MFT或稠细粒尾矿，本文中描述的各种实施均使得能够将所述稠细粒尾矿有效且高效地转化为切实可行的(viable)水中地貌和促进稠细粒尾矿在所填筑地形(landscape)中的永久存储。此外，在一些实施中，许多操作和环境符合性限制可用例如如下来应对：促进遗留物和新产生的细粒尾矿在永久性水中地貌中的大规模存储，所述永久水生地貌在从矿井寿命结束起的相对短的时间框架(例如10年)内准备好用于填筑；同时使得实现高效的总体尾矿管理。
实验结果和计算
进行多种实验和计算以评估化学固定化用化合物、絮凝、以及与对MFT进行处理和脱水有关的其它工艺参数。
化学固定化
评价几种多价盐以评估释放水中的CoC向由性能指标所指示的水平的降低。所试验的化学品包括明矾(Al2(SO4)3.14H2O)、石膏(CaSO4.2H2O)、硫酸铁(II)(FeSO4并且也称作硫酸亚铁)、硫酸铁(III)(Fe2(SO4)3并且也称作硫酸铁)和石灰(Ca(OH)2)。
图3为其中将几种固定化用化学品在不同浓度下试验并且向上展现至它们的饱和极限的相对除去效率的图。图3显示在除去砷、硒和环烷酸的CoC方面明矾是最高效的化学品。石膏在降低总的悬浮固体(TSS)和除去高浓度的沥青方面也是高效的，但是在显著降低环烷酸方面不太有效。由于石膏可在某些工厂例如油砂加工厂就地产生，因此明矾和石膏两者被认为是用于添加研究的优选候选物。
进行两组实验以评估明矾和石膏对释放水的影响。首先，将不同的化学剂量添加至具有约38重量％的固体含量的未经稀释的MFT，均化并且将整个悬浮液离心用于浓缩物的化学分析。通过向用工艺流出水(PEW)稀释至约3重量％的相同MFT添加相等剂量(基于水)而进行第二组试验。将这些经稀释的MFT样品放置在沉降柱中并且容许其沉降24小时，之后滗析水用于化学分析。
对MFT孔水和PEW进行试验以测定某些组分的浓度。对于所述具体组的试验，观察到，环烷酸浓度看起来在所使用的MFT孔水和PEW之间是一致的，并且在MFT孔水和PEW之间，在其它CoC(砷和硒)之间存在差异。因此，当将PEW用于MFT的稀释和/或絮凝剂溶液的制备时，应注意，水组成的可能差异和变化可影响固定化和絮凝并且因此，可相应地修改所述添加剂的剂量。此外，所述工艺的实施可包括通过测量或者计算而确定尾矿孔水和/或PEW或者用于添加所述固定化用化学品和絮凝剂的其它水来源中的污染物浓度的步骤，以控制固定化和絮凝步骤(例如化学剂量)。
明矾
对于所述经稀释和未经稀释的MFT两者，明矾在从MFT孔水除去CoC方面的效率的概要呈现于图4a和4b中。这些试验中的CoC为环烷酸、砷、硒和TSS。不管是否稀释，为了使CoC水平在法规标准内，环烷酸需要最多的明矾(>2500ppm)，而其它CoC在较低的明矾浓度下被除去。
对于未经稀释的MFT而言使用较高明矾浓度情况下的较低砷降低可由于在较高明矾剂量下不充分的混合引起(重复(duplicate)误差>50％)。典型地，明矾在约1秒内水解为Al(OH)+(1，2，4)，其中该水解物种使粘土颗粒上的电荷中和。在高的明矾剂量和较缓慢的分散或混合时间下，可形成氢氧化铝沉淀，并且其进而可促进卷扫(sweep)絮凝。考虑到电荷中和是明矾添加的主要意图，应当实施快速的高剪切混合以促进一致的性能。
目视观察到沥青从水柱的除去与TSS除去一致(约4.5meq/L或1.5mM Al3+)。虽然添加足够的明矾以将环烷酸降低至低于1ppm可为合意的，但是增加明矾也可提高释放水电导率和释放水中的钙含量。图5说明随着明矾添加，在释放水电导率和钙含量方面的增加。注意，在室温下明矾在水中的溶解度极限为约36重量％。释放水中的钙含量可与多种原因相关，特别是当将所述水再循环到提取操作中时。例如，当将所述水再用于提取操作中并且使用热工艺水回路中的热交换器加热时，所述热交换器可具有某些钙含量限制(例如可仅容许最大约30ppm钙以防止在设计条件或容量下结垢)，其可取决于例如防垢化合物的使用。最大明矾浓度可基于所述水(MFT孔水、MFT稀释水和/或聚合物溶液水)的钙浓度而提供，并且可将淡水用于添加至所述工艺的水物流的一个或多个。例如，考虑淡水用于稀释，可选择最佳明矾浓度。
石膏
图6a和6b显示石膏对释放水中的残留CoC的影响，其说明石膏在从MFT孔水除去CoC方面的效率(开符号是性能目标)。在稀释的MFT试验中，石膏将CoC固定化，尽管未达到与明矾相同的程度。在高于1000ppm石膏(约12meq/L或6mM Ca2+)下，TSS被除去。在饱和处，沥青也将被隔绝在淀积物中。一些数据不一致性在38重量％的未经稀释的MFT试验中对于As和Se被观察到并且可被重复。图7显示随着石膏添加，在释放水电导率和钙方面的增加。根据水化学数据，发现，在某些固定化用化学品剂量下，TSS、沥青和金属可使用明矾或石膏从水柱充分地除去，并且环烷酸可有利地通过使用明矾而除去。
进行另一组实验以评估在添加以下筛选的固定化用化学品之后，在MFT沉降30天之后释放水的品质：明矾(Al3+)、硫酸铁(Fe3+)和硫酸(H+)。筛选后面这些固定化用化学品用于化学固定化，因为高于约10meq/L Ca2+的石膏剂量(在水中860ppm石膏)将TSS除去至低于25ppm阈值，而明矾、硫酸铁和硫酸在它们的阳离子约5meq/L的浓度下将TSS除去至低于该阈值。在试验条件下，仅有明矾和硫酸铁将砷除去至低于监管水平并且石膏在饱和时具有极小的砷降低能力。明矾、硫酸铁和硫酸还看起来显著减少环烷酸，这将减少在所述PASS的封闭体处对于将保证水生生物群或生物体的自我构建的安全水平而言所需要的淡水稀释的量。
使用标准间歇提取单元(BEU)以模拟得自油砂的MFT在添加所筛选的固定化用化学品之后沉降的效果。结果呈现于图16-20中。所述试验在55℃下在使用显著的空气鼓泡用于沥青漂浮的情况下进行，并且设计成使沥青漂浮最大化，使得可评价不同化学的影响。将油砂淤浆(CWR＝0.1)在1200rpm下调理20分钟以保证从砂粒的最大沥青解放。在调理之后，添加所述固定化用化学品并且混合1分钟。随后添加泛溢水(flood water)(工艺水)并且将该混合降低至400rpm以保证层流。将空气以大约7ml/min添加至1-L体积，同时混合10分钟(初级(一次，primary)漂浮阶段)。在初级漂浮之后收集沥青泡沫，之后为另一轮混合和空气鼓泡5分钟以收集二次泡沫。预计所述泛溢水添加模仿在淡水稀释或翻池(turnover)期间在水帽-淀积物界面处的沥青漂浮潜力。应注意，所述试验条件代表对于沥青隔绝而言最坏情况的场景。图16-20显示，所有三种酸性固定化用化学品在显著降低所述有机物和金属CoC方面均是有效的。对于明矾、硫酸铁和硫酸，可容许低于10meq/L Al3+的剂量水平。
管路混合
如下评价混合强度和时间对凝结的稠细粒尾矿的pH和流变性的影响。
混合强度和时间对pH的影响
对两种类型的MFT(0.2和0.35的CWR)进行一系列试验。所述试验是用950mg/L MFT水的明矾剂量和不同的混合器rpm进行的。当将明矾添加至MFT时预计pH降低，因为明矾是在硫酸溶液中供应的。然而，特别地进行所述实验以评估pH将有多快速地缓冲回所述MFT的平衡pH。应注意，pH弹回所需要的时间(在数秒或数分钟内)可影响管路水力学以及经处理的MFT(经凝结和絮凝的)的聚合物絮凝剂剂量或剪切敏感性。
图23显示混合时间和强度对凝结的MFT(其也可更一般地称作经预处理的MFT)的pH变化的影响。通常，明矾一被加入，pH就快速下降并且随着时间流逝而缓慢地、和随着混合强度提高而更快速地弹回。注意到曲线对于在以下给出并且在图24绘制出的混合器的临界混合值(Kc)崩溃。
Figure BDA0001838062400000391
N–叶轮旋转速度(rps)
D–叶轮直径(m)
V–液体体积(m3)
t–混合时间(s)
应注意，实验是在敞开容器中进行的，并且因此，未计及CO2与空气平衡的影响。MFT中的铁和钙碳酸盐预计随着明矾添加而溶解，并且产生CO2，所述CO2在混合实验期间在封闭体系中保持溶解，但是在开放体系中被耗散。
混合强度和时间对流变性的影响
对两种MFT类型(0.2和0.3的CWR)对于425rpm的混合器速度和不同的明矾剂量进行一系列实验。结果提供于图25和26中。
应注意，流变性响应依赖于明矾剂量。峰值屈服应力随着明矾添加而增加到最高达10倍并且随着明矾剂量增加，凝结的MFT呈现出在恒定的剪切速率下显著更高的触变行为。
对一种类型的MFT(0.35的CWR)用950ppm的明矾剂量和不同的混合器rpm进行另一系列实验。结果提供于图27和28中。与pH对混合的影响类似，凝结的MFT的流变性也随着混合持续时间和强度而变化(图27)并且可通过混合器临界值描述(图28)。图27和28显示在凝结阶段和沉积阶段之间的管路段中的预计的停留时间内的时间尺度内，凝结的MFT的流变性的显著变化。
固定化用化学品到絮凝剂注入距离(原位操作)
用0.1-0.35的CWR的凝结的MFT在6”-直径容器中用5”×1”桨式混合器进行一系列实验，以评估固定化用化学品到絮凝剂注入距离对包括水澄清度和28天CWR在内的性能目标的影响。所述试验使用约750ml的总体积，其包括MFT、聚合物溶液和固定化用化学品溶液的组合的体积。
低剪切凝结的MFT的脱水性能
图29和30显示对于具有0.35的进料CWR并且在凝结期间和絮凝之前暴露于低剪切的凝结的MFT，释放水品质和28天CWR的性能概要的实例。“3”的水澄清度表示非常低的悬浮固体和“1”是非常浑浊的。从该系列试验可得出以下结论：
-水澄清度随着聚合物过剂量(过量，overdose)而劣化。对于两种进料CWR，对于950mg/L水的明矾剂量，高于大约2000g/T粘土，水澄清度开始劣化；
-水澄清度劣化开始时的聚合物剂量取决于明矾剂量(基于粘土)。越高的明矾剂量(g/T粘土)将容许在水澄清度被影响之前越多的聚合物絮凝剂。虽然基于水的明矾剂量为950mg/L的在MFT中的水，但是基于粘土的明矾剂量变化。基于粘土的明矾剂量对于0.1CWR为9500g/T，对于0.2CWR为4750g/T，和对于0.35CWR为2714g/T；
-对于低剪切凝结的MFT而言的最佳聚合物剂量(作为在给定高的水澄清度(在1–3级别上的3)情况下最高的28天CWR定义的)对于0.1-0.35的CWR在2200和2800g/T粘土之间变化；和
-在最佳聚合物剂量下，凝结的和絮凝的MFT混合强度对水澄清度和28-d CWR的有害影响在462和9508kJ/m3之间是极小的。
高剪切凝结的MFT的脱水性能
图31和32显示对于具有0.35的进料CWR并且在凝结期间和在絮凝之前暴露于高剪切的凝结的MFT，释放水品质和28天CWR的性能概要的实例。从该系列实验可得出以下结论：
-对于高剪切MFT而言，与低剪切MFT相比，更快地达到聚合物过剂量状态。与低剪切MFT类似，水澄清度随着聚合物过剂量而快速地劣化。对于两种进料CWR，对于950mg/L水的明矾剂量，高于大约1500g/T粘土，水澄清度开始劣化；
-对于高剪切凝结的MFT而言的最佳聚合物剂量(作为在给定高的水澄清度(在1–3级别上的3)的情况下的最高的28-d CWR定义)对于0.1-0.35的CWR在1000和1500g/T粘土之间变化；和
-在最佳聚合物剂量(1000–1500g/T粘土)下，凝结的和絮凝的MFT混合强度对水澄清度和28-d CWR的影响在462和9508kJ/m3之间也是极小的。
图33显示当向凝结的MFT添加最佳聚合物剂量时，不管凝结的MFT混合时间为何，所预计的沉降廓线。虽然初始沉降速率不同，但是在几个星期的沉积之后所述沉降廓线遵循类似的趋势。因此，考虑到在所述PASS处所预计的升高速率可为大约10m/年，可预计自重固结驱动一年的CWR到至少0.65。
由以上实验可得到以下结论：
聚合物注入可在所述固定化用化学品的添加之后进行，使得混合是在临界混合范围内的。对于叶轮混合器，这样的临界混合可对应于20-12,000的(Kc)。于在950和1200ppm之间的设计明矾剂量下，最佳聚合物剂量随着所述固定化用化学品到絮凝剂注入距离或Kc增加而降低。例如，对于以20的Kc混合的具有0.35CWR的凝结的MFT而言的最佳剂量为大约2800g/T粘土，而以12,000的Kc混合需要大约1400g/T粘土的聚合物絮凝剂剂量。
对于给定的絮凝剂注射器设计和MFT，在投入在950和1200ppm明矾之间的情况下，在具有0.1和0.35的CWR的MFT之间，聚合物絮凝剂剂量可变化多达20％。一旦凝结和絮凝之间的混合距离被固定，则每m3的凝结的MFT的聚合物絮凝剂剂量取决于凝结的MFT固体体积分数(或CWR)和明矾剂量。
在最佳聚合物剂量、和所试验的经处理的MFT调理和传送能量(最高达9500kJ/m3)下，所沉积的材料在1年内满足水澄清度标准(<25ppm TSS)和CWR>0.65。所试验的9500kJ/m3相当于在絮凝剂添加至凝结的MFT之后，30分钟的150s-1的平均剪切速率。这接近于在20”管路中在可在大规模操作中使用的3.5m/s的平均线速度下6km的最大值。
絮凝和脱水(原位脱水)
在实验室规模上，同时评价絮凝和在线脱水过程，因为已经发现，最大脱水可与最佳絮凝耦合。絮凝用聚合物选择基于如下的来自薄升举物干燥技术的直接经验：其中聚合物型絮凝剂与尾矿中的矿物通过许多机理反应以通过形成聚集体(絮凝体)而从尾矿悬浮液(例如MFT)除去矿物。然而，除了聚合物絮凝剂性质之外，所述絮凝剂和矿物颗粒之间的相互作用的程度还取决于稠细粒尾矿性质(例如颗粒尺寸和形状、孔水化学性质、流变性、和在聚合物注入期间的淤浆流体力学条件)。在其中将固定化用化学品在絮凝剂之前添加的原位脱水选项中，明矾和石膏可起到使所述稠细粒尾矿中的颗粒通过双层压缩而失稳并且改变孔水化学性质的凝结剂的作用。相对于仅利用聚合物絮凝剂的工艺，这些作用可改变絮凝剂-颗粒相互作用的性质。
聚合物絮凝剂筛选
对于未经处理的或者预先用石膏和明矾凝结的MFT，进行筛选试验以缩窄可能的絮凝剂。试验了三种基于钠的阴离子型聚丙烯酰胺(aPAM)：聚合物A；聚合物B；和聚合物C。此外，试验了深部矿床专用化学品(deep deposit specialty chemical)(DDSC)、以及基于钙的阴离子型聚丙烯酰胺(聚合物D)。还试验了明矾和铝酸钠的组合。
使用脱水效率(24小时CWR)作为筛选参数。在各固定化用化学品剂量(对于明矾和石膏典型地在0和～10meq/L之间)下测定最佳聚合物剂量，之后测定24小时CWR、释放水的悬浮固体和水化学性质。选择是基于对于满足0.65的可供使用的标准的最大的24小时CWR而言最低的固定化用化学品剂量。使用从(通过325目筛子过筛的)24小时CWR回收的水的品质来表示所预计的在封闭体处的水品质。孔水中的总悬浮固体可为至多25ppm，并且在水帽上的悬浮沥青大约0ppm。
考虑到所述各聚合物的化学性质方面的差异，发现各聚合物絮凝剂受益于混合控制以使脱水效率最大化。四种aPAM(聚合物A-D)在所述筛选试验中表现良好并且关于絮凝进一步评价三种基于钠的aPAM(聚合物A-C)。
在固定化用化学品添加在絮凝剂添加之前或之后的情况下进行试验。发现，在絮凝剂之前添加固定化用化学品(其在此也可称作凝结剂)促进实现有利的CWR水平和TSS降低。当在原位脱水工艺中在添加固定化用化学品之前使MFT絮凝时，发现在为了水相中低的TSS而需要的剂量下，所得CWR显著降低。
试验总体上显示，具有至多0.2的CWR的MFT可需要更高的固定化用化学品剂量需求(但是更低的聚合物剂量需求)，而具有至少0.35的CWR的MFT将需要更低的固定化用化学品剂量需求，但是更高的聚合物剂量需求。
用于经明矾或石膏处理的MFT的絮凝剂剂量
使用相同的混合参数，对于aPAM聚合物A、B和C，评价用于絮凝的最佳剂量(通过24小时CWR度量)。如图8a-8c中所示，用于最佳絮凝和最大脱水的聚合物絮凝剂剂量对于所有三种aPAM均倾向于随着明矾或石膏添加而增加。在所有情况下，每ppm的明矾添加需要大约0.3mg/kg-粘土至0.6mg/kg-粘土的添加聚合物，并且对于石膏添加而言，略微较少的聚合物增加。应注意，用于经固定化预处理的MFT的混合参数的改进将相对于基线无固定化用化学品情形使聚合物剂量改变。图12a和12b分别显示对于聚合物B和A而言，聚合物剂量对石膏剂量。
明矾对MFT脱水性能的影响
在相应的最佳聚合物剂量下对经明矾处理的MFT的脱水潜力进行广泛研究。再一次，混合参数固定为对于无固定化用化学品情况的最佳值并且可提升。图9a和9b分别说明明矾添加对脱水潜力和聚合物剂量的影响。低于约950ppm明矾(约9.5meq/L Al3+)，对于所有三种aPAM而言，24小时CWR与无固定化用化学品情况(基线情况)类似并且粘土捕捉是更好的。在该范围内，即使是在更高的聚合物剂量下，聚合物B和C表现也明显好于聚合物A。在更低的明矾剂量下，聚合物C也需要最低剂量用于最大水释放。参照图9a和9b，阴影区域(左边)被认为与没有固定化用化学品添加的基线情况类似，而无阴影区域(右边)被认为比基线情况差。
为了在这些MFT样品的处理中实现期望的CWR性能，发现，明矾剂量应不超过大约1000ppm。在950ppm的明矾下，TSS、沥青和金属将满足性能标准，并且环烷酸将大约60％被修复至目标水平。为了确认地球化学性能，以与用于获得图4a和4b中的数据的程序类似的方式分析在絮凝和24小时脱水之后收集的释放水。获得在最高达约1750ppm的明矾剂量下释放水化学性质的细节。还获得在360和950ppm明矾下的地球化学特征(marker)。
参照图9a，在360ppm明矾下的CWR明显比基线(0ppm明矾)和在950ppm明矾下高；然而，发现释放水中的TSS和残留沥青比期望的高。具体地对于聚合物C，环烷酸减少量为大约40％。在最大CWR附近的明矾剂量(例如，图9a中的360ppm)可与饱和石膏组合以保持或改善期望的CWR，同时降低环烷酸浓度。总体上，聚合物絮凝剂的添加看起来已经减少了由明矾提供的固定化益处的一些。例如，在图4中，在约470ppm明矾下大多数TSS被除去；但是在867ppm明矾下，尤其是在与聚合物C一起使用时，显著的残留固体留下。还发现，环烷酸和钙在很大程度上不受所述聚合物影响。
下表A提供在用360ppm和950ppm明矾处理和絮凝之后MFT的一些释放水化学性质结果：
表A
Figure BDA0001838062400000441
虽然较高的明矾剂量(>10meq/L Al3+)可改善释放水澄清度，但是其可导致比可供使用的和封闭体阈值高的水平的溶解的盐(包括钙和硫酸根)。发现提高明矾剂量使MFT的动态屈服应力和粘度增加，和因此对于在线絮凝所需要的混合强度增加。任选地，可选择可在较低明矾剂量下实现可供使用的和封闭体阈值的聚合物。任选地，可使用硫酸铁和硫酸作为明矾的替代固定化用化学品。
石膏对MFT脱水性能的影响
图10a和10b显示对于用所述三种aPAM絮凝的MFT，石膏添加对脱水潜力和最佳聚合物剂量的影响。对于所有的聚合物，24小时CWR随着石膏浓度增加直至在约2500ppm处饱和而增加。聚合物剂量也随着石膏添加而明显更高，但是增加量将随着所述添加剂提升的混合而降低。总体上，在使用石膏的情况下，作为所试验的条件，聚合物C显示出最佳性能。使用聚合物B和C情况下的对于饱和石膏的地球化学特征在表B中给出：
表B
Figure BDA0001838062400000442
Figure BDA0001838062400000451
在饱和石膏添加(2500ppm)下的24小时CWR始终比基础情况高，而且，在这些剂量水平下，TSS和沥青被从悬浮液除去。与图6a、6b和7中显示的结果类似，与360ppm或950ppm的明矾相比，通过饱和石膏溶液从释放水除去的环烷酸更低。残留导电性还将导致与明矾或基础情况相比在封闭体处更高的稀释要求。
在950(±100)ppm明矾下的脱水优化
基于在MFT的絮凝和脱水操作中的现场(野外，field)经验以及对化学品混合的基本原理的研究，通过在介观尺度(mesoscale)即在分散淤浆中的粘土矿物颗粒的本体的尺度(0.1μm-1μm等效球直径)下的最佳混合，聚合物剂量可被最小化且24小时CWR被最大化。明矾或石膏的添加使粘土-聚集体尺度改变并且将受益于优化。为了确定在实验室规模上混合的所需要的范围，在两种固定化用化学品剂量(0ppm和950ppm明矾)、三种混合器转数/分钟(RPM)(300RPM(基础情况)、600RPM和900RPM)、三种聚合物注入速率、和两种MFT粘土对水比率(0.25CWR和0.35CWR)下进行优化部分析因实验(108)。对于该阶段的试验，选择根据之前的试验已经给出最佳结果的聚合物B和C。
在各试验条件下优化聚合物剂量。图11a和11b显示在具有和不具有明矾预处理的情况下，聚合物C的结果。将混合器针对基础情况(0ppm明矾)在300RPM下在最低的最佳聚合物剂量(约1000mg/kg粘土)和最大水释放(约0.45的CWR)的情况下优化。脱水在600RPM和900RPM下随着最佳聚合物剂量的相关升高而变得逐渐更差。经明矾处理的MFT需要更高的在聚合物添加之前的预剪切，并且在900RPM下显示出最大CWR和最低剂量。
注意到，所述混合可基于所述工艺中使用的具体的固定化用化学品和聚合物絮凝剂而提供以使得实现更大的脱水和更低的聚合物剂量，特别是对于更大规模操作。混合设计和控制可包括，例如，特殊的注射器设计和/或稀释控制。
经由原位脱水的PASS性能的特性
操作性能
以下提供所述PASS的操作性能的某些方面。
体积减小
预计所沉积或排放的经处理的MFT在操作期间处于稳态CWR≥0.65并且在矿井寿命结束(EOML)时继续致密化和固结。固结速率可经由另外的实验室规模研究和/或监测现场原型(field prototype)而确定。基于实验室规模研究，在MFT淤浆中使用950ppm明矾或饱和石膏未使现场中可实现的CWR相对于其中未使用固定化用化学品的基础情况降低。
再循环水品质
在950ppm明矾下，再循环水中的绝对的(未被减轻的，unmitigated)残留钙将在对于其中使用防垢剂的某些热交换器而言的期望的操作包线内。对于经石膏处理的MFT，残留钙为约100ppm并且将受益于在对于某些热交换器的操作包线内的额外减轻。可监测释放水和/或帽水中的钙浓度并且钙减少可取决于所述水被再循环至的装备(例如热交换器)或者工艺要求而实施。钙水平可通过如下而减少：用其它水物流稀释，粘土表面上交换为钠，和/或在引入到所述提取工艺的某些装备或单元操作中之前沉淀为碳酸钙。
此外，再循环水的总溶解的盐的绝对的增加和碳酸氢盐的减少可对沥青回收具有负面影响。使用水化学数据，由于增加的盐水平引起的沥青回收损失估计对于950ppm明矾为约0.5重量％和对于用饱和石膏处理的MFT为约2重量％。随着油砂矿石中粘土含量增加，沥青回收损失也可变得逐渐更大。
封闭体性能
以下提供所述PASS的封闭体性能的某些方面。
悬浮固体
没有明矾或石膏添加的情况下，预计所述PASS的水帽包含显著量的悬浮固体，其目前难以在较大规模上减轻。水柱中的悬浮固体在春季和秋季翻池事件下还会被加剧。在950ppm明矾和2500ppm石膏下，预计TSS接近零。翻池将在该事件期间产生悬浮固体，但是取决于聚集的固体的聚集体尺寸，会相当快速地沉降。
在封闭之后，所提供的淡水稀释将改变所述PASS的水帽的化学性质。所述化学性质变化对悬浮固体的负面影响可通过控制稀释水(例如淡水或地表径流水而不是具有高的碳酸氢盐含量的工艺水)而减轻。此外，将淀积层用粗材料(例如焦炭或砂)封盖可减轻翻池期间细粒固体或沥青的再悬浮。可将所述粗材料分布在所述水帽上面(例如经由泵送至所述PASS的包含所述粗材料的含水的淤浆化物流)，然后所述粗材料将通过重力沉降到下部的淀积物层上。该中间层可用于封盖泥浆层，其为在操作结束和填筑开始时在水和淀积物之间的界面。例如，焦炭可通过所述水帽被淤浆化并且将足够轻以停留在泥浆层的顶部上。焦炭层或另外类型的中间层可促进将在下部沉积物和水帽之间的CoC的通量最小化。焦炭可潜在地吸附CoC的一些。也可使用其它特定材料，特别是多孔且具有吸收性性质的那些。
处于悬浮的沥青
实验室规模研究表明，在淀积物内的沥青固定化示踪(track)悬浮固体除去。这可至少部分地由于与带负电的粘土表面类似，带负电的沥青表面能够用阳离子凝结而引起。钙、镁或铝羟基络合物可将失稳的粘土颗粒桥接至沥青液滴，从而将沥青以化学方式固定化在淀积物内。已经在初级沥青提取中观察到该机理，其中所述工艺或矿石原生水中的过高的钙含量可抑制沥青漂浮到泡沫层中。
由于硫酸盐提高的浓度和能容易降解的有机碳(例如来自aPAM或沥青轻级分)的可能的可获得性而引起的微生物活动可产生气体。如果沥青未充分地被固定化，则气泡可能潜在地使沥青液滴再漂浮到水柱中。然而，微生物活动进一步使沥青降解并且促进在沥青表面上的矿物吸附，这进而可抑制沥青漂浮。在合适剂量下的明矾和石膏两者将沥青固定化直到填筑并且抑制显著的再活动或漂浮。所述固定化用化学品和聚合物絮凝剂可选择和投配成使得气体引起的沥青漂浮在所述PASS内得以抑制。
监管的金属
对于所研究的某些实例MFT样品，砷和硒是超出用于水生生物的淡水指南的主要金属。参照图13a和13b，稀释评价基于从特定尾矿池获得并且在该研究中使用的MFT样品的孔水化学性质以及基于用于MFT稀释的工艺水。图13a和13b显示使地貌释放水达到对于砷和硒的目标界限内的淡水稀释的量。不使用固定化用化学品的情况下，需要大约80％淡水稀释，相比之下，例如对于950ppm明矾，需要50％和对于饱和石膏，需要70％。应注意，这些水平是由3重量％MFT淤浆得到的。MFT孔水中越低的硒水平暗示，对于未经稀释的情形，将需要越低的稀释或者不需要稀释来使硒下降至1ppb。
毒性和环烷酸
在一些情况下，某些CoC或范畴的CoC可用作毒性的代表。例如，对于某些MFT材料，环烷酸可用作毒性的代表。不同于金属，环烷酸以显著的速率降解(例如在柱试验中以每年约16％降解和在更大的商业规模操作中在数年内甚至更快速地降解)。参照图14，出于设计谨慎性而使用较低的降解速率的情况下，在PASS封闭之后10年，环烷酸的浓度将显著地降低并且将需要极少的用淡水的稀释。需要大约70％稀释来将经饱和石膏处理的PASS地貌修复至目标水平。明矾处理将需要大约50％稀释。在已经观察到的更快的环烷酸降解速率下，在没有固定化用化学品添加的情况下环烷酸浓度在仅7年内将低于1ppm。在这点上，“稀释”百分比指的是淡水相对于全部水的百分比。因此，对于70％稀释，存在70％淡水和30％的来自在尾矿中的原始的工艺影响水(process affected water)。稀释百分比是使水帽达到淡水湖的目标指南内的淡水的体积百分比，并且主要被某些固定化用化学品无法修复的盐水平所支配(guide)。
溶解的盐
淡水稀释对于使溶解的盐降低至可支持淡水生物体的水平是可行的。对于该分析中的淡河水，使用340μS/cm的电导率。在2000μS/cm下，释放水可支持淡水植物，和低于1000μS/cm，可支持浮游植物。不使用固定化用化学品的情况下，分别需要50％和80％稀释来实现淡水植物和浮游植物标准。对于以950ppm的明矾添加，对于淡水植物，可需要60％稀释和对于浮游植物，可需要最高达80％，而对于根据按照本文中描述的试验而获得的实例剂量的石膏，可需要约70％稀释来满足淡水植物标准。如果在最大稀释率下，饱和石膏处理不能满足浮游植物标准和/或工艺水和MFT的孔水中的盐负载量在矿井寿命期间增加，则可相应地实施水处理。
总之，根据基于实例水和尾矿性质的研究，经950ppm明矾处理的地貌的50％-60％淡水稀释将满足支持淡水植物的地球化学标准，并且80％淡水稀释将保证在10年框架内支持所有的淡水水生生物体。对于石膏，以最大80％的淡水稀释将满足除了对于淡水水生生物体之外的所有标准。在相应的基础情况中，虽然80％稀释将满足对于淡水水生生物体的标准，但是水柱中的悬浮固体和沥青迁移未通过淡水稀释而减轻并且将不得不经由其它手段处理。
水化学性质对脱水操作的影响
进行研究以评价提高工艺水离子强度对MFT干燥操作的潜在影响。研究的离子强度提高来自NaCl(矿石原生水)和烟气脱硫(FGD)石膏。还试验其它添加剂，包括反渗透抛弃盐水溶液或具有高的有机酸的蒸发器进料。
在这些研究中，将NaCl或烟气脱硫(FGD)石膏盐引入到为MFT中的全部水的约10％的聚合物补给水中。控制聚合物补给水的盐含量在操作上是较少妨碍的并且与将盐直接添加到MFT流中相比，提供更大的工艺性能可预测性。还试验其它添加剂。对于各添加剂，产生0.45％聚合物溶液。使用聚合物A。进行剂量扫描以确定对于MFT样品的最佳剂量。将最佳地絮凝的MFT以2cm升举物形式堆叠并且容许其排泄24小时以确定初始水释放(或者净的水释放)和释放水化学性质。监测升举物的蒸发超过一个星期，直至完全干燥。
根据所述发现，饱和石膏、反渗透抛弃盐水溶液或具有高的有机酸的蒸发器进料的使用未显著影响MFT的絮凝或释放水化学性质。在未来操作中将PEW TDS提高至最大约5500ppm不会显著地影响絮凝效率或释放水化学性质，虽然聚合物剂量可增加约10％。对于饱和石膏补给水，最佳聚合物需求增加15％。此外，对于用石膏饱和的聚合物补给水，Ca2+在粘土上的吸附将24小时释放水中的Ca2+限制为低于30ppm。来自由将饱和石膏溶液用于聚合物补给而得到的再循环水的Ca2+浓度对管道结垢或沥青提取没有显著影响。此外，Ca2+看起来使2cm升举物的初始蒸发速率改善。此外，使用反渗透盐水和蒸发器进料情况下的来自经干燥的MFT的径流具有比PEW高的TDS并且随着聚合物水中的TDS而变化；高的石膏浓度未使径流中的TDS显著增加；并且径流水品质在野外与实验室工作相比可为更好的，因为在野外作业中仅有暴露的表面受影响。
发现，盐添加剂可使对于现有MFT干燥操作确定的最大干燥速率(包括陆上沉积池(cell)利用)降低。对于FGD石膏，这将表明不应将大量的石膏存储在经干燥的MFT基质中；和对于高NaCl补给水，可实施减轻策略来降低MFT干燥过程中存在的水(MFT孔水和/或聚合物补给水)中的NaCl含量，特别是当随着PEW盐循环启动(cycle up)而出现较高的NaCl浓度时。径流水中的提高的TDS也可值得减轻策略来降低对影响PEW化学性质的再循环水的影响。由于盐添加引起的沉积物的岩土(geotechnical)稳定性的降低也将保证评估结果是降低对封闭体上的最终填筑的潜在影响。
PASS工艺建模和实验
关于在PASS中的经处理的材料的目标稳态CWR，进行另外的实验和建模。示例性目标为在排放到PASS结构中1年内至少0.65的CWR。
工艺建模策略包括评价影响脱水速率和稳态CWR的参数。脱水速率被认为根据凝结和絮凝的MFT的絮凝体尺寸分布和絮凝体密度并且因此根据MFT的CWR、固定化用化学品和絮凝剂剂量以及剪切历史而变化。稳态CWR被认为根据沉积物深度(也称作总应力)和凝结和絮凝的MFT的絮凝体尺寸分布和密度而变化。
使用以下方程将CWR按照经验建模为时间的函数并且具有可变斜率，
Figure BDA0001838062400000501
-CWRt＝0和T(天)是独立的变量
-CWRt＝∞是最终的(稳态)CWR
-T50是达到总应力(CWRt＝∞-CWRt＝0)的50％的时间
-Rate是用于表征相对的“变形或应变速率”的无量纲量。其是对数函数的斜率–对数斜率。因此，Rate<1是非常快速的初始沉降和>1是较缓慢的初始沉降。
以上经验模型得自包括用凝结和絮凝的MFT填充的柱试验的实验。实验矩阵包括改变初始CWR、cMFT预剪切、固定化用化学品和聚合物剂量和数种水平的cfMFT剪切。容许各输出的cfMFT在10cm-200cm高的多个柱子中沉降超过数月的期间，并且连续地监测沉降廓线。一旦所述柱已经达到稳态(取决于输入变量，从几天到数月)，将淀积物层剖开并且分析密度、粘土含量和孔水化学性质。还对释放水进行完整的地球化学和毒理学分析。稳态CWR(CWRt＝∞)
影响稳态CWR的主要变量包括进料CWR和沉积物高度(也称作总应力)。更确切地说，CWRt＝∞随着进料CWR升高而升高(絮凝体密度随着进料CWR而升高)。此外，CWRt＝∞随着沉积物高度(自重)而升高。关于0.35和0.2的进料CWR，两个柱的实验参数和结果在以下再现于表C中并且所建模的CWR报道于图34中。
表C
Figure BDA0001838062400000511
影响稳态CWR的次要变量包括聚合物剂量和剪切速率。更确切地说，实验显示，高的聚合物剂量和高的剪切速率使CWRt＝∞降低。较长的剪切持续时间看起来有利于提升的絮凝体堆积效率。实验参数和结果在以下再现于表D中并且相应的所建模的CWR在图35中说明。
表D
柱ID R03 R07 R04 R08
聚合物(g/T粘土) 3200 1600 3200 1600
剪切速率(1/s) 12 12 45 45
总能量(kJ/m<sup>3</sup>) 377 413 1260 709
CWR<sub>300d</sub> 0.44 0.45 0.43 0.46
CWR<sub>∞</sub> 0.51 0.49 0.48 0.48
沉降速率(Rate)
参照图36-38，已经发现，影响初始沉降速率的主要变量包括聚合物剂量、进料CWR、总能量和剪切速率。更确切地说，沉降速率随着聚合物剂量增加而升高(聚合物越多，絮凝体尺寸越大)。初始沉降速率随着进料CWR升高而降低，这可以很可能是在较低CWR下较好的絮凝效率的结果。此外，初始沉降速率随着总能量和剪切速率升高而降低。总能量可看作剪切速率、剪切时间和凝结的/絮凝的MFT(cfMFT)流变性的组合。两种参数均对较小的聚集体絮凝体尺寸作贡献。
达到总应变的50％(T50)的时间
影响达到总应变的50％(T50)的时间的主要变量包括聚合物剂量、进料CWR和总应力。更确切地说，参照图39，实验显示，T50随着聚合物剂量而增加，这与随着增加的聚合物剂量而快速的初始沉降速率有关。此外，T50随着进料CWR升高而升高，这与随着提高的进料CWR而观察到的更缓慢的初始沉降速率有关。T50还随着总应力升高而升高，因为越大的自重表现为越延长的应变。实验参数和结果在以下再现于表E中。
表E
柱ID R03 R20 R07
进料CWR 0.35 0.35 0.35
高度(cm) 55 46* 55
cfMFT剪切速率(1/s) 13 12 12
cfMFT剪切时间(min) 56 56 61
总能量(kJ/m<sup>3</sup>) 377 329 413
聚合物g/T粘土 3200 2000 1600
CWR<sub>∞</sub> 0.51 0.44 0.49
Rate 0.3 1.0 1.1
T<sub>50</sub>(天) 14 11 35
CWR<sub>t＝300天</sub> 0.44 0.44 0.47
絮凝体尺寸
预计平均絮凝体尺寸驱动“初始沉降或变形速率”。参照图40和41，与初始沉降速率类似地，影响絮凝体尺寸的主要变量是聚合物剂量和总能量(或混合能量)两者。不同于对进料CWR敏感的初始沉降速率，较高CWR的小的负面影响可以很可能是由于在实验室试验中在较高的CWR下较低的絮凝效率引起的。进一步试验显示，凝结看上去促进更大的对絮凝体磨耗的耐受性，因此固定化用化学品剂量与絮凝体尺寸的正相关不是预料不到的。剪切
实验参数和结果在以下再现于表F中，并且相应的平均CWR显示于图42-44上。图显示，对于类似的柱高度(或自重)，随着凝结和絮凝的MFT的提高的剪切和更低的固定化用化学品剂量，实现了更高的最终CWR。
表F
Figure BDA0001838062400000521
图45和46显示，对于凝结和絮凝的MFT和对于絮凝的MFT，从柱的底部到顶部的在极小剪切下沉降3个月之后的柱廓线。平均CWR看上去受凝结的影响比受粘土的离析(segregation)势的影响大。

Claims (75)

1.用于存储稠细粒尾矿的永久性水中存储结构，所述永久性水中存储结构包括：
限定侧壁和底部的容纳结构；
在所述容纳结构内的水帽，所述水帽具有适合于支持水生生物的组成；
在所述水帽下面的富含固体的下部阶层，所述富含固体的下部阶层包括经以聚合方式絮凝的固体和被固定化的关注污染物。
2.权利要求1的永久性水中存储结构，其中所述富含固体的下部阶层由如下形成：将通过化学固定化和聚合物絮凝而预处理的稠细粒尾矿排放到所述容纳结构中。
3.权利要求1或2的永久性水中存储结构，其中所述被固定化的关注污染物包括被固定化的沥青-粘土复合物。
4.权利要求1-2任一项的永久性水中存储结构，其中所述被固定化的关注污染物包括被不溶化的关注污染物。
5.权利要求4的永久性水中存储结构，其中所述被不溶化的关注污染物包括被不溶化的表面活性剂。
6.权利要求4的永久性水中存储结构，其中所述被不溶化的关注污染物包括被不溶化的环烷酸。
7.权利要求4的永久性水中存储结构，其中所述被不溶化的关注污染物包括被不溶化的砷。
8.权利要求4的永久性水中存储结构，其中所述被不溶化的关注污染物包括被不溶化的硒。
9.权利要求4的永久性水中存储结构，其中所述被不溶化的关注污染物包括被不溶化的重金属。
10.权利要求1-2任一项的永久性水中存储结构，其中所述被固定化的关注污染物包括选自二价和三价盐的固定化用化学品。
11.权利要求10的永久性水中存储结构，其中所述固定化用化学品包括明矾。
12.权利要求10的永久性水中存储结构，其中所述固定化用化学品包括石膏。
13.权利要求10的永久性水中存储结构，其中所述固定化用化学品包括明矾和石膏。
14.权利要求1-2任一项的永久性水中存储结构，其进一步包括用于将淡水引入到所述水帽中的淡水管线。
15.权利要求1-2任一项的永久性水中存储结构，其进一步包括用于从所述水帽除去再循环水的再循环水管线。
16.权利要求1-2任一项的永久性水中存储结构，其进一步包括选自岸线和沿岸带的填筑地貌。
17.权利要求1-2任一项的永久性水中存储结构，其进一步包括配置用于监测所述水帽的组成的监测系统。
18.权利要求1-2任一项的永久性水中存储结构，其进一步包括在所述水帽和所述富含固体的下部阶层之间中的中间层。
19.权利要求18的永久性水中存储结构，其中所述中间层由粗的粒状材料构成。
20.权利要求18的永久性水中存储结构，其中所述中间层由焦炭构成。
21.权利要求20的永久性水中存储结构，其中所述焦炭得自沥青加工操作。
22.权利要求1-2任一项的永久性水中存储结构，其中所述富含固体的下部阶层来自于沉积的经预处理的材料并且在沉积之后保持在原地。
23.用于处理包括关注污染物和悬浮固体的稠细粒尾矿的系统，所述系统包括：
用于运输所述稠细粒尾矿的尾矿供应管路；
用于添加固定化用化学品的与所述尾矿管路流体连通的固定化添加管线；
用于注入聚合物絮凝剂以产生絮凝尾矿材料的与所述尾矿管路流体连通的聚合物絮凝剂注射器；
用于运输和调理所述絮凝尾矿材料的与所述聚合物絮凝剂注射器流体连通的尾矿调理管路；
用于接收絮凝尾矿材料和将其沉积到陆上沉积区上的沉积出口；和
容纳结构，其包括所述陆上沉积区并且配置成容纳所述絮凝尾矿材料并且容许水帽和在所述水帽下面的富含固体的下部阶层的形成，从而导致永久性水中存储结构，所述富含固体的下部阶层包括经以聚合方式絮凝的固体和被以化学方式固定化的关注污染物。
24.权利要求23的系统，其进一步包括用于将淡水引入到所述水帽中的淡水管线。
25.权利要求23或24的系统，其进一步包括用于从所述水帽除去再循环水的再循环水管线。
26.权利要求23-24任一项的系统，其进一步包括配置用于监测所述水帽的组成的监测系统。
27.用于处理包括悬浮固体和在水里移动的关注污染物的细粒尾矿的工艺，其包括：
添加固定化用化学品以与所述关注污染物反应并且使得实现其固定化；
添加聚合物絮凝剂以使所述悬浮固体絮凝；
产生经处理的尾矿材料；
将所述经处理的尾矿材料脱水以产生：
水组分；和
包括如下的富集固体的组分：
变成在水中是固定的关注污染物；和
絮凝的固体；和
形成用于保持所述富集固体的组分的永久性水中存储结构，所述永久性水中存储结构包括：
水帽；和
在所述水帽下面并且抑制所述关注污染物向所述水帽中迁移的固结着的富含固体的下部阶层；和
其中所述固定化用化学品和所述聚合物絮凝剂各自是在线添加的。
28.权利要求27的工艺，其中所述固定化用化学品包括二价阳离子和/或三价阳离子。
29.权利要求27或28的工艺，其中所述絮凝剂包括阴离子型聚合物絮凝剂。
30.权利要求29的工艺，其中所述阴离子型聚合物絮凝剂包括具有高分子量的基于钠的或基于钙的聚丙烯酰胺-聚丙烯酸盐共聚物。
31.权利要求27-28任一项的工艺，其中所述固定化用化学品包括石膏和/或明矾。
32.权利要求27-28任一项的工艺，其中所述固定化用化学品和所述聚合物絮凝剂各自是溶解在相应的水溶液中添加的。
33.权利要求27-28任一项的工艺，其中所述固定化用化学品选择成将沥青通过与悬浮的粘土进行阳离子桥接而固定化。
34.权利要求27-28任一项的工艺，其中所述固定化用化学品选择成将环烷酸固定化。
35.权利要求27-28任一项的工艺，其中所述固定化用化学品选择成将砷固定化。
36.权利要求27-28任一项的工艺，其中所述固定化用化学品选择成将硒固定化。
37.权利要求27-28任一项的工艺，其中所述脱水包括：
将所述经处理的尾矿材料连续地排放到坑中以容许从所述富集固体的组分的初始水释放；和
将所述富集固体的组分压缩到随后沉积的经处理的尾矿和/或水帽下面。
38.权利要求27的工艺，进一步包括管理所述永久性水中存储结构以使所述水帽适合于支持水生生物。
39.权利要求38的工艺，其中所述管理包括将淡水供应到所述水帽中；填筑地貌的构建和维护；监测所述水帽的组成；和/或控制所述水帽的水位。
40.权利要求27-28任一项的工艺，其中所沉积的富集固体的组分在沉积之后保持在原地并且形成所述永久性水中存储结构的所述固结着的富含固体的下部阶层。
41.权利要求27-28任一项的工艺，其中所述永久性水中存储结构被容纳在矿坑中。
42.权利要求37的工艺，其中所述初始水释放导致在所述富集固体的组分中至少0.55的初始粘土对水比率。
43.权利要求37的工艺，其中所述初始水释放导致在所述富集固体的组分中至少0.65的初始粘土对水比率。
44.权利要求37的工艺，其中将所述经处理的尾矿材料排放，使得所述初始水释放导致在所述富集固体的组分中至少1的初始粘土对水比率。
45.权利要求27-28任一项的工艺，其中将所述经处理的尾矿材料排放到陆上。
46.权利要求27-28任一项的工艺，其中将所述经处理的尾矿材料排放以避免过剪切所述经处理的尾矿材料中的絮凝体。
47.用于处理稠细粒尾矿的工艺，其包括：
将固定化用化学品添加至所述稠细粒尾矿以形成经预处理的材料；
使所述经预处理的材料经历剪切调理以形成经调理的经预处理的材料；
将絮凝剂添加至所述经调理的经预处理的材料以产生絮凝着的材料；
使所述絮凝着的材料经历剪切调理以将絮凝体尺寸提高至上部水平和然后将所述絮凝体破碎并且将絮凝体尺寸降低至在目标絮凝体尺寸范围内，从而形成经调理的絮凝的材料；
将所述经调理的絮凝的材料排放到坑中以使得实现所述絮凝体的沉降和固结以及水的分离以形成上部水帽，从而形成永久性水中存储结构。
48.权利要求47的工艺，其中所述目标絮凝体尺寸范围是基于在所述永久性水中存储结构内的最小沉降速率和最大的沉降的体积而预定的。
49.权利要求47的工艺，其中所述目标絮凝体尺寸范围在约50微米和约200微米之间。
50.权利要求47的工艺，其中所述目标絮凝体尺寸范围足以提供对于在所述永久性水中存储结构内在1年内实现大于0.65的粘土对水比率而言的最小沉降速率。
51.权利要求50的工艺，其中所述目标絮凝体尺寸范围是针对所述稠细粒尾矿的起始粘土对水比率设计的以在所述永久性水中存储结构内在1年内实现大于0.65的粘土对水比率。
52.权利要求47-51任一项的工艺，其中使所述絮凝着的材料经历所述剪切调理由管路剪切调理构成。
53.权利要求47-51任一项的工艺，其中使所述絮凝着的材料经历所述剪切调理包括将所述絮凝着的材料在调理管路中进行管道剪切调理以形成所述经调理的絮凝的材料。
54.权利要求53的工艺，其中所述经调理的絮凝的材料向所述坑中的排放是在离开所述调理管路之后立即进行的。
55.权利要求53的工艺，其进一步包括将所述经调理的絮凝的材料从所述调理管路传送至排放位置。
56.权利要求55的工艺，其中所述传送是经由与所述调理管路的下游端流体地耦合的传送管路进行的。
57.权利要求56的工艺，其中所述传送管路位于所述坑的倾斜侧上。
58.权利要求56的工艺，其中所述传送管路配置和运行成使得所述经调理的絮凝的材料在非湍流制度下流经其。
59.权利要求56的工艺，其中所述传送管路配置和运行成使得所述经调理的絮凝的材料在层流制度下流经其。
60.权利要求55的工艺，其中所述传送是在低到足以将絮凝体尺寸基本上保持在所述目标絮凝体尺寸范围内的剪切条件下进行的。
61.用于处理稠细粒尾矿的工艺，其包括：
将固定化用化学品添加至所述稠细粒尾矿以形成经预处理的材料；
使所述经预处理的材料经历剪切调理以形成经调理的经预处理的材料；
将絮凝剂添加至所述经调理的经预处理的材料以产生絮凝着的材料；
使所述絮凝着的材料经历剪切调理以形成经调理的絮凝的材料；
将所述经调理的絮凝的材料在非湍流条件下和在如下的剪切速率和能量条件下传送至排放位置：其比用于形成所述经调理的絮凝的材料的所述剪切调理的那些低；
将所述排放位置处的所述经调理的絮凝的材料排放到坑中以使得实现絮凝体的沉降和固结以及水的分离以形成上部水帽，从而形成永久性水中存储结构。
62.权利要求61的工艺，其中使所述絮凝着的材料经历剪切调理是在调理管路中进行的，以将所述絮凝着的材料的屈服应力提高至上部峰值，然后使所述屈服应力降低并且进入其中水从絮凝体释放的水释放区。
63.权利要求62的工艺，其中所述传送在低到足以基本上将絮凝体尺寸保持不变的剪切条件下进行。
64.权利要求62的工艺，其中所述传送是经由与所述调理管路的下游端流体地耦合的传送管路进行的。
65.权利要求64的工艺，其中所述传送管路位于所述坑的倾斜侧上。
66.权利要求64的工艺，其中所述传送管路配置和运行成使得所述经调理的絮凝的材料在层流制度下流经其。
67.权利要求64的工艺，其中所述传送管路具有比所述调理管路的管道直径大的管道直径。
68.权利要求64的工艺，其中所述传送管路运行成使得通过其的流速比所述调理管路的流速低。
69.权利要求64的工艺，其中所述传送管路包括平行地布置并且与所述调理管路流体连通的多个传送管道段。
70.权利要求69的工艺，其中所述多个传送管道段对安置成用于将调理着的絮凝的材料排放到所述坑中的不同位置处的相应的排放单元进行供应。
71.权利要求64的工艺，其进一步包括随着在所述坑内流体上升而将所述传送管路移位。
72.权利要求62-63任一项的工艺，其中将所述固定化用化学品添加至所述稠细粒、使所述经预处理的材料经历剪切调理、将所述絮凝剂添加至所述经调理的经预处理的材料、和使所述絮凝着的材料经历剪切调理的步骤全部在与所述坑间隔开的位置处进行。
73.权利要求72的工艺，其中将所述固定化用化学品添加至所述稠细粒、使所述经预处理的材料经历剪切调理、将所述絮凝剂添加至所述经调理的经预处理的材料、和使所述絮凝着的材料经历剪切调理的步骤全部通过不被移位的装备进行。
74.用于处理稠细粒尾矿的工艺，其包括：
将固定化用化学品添加至所述稠细粒尾矿以形成经预处理的材料，所述固定化用化学品包括三价铁阳离子；
使所述经预处理的材料经历剪切调理以形成经调理的经预处理的材料；
将絮凝剂添加至所述经调理的经预处理的材料以产生絮凝的材料；
将所述经调理的絮凝的材料排放到坑中以使得实现絮凝体的沉降和固结以及水的分离以形成上部水帽，从而形成永久性水中存储结构。
75.权利要求74的工艺，其中所述固定化用化学品包括硫酸铁。
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