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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur technogenen Sedimentation gering werthaltiger Schlämme auf Rückstandshalden, insbesondere solcher, die bei der Nassaufbereitung bergmännisch gewonnener Rohstoffen anfallen.
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Bei der Nassaufbereitung von Rohstoffen fallen Nebenprodukte an, die in der Regel auf hydraulischem Wege Rückstandshalden zugeführt werden. In den meist als Schlämme vorliegenden Nebenprodukten befinden sich Wertstoffe, die wegen ihrer geringen Konzentration derzeit nicht wirtschaftlich nutzbar sind, deren Umfang jedoch in dem Maße steigt, wie die Vorräte der zugehörigen Primärlagerstätte abnehmen. Ein zunehmender Rohstoffbedarf und mögliche Verbesserungen der Aufbereitungstechnologien bewirken ein wachsendes ökonomisches Interesse an der Nutzung der Rückstandshalden. Allerdings werden technogene Lagerstätten wegen ihrer geringen Haltigkeit an Wertstoffkomponenten und dem erforderlichen Erkundungsbedarf zum Aushalten reicherer Partien derzeit kaum genutzt.
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Üblicherweise an der Oberfläche angelegte Rückstandshalden beanspruchen enorme Flächen und die Landschaft wird verändert. Es müssen standsichere Dämme aufgebaut, aufwändig kontrolliert und gewartet werden. Beinhalten die Rückstände Schwermetalle oder andere gefährliche Stoffe, bestehen außerdem erhebliche Umweltgefährdungen durch Abwehung von Stäuben oder Versickerung dieser Stoffe in den Boden und das Grundwasser.
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Nach dem Stand der Technik werden die Schlämme ohne Berücksichtigung der Fraktionierungsprozesse eingespült. Eine spätere Nutzung wird zwar oftmals in Erwägung gezogen (Humuswirtschaft Kompost aktuell 06/08, Seite 4), jedoch herrscht Unklarheit über deren technische und wirtschaftliche Machbarkeit. Eine Nutzung von Rohstoffen aus Rückstandshalden ist derzeit mit einem aufwändigen Erkundungsprogramm und einer Massengewinnung gering angereicherter Partien verbunden, die die Wirtschaftlichkeit in Frage stellen, solange Primärlagerstätten günstiger zu gewinnen sind. Die Rückstandshalden werden abgedichtet und abgedeckt, um die Umweltfolgen zu mindern.
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Um die abgelagerten Schlämme als technogene Lagerstätte zu nutzen, muss derzeit ihre gesamte Substanz nochmals aufbereitet werden. Die durchschnittlichen Wertstoffgehalte sind dabei oft gering und die Gewinnungskosten hoch. Der Zeitpunkt einer Nutzung wird damit in eine ferne Zukunft verschoben und stattdessen die Ausbeutung der Primärlagerstätten beschleunigt. Der damit einhergehende hohe Flächenverbrauch ist mit negativen ökologischen und sozialen Konsequenzen verbunden. Die ökologischen und sicherheitstechnischen Nachteile der Rückstandshalden werden nur begrenzt reduziert.
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Aus
DE 198 08 473 A1 ist ein Verfahren zum optimalen Befüllen eines Absinkweihers mit Flotationsbergeabgängen der Steinkohleaufbereitung bekannt. Um Deponieraumverlust zu vermeiden, erfolgt eine Einspülung von der Wasseroberfläche her an wechselnden, uferentfernten Einspülstellen über eine an Tragseilen aufgehängte Einspülleitung.
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In dem Bericht: Baugrund Dresden, Ingenieurgesellschaft mbH, Zusammenfassung zum Forschungs- und Entwicklungsvorhaben: „Alteration in Tailings des Uranbergbaues” (Kurztitel), 15.02.2001, S. 1–29 wird anhand von Bild 1 beschrieben, dass die bei einer Uranaufbereitung anfallende Rückstände an der Dammkrone einer industriellen Absetzanlage eingespült werden, wobei sich von Damm-nah zu Damm-fern die Rückstände entsprechend ihrer Partikelgröße vom Groben zum Feinen im Freiwasser der Absetzanlage absetzen und verdichten, und wobei die Ausbildung und Lage der Bereiche von der Einspültechnologie abhängig ist. Der Bericht zeigt Ansätze für Konsolidationsberechnungen zur Standsicherheit eines Tailings auf.
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Gemäß der
DE 30 41 087 C2 wird zum Ausflocken eines in einen Bergeteich eingespülten Feinmaterials ein Stärkeflockungsmittel zugesetzt, um die Sedimentation des Feinmaterials zu beschleunigen. In diesem Zusammenhang wird ausgesagt, dass das Absetzverhalten des Feinmaterials von der Rate bzw. der Geschwindigkeit des Zustroms und des Abstroms abhängt.
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Nach
DE 197 29 737 C2 trennt eine Vorrichtung aus Hafenschlick oder Flußsedimenten gewonnenes Baggergut durch Einspülen mittels eines oder mehrerer Einspülrohre in einen Spülsee nach seiner hydraulischen Klassifizierung, wobei es sich auf dem Grunde des Sees als Grobfraktion, Mischfraktion und Feinfraktion auf dem Grunde absetzt und zur weiteren Verwendung mittels eines Schwimmbaggers getrennt nach Fraktionen entnommen und zu Baustoffen aufgearbeitet werden kann. Die Gestaltung des Spülsees orientiert sich dabei im Wesentlichen an dem Volumenstrom des Wasser-Feststoffeintrags, der Feststoffkonzentration des Gemischstroms sowie der Einspüldauer und dem Spülzyklus, woraus sich das Sedimentationsverhalten, die Sedimentationszeit, die Spülstrandlänge und das erforderliche Volumen des Spülsees resultieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ablagerung von werthaltigen Schlämmen auf Rückstandshalden zu finden, dass eine effektive Aufbereitung der in den Rückständen enthaltenen Wertstoffkomponenten zulässt.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem das Spülgut durch ein kontrolliertes Einspülen in eine Rückstandshalde gezielt fraktioniert und dadurch Wertstoffkomponenten definiert angereichert abgelagert werden. Diese aufkonzentrierten Bereiche lassen sich ohne aufwändige Erkundung unmittelbar nach der Einspülung oder auch in späterer Zeit wirtschaftlich effektiv gewinnen und aufbereiten. Außerdem werden dadurch das Volumen der Rückstandshalden und deren Gefahrenpotenzial reduziert. Durch eine zielführende Einflussnahme auf den Einspülprozess entsprechend einer vorgefundenen Schlammzusammensetzung lassen sich die Festphasengehalte der Wertstoffkomponenten in einem ganz bestimmten Bereich in angereicherter Form sedimentieren. Hierzu dienen erfindungsgemäß die Parameter: Eingangs-Festphasenanteil des Schlamms, Eingangs-Durchflussmenge des Schlamms und Neigung der Ablagerungen aus dem Schlamm. Unter einer kontrollierten Einspülung soll je nach den Erfordernissen ein Konstanthalten, Stellen, Steuern oder Regeln der Einspülparameter verstanden werden.
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Durch die Erfindung wird der Abbau einer technogenen Lagerstätte wirtschaftlicher, da weniger Material aus einer Rückstandshalde zwecks Rückgewinnung von Wertstoffkomponenten verarbeitet werden muss und damit die Transport- und Aufbereitungskosten sinken. Investitionen für Neuaufschlüsse von Ressourcen können später erfolgen. Die Lebensdauer der Lagerstätten erhöht sich, wodurch Beschäftigungsverhältnisse gesichert werden. Das Lagerstättenpotential wird besser genutzt und primäre Ressourcen geschont. Der verminderte Flächenbedarf der Rückstandshalden hat positive Auswirkungen auf die ökologische Verträglichkeit und Sicherheit des Bergbaus. Das Gefährdungspotenzial durch Kontaminanten in den Rückstandshalden wird verringert. Die angereicherten Sedimente lassen sich in gleicher Weise aufbereiten wie abgebautes und fein gemahlenes Originalgestein, was die Wirtschaftlichkeit deutlich erhöht. Dabei ist es gleichgültig, ob die Sedimente als Aufbereitungsschlamm oder natürliche Ablagerung vorliegen.
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Die Auswirkungen eines Einspülprozesses auf die Sedimentation können mit hinreichender Genauigkeit mathematisch vorhergesagt werden. Eine mathematische Beschreibung ermöglicht es folglich, eine Prognose über einen ganz bestimmten Sedimentationsprozess zu treffen und damit, schmalbandige Ablagerungen von Schlämmen aufzufinden, in denen sich ganz gezielt bestimmte Wertstoffpartikel angereichert haben. Es kann berechnet werden, wie viel Festphase sedimentiert und wo sich die Partikel bestimmter Form, Größe und Dichte innerhalb der Sedimentationsfraktion sedimentieren und in welcher Konzentration im Verhältnis zum Gehalt im Ausgangsschlamm. Umgekehrt können die Einspülparameter so ausgelegt werden, dass eine Sedimentation an einem vorgegebenen Ort herbeigeführt wird. Beim Anlegen einer Rückstandshalde kann berechnet werden, in welcher Entfernung vom Damm sich der Absetzteich befinden muss und wie die Verteilung der Festphase auf der Aufspülfläche und im Absetzteich sein wird.
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Es ist möglich, ein mathematisches Modell aufzustellen, das auch für variable Bedingungen eine hohe Gültigkeit besitzt.
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Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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Als Beispiel wird eine Anreicherung feinkörnigen Phosphatschlamms auf einer Rückstandshalde, eines so genannten Tailings, beschrieben. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
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1 den prinzipiellen Aufbau einer Rückstandshalde im Querschnitt und
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2 eine Rückstandshalde in der Draufsicht mit erfindungsgemäßen Ablagerungszonen.
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Die Rückstandshalde gemäß 1 besteht aus einem Damm D, an den sich eine Aufspülfläche A von einer Länge größer 100 m, mitunter größer 1000 m anschließt und einem Absetzteich T, dessen Gegenseite wiederum an eine Aufspülfläche A oder den Damm D oder an das natürliche Gelände grenzt. Aus einem Ausflussrohr R einer Verteilungsleitung V oberhalb des Dammes D wird kontrolliert nach den im Eingangs-Schlamm S enthaltenen Feststoffanteilen von beispielsweise 30%, 40% oder 50% Festphase, einer von der Eingangs-Einspülgeschwindigkeit v abhängigen Eingangs-Durchflussmenge q und entsprechend einer sich im Betrieb verändernden Neigung α der Aufspülfläche A Schlamm S eingespült, der als Nebenprodukt der Nassaufbereitung von Phosphaterz anfällt und hydraulisch von einer Phosphatwaschanlage zur Rückstandshalde gepumpt wird. Bei der Einspülung des Schlammes S findet eine Sedimentation längs der Strömungsrichtung nach Korngröße, Dichte, mineralogischer Zusammensetzung und anderen Eigenschaften des Schlammes S statt, die als hydraulische Größe zusammengefasst werden. Dabei bilden sich z. B. verschiedene Dichte- und Korngrößenbereiche. Sind sämtliche Partikel des Gemischs gleicher Dichte, so fraktioniert sich die Wertstoffablagerung hydraulisch nach der Korngröße, ist die Korngröße gleich, aber es liegen Minerale verschiedener Dichte vor, so tritt eine Klassierung nach der Dichte ein. Besteht der Schlamm S sowohl aus unterschiedlich großen Partikeln als auch aus verschiedenen Mineralien, so überlagern sich beide Effekte, die am besten experimentell und zielgerichtet nach Wertstoffpartikeln untersucht werden.
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Die Fraktionierung der Feststoffe auf der Aufspülfläche A durch Sedimentation hängt von einer Reihe von untereinander teilweise abhängigen Parametern ab. Die Sedimentation wird vom Anteil der Feststoffe in der Eingangs-Schlammmischung, der Eingangs-Durchflussmenge q des Schlamms und des Neigungswinkels α der Aufspülfläche A bestimmt. Die Partikelgrößenverteilung der festen Komponenten im Schlamm nimmt mit zunehmender Entfernung von der Einlassstelle längs der Aufspülfläche A ab, ebenso beeinflussen z. B. Durchmesser, Form und Dichte der Partikel selbst die Sedimentation. Letztere Werte lassen sich zu einer hydraulischen Größe zusammenfassen und betrachten. Weitere Parameter sind die Fließbreite φ des Schlamms und die Strömungsgeschwindigkeit des Schlamms entlang der Aufspülfläche.
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Der Absetzprozess der Partikel bestimmt die jeweilige Neigung der Aufspülfläche A in Strömungsrichtung. Die Neigung wiederum beeinflusst seinerseits die Geschwindigkeit der Schlammströmung entlang der Aufspülfläche A. Die Fließbreite φ nimmt stromabwärts zu.
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Aufgrund der hydraulischen Größe verschiedener im Schlamm S enthaltener Minerale bildet sich eine sekundäre technogene Lagerstätte, die sich, abhängig von der hydraulischen Größe ihrer Mineralpartikel und damit abhängig vom Mineralbestand, in Zonen Z1...Zn (2) verschiedener Gehalte aufteilt.
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Unter Berücksichtigung der Sedimentationsprozesse kann das Einspülregime so kontrolliert werden, dass die technogene Sekundärlagerstätte zeitnah oder auch in der Zukunft optimal abgebaut werden kann. Die gegenseitige Abhängigkeit der Sedimentation eines Schlamms S von der Neigung und der Eingangs-Strömungsgeschwindigkeit v lässt sich durch ein mathematisches Modell darstellen, wodurch ein sich wirtschaftlich lohnender Ablagerungsbereich einer bestimmten Partikelgruppe prognostiziert werden kann.
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Aus 2, die rein schematisch eine Wertstoffhalde von oben zeigt, sind die aufkonzentrierten Sedimentationszonen einer bestimmten Partikelgruppe eines eingespülten Schlamms S, hier Phosphatschlamm, unter erfindungsgemäßer Kontrollierung des Einspülregimes dargestellt. In zuvor durchgeführten Experimenten wurden alle Partikel des Phosphatschlamms unabhängig von den Eigenschaften der unterschiedlichen Partikel untersucht, um Aussagen zum Sedimentationsverhalten einer definierten Partikelfraktion, hier der Phosphatpartikel, also zu ihrer hydraulischen Größe, zu treffen.
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Der Schlamm S strömt in Pfeilrichtung entlang der Aufspülfläche A in Richtung Absetzteich T. Der erfindungsgemäß beeinflusste Sedimentationsbereich B der phosphatischen Partikel beginnt in Abhängigkeit der vorhandenen Neigung der Aufspülfläche und der eingestellten Eingangs-Durchflussmenge q im Beispiel bei einer Mindestentfernung von 50 m unterhalb der Ausflussstelle und endet bei 55 m Abstand. Im Falle einer anlagenspezifischen maximalen Entfernung von der Ausflussstelle wird zwischen 85 und 95 m Abstand sedimentiert. Der Bereich B hat also eine Länge von 10 m. Die Formen des Schlammstroms und der Konzentrationsverteilung der Phosphatteilchen sind bei mittiger Anordnung des Ausflussrohrs R und gleicher Neigung der Aufspülfläche A achssymmetrisch. Die Anfangsneigung der Aufspülfläche beträgt zum Beispiel 0,5%.
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Die Konzentrationsverteilung an sedimentierten Phosphatpartikeln ist in der 2 zwecks besserer Anschaulichkeit stufig dargestellt. Der Festphasengehalt an Phosphat (P2O5) im Schlamm S beträgt im Beispiel beim Einspülen ca. 10%. Im angereicherten Bereich B beträgt die Konzentration an Phosphatpartikeln in der mittleren Zone Z1 des Bereichs B bis zu 40% und an der Randzone Zn des Bereichs B noch ca. 16% vom Sediment. Go und Gu geben die obere und untere Grenze des Bereichs B an, innerhalb dessen ein wirtschaftlicher Abbau zu erwarten ist. Mittels der Einspülparameter kann Einfluss auf den Ort und die Länge des Bereichs B genommen werden.
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Die Zonen Z1...Zn unterschiedlicher Sedimentationsbeträge einer bestimmten Partikelgrö8e, hier also phosphatischer Teilchen, lassen sich unter Berücksichtigung der Wechselwirkung mit den Strömungsparametern mittels der Einspülparameter: Eingangs-Festphasengehalt, Eingangs-Durchflussmenge q und Neigung der Aufspülfläche A mit guter Näherung berechnen. Wesentliche Strömungsparameter sind die Fließbreite und Strömungsgeschwindigkeit des Schlamms S auf der Aufspülfläche A sowie die hydraulische Größe als Sedimentationsparameter. Weiteren Einfluss hat die Verteilung der Ablagerungen zwischen auf der Aufspülfläche A und dem Absetzteich T.
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Der mit Phosphat angereichert Ablagerungsbereich B kann zum Beispiel mit einem Bagger abgebaut werden.
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Obwohl das Ausführungsbeispiel sich auf die Anreicherung von Phosphat aus Phosphatschlamm bei gleichzeitiger Abreicherung von Calciumoxid bezieht, die bei der Nassaufbereitung von Phosphaterz in großen Mengen anfallen, ist sie doch nicht darauf beschränkt. Die Erfindung kann überall dort im Bergbau und der Industrie angewendet werden, wo gering werthaltige Schlämme eingespült werden, um die Wertstoffe effektiv aus Rückstandshalden mit beispielsweise einem Löffelbagger zurück zu gewinnen. Beispielsweise entstehen bei der Verbrennung von Stein- und Braunkohle in Kraftwerken schwermetallhaltige Rauchgase und Filterstäube, bei deren Reinigung schlammartige schwermetallhaltige Suspensionen anfallen. Ebenso bei der Reinigung von Abgasen aus der Eisenherstellung. Auch Galvanikanstalten scheiden schwermetallhaltige Schlämme aus. Die Kontaminationsgefahr von Schwermetallen ist ein wichtiges Umweltproblem, weshalb schon aus diesem Grunde eine ökologische und ökonomische Aufarbeitung dieser Schlämme oder deren Salze dringlich ist.
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Als Nebeneffekt sedimentieren bei dem erfindungsgemäßen Verfahren außerhalb des mit einer Wertstoffkomponente angereicherten Bereichs B stark abgereicherte Sande und Tone, die zum Beispiel im Baugewerbe bedenkenlos verwendet werden können. Bei einem Betrieb mit mehreren Aufspülsegmenten lassen sich auf diese Weise nacheinander die separaten Aufspülsegmente ausbaggern, wodurch das Volumen der Rückstandshalde minimiert wird, da die ursprüngliche Neigung α der Aufspülfläche A immer wieder hergestellt wird bzw. sich im Betrieb so geringfügig verändert, dass er in das Berechnungsmodell als Konstante eingehen kann.
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Wenn auch der Festphasengehalt des einzuspülenden Schlamms als konstant betrachtet werden kann, wovon bei Industrieschlamm auszugehen sein sollte, so lässt sich allein durch eine Variation des Einspülparameters Eingangs-Durchflussmenge q am Auslassrohr R die Sedimentation kontrollieren. Die Eingangs-Durchflussmenge q wiederum lässt sich unter Berücksichtigung eines konstanten Ausflussrohrdurchmessers allein durch eine Variierung der Pumpendrehzahl steuern oder regeln, wobei zu beachten ist, dass die mittlere Durchflussmenge des Schlamms S durch die Aufspülfläche A zusätzlich auch von der Menge und damit Neigung der bereits vorhandenen Ablagerungen beeinflusst wird.
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Für die modellbasierte Bestimmung des Anreicherungsbereichs B in Abstand von der Einspülstelle und Breite ist es zweckmäßig, auch die Strömungsparameter festzulegen. Die hydraulischen Größen der in Frage kommenden Wertstoffpartikel, also deren Größe, Form und Dichte und damit auch ihr Mineralbestand, lassen sich empirisch bestimmen und gruppieren. Sie können wertstoffbezogen als Konstanten aufgefasst werden. Die Strömungsgeschwindigkeit des Schlammstroms nimmt stromabwärts und mit zunehmender Tiefe ab und ist von der Neigung der Aufspülfläche A abhängig. Die differentielle Geschwindigkeitsabnahme des Schlammstroms lässt sich unter Berücksichtigung empirisch gewonnener Werte berechnen.
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Die Sedimentation der Partikel ist von der oben definierten hydraulischen Größe abhängig, sowie von der mit zunehmender Entfernung von der Einspülstelle abnehmenden Strömungsgeschwindigkeit. Die Sedimentation verändert die Neigung der Aufspülfläche und umgekehrt. Diese Abhängigkeit kann in das Berechnungsmodell einbezogen werden oder es wird durch einen kontinuierlichen Abbau der Sedimente dafür gesorgt, dass eine ganz bestimmte Neigung erhalten bleibt.
