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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Wertstoffen aus technogenen Sedimentlagerstätten, insbesondere aus gering werthaltige Industrieschlämme aufnehmenden Absetzteichen.
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Aufbereitungsrückstände, die als Abgänge bei der Nassaufbereitung anfallen, werden in aller Regel hydraulisch einer Deponie, einem so genannten Tailing, zugeführt, in welchem die Festphase durch Sedimentation von den flüssigen Bestandteilen getrennt wird. Üblicherweise sedimentiert sich dabei der grobe Teil der Festphase auf der Strandzone, während die Flüssigphase nebst feinkörnigen Festpartikeln in den Absetzteich gelangt.
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Nach dem bekannten Stand der Technik werden aus Tailings zu späteren Zeitpunkten nach der Einspülung oder erst nach deren Stilllegung Wertstoffe gewonnen, wenn steigende Rohstoffpreise, Bedarfe oder neue Technologien die Gewinnung und Aufbereitung wirtschaftlich erscheinen lassen.
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Der späte Abbau von Sekundärlagerstätten in Tailings verursacht gegenüber dem zeitnahen Abbau höhere Kosten, vergrößert den Flächenbedarf der Tailings und ggf. die Umweltgefahren durch Dammbrüche oder Kontaminationen von Boden, Luft und Wasser durch die Inhaltsstoffe der Tailings sowie negative Gesundheitsfolgen. Eine spätere Gewinnung erfordert ggf. umfangreiche Erkundungen im Tailing. Da die Wertstoffbereiche von weniger nutzbaren Materialien umgeben, durchzogen oder überdeckt sind, müssen zusätzliche Mengenanteile als Abraum bewegt werden. Rekultivierungen werden wieder zerstört.
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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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Die Patentschrift
DE 963 861 B beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abbau verwertbarer Feststoffe aus Klärteichen oder -bassins mittels Saugbaggeranlagen. Verfahrensgemäß saugen mindestens zwei Saugbagger gleichzeitig auf verschiedenen Stellen einer Klärfläche, wobei deren Ablauf gemischt wird, um eine möglichst gleichmäßige Mischung aller Kornfraktionen oder Wichten bei gleichzeitigem Ausgleich unterschiedlicher Eindickungen zu erzielen.
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Nach
DE 197 29 737 C2 trennt eine Vorrichtung 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 entnommen und zu Halbstoffen/Baustoffen aufgearbeitet werden kann. Die Gestaltung des Spülsees orientiert sich dabei im Wesentlichen an dem Volumenstrom des Wasser-Feststoff-Eintrages, der Feststoffkonzentration des Gemischstromes sowie der Einspüldauer und dem Einspülzyklus, woraus das Sedimentationsverhalten, die Sedimentationszeit, die Spülstrandlänge und das erforderliche Volumen des Spülsees resultieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in Industrieschlämmen enthaltenen Wertstoffkomponenten wirtschaftlich abzubauen, wobei das Aufspülregime des Schlamms in einen Tailing den Möglichkeiten des Abbauverfahrens angepasst werden soll. Im Sinne einer möglichst baldigen Nutzung dieser Aufbereitungsabgänge ist ein Verfahren zum zeitgleichen oder zumindest zeitnahen Abbau der Wertkomponenten bereits während oder zeitnah zum Aufspülprozess anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem gezielt in einem Absetzteich eines Tailings Wertstoffkomponenten eines Industrieschlamms sedimentieren und mittels eines geeigneten Gewinnungsgeräts, wie Schwimmbagger, abgebaut werden. Der Transport einer im Absetzteich angereicherten Wertstoffkomponente kann dabei wirtschaftlich effektiv hydraulisch vom Absetzteich aus erfolgen. Aufspülung und Abbau erfolgen abschnittsweise. Der Tailing wird in z. B. ringförmig angeordnete Abschnitte unterteilt. Diese Abschnitte werden so festgelegt, dass Aufspülungen und Abbau unabhängig voneinander realisiert werden. Die Leistung des Gewinnungsgerätes und das Arbeitszeitregime werden an die im Absetzteich sedimentierenden Mengen mit Wertstoffkomponenten angepasst.
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In den Absetzteichen der Tailings bilden sich erfindungsgemäß während des Aufspülprozesses technogene Lagerstätten, das heißt Konzentrationen von abbauwürdigen Mineralien. Ein Abbau der sich stetig neu gebildeten Mineralkonzentrationen/Lagerstätten erfolgt während der Aufspülung abschnittsweise vorteilhaft mittels Schwimmbagger.
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Durch die Gewinnung von Wertstoffpartien zeitnah zum Aufspülprozess wird der Spülraum für den Betrieb der Spülstellen vergrößert. Umbauten können später erfolgen. Der Flächen- und Raumbedarf für die Spülteiche verringert sich. Gehören zu den Wertstoffen solche, die Luft, Boden oder Wasser kontaminieren können, z. B. Schwermetalle, wird das Gefahrenpotenzial deutlich verringert.
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Ein wesentlicher Vorteil stellt der frühe Zeitpunkt der Nutzung der aufgespülten Wertstoffkomponenten dar. Durch die Entnahme der Sedimente mit Wertstoffkomponenten während des Betriebes verringern sich Volumen und Fläche der Tailings. Die Sicherheit der Tailings kann dadurch erhöht sowie Umwelt- und Gesundheitsbelastungen verringert werden. Aufwand für Flächeninanspruchnahme und Rekultivierung der Tailingfläche verringern sich. Die Vorräte aus einer Lagerstätte können besser genutzt, der Verlust an Lagerstättensubstanz verringert werden. Investitionen für neue Lagerstätten können verschoben werden. Arbeitsplätze und Wertschöpfung werden länger gesichert. Die Bereiche höherer Wertstoffkonzentration sind bereits aufgeschlossen, Abraum muss nicht gesondert beseitigt werden. Aufgrund der Kenntnis der Ablagerungszonen ist keine geologische Erkundung erforderlich. Es fallen keine zusätzlichen Kosten der Rekultivierung an. Der Einsatz von Schwimmbaggern ist gegenüber z. B. Radladern usw. wesentlich wirtschaftlicher.
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Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels für einen phosphathaltigen Schlamm näher erläutert werden, der bei der Nassaufbereitung von Phosphaterz in großen Mengen anfällt und ein Gehalt von ca. 10% Phosphat (P2O5) als Wertstoffkomponente in Partikelform enthält. In dem Maße, wie weltweit die primären Vorräte an Phosphor abnehmen, steigt die Menge der anfallenden Phosphatschlämme. Gegenüber von Primärlagerstätten von Phosphaten weisen die Phosphatschlämme als Sekundärlagerstätten den Vorteil auf, dass keine Kosten für die geologische Erkundung und weniger Kosten für die Gewinnung erforderlich werden.
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In der zugehörigen Figur ist ein Abbauregime beispielhaft dargestellt.
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Der Tailing besitzt einen Damm 1 beliebiger Breite, auf dem ein Verteilungsrohr 2 und davon jeweils voneinander beabstandete, etwa parallel zueinander angeordnete Ausflussrohre 3 installiert sind. Der Damm kann geradlinig oder auch kreisförmig angelegt sein. Von der unteren Dammgrenze erstreckt sich über hunderte bis tausende Meter eine sanft geneigte Strandebene 4, die ihrerseits stromabwärts von einem Absetzteich 5 begrenzt wird. Der Tailing bildet die Sekundärlagerstätte für den Phosphatschlamm. Die Phosphatschlammabgänge trennen sich nach dem Einspülen in den Tailing in eine Festphase und eine Flüssigphase. Die Festphase enthält den Phosphatanteil in Partikelform. Bei der Einspülung in den Tailing findet eine Sedimentation der Feststoffe längs der Strömungsrichtung nach der Korngrößen- und mineralogischen Zusammensetzung statt. Die Sedimentation wird von der hydraulischen Größe der Schlammpartikel, hauptsächlich Größe, Form und Dichte der Schlammpartikel, bestimmt sowie vom Anteil der Feststoffe in der Schlammmischung, der Dichte des Standwassers, der Durchflussmenge und der Einspülmethode und den technologischen Bedingungen der Einspülung. Je größer die Entfernung zum Absetzteich 5 ist, desto langsamer wird die Fließbewegung des Schlamms im Absetzteich 5.
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Der Festphasenanteil des Schlamms beträgt bei seiner Einmündung in den Absetzteich 5 je nach den Einspülbedingungen 30% bis 50%. Bei einer entsprechenden Wahl der Entfernung des Absetzteichs 5 von den Ausflussrohren 3 und einem entsprechenden Einspülregime lässt sich erreichen, dass die Phosphatpartikel im Schlamm nicht schon entlang der Strandzone 4 sedimentieren, sondern nahezu vollständig erst im Absetzteich 5. Das Phosphatsediment 6 kann auf diese Weise eine Anreicherung an Phosphat bis zu 40% erreichen. Im Absetzteich 5 selbst hat neben den oben genannten Faktoren die Strömungsgeschwindigkeit des Schlamms Einfluss. Die Ablagerung der festen Phase der Schlämme unterliegt der Abbremsung der einströmenden Flüssigkeit. Diese Abbremsung ist auf die im Absetzteich 5 befindliche stehende Flüssigkeit zurückzuführen. Sie verursacht Turbulenzen in den Flüssigkeitsschichten an der Grenze zwischen einfließender und stehender Flüssigkeit. Die Turbulenzen vergrößern sich abwärts des Schlammstroms. Im Innenbereich des in den Absetzteich 5 einströmenden Gemisches bildet sich ein Kegel aus Material gleicher Fließgeschwindigkeit. Beim Übertritt von einer Übergangszone 7 im Absetzteich 5 in eine Hauptzone 8 verlangsamt sich die Fließgeschwindigkeit schlammstromabwärts sowie mit zunehmender Tiefe. In der Hauptzone 8 ist die Fließgeschwindigkeit des Schlamms dann derart verlangsamt, dass sich die Schlammpartikel turbulenzfrei absetzen. Die Fließgeschwindigkeit des Schlamms geht in der Hauptzone 8 gegen Null. Die Gesamtstrecke, die die Phosphatpartikel 6 im Absetzteich 5 bis zur Ablagerung zurücklegen, hängt folglich stark von der Fließgeschwindigkeit des Schlamms im Absetzteich 5 ab und damit vom Einspülregime. Wenn bekannt ist, welche hydraulische Größe die Phosphatpartikel besitzen, so ist zugleich auch die Verteilung der Phosphatkonzentration im Absetzteich 5 vorherzusagen, denn die Phosphatpartikel größerer hydraulischer Größe werden stärker abgesenkt als die Phosphatpartikel kleinerer hydraulischer Größe, wobei zu berücksichtigen ist, dass die Verteilung der Phosphatpartikel in horizontaler Richtung im Absetzteich 5 auch von der Fließgeschwindigkeit des Schlammstroms im Absetzteich 5 abhängt.
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Mit insbesondere Einflussnahmen auf die Abstände und/oder Anzahl der Ausflussrohre 3 und auf den Festphasengehalte des aufzuspülenden Schlamms lassen sich bei gegebener Länge und der Neigung der Strandzone 4 die Voraussetzungen dafür schaffen, dass die im Schlamm enthaltenen Phosphatpartikel nicht schon auf der Strandzone 4 sedimentieren, sondern gezielt in einem Bereich des Absetzteiches 5.
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Ein großer Vorteil des Ablagerungsprozesses von Wertstoffpartikeln, wie Phosphatpartikeln, in einem Absetzteich 5 im Vergleich zu einer Strandzone 4 ist ihre Konzentration auf kleiner Fläche. In der Hauptzone 8 des Absetzteichs 5 werden Geräte 9, wie Schwimmbagger, eingesetzt, die das Wertstoffsediment 6 vom Grund aufnehmen und zum Beispiel per Schlauchleitung in eine Transportrohrleitung pumpen oder auf Schuten verladen. Die Schwimmbagger 9 können beispielsweise Grundsaugbagger, Greiferbagger oder Eimerkettenbagger sein. Eine andere Bergungsmethode besteht darin, dass das Wertstoffsediment 6 auf eine Halde aufgespült und später als Festmaterial abgebaggert wird.
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Ein weiterer positiver Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der, dass sich aufgrund des regelmäßigen Abbaus der Wertstoffsedimente 6 sich die Strandzone 4 nicht im Laufe eines Sedimentationsprozesse in den Absetzteich 5 hineinverlagern kann bzw. der Absetzteich 5 im Laufe der Zeit flacher wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf eine Phosphatgewinnung aus Phosphatschlämmen begrenzt, sondern kann überall erfolgreich dort angewendet werden, wo Schlämme mit Wertstoffkomponenten in Tailings deponiert werden. Als Beispiele soll auf Schwermetallschlämme hingewiesen werden, die bei der Reinigung der in Kohlekraftwerken entstehenden Rauchgase oder in Galvanikanstalten anfallen.
