Perché l'ossigeno è necessario nel trattamento delle acque minerarie
I processi di trattamento dell'acqua in miniera spesso si basano su reazioni di ossidazione prima che i contaminanti possano essere rimossi dall'acqua.
Ad esempio, il ferro ferroso disciolto (Fe²⁺) rimane solubile in acqua e non può essere rimosso in modo efficiente attraverso la sedimentazione. Quando viene introdotto ossigeno, il ferro ferroso si ossida a ferro ferrico (Fe³⁺), che forma precipitati di idrossido ferrico che si depositano all'interno dei chiarificatori e degli impianti di ispessimento dei fanghi.
Un processo simile si verifica durante la rimozione del manganese, l'ossidazione dei solfuri e i sistemi di nitrificazione biologica.
Le tipiche applicazioni di trattamento delle acque minerarie che richiedono ossigeno includono:
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Trattamento di drenaggio delle miniere acide
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Sistemi di deferrizzazione
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Sistemi di rimozione del manganese
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Processi di ossidazione dei solfuri
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Trattamento biologico delle acque reflue
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Sistemi di nitrificazione
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Processi di supporto alla distruzione del cianuro
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Sistemi di riutilizzo delle acque di processo
Senza una concentrazione sufficiente di ossigeno disciolto, i tassi di ossidazione diminuiscono e la capacità di trattamento può diminuire.
Principio di funzionamento
Aspirazione e filtraggio dell'aria
Il processo inizia aspirando l'aria atmosferica attraverso un sistema di filtrazione industriale.
Gli ambienti minerari spesso contengono polveri disperse nell'aria generate da:
I filtri di aspirazione multi-stadio catturano i contaminanti particellari prima che l'aria entri nel sistema di compressione.
Gli alloggiamenti dei filtri sono generalmente realizzati in acciaio al carbonio-rivestito a polvere o in lega di alluminio e utilizzano cartucce filtranti sostituibili.
Compressione dell'aria
L'aria filtrata entra in un compressore rotativo a vite dove la pressione aumenta fino a circa 7–10 bar(g).
Il pacchetto compressore è generalmente composto da:
Il compressore trasferisce l'aria compressa alla sezione di purificazione attraverso tubazioni di processo in acciaio al carbonio o acciaio inossidabile.
I sensori di pressione monitorano continuamente le condizioni di scarico del compressore e trasmettono i dati al sistema di controllo PLC.
Purificazione dell'aria
L'aria compressa contiene umidità, aerosol d'olio e particelle fini che possono danneggiare i mezzi di adsorbimento. La sezione di purificazione rimuove i contaminanti utilizzando più fasi di trattamento:
Il processo di trattamento riduce il contenuto di umidità prima che l'aria entri nel sistema PSA.
A seconda della configurazione, i punti di rugiada in uscita variano generalmente da -40 gradi a -70 gradi.
Il mantenimento di bassi livelli di umidità protegge il materiale dei setacci molecolari e stabilizza le prestazioni di produzione di ossigeno.
Separazione dell'ossigeno
Il sistema PSA separa l'ossigeno dall'aria compressa utilizzando il materiale del setaccio molecolare zeolite. L'aria compressa entra nei recipienti di adsorbimento pieni di setacci molecolari.
Le molecole di azoto si attaccano alla superficie interna dell'adsorbente mentre le molecole di ossigeno passano attraverso il letto ed entrano nel sistema di raccolta dell'ossigeno.
L'unità PSA alterna cicli di adsorbimento e rigenerazione.
Durante il funzionamento:
Le valvole di commutazione automatizzate invertono le funzioni del vaso in base alla tempistica del ciclo programmato.
Questo processo consente la generazione continua di ossigeno senza interrompere le operazioni di trattamento a valle.
La purezza tipica dell'ossigeno varia dal 90% al 95%.
Componenti del sistema
Unità di generazione di ossigeno PSA
Lo skid di generazione dell'ossigeno contiene l'attrezzatura per la separazione del nucleo. I componenti principali includono:
I serbatoi di adsorbimento sono realizzati in acciaio al carbonio resistente alla pressione-e montati su telai di supporto in acciaio strutturale.
Le capacità del sistema variano tipicamente da 10 Nm³/h a 5.000 Nm³/h a seconda dei requisiti dell'impianto di trattamento.
Serbatoio di stoccaggio dell'ossigeno
L'ossigeno generato entra in un recipiente tampone prima della distribuzione. Il serbatoio di accumulo svolge diverse funzioni:
Le pressioni tipiche di stoccaggio sono comprese tra 8 e 16 bar(g).
Per gli impianti di trattamento più grandi è possibile integrare ulteriori serbatoi di stoccaggio dell'ossigeno nel sistema di distribuzione.
Rete di distribuzione dell'ossigeno
Il sistema di distribuzione dell'ossigeno trasferisce l'ossigeno dal generatore all'apparecchiatura di trattamento. La rete generalmente comprende:
Le testate di distribuzione possono fornire ossigeno a più fasi di trattamento contemporaneamente.
Le portate possono essere regolate in modo indipendente per ciascuna zona di trattamento.
Tecnologie di trasferimento dell'ossigeno
Sistemi di diffusione a bolle fini
I diffusori a bolle fini trasferiscono l'ossigeno nell'acqua attraverso dispositivi di aerazione a membrana. Un tipico gruppo diffusore è costituito da:
• Membrana in EPDM • Tubo di sostegno in PVC • Hardware di montaggio in acciaio inossidabileLa membrana rilascia piccole bolle di ossigeno che aumentano l'area di contatto del gas-liquido. Quando le bolle salgono attraverso la colonna d'acqua, l'ossigeno si trasferisce nella soluzione e aumenta la concentrazione di ossigeno disciolto.
I sistemi a bolle fini sono comunemente installati in vasche di trattamento biologico e vasche di ossidazione.
Iniezione di ossigeno Venturi
I sistemi Venturi iniettano l'ossigeno direttamente nelle tubazioni dell'acqua di processo pressurizzate. L'ugello Venturi crea una zona di bassa-pressione che attira l'ossigeno nel flusso d'acqua.
La miscela di ossigeno-acqua entra quindi nei serbatoi di reazione, nei recipienti di ossidazione o nei sistemi di distribuzione.
I sistemi di iniezione Venturi eliminano la necessità di grandi bacini di aerazione in alcune configurazioni di trattamento.
Reattori a cono di ossigeno
I reattori a cono di ossigeno dissolvono l'ossigeno a pressione elevata. Il reattore è costituito da:
• Recipiente pressurizzato • Camera di miscelazione interna • Gruppo iniezione ossigeno • Tubazioni di ricircoloL'acqua entra nel cono sotto pressione mentre l'ossigeno viene iniettato nella zona di circolazione interna. L'ambiente pressurizzato aumenta la dissoluzione dell'ossigeno e riduce al minimo le perdite di gas.
I sistemi a cono di ossigeno sono comunemente utilizzati quando sono richiesti livelli di ossigeno disciolto significativamente superiori alla saturazione atmosferica.
Trattamento di drenaggio delle miniere acide
Il drenaggio acido delle miniere (AMD) si forma quando i minerali contenenti solfuri-reagiscono con l'ossigeno e l'acqua, generando deflusso acido contenente metalli disciolti. I sistemi di trattamento AMD utilizzano spesso l'ossigeno per accelerare le reazioni di ossidazione prima della chiarificazione.
Il processo di trattamento generalmente segue questi passaggi:
Il generatore di ossigeno fornisce continuamente ossigeno ai reattori di ossidazione dove il ferro ferroso disciolto si converte in ferro ferrico.
Il ferro ferrico successivamente precipita e si deposita nelle apparecchiature di chiarificazione a valle.
Applicazioni di trattamenti biologici
I campi minerari, le officine di manutenzione e gli impianti di lavorazione generano acque reflue che potrebbero richiedere un trattamento biologico.
I microrganismi aerobici consumano i contaminanti attraverso l'attività metabolica e richiedono l'ossigeno disciolto per funzionare.
Il generatore di ossigeno fornisce ossigeno ai reattori biologici attraverso griglie diffusori o sistemi di iniezione di ossigeno.
Gli obiettivi tipici di ossigeno disciolto vanno da 2 a 6 mg/l a seconda del tipo di trattamento.
Il sistema di trasferimento dell'ossigeno distribuisce l'ossigeno in tutto il volume del reattore e supporta i processi di ossidazione biologica.
Requisiti di manutenzione
Monitoraggio quotidiano
Gli operatori ispezionano:
- Purezza dell'ossigeno
- Pressione dell'ossigeno
- Portata
- Temperatura del compressore
- Stato dell'allarme
I dati operativi vengono visualizzati tramite l'interfaccia HMI e memorizzati dal sistema PLC.
Manutenzione preventiva
Le attività di manutenzione programmata includono:
- Sostituzione degli elementi filtranti
- Ispezione delle valvole pneumatiche
- Manutenzione compressori
- Calibrazione degli analizzatori di ossigeno
- Controllo dei trasmettitori di pressione
Gli intervalli di manutenzione dipendono dalle ore di funzionamento e dalle condizioni del sito.
Durata utile del setaccio molecolare
Il setaccio molecolare esegue il processo di separazione dell'ossigeno.
I fattori che possono ridurre la durata dell’adsorbente includono:
- Contaminazione dell'acqua
- Riporto di petrolio
- Temperature di esercizio eccessive
- Ciclo di pressione improprio
In condizioni operative adeguatamente mantenute, gli intervalli di sostituzione dei setacci molecolari variano generalmente da 8 a 12 anni.
Specifiche tecniche
| Parametro | Gamma tipica |
|---|---|
| Purezza dell'ossigeno | 90–95% |
| Capacità di ossigeno | 10–5.000 Nm³/h |
| Pressione dell'ossigeno | 4–10 bar(g) |
| Pressione atmosferica | 7–10 bar(g) |
| Punto di rugiada | Da -40 gradi a -70 gradi |
| Temperatura ambiente | Da -20 gradi a +50 gradi |
| Sistema di controllo | PLC+HMI |
| Alimentazione elettrica | 380V–690V |
| Tipo di installazione | Su skid-Montato o containerizzato |
Domande frequenti
D: Come seleziono la capacità corretta del generatore di ossigeno?
R: La capacità è determinata dalla portata dell'acqua, dalla concentrazione dei contaminanti e dai livelli target di ossigeno disciolto (DO). NEWTEK può calcolare la richiesta di ossigeno richiesta in base all'analisi dell'acqua e ai dati del processo di trattamento.
D: Quali processi di trattamento delle acque minerarie può supportare questo sistema?
R: Il sistema può fornire ossigeno per:
- Trattamento di drenaggio acido delle miniere (AMD).
- Rimozione di ferro e manganese
- Ossidazione dei solfuri
- Trattamento biologico delle acque reflue
- Sistemi di nitrificazione
- Applicazioni per il riutilizzo dell'acqua di processo
D: Il sistema può essere integrato con gli impianti di trattamento esistenti?
R: Sì. Il generatore di ossigeno può essere collegato a serbatoi di ossidazione, iniettori Venturi, reattori a cono di ossigeno, sistemi di diffusione e condotte di trattamento esistenti.
D: Quali informazioni sono necessarie per il dimensionamento del sistema?
R: Per dimensionare accuratamente il sistema, NEWTEK richiede in genere:
- Portata acqua (m³/h)
- Rapporto sulla qualità dell'acqua
- Descrizione del processo di trattamento
- Altitudine di installazione
- Alimentazione disponibile
D: Il sistema è adatto a siti minerari remoti?
R: Sì. Il sistema genera ossigeno in loco-dall'aria atmosferica, eliminando la necessità di forniture di ossigeno liquido e serbatoi di stoccaggio criogenici.
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