油砂尾矿脱水与处理技术概述

油砂行业中最值得关注的环境问题与分离沥青和油砂时形成的尾矿池有关。2009年2月,艾伯达能源资源保护委员会(ERCB)发布74号指令,对尾矿处理专用区域的构建和管理做出了具体规定。油砂行业的发展必需要开发更具可持续性的技术。本文对已经开发出的尾矿处理技术进行了概述,这些新的技术进步或许能够加速尾矿池的清理,减少油砂生产对环境造成的影响。

1 前言

尾矿是开采油砂矿和沥青提取过程的副产品(如图1)。尾矿池内的很多固体废物——尤其是采矿产生的废物——密度超过水,最后沉到池底。加拿大和委内瑞拉拥有丰富的油砂资源,也因此不可避免地出现尾矿池,进而面临环境隐患。

图1  油砂开采及沥青提取简图

2 油砂尾矿的特性

2.1 尾矿类型

随着时间的推移,尾矿在尾矿池中分为四个主要部分或层:快速沉淀的粗砂(>44微米);含有固体物质(包括砂和粘土)的被称为成熟细尾矿(MFT)的厚层尾矿悬浮物;被称为液体细粒尾矿(FFT)的细粒(20%~80%的粘土砂粉)水性悬浮物质;循环水表面层。MFT可以被描述为一个具粘性液体能力的悬浮着的粘土砂(大概70%的水和30%的固体)。MFT是油砂行业的一个挑战,因为细粒物质(<44微米)不能有效地自行凝固并进入固体层。

2.2 尾矿化学组成

尾矿废水含有高浓度的环烷酸盐和微量的有机金属,如钼、铜、铬、铅、镍、铁和钒。

3 尾矿处理技术

3.1 物理/机械方法

物理/机械方法所涉及的各种技术,目的是将水从固体中分离出来。包括各种过滤法、细尾矿离心法、成熟细尾矿热干燥法、电气处理法、爆炸致密化法、排水带法、堆载法、提高尾矿砂密度法等。

3.1.1 过滤法

过滤是以某种多孔物质为介质,在外力作用下,使悬浮液中的液体通过介质的孔道,而固体颗粒被截留在介质上,从而实现固、液分离的操作。实现过滤操作的外力可以是重力、压强差或惯性离心力等。

3.1.2 离心法

离心沉降是指依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程。使用添加剂可以显著改善离心性能使处理结果有明显改善。

3.2 混合/共处理方法

混合/共处理法指的是将各种可用的土壤材料和废物产品与尾矿流混合,以提高尾矿密度。此类方法包括复合/综合尾矿技术、MFT细粒尾矿(spiked tailings)技术、MFT与清水混合覆盖技术、混合MFT与其他覆盖层技术、MFT与再生的材料混合技术、MFT/CT与焦炭混合技术、用砂混合浓缩尾矿等技术。
复合/综合尾矿技术(CT)主要指利用旋风分离器从细砂和大量水中分离得到粗砂及少量水,再添加成熟细尾砂和凝聚剂,形成新的尾砂流。

3.3 自然方法

自然方法指使用环境或地球物理方法从固体中移除水。包括:沉降/自重固结、蒸发/干燥、加速脱水、冷冻/解冻、植物脱水等技术。
沉降/固结是自然脱水过程,利用重力作用将悬浮固体从尾矿中分离。
TRO技术是在MFT中加入一种高分子絮凝剂,将其平铺在沙滩浅坡上,干燥后所得产物可直接作为土壤使用。

3.4 化学/生物改良

化学/生物改良指改变尾矿的性质以去除水的方法。包括浓缩处理、全尾矿混凝、全尾矿絮凝、原位生物处理、原位化学处理等技术。

3.5 永久储存

永久储存是认识到尾矿处理技术的复杂性和成本后,选择将尾矿以其本来形式储存在地面上或地下的技术方法。包括MFT水覆盖的湖、人工湖和在地下洞穴储存MFT等。

4 油砂尾矿的管理

艾伯塔省的油砂开发由艾伯塔省环境厅(AENV)、能源资源保护委员会(ERCB)和艾伯塔省可持续资源发展部(SRD)监管。联邦政府通过加拿大环境部、加拿大渔业和海洋部发挥其管理油砂的职能。AENV由艾伯塔省环境保护和促进法案授权,ERCB由艾伯塔省油砂保护法案授权来行使监管职能。

5 结语

基于目前油砂业已经产生的大量液体废物以及尾矿储存设施已趋近饱和,迫切需要寻找切实可行的油砂尾矿脱水技术,通过对现有尾矿处理技术的回顾,发现没有一种单一的脱水方法可以对所有尾矿都有很好的效果,虽然有很多技术得以提出并加以试验,但由于缺乏技术或经济可行性而不能得以推广,预测未来油砂尾矿脱水处理技术将形成以多种机械物理方式相结合为主导的发展道路,同时尽可能实现脱水过程耗时短、能耗低、运行成本低的目标。随着各国研究人员对尾砂脱水处理方式的研究与开发,此项技术必将进一步发展,对于整个行业、经济、环境等方面具有重要意义。

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