Putkiselkeyttimen suunnittelu, rakentaminen ja testaus

Abstract

Tämä opinnäytetyö tehtiin osana Seeway- ja MineWaCon -hankkeita, tarkoituksenaan kehittää uudenlainen muovista rakennettu selkeytinjärjestelmä kaivosvesien käsittelyä varten. Opinnäytetyön toimeksiantajana toimi Savonia-ammattikorkeakoulun Ympäristötekniikan opetus- ja tutkimusyksikkö yhteistyössä Geologian tutkimuskeskuksen (GTK) kanssa.

Opinnäytetyön alkuun koottiin kirjallisuustutkimuksen pohjalta tietoa erilaisista kiintoaineiden selkeytysratkaisuista. Kaivosvesien kiintoaineiden ominaisuuksien, sekä erilaisista selkeyttimistä kerättyjen tietojen perusteella valittiin parhaiten kohteeseen soveltuva käytössä oleva selkeytinmalli, jonka pohjalta suunniteltiin rakennekuvineen niin sanottu mobiili kallistettava putkiselkeytin. Tämän selkeyttimen tarkoituksena oli poistaa kaivosvesien kiintoaineita ja raskasmetalleja virtaamasta, jonka suuruus on noin 5,0 m3/h. Muita kriteerejä laitteistolle olivat kustannustehokkuus, helppo liikuteltavuus, sekä suhteellisen pieni koko ja paino.

Kallistettava putkiselkeytin suunniteltiin osaksi suurempaa, koottavaa pilot-mallin puhdistuskokonaisuutta, johon kuuluvat esiselkeytin, kemiallinen saostusprosessi (pikasekoitus- ja hämmennysallas), pystyselkeytysallas ja varastoallas. Sekoitusaltaat olivat työn alkaessa jo valmiina, joten muut laitteet suunniteltiin ja rakennettiin niiden ympärille. Uutta pilot-laitteistoa testattiin vuoden 2014 aikana yhteensä kolmessa Pohjois- ja Itä-Suomessa sijaitsevassa kaivoksessa. Kallistettua putkiselkeytintä testattiin viimeisimmässä koeajossa, Yara Oy:n Siilinjärven tehtaalla.

Ensimmäisten kallistetulla putkiselkeyttimellä tehtyjen kokeiden myötä saatiin parempi käsitys siitä, kuinka putkiselkeytin toimii käytännössä, ja mitä vahvuuksia ja heikkouksia siinä on verrattuna perinteisiin selkeytysmenetelmiin. Vertailu tehtiin jakamalla kemiallisesti käsitelty kaivosvesi hämmennysaltaan jälkeen sekä putkiselkeyttimelle että perinteiseen pystyselkeytysaltaaseen. Kaikki yhdeksän tehtyä koeajoa poikkesivat toisistaan, muuttujien ollessa selkeyttimelle tuleva virtaama Q (0,8–3,0 m3/h) ja vedenkäsittelykemikaalin annostus (0,25–1,0 kg/m3).

Parhaimmillaan kallistettu putkiselkeytin osoittautui 3,30 m/h pintakuorman arvolla tehokkaammaksi menetelmäksi fosforin poiston osalta kuin pystyselkeytin 0,54 m/h pintakuormalla. Teoriassa tämä tarkoittaa sitä, että yhdistettynä optimoituun kemikaaliannosteluun, valmistetulla pilot-mallin putkiselkeyttimellä pystytään käsittelemään yli kuusinkertainen määrä vettä selkeyttimen vesipinta-alaa kohti kuin normaalilla pystyselkeyttimellä. Yhteenvetona voidaan todeta, että vaikka laite vaatii vielä useita koeajoja, muovista rakennettu kallistettu putkiselkeytin pystyy kuitenkin oikein mitoitettuna erottamaan kaivosvesistä tehokkaasti kiintoaineita, ravinteita ja raskasmetalleja.

This thesis was made as a part of Seeway and MineWaCon projects. Their aim is to provide information, new methods and technology on recovery of heavy metals and suspended solids. The objective of this thesis was to design a new type of clarifier from plastic for mine water treatment. The client in this thesis was Savonia University of Applied Sciences with The Geological Survey of Finland as the main partner.

The first part of this thesis was to study literature about the removal of suspended solids and heavy metals from mine water and to obtain useful information about different clarifiers. Based on the information collected from literature, the most suitable clarifier type was selected to be the base model for the new prototype of an advanced inclined tube clarifier built almost entirely from plastic. The main purpose of this clarifier was to separate suspended solids and heavy metals from a stream of 5.0 m3/h. Other requirements were that it needed to be cost efficient, easy to move and that it should fit into a small space.

The advanced inclined tube clarifier was designed and built as a part of a larger mobile construction which includes a pre-clarifier, rapid and gentle mixing tank, a basic clarifier and a storage tank. The mixing tanks were already built a year before but the rest of the tanks had to be designed and constructed. The new pilot system was tested in 2014 at three different mines located in Eastern and Northern Finland. The advanced inclined tube clarifier was tested at the third site, Yara Ltd. in Siilinjärvi.

During the first tests of the advanced inclined tube clarifier a better view and understanding was acquired of how the clarifier works in the field and what benefits and flaws this alternative clarifier brings compared to more standard clarifying methods. The comparison was made by dividing the chemicalized stream from the gentle mixing tank to the regular settling tank and to the advanced inclined tube clarifier. All of the nine tests were conducted with different kinds of setups where variables were the current of the treated water led to the clarifier being between 0.8 and 3.0 m3/h and the dosage of the water treatment chemical being from 0.25 to 1.0 kg/m3.

Compared to the regular settling tank with the surface overflow rate being 0.54 m/h, the advanced inclined tube clarifier proved to be more efficient in separating phosphorus from the treated water with a surface overflow rate of 3.30 m/h. Theoretically this means that the advanced inclined tube clarifier can process over six times more water than a regular settling tank with the same area of water surface. Although more tests need to be carried out, the conclusion is that with a proper scaling of water treatment chemicals to the treated water current, the advanced inclined tube clarifier is a well-functioning prototype capable of efficiently removing suspended solids, heavy metals and nutrients from mine waters.