Wasserprobleme in Minen und Steinbrüchen lösen dank Zentrifugentechnik, Klärbecken und Polymer-Dosieranlage

Mit zunehmenden Alter der Bergwerke und Steinbrüche stehen Betreiber Wasserproblemen gegenüber, die durch Produkt-Waschung und -Aufbereitung entstehen. Zu diesen Problemen zählen der Platzmangel in den Teichen, die Notwendigkeit, unter den bestehenden Teichen abzubauen, die Wasserknappheit aufgrund von Beschränkungen, Grenzwerte für die Rückführung in das Grundwasser, oder sogar zu viel durch Ton und Feinstkorn verunreinigtes Wasser. 

Die traditionelle Lösung war der Einsatz von Filterpressen und/oder Absetzbecken. Diese Technologie erfordert nicht nur erhebliche Kapitalinvestitionen, sondern auch einen großen Platzbedarf sowie ständig anwesendes Bedienpersonal. Zudem verursacht die Technologie laufende Betriebskosten für Filtermedien. Pressen und Teiche lassen sicht nicht transportieren. Die damit verbundenen Baukosten erhöhen die notwendigen Investitionen. Den Abraum einfach in einen Teich zu leiten, stellt keine sinnvolle Alternative dar, da infolgedessen erhebliches Bergwerkeeigentum unter Quarantäne gestellt werden würde.

Als mögliche zuverlässige und kosteneffiziente Alternative wurde mithilfe von zwei Versuchen eine Pilotanlage getestet. Diese besteht aus einem Klärbehälter/einer Polymer-Dosiereinheit und einer Dekanterzentrifuge, die speziell für den Einsatz im Bergbau entwickelt wurde. Die Pilotanlage wurde eine Woche lang parallel zu einer Filterpresse gleicher Größe betrieben und eine weitere Woche an einem anderen Standort. Die Ergebnisse beider Tests sind sehr trockene Feststoffe, ein minimaler Polymereinsatz und ein klares Zentrat.

Einleitung

Im Juli und August 2022 wurden Pilotversuche bei zwei Sand- und Kieswaschanlagen im Südosten von Wisconsin durchgeführt. Die erste Anlage war die Grube Lisbon von Lannon Stone Products, Inc. in Sussex (Wisconsin, USA). Der Standort wird auch als „Lannon“ bezeichnet. Das Gelände der Grube besteht - typisch für die Region - aus dem üblichen Gletscherschutt-Gemisch mit Sedimenten, Lehm und Geröll, welches den Dolomitkalkstein der Region bedeckt. Der Kalkstein enthält unterschiedliche Mengen an Hornstein und Lehm.

In der Lannon-Grube werden sowohl Bausteine als auch Sand und Kies abgebaut. Der Kies reicht von Schüttsteinen bis zu Feinkies und Splitt. Der Sand wird in verschiedene Anwendungsklassen eingeteilt: gewaschener Betonsand, Mauerwerkssand, Streusand, Golfplatzsand und ultrafeiner gewaschener Sand. Lannon leitet das gebrauchte Waschwasser in sein Klärbecken. Über eine Dosierstation von Clearwater Industries Inc. werden Polymere beigemengt, wodurch sich der Feststoff im Klärbecken absetzt.

Der Überlauf aus dem Klärbecken wird direkt zurück in die Waschanlage geleitet. Für den Unterlauf des Klärbeckens gibt es zwei verschiedene Wege. Fast die Hälfte des Unterlaufs wird direkt in die neue 2 Meter mal 2 Meter große Kammerfilterpresse geleitet, der Rest wird in die traditionellen Absetz-/Lagerteiche umgeleitet. Mit diesem Unterlauf wurde auch die Zentrifuge gespeist.

Überblick über die Anlage und Testaufbau.

Die zweite Anlage befand ist auf der zentralen Waschanlage von Tri-County Paving, Inc. in Arlington (Wisconsin, USA), bezeichnet als „Tri-County“ . Diese Anlage dient als allgemeine Annahme-, Lager-, Misch- und Waschanlage für mehrere Steinbrüche und Bergwerke – sowohl innerhalb als auch außerhalb des Betriebs von Tri-County Paving. Folglich ist die Mineralienpalette etwas breiter als in Lannon. Aufgrund der regionalen geologischen Gegebeneiten handelt es sich bei den am meisten verarbeiteten Materialien aber ebenfalls um ein Basis-Gemisch aus Moränenüberlagerung, das den dolomitischen Kalkstein bedeckt.  

Hochentwickelte Misch- und Verladeanlagen in Arlington ermöglichen es Tri-County, Produkte nach sehr genauen Spezifikationen und mit engen Toleranzen anzubieten. Das Wasser aus der Sandwaschanlage wird mit einer Polymer-Dosieranlage von Clearwater Industries behandelt, bevor es in deren Klärer geleitet wird. Das Wasser, das als Überlauf aus dem Klärbecken fliest, wird in ein Waschwasserrückhaltebecken zurückgeführt. Der Unterlauf wird direkt in ein von zwei Absetzbecken geleitet, um das überschüssige Wasser abfließen zu lassen.  Auch hier wurde der Unterlauf des Klärbeckens genutzt, um die Zentrifuge zu speisen. Dieser enthielt einen deutlich höheren Fesstoffanteil als in Lannon (typischerweise fast 55% Trockenmasse).

Von links nach rechts – Mietstromaggregat, Klärbehälter von Clearwater Industries – mit dem auf einem Rahmen montierten Bedienpanel der Zentrifuge im Vordergrund, der Zuführpumpe mit einem kleinen Tank und der Dekanterzentrifuge

In beiden Fällen (Lannon und Tri-County) war es notwendig, das eingesetzte Sandwaschwasser von Ton und ultrafeinen Sedimenten zu befreien, um es im Prozess wiederverwenden zu können. Der gesamte Sand wird in der Waschanlage gewaschen. Das dabei anfallende Waschwasser ist mit organischem Material, Strahlmittelrückständen, Ton und ultrafeinen Partikeln verunreinigt. 

Das verunreinigte Wasser ließ sich nicht wirtschaftlich in Teichen zur Verdunstung lagern. Die Teiche beanspruchten zudem Platz, der für den zukünftigen Abbau profitabler genutzt werden könnte. Außerdem wäre es nicht möglich gewesen, das Wasser in diese Form in die Grundwasserquellen zurückzuführen. In beiden Fällen entschieden sich die Bergwerkebesitzer für einen Klärbehälter mit einem Polymer-Dosiergerät von Clearwater Industries, um eine genaue Flockungsmitteldosierung zu gewährleisten.

Zweck der Pilotprojekte

Der Hauptzweck der Pilotprojekte bestand darin zu zeigen, dass mit einer Kombination aus einer Zentrifuge, einem geeigneten Klärbehälter und einer korrekt kalibrierten Polymerdosierstation

1. das Waschwasser erfolgreich zur Wiederverwendung zurückgewonnen werden kann.
2. Zudem lässt sich mit solch einer Anlage der Feststoffgehalt so erhöhen, dass die Feststoffe trocken genug sind, um nicht mehr gepumpt werden zu müssen, sondern einfach Verladen werden können.
3. Gleichzeitig besteht kaum oder kein Bedarf mehr an Absetzbecken und das alles bei
4. wirtschaftlichem Betrieb mit minimalem Bedienungsaufwand.

In beiden Versuchen wurde die Pilotanlage innerhalb weniger Stunden nach der Installation auf optimale Betriebsleistung gebracht und übertraf die Zielparameter des Versuchs. Im Versuch wurden verschiedene Szenarienmit unterschiedlichen Zufuhrraten und Trommel- und Schneckendrehzahlen getestet. Ziel war es, die Kombination aus Zufuhr- und Differenzdrehzahl der Trommel- und Schneckendrehzahlen zu optimieren.   

Zudem wurden verschiedene Varianten bei der Polymerdosierung gestestet, um festzustellen, ob es mehrere optimale Einstellungen für jedes Volumen-/Drehzahlszenario gibt. Hierfür wurden die Reinheit des Zentrats (Flüssigkeitsabfluss) und die Trockensubstanz der Feststoffe bei jeder Einstellung im Vergleich zum Zulauf gemessen.  Sowohl die Dosierstation als auch die Zentrifuge konnten schnell neu kalibriert werden, so dass an jedem Standort 18 separate „Was-wäre-wenn“-Szenarien durchgeführt werden konnten.

Methodik

Die ausgewählte Flottweg Dekanterzentrifuge des Modells Z5E-4/451 ist mit einem speziellen Verschleißschutz für den Bergbau ausgestattet. Damit werden Trommel, Schnecke und alle Ein- und Austrittsstellen optimal gegen den Verschleiß geschützt, der mit dem typischen Bergbaumaterial im Unterlauf eines Klärbeckens einhergeht.

Die Pilotversuche umfassten die Dekanterzentrifuge, das Stahlgestell und das Bedienfeld, ebenso wie   eine Zuführpumpe aus dem Lager des OEMs, die komplett mit einem kleinen Zuführtank geliefert wurde. Die Zuführpumpe ist wichtig, um den Überdruck im Zuflaufstrom aufrechtzuerhalten. Der kleine Zuführtank (der in der Regel nicht für Versuchszwecke benötigt wird) war von oben zugänglich war. Das Team konnte so die Zufuhr visuell überwachen, um die vom Dichtemessgerät angezeigten Werte zu bestätigen.   

Der Zulaufstrom zur Zentrifuge war mit den folgenden Inline-Instrumenten ausgestattet: -

1. ein Dichtemessgerät, welches den prozentualen Anteil der suspendierten Feststoffe im Zulauf misst
2. ein Volumenmessgerät, das die Gallonen pro Minute des gesamten Zulaufstroms misst und
3. ein Volumenmessgerät, welches die Gallonen pro Minute der Polymerlösung erfasst, die dem Zulauf zugeführt wird.  Letzeres wurde auch von der Polymer-Dosiereinheit von Clearwater Industries Inc. überwacht, die die Polymerdosierung sehr genau vornahm. 

Das Bedienfeld der Zentrifuge war mit allen Instrumenten verbunden und überwachte alle Aspekte des Betriebs. Bei Änderung des Volumens oder der Dichte im Zulauf wurden sofort und automatisch Anpassungen vorgenommen. Für ein gleichmäßiges Ergebnis nahm die Hauptsteuerung erforderliche Änderungen an der Trommel- und / oder Schneckendrehzahl sowie an deren Differenzialgeschwindigkeit und an der Polymermenge vor.  Ebenso wurden die Lager im Hinblick auf mögliche Vibrationen sowie die Stromzufuhr überwacht. 

Bei einem Stromausfall unterbricht die Zentrifuge automatisch die Zufuhr und entleert die Trommel von Feststoffen. Wird die Stromversorgung wiederhergestellt, kehrt die Trommel automatisch wieder in einen stabilen Betrieb zurück, unabhängig davon, welcher Teil des Ausschaltzyklus unterbrochen wurde.

Abbildung der Instrumente – (a) Dichte, (b) Zufuhrstrom pro Min. und (c) Polymer-Dosieranzeige pro Min.

Analyse

An beiden Standorten wurde ein Feldlabor eingerichtet, um die Trockensubstanz (TS) im Zulauf, im Zentrat und im Feststoffkuchen zu analysieren. Für die Analyse in den Flottweg eigenen Laboren wurden Doppelproben entnommen, mit deren Hilfe zusätzliche Analysen wie der Gesamtmenge an Schwebstoiffen (TSS) in Zulauf und Zentrat durchgeführt wurden. Für die Versuche in Tri County wurde eine Zulauf- und Zentratprobe zur Analyse der Partikelgrößenverteilung an das Labor von Clark Testing in den USA geschickt; für die Versuche in Lannon wurden sie vom Flottweg Labor in Deutschland analysiert.

Beispiel für eine der insgesamt 36 Feldproben von Zulauf, Feststoffen und Zentrat

Der Unterlauf aus dem Klärbecken wurde in einen einfachen Auffangtank geleitet, sodass der Bediener den Zulauf visuell inspizieren konnte. Normalerweise ist dieser Tank nicht erforderlich, wurde aber für die Pilotversuche gewählt, weil der Tank auf dem Zulaufpumpengestell verfügbar war. Der Inhalt des Tanks wurde kontinuierlich aus der Entnahmestelle an der Leitung gepumpt. Der Der Zufuhrdruck war vernachlässigbar, der Überdruck betrug nicht mehr als ein oder zwei bar (15-30 psi) , um sicherzustellen, dass die Zentrifuge nich unterversorgt wurde.

Mithilfe der Schwerkraft trägt die Zentrifuge Feststoff und Flüssigkeit aus. Regelmäßige Probenahmen des Zulaufs, der Feststoffe und des Zentrats wurden an den entsprechenden wichtigen Punkten des Versuchsaufbaus entnommen.  Die Proben wurden zur Analyse der Partikelgrößenvertreilung an ein externes Labor geschickt.

Lannon-Versuch Zentrifugenbeschickung Partikelgrößenverteilungen Tri-County Typische Feststoffverteilung im Zulauf pro Versuch = zwischen 26 % und 55 % Feststoff

Polymervorbereitung

Das Polymer wurde mit einer Polymerdosierstation von Clearwater vorbereitet. Das verwendete Trockenpolymer bei Tric County war CW95V und bei Lannon CW16 . Während des Pilotversuchs wurde eine Polymerlösung mit einer Wirkstoffkonzentration von 0,25 % genutzt. Der Polymerverbrauch wurde dann auf der Grundlage des Volumenstroms der Polymerlösung und des Volumenstroms der trockenen Feststoffe berechnet. Die Einheiten für den Polymerverbrauch werden als Pfund aktives Polymer pro Trockentonne Feststoffeinsatz (lb. ap/dry ton) angegeben.

Trennergebnis

Das Trennergebnis wird anhand der Schwerbstoff-Rückgewinnung , des prozentualen Gesamtfeststoffanteils im entwässerten Kuchen und des Polymerverbrauchs bewertet. Durch die Anpassung der Betriebsparameter wird das Trennergebnis beeinflusst. Die Qualität der Feststoffrückgewinnung kann visuell bewertet werden. Auf diese Weise kann das Trennergebnis so optimiert werden, dass ein möglichst hoher Trockensubstanz-Gehalt bei akzeptablen Zentrat erreicht wird.

Stark entwässerte Feststoffe

Ergebnis

Tabelle 1 und 2 zeigen die Parameterbereiche und die erzielten Leistungen. Alle einzelnen Versuchsergebnisse finden Sie im Anhang. Man beachte, dass Versuch 8 in Tri County ein sichtbar schlechtes Zentrat aufwies und Versuch 13 am gleichen Standort einen Fehler bei der DS-Messung aufwies und keine Proben genommen wurden.

Tabelle 1: Bereiche der Betriebsparameter.

Trommeldrehzahl/Beschleunigung	1292 - 1838	U/min
	494 - 999	x g
Zulaufgeschwindigkeit (min-max)	26 - 90	gpm
	1578 – 18.739	trocken lb/h

Tabelle 2: Bereiche der erreichten Leistung.

Zentrat	0,040 – 0,221	% TS
	0,001 – 0,155	% TSS
Kuchen	69,3 – 77,1	% Feststoff
Rückgewinnung (TSS)	99,9 – 100	%

Schwerkraft

Die Auswirkung der G-Kraft auf die Leistung werden untersucht, indem die Trommeldrehzahl bei konstanten Betriebsbedingungen und -parametern angepasst wird. Anschließend wird das Drehmoment so eingestellt, dass der trockenste Kuchen erreicht wird. Die Trockensubstanz im Feststoffkuchen lag zwischen 69,3 und 77,1 Massenprozent TS, wobei höherer g-Kraft ein trockenerer Kuchen beobachtet wurde. Die Ergebnisse sind unten dargestellt:

Polymerdosierung

Da das Polymer die Feststoffe verbindet, beeinflusst die Menge des dosierten Polymers die erreichbare Trennung. Durch Variation des Polymerverbrauchs bei gleichbleibenden Betriebsparametern und -bedingungen kann eine Polymerkurve erstellt werden, mit der der Bereich für eine optimale Polymerdosierung ermittelt wird. Die optimale Polymerdosis wurde bei 0,20 – 0,27 lb ap/dry ton festgelegt, während bei über 0,35 lb ap/dry ton die Trockenheit des Feststoffkuchen leicht zurückging.

Diese sehr geringe Menge an Polymer, die benötigt wurde, um den erreichten Trockenstoff-Gehalt konstant zu erzielen, bestätigt, dass die in der Branche üblicherweise sehr viel höher angesetzten Dosierraten für eine optimale Abtrennung unnötig sind und bei Überdosierung die Trennung sogar behindern.   Eine sorgfältige Erprobung bei Inbetriebnahme sorgt für eine hervorragende Trennung bei gleichzeitig niedriger Dosierung.

Fazit

Um bis zu 90 % oder mehr Teichfläche zu sparen, ist eine Dekanter-Zentrifuge in Kombination mit einem Klärer und einer Polymer-Dosiergerät eine sehr kostengünstige und effektive Lösung. Bis zu 90 % des Prozesswaschwassers können zurückgewonnen werden. Der erzeugte Feststoffkuchen ist so spatenfest, dass er mit einem Förderband oder LKW transportiert werden kann. Die Rückgewinnung von wiederverwendbarem Wasser aus dem Waschanlagenprozess in Sand und Kies mit einem entsprechend verschleißgeschützten Zentrifugen-Dekanter in Verbindung mit einem Klärbecken / passender Polymer-Dosieranlage funktioniert hervorragend. Die bei diesen Versuchen in den USA erzielten Ergebnisse stimmen hundertprozentig mit den Ergebnissen von mehreren aktuellen Installationen in Europa überein.

Fast alle (über 99,9 %) Schwebstoffe werden aus dem Waschwasser entfernt. Der entwässerte Feststoff ist spatenfest und kann über ein Förderband, eine Förderschnecke oder einen LKW abtransportiert werden. Im Dauerbetrieb ist ein typischer Trockenstoffgehalt von ≥ 69 % bis 77 % (Massen-TS) zu erwarten.

Die zur Unterstützung der Trennung benötigten Polymermengen waren sehr gering.  In der Regel werden 500 g bis 2 kg pro Trockentonne erwartet. Bei einer Polymerdosierung von 0,17 – 0,44 lb konnte die Zentrifuge eine Feststoffrückgewinnung von über 99,9 % und einen Trockenstoffgehalt von 69 % bis 77 % TS (entspr. 77 g–199 g pro Trockentonne) erreichen.   Die Beschickungsraten lagen konstant zwischen 26 und 90 gpm (98 bis 341 l/m).  Das entspricht etwa 5,9 und 20,4 m³/h.

Das Zentrat (Flüssigkeit) ist klar und vollständig wiederverwendbar als Prozesswaschwasser. Dadurch spart die Anlage bis zu 90 % ihres Waschwasserbedarfs ein. Der Strombedarf ist gleichbleibend und vorhersehbar. Eine Überwachung durch Bedienpersonal ist kaum notwendig, der regelmäßige Wartungsaufwand ist minimal. Das System ist ausfallsicher. So lässt sich sicherstellen, dass ein plötzlicher Anstieg der Feststoffmenge im Zulauf, ein Beschickungsausfall oder Stromunterbrechungen nicht zu negativen Auswirkungen führen.

Eric Gentis, Flottweg SE und Andrew Gralton, Clearwater Industries Inc.
[Zusätzliche Autorenbeiträge] Stefan Ecker, Joe Lamb, Terry Ostrom, Martin Eckl, Robert Klug, Tony Kramer und Dustin Miller von Flottweg SE sowie die Eigentümer und Teams von Lannon Stone Products, Inc. von Sussex WI und Tri-County Paving Inc. von DeForest WI haben zu diesem Bericht beigetragen.