专利名称：土壤材料中的气相改性的制作方法
背景技术：
的描述发明领域本发明一般涉及土壤材料和环境。更具体地说，本发明涉及处理石堆以阻止被氧化的物质包括酸从石堆中排出的方法。
1989年8月29日授予Frankenberger等的USP4,861,482公开了通过为土和水中的微生物加入营养物，包括钴、锌和镍离子，导致挥发性的烷基硒化物的形成，而从土和水中排出硒。
1995年2月7日授予Crawford等的USP5,387,271公开了用加入的碳水化合物营养物喂养需氧的和/或兼性的微生物的接种体进行第一发酵过程而生物降解土和水中的硝基芳香物质。然后，通过用剩余的碳水化合物营养物喂养混合的厌氧微生物的接种体进行第二厌氧过程。
1995年3月21日授予Walker的USP5,399,048公开了用一个不透气的含有种子和/或为了美观的色彩添加剂的层覆盖暴露的石堆表面。
1997年4月1日授予Batarseh的USP5,616,251公开了用含有与疏水的基团(-R)相连的路易斯碱基(M-)，如水溶性的烷基化的磷酸，的液体处理生成酸性矿物排出物的材料。所述路易斯碱基成分与产生酸的材料中的金属反应。
分别于1997年5月27日和1998年1月20日授予Harrington的USP5,632,715和USP5,710,361公开了通过将营养物注入废料堆的通道中，而将废料堆中的金属就地固定。营养物喂养的产生硫化物的微生物也为料堆提供了产生低溶解性的金属硫化物。
因此，仍然需要以自我维持的方式长期阻止从石堆中排出酸性物。本发明正是满足了这种需要。
另外，也可以将选择的促进还原反应而非氧化反应的微生物营养物加到石堆中。在含有硫化物的石堆中，碳的氧化反应在热动力学上更易于硫化物的氧化反应的发生，因此通过二氧化碳的形成消耗了气相中的氧气。此外加速了就地氰化物和硝酸盐的降解反应。
本发明的另一方面是减少或消除在现有技术的石堆中普遍存在的“烟囱效应”，并减少/消除氧气向石堆中的渗入(“内流”)。现有技术的石堆中的“烟囱效应”是环境中的空气在接近其底部的侧部流入石堆，然后通过石堆从其顶布冒出。在现有技术的石堆中由发生的氧化化学/生化反应引起从底到顶的空气流动，所述反应是放热反应，使石堆的温度上升。这种加热效应降低了石堆中的气体密度，导致气体浮出并离开石堆。由于在现有技术的石堆中发生的化学/生化反应是氧化反应，气相中的气体相对组成发生变化，导致低于气体的平均密度，更轻的气体组分的效应也促使了现有技术的“烟囱效应”。
本发明的石堆中低氧气浓度条件的形成增加了石堆气相的密度，阻止了“烟囱效应”。从氧气(O2)到二氧化碳(CO2)的形成增加了石堆气相的平均密度。平均密度的增加降低或阻止了石堆气体的上升气流和因此的氧气从石堆底部的侧部流入石堆的渗入。因此，本发明的优选的实施方式通过替换和/或减少氧气并也通过阻止氧气的渗入降低石堆中的氧气浓度。
根据本发明的其它步骤，石堆中气相氧气的浓度维持在低水平，例如，其它选择的营养物加入石堆以进一步防止氧气的渗入。优选的情况下，为长期维持这种条件，将石堆的表面覆盖一薄层种植着植物的土。石堆表面的植物的自然生物周期为长期维持石堆中的低氧气浓度条件提供了必需的微生物营养物。
图2为废石堆的侧面图，显示了用本发明的实施方式处理后阻止了“烟囱效应”，和用土和植物覆盖石堆的表面以长期维持石堆气相中的低氧气浓度。
图3为用本发明的另一个实施方式处理的废石堆的侧面图，显示了石堆气相中的氧气通过由另一种气体的物理替换而被减少。
图4为用本发明的另一个实施方式处理的废石堆的侧面图，显示了石堆气相中的氧气通过由化学反应产生的气体的化学替换而被减少。
图5为用本发明的另一个实施方式处理的废石堆的侧面图，显示了石堆气相中的氧气通过由生物活性产生的气体的生物替换而被减少。
图6为用本发明的另一个实施方式处理的矿物碎石堆的侧面图，显示了碎石堆气相中的氧气通过由生物活性产生的气体的生物替换而被减少。
优选实施方式的详细描述参照附图，
图1显示了一个现有技术的废石堆或料堆10。料堆10由颗粒土壤材料构成，包括例如得自金矿开采的硫化的废矿石或脉石。料堆10有固体颗粒土壤材料和遍布其中由气体占据的空隙，这些空隙是该料堆的气相。在现有技术的料堆10中发生放热的化学和/或生化的氧化反应，导致料堆的温度升高。当料堆10的温度升高时，料堆中的气体密度下降，导致气体上升并通过料堆，最终在接近料堆的顶部排出。料堆中浮出并离开的气体在料堆的气相中产生了相对的空隙，环境中的空气，特别是接近料堆底侧部的空气，渗入料堆并占据了空隙。从料堆顶部排出的热的气体总气流，和进入料堆底部冷的环境空气，构成了现有技术的“烟囱效应”。“烟囱效应”的结果是用环境中含有约21％氧气的空气补充了现有技术的料堆中气相组成。因此在现有技术的料堆中，继续保持氧化反应的发生。
例如，含有硫化的废矿石的现有技术的石堆中，所发生的主要化学/生物反应包括其中产物硫酸盐(SO42-)组分一般为水溶性的并且与作为硫酸(H2SO4)的石堆排出物排出。本文中的该方程式和其它方程式，为了简便，不必以化学计量平衡的形式给出，但该技术领域的人员可以明白。
参照图2，显示了用本发明的实施方式处理后的废石堆或料堆20，其中首先将料堆20的气相中的氧气浓度替换和/或减少，然后用土和植物覆盖石堆20的表面以长期维持石堆气相中的低氧气浓度水平。例如，含有硫化的废矿石的石堆20中，按照本发明所发生的主要化学/生物反应包括其中所述产物二氧化碳(CO2)组分为分子量等于44的气体，其比空气的平均分子量28.8的密度更高，并易于保留在料堆中。
此外，在图2中图解说明的本发明可以包括加速了氰化物和硝酸盐的就地降解反应。该反应表示为
(生物载体上的氢化物)(甜菜碱)
(生物还原粉末)
(甜菜碱)
参照图3，为用本发明的一个实施方式处理的废石堆或料堆30，其中石堆气相中的氧气通过由另一种气体或其它气体的物理替换而被减少。在这种情况下，所述替换气体32用注射和分散系统34提供，所述系统包括必要的压缩机/风扇和管道和可能的其它选择性设备。例如，在宽大的就地供给器中的气体，如甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)或丙烷(C3H8)或其混合物可以被输送到注射和分散系统34并在压力下提供给石堆30。最终，替换气体32将减少石堆30气相中的氧气浓度低至足以阻止产生酸和可溶性金属形成的氧化反应。因此，通过“物理减少”，也就是说通过用取代气体替换氧气，或通过减压排出和替换，或通过吸附剂的吸附减少石堆气相中的氧气浓度。
可以使用其它替换气体32和其混合物，而不管其平均密度是否高于或低于空气的密度(周围环境条件下约0.00119克/毫升)。在优选的情况下，所使用的替换气体混合物，其中一种或多种气体的密度轻于(低于)空气，一种或多种气体的密度重于(高于)空气。这样，轻的气体在其上升通过料堆时从石堆30的顶部带走氧气，并且重的气体保留并沉降在石堆的底部，阻止了氧气的渗入。当然，需要事先细心地考虑和计算替换气体32的活性和作用。例如，在上述情况下，由于可燃烧气体混合物的使用而引起的燃烧和爆炸的危险必须降到最低或消除，或如果允许，需要小心地控制。
参照附图4，为用本发明的一个实施方式处理的的废石堆或料堆40，其中石堆气相中的氧气通过由化学反应产生的气体的化学替换或被化学反应消耗而减少。在这种情况下，所述化学试剂用注射和分散系统44提供，所述系统包括必要的压缩机/风扇或泵和管道和可能的其它选择性的设备。例如，(a)在宽大的就地供给器中的化学试剂，如碳酸氢钠(NaHCO3)和水(H2O)可以被输送到注射和分散系统44并在压力下提供给石堆40。反应物在石堆中反应，产生产物气体46，此时为二氧化碳(CO2)，最终将替换和减少石堆40气相中的氧气使其浓度低至足以阻止产生酸和可溶性金属形式的氧化反应。因此，通过“化学减少”，也就是说通过用一种或多种产物气体替换氧气，或通过作为一种试剂在化学反应中消耗氧气减少石堆气相中的氧气浓度。
可以使用其它的试剂42和其混合物，而不管其平均密度是否高于或低于空气的密度。在优选的情况下，由于对有关附图3的描述的原因，所使用的产物气体混合物，其中一种或多种气体的密度轻于空气，一种或多种气体的密度重于空气。也可以使用参与和消耗已存在于石堆40气相中的气体。例如，可以将燃料气体注入分散系统44，在该料堆40中控制燃料气体的燃烧，这种燃烧通过结合燃料气体中的绝大多数碳为一氧化碳(CO)和/或二氧化碳(CO2)而消除石堆40气相中的氧气。此外，这种燃烧可以在石堆40的石质颗粒上留下一层熏黑的膜，该膜可以维持燃烧后按照有关图5描述的类似的方式的生物活性的料堆中的低氧条件。
图5为用本发明的一个实施方式处理的的废石堆或料堆50，其中石堆气相中的氧气通过由生物活性产生的气体生物替换而被减少。在这种情况下，由注射和分散系统56提供的微生物营养物可以促进或维持生物活性，从而由生物活性消耗了料堆50中的气体。所述系统56包括必要的泵和管道和可能的其它选择性的设备用于处理，例如，液体溶液和/或悬浮液或糖、蛋白质和其它营养物、酶、维生素和矿物质，这些物质被特别地选择、混合并提供给石堆50中需要特定营养的细菌和噬菌体群落。例如，由生物活性产生的气体替换氧气而减少氧气的一个方法可由下式描述由醋菌属低值氧化物和/或嗜酸的硫杆菌催化的
在这种情况下，石堆气相中的氧气通过生物活性催化剂的化学反应消耗，并被形成的CO2替换。其它的细菌类型和其混合物也可以使用而不管它是否是石堆区域本土的。
如果本土的菌落不能足以获得或维持低氧条件，可以加入另外的本土菌落或另外的非本土菌落来补充本土菌落。也可以使用其它的营养物和其混合物。这样，这些菌落和营养物可被选择替换或消耗原来存在于石堆气相中的氧气。这些菌落和营养物也可以根据石堆气相中的组成变化，即当氧气浓度首先被降低，然后被维持时，进行调节。利用下面描述的方法维持降低的氧气浓度a) 经植物光合成叶绿素和酶
b)c) 经嗜酸的硫杆菌或任意合适的异养生物体也可以使用其它维持技术以保持降低的氧气浓度在适于本发明的目的的低水平。例如，可以将石堆用不透气覆盖物，如厚土或其它的土壤材料、混凝土或聚合物膜，覆盖。然后，选择性地，可将其它的微生物营养物通过不透气的覆盖物上的孔或导管送入石堆中。即使当使用薄土和植物覆盖物时，根据地理、气候和其它因素，也可以加入使用额外的微生物营养物，并且可以注入或加入到覆盖物下面的料堆中。如上所述，微生物的营养物可以在石堆形成后加入。这些营养物也可以在石堆形成时加入，例如通过加入来自如废木料、树枝或食品加工废弃物的碳源到每一货车荷载或传送装置并卸货到料堆。也可以将这些微生物营养物在料堆形成前加入，例如，当原始的矿石堆形成时，将碳源加到爆破物中(见有关下面图6的讨论)。
通常石堆的工程设计参数是料堆的表面积/体积比的函数。见Solution Mining-Leaching and Fluid Recovery of Materials，第二版，Robert W.Bartlett，Gordon and Breach Science Publishers，1998，特别是第7、8和15章。
正如先前所述，在石堆中促进还原反应的微生物活性是特别有利的。促进所述还原反应的微生物营养物的例子是糖(葡萄糖、果糖、蔗糖、乳糖等)，醇(甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇)、脂肪酸，优选葡萄糖和甲醇/乙醇及缓慢释放成分如脂肪酸的混合物。一般，这些营养物以下列量使用对于每吨石料，用0.1磅糖，0.2磅醇和0.05磅脂肪，根据石料的湿度和石料中所含的先前氧化的产物的量及特定地区的气象变化。
参照图6，为用本发明的一个实施方式处理的矿物碎石堆的侧面图，其中碎石堆气相中的氧气通过由碎石堆中生物活性产生的气体的生物替换而减少。根据本发明的该实施方式，碎石气相中的氧气按照与图5相关的讨论中类似的方法减少。引入到该实施方式的碎石中的所选择的营养物的一个方式是将足量的营养物混入爆炸产生矿物碎石的装置。例如，数百磅的糖和/或淀粉，及选择性的酶、维生素和矿物质放在含硝酸铵-燃料油混合物的石料表面，其通常被称为“ANFO”，并被引爆形成碎石堆。通过来自糖或淀粉营养物的碳的加入，阻止了碎石的氧化反应，并且如果加入的营养物充分过量，爆破物质的硝酸盐残余物作为碳的氧化反应的氧源可以被生物还原。
适于本发明的低氧气浓度范围为约0-18体积％，优选约0-3体积％。在等于或低于该氧气浓度范围下，引起酸和可溶性金属形成的氧化反应受到抑制或降低或阻止。
特别地，在该领域中，石堆中的氧气浓度可以通过常规技术，例如，石堆气相或液相中的氧传感器，测定。也可以用通过检测替换气体的存在或浓度估计氧气的替换的短缺方法。例如可以检测到烃类气体的存在并将其氧气的替换持续过度以保证氧气的浓度低于约3％。
另外，适于本发明的低氧气浓度可以从测得的石堆气相密度高于约0.00125克/毫升或平均的环境气相密度来推测或推论。在这种情况下，高于所述量的石堆气相密度将会阻止石堆的“烟囱效应”。石堆气相密度可以用常规技术测定，如可以用Levine，1995(PhysicalChemistry，Ira N.Levine，1995，P11)描述的热偶测量仪。
与上述Harrington专利‘715和‘361公开的方法相比较，本发明可用于废料堆，该废料堆没有被氧化到极少量的金属已通过溶解在排出水中而被转移的程度。例如，本发明的方法适用于所含有硫化的废弃物基本上多于氧化性的废弃物的废料堆。来自金矿开采的硫化的废矿石或脉石，例如，当首先形成废料堆时，其主要含有硫化的物质和几乎不含氧化性的物质。但随着时间的推移，料堆逐渐持续地产生“烟囱效应”时，料堆中的硫化的物质越来越多地被氧化变成硫酸盐，该硫酸盐是可溶性的并可被作为酸排出物从石堆中流失。如果该情况长期持续进行，实际上料堆主要含有氧化性的物质。可能有毒的氧化性金属可以被转移，也就是说，溶解在料堆的排出物中，并作为其中的污染物。对于废料堆的最初变质阶段，Harrington专利‘715和‘361公开的方法特别有效，即该专利的处理液体含有产生微生物硫化物和最终的金属硫化物的微生物营养物，抑制了已转化的氧化性金属的迁移。
另一方面，本发明适用于废料堆，其中可能有毒的金属没有由于氧化反应而被转化。在效果上，本发明的方法阻止了主要金属在第一位置的氧化或转化。这是非常有利的优点，因为，如果将本发明尽早用于废料堆，就可以把任何可能有毒金属的迁移的危险降到最低。而且，应用本发明在达到减少氧气的条件下，可以容易地、廉价地并长期地维持所述条件，例如通过简单地用一薄层土和其上的植物群落覆盖废料堆的表面。
本发明方法的许多实施方式的特征都在于减少/替换氧气和增加气相密度，并且发明步骤的范畴可以用类似的语言描述。例如，当氧气的浓度经“物理减少”、“化学减少”或“生物减少”时，也就是说气相密度可以通过类似的步骤增加，即经“物理增加”、“化学增加”或“生物增加”。
b)在放置足够长的反应时间并加入促使这些试剂进入料堆的适量水(至少足够用于溶解所述醇)后，将料堆的表面用一薄层土和其上种植混合的本土的植物籽覆盖。所述土层降低了料堆的可渗透性至低于10达西，使得料堆中含有和产生的气体除了被植物的根吸收或通过料堆表面扩散外，不能泄露出来。
维持相如果土层和气候特征不充分，并且氧气含量在料堆中增加时，可以每年或更低频率地通过注射加入2000-10000磅的糖/醇混合物以维持还原条件。应该考虑气候、地理位置和其他因素对植物后代的影响而加入额外剂量。
尽管参照特定方式，材料和实施方式对本发明进行了描述， 但应该理解的是本发明不限于这些描述，本发明可以扩展到本发明下面的权利要求书的范围内的等价替换。
权利要求
1.一种处理土壤料堆的方法，该方法包括将土壤料堆气相中的氧气浓度降低到相对于周围大气浓度较低的氧气浓度水平，和长期维持土壤料堆气相中较低的氧气浓度。
2.权利要求1的方法，其中将氧气浓度物理地降低。
3.权利要求1的方法，其中将氧气浓度化学地降低。
4.权利要求1的方法，其中将氧气浓度生物地降低。
5.权利要求1的方法，其中所述的土壤料堆为废石堆。
6.权利要求5的方法，其中废石堆含有的硫化的物质多于氧化的物质。
7.权利要求1的方法，其中所述的土壤料堆为矿物碎石堆。
8.权利要求7的方法，其中所述的矿物碎石堆也含有加入的微生物营养物。
9.权利要求1的方法，其中所述较低的氧气浓度通过用土和植物覆盖料堆而长期保持。
10.一种处理土壤料堆的方法，该方法包括通过为料堆提供微生物的营养物，将料堆气相中的氧气浓度降低到相对于周围大气浓度较低的氧气浓度水平，和通过用士和植物覆盖料堆，维持料堆气相中较低的氧气浓度，其中所说的植物腐烂产生所说的用于料堆中含有的细菌的微生物营养物。
11.权利要求10的方法，该方法还包括为料堆提供额外的营养物以为所述细菌提供补充的营养物。
12.一种处理土壤料堆的方法，该方法包括相对于料堆外面环境气体密度，增加土壤料堆中的气相密度；和长期维持料堆中增加的气相密度。
13.权利要求12的方法，其中将气相密度物理地增加。
14.权利要求12的方法，其中将气相密度化学地增加。
15.权利要求12的方法，其中将气相密度生物地增加。
16.权利要求12的方法，其中所述的土壤料堆为废石堆。
17.权利要求16的方法，其中废石堆含有的硫化的物质多于氧化的物质。
18.权利要求12的方法，其中所述的土壤料堆为矿物碎石堆。
19.权利要求18的方法，其中所述的矿物碎石堆也含有加入的微生物营养物。
20.权利要求12的方法，其中所述增加的气相密度通过用土和植物覆盖土壤料堆而长期保持。
21.一种处理土壤料堆的方法，该方法包括通过为料堆提供微生物的营养物，相对于料堆外面环境气体密度，增加土壤料堆中的气相密度；和通过用土和植物覆盖料堆，维持料堆中增加的气相密度，其中所说的植物腐烂产生所说的用于料堆中含有的细菌的微生物营养物。
22.权利要求21的方法，该方法还包括为料堆提供额外的营养物以为所述细菌提供补充的营养物。
全文摘要
本发明公开了一种处理土壤材料,如石堆,以阻止酸从石堆中排出的方法。首先,降低石堆(40)气相中的氧气浓度,也就是说,替换和/或消耗氧气。所述第一步骤可以通过物理、化学或生物方法完成。然后,将石堆(40)气相中的氧气浓度保持在低水平。该第二步骤可以自我维持的方式进行,如通过用土和植物覆盖,长期阻止酸从石堆中排出。另外,也可以增加石堆(40)中的气相密度,并长期维持该高水平。本发明的方法可用于采矿和工业处理,如粉末和矿物加工的废料堆,以及露天矿和矿井的碎石堆。
文档编号B09B1/00GK1354699SQ99812878
公开日2002年6月19日 申请日期1999年11月4日 优先权日1998年11月6日
发明者约瑟夫·G·哈林顿 申请人:约瑟夫·G·哈林顿