Μελέτη απομάκρυνσης ρύπων με χρήση ενεργών διαπερατών βιοφραγμών

Abstract

Η υποβάθμιση της ποιότητας του νερού είναι το κύριο περιβαλλοντικό πρόβλημα που αντιμετωπίζει η μεταλλευτική βιομηχανία τις τελευταίες δεκαετίες. Οι αρνητικές επιπτώσεις στην ποιότητα του νερού συνήθως συνδέονται με την παρουσία θειούχων ορυκτών στο κοίτασμα και επομένως και στα παραγόμενα απόβλητα που παράγονται, το οποίο οξειδώνονται απελευθερώνοντας οξύτητα, θειικά ανιόντα και βαρέα μέταλλα και μεταλλοειδή όπως Fe, Cu, Cd, Zn, Pb, As, Sb κλπ. Η εξυγίανση σε εν ενεργεία ορυχεία συνήθως αντιμετωπίζεται με τη χρήση συμβατικών τεχνικών όπως είναι η χημική οξείδωση και η εξουδετέρωση με αλκαλικά υλικά. Ωστόσο, οι ενεργές τεχνολογίες κατεργασίας συνήθως επιβαρύνονται από υψηλό κόστος κεφαλαίου και λειτουργίας. Η ανάπτυξη παθητικών συστημάτων για την επεξεργασία της όξινης απορροής μεταλλείων, στηρίζεται στην αναγωγή των θειικών, την καταβύθιση θειούχων ενώσεων (σουλφιδίων) των μετάλλων και την παραγωγή αλκαλικότητας, παρουσιάζοντας ως εκ τούτου μια οικονομικότερη αποδοτικά εναλλακτική λύση για τη διαχείριση της ποιότητας των όξινων νερών. Η εργασία αυτή αναπτύσσει την απαραίτητη ερευνητική μεθοδολογία για την επί τόπου παθητική επεξεργασία των όξινων νερών που προέρχονται ως επί το πλείστον από ορυχεία εξόρυξης θειούχων ορυκτών. Στην παρούσα εργασία εξετάστηκε η δυνατότητα εφαρμογής παθητικών συστημάτων Ενεργών Διαπερατών Βιο-Φραγμών (ΕΔΒΦ) για την κατεργασία όξινης απορροής μεταλλείων. Ως ενεργά υλικά εξετάστηκαν μίγματα ασβεστολίθου-πυριτικής άμμου και οργανικού άνθρακα (κοπριά αιγών, θρύμματα ξύλου και πυριτική άμμος). Πραγματοποιήθηκαν εργαστηριακές δοκιμές τρίμηνης διάρκειας σε στήλες που περιείχαν τα εξεταζόμενα ενεργά υλικά σε επαφή με διαλύματα όξινης απορροής και προσδιορίστηκαν οι μεταβολές των συγκεντρώσεων των εν διαλύσει μετάλλων, των κατιόντων και θειικών, όπως επίσης και του pH και του δυναμικού οξειδοαναγωγής. Επιπροσθέτως, εξετάσθηκαν λεπτομερώς οι κύριοι μηχανισμοί απορρύπανσης κατά μήκος της πειραματικής διάταξης. Πραγματοποιήθηκε επίσης γεωχημική μοντελοποίηση των διεργασιών, συμπεριλαμβανομένων των αντιδράσεων μεταξύ των ενεργών υλικών, του ιοντικού φορτίου των βαρέων μετάλλων και των θειικών όπως επίσης των ιοντικών μετώπων αντίδρασης και προσδιορίστηκε η μείωση του πορώδους με χρήση του υπολογιστικού κώδικα προσδιορισμού χημικών μορφών/μεταφοράς μάζας PHREEQC-2 και της βάσης δεδομένων WATEQ4F. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις δοκιμές σε στήλες επιβεβαιώνουν ότι η αναγωγή του οργανικού άνθρακα και η διαλυτοποίηση της περιεχόμενης αλκαλικότητας αποτελούν τους δύο κύριους μηχανισμούς που ελέγχουν της ποιότητα των εκροών. Πιο συγκεκριμένα, το ενεργό πληρωτικό μίγμα που περιέχει οργανικό άνθρακα βοηθά την ανάπτυξη των απαραίτητων θειοαναγωγικών βακτηρίων για την οξείδωση του οργανικού περιεχομένου και την επακόλουθη απομάκρυνση των βαρέων μετάλλων Fe, Zn, Mn έως και 99,9%. Ωστόσο, ο οργανικός άνθρακας κρίνεται αναγκαίος για την υποστήριξη της βιολογικής ανάπτυξης και της μείωσης των θειικών ιόντων. Από την άλλη μεριά, τα μέτρια επίπεδα απομάκρυνσης του Cd, Cu, Al και (μέχρι 85%) στο αλκαλικό μίγμα αποδίδονται σε αντιδράσεις προσρόφησης και (συγ)καταβύθισης στην επιφάνεια του ασβεστόλιθου. Επιπλέον, η γεωχημική μοντελοποίηση, η επεξεργασία των εργαστηριακών αποτελεσμάτων όπως επίσης και η μικροσκοπική ανάλυση των εξαντληθέντων ενεργών υλικών με χρήση της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM / EDS) και φασματοσκοπία υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (FTIR), επιβεβαίωσαν την εμφάνιση νεο-σχηματισθέντων και καταβυθιζόμενων φάσεων, αρχικά στην βάση του συστήματος των στηλών και στη συνέχεια σε όλο το μέτωπο της ενεργής ζώνης με αποτέλεσμα την σταδιακή μείωση της δραστικότητας. Τα αποτελέσματα του αναλυτικού χαρακτηρισμού (SEM και FTIR) των εξαντληθέντων δειγμάτων επιβεβαίωσαν την παρουσία των δευτερογενών δυσδιάλυτων σουλφιδίων των μετάλλων, κυρίως Fe-S και Zn-S στα μίγματα που περιέχουν οργανικό άνθρακα. Η προσθήκη ασβεστόλιθου ως στάδιο προεπεξεργασίας σε συνδυασμό με τον οργανικό άνθρακα ενισχύουν σημαντικά την επεξεργασία της ΟΑΜ κατά τη διάρκεια των δοκιμών σε στήλες της παρούσας εργασίας. Ωστόσο, μακροπρόθεσμη αξιολόγηση του προτεινόμενου παθητικού συστήματος (ΕΔΒΦ) απαιτείται για τον βέλτιστο προσδιορισμό της αποδοτικότητας των πληρωτικών μιγμάτων.

Water quality degradation is the foremost environmental issue faced by the mining industry. Negative impacts on water quality are commonly associated with unmitigated drainage emanating from sulfide-bearing mine waste deposits. These impacts stem from the liberation of acidity, sulfate, metals (e.g. Fe, Ni, Cu, Zn and Pb), and trace elements (e.g. Co, As, Cd and Sb) during the oxidation of sulfide minerals. Drainage at operational mines is commonly treated using techniques such as chemical oxidation and acid neutralization, which can succeed in achieving regulatory discharge guidelines. However, active treatment techniques are commonly burdened by high capital and operating costs. The development of passive technologies for treatment of mine drainage, which promote sulfate reduction, metal-sulfide precipitation and alkalinity production, therefore present a cost-effective alternative for managing mine drainage quality. This thesis describes laboratory evaluations of techniques for passive in situ treatment of acidic mine waters derived from gold mining. Laboratory column experiments evaluated the treatment of acid mine drainage (AMD) with mixtures of limestone-silica sand and organic carbon (mixture of goat manure, woodchips and silica sand) for use in Permeable Reactive Biobarriers (PRBBs). Column pore water was sampled over a three-month period for concentrations of dissolved metals, major cations and sulfate, along with pH and redox measurements. The main removal mechanisms upon column profiles were also taken into account and discussed. Geochemical modeling of the removal processes, including interactions between alkaline and organic mixtures, heavy metal ions and sulphates, interpretation of the ionic profiles was carried out by using the speciation/mass transfer computer code PHREEQC-2 and the WATEQ4F database. Results demonstrate that sulfide-mineral oxidation and carbonate dissolution are the primary influences on pore-water composition. More specifically, the reactive mixtures containing organic carbon supported growth of sulfate-reducing bacteria (SRB) and facilitated removal of Fe, Zn, and Mn up to 99,9%. However, organic carbon was necessary to support SRB growth and sulfate reduction. Modest removal of Cd, Cu, and Al (up to 85%) in the alkaline mixture is attributed to sorption and (co)precipitation reactions at the limestone surface. Column profile measurements and modeling runs as well as microscopic analyses of the exhausted reactive materials with the use of Scanning electron microscopy (SEM/EDS) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), also confirmed that new mineral phase formation and surface precipitation, initially occurred near the base of each column system and at later stages throughout the entire reactive mass. SEM and FTIR results confirmed the presence of secondary metal-sulfides, mainly Fe-S and Zn-S in mixtures containing organic carbon. The addition of limestone as pre-treatment stage to organic carbon enhanced AMD treatment over the duration of this experiment; however, long-term evaluation is required to identify optimal reactive mixtures.