För att hitta intressanta material till ett kombinationsfilter som passivt ska kunna rena och neutralisera gruvvatten med högt järn- och svavelinnehåll har adsorptionsförsök med olika materialblandningar genomförts i labskala i en kanadensisk studie.
Av: Jörgen Hanaeus
Passiva reaktorer är intressanta alternativ till neutraliseringsanläggningar för gruvvatten i kraft av måttliga investeringskostnader och ett utnyttjande av restmaterial. Höga järnhalter, >0,5 g Fe/L, är en utmaning för dessa filter i ett längre tidsperspektiv. Sorption och fällning är huvudmekanismerna för järnavskiljning, men inbördes andelar är mindre väl kända.
Lokalt förekommande restmaterial har i labskala testats beträffande adsorptionsförmåga av ett syntetiskt, surt gruvvatten (pH 3, 4g Fe/L, 9g SO42-/L) under 40 dygns satsvisa tester. Åtta material testades och därefter kombinerades materialen i åtta olika proportioner och tillfördes sand och kalcit. Järninnehållet minskade med uppemot 99 %, pH steg till 6,5. Kolonnförsök planeras.
Artikeln
Surt gruvvatten bildas vid reaktioner mellan luft, vatten och restmaterial från sulfidgruvor och karakteriseras av lågt pH och höga koncentrationer av metaller och sulfat. Behandling av gruvvatten syftar till att höja pH och alkalinitet samt sänka halterna av metaller och av sulfat.
Viktiga delprocesser är adsorption och fällning. pH och redoxpotential är tunga processparametrar.
Vid avslutad gruvbrytning föredras reaktorer med passiva filter eller kalkstensdräner för vattenbehandlingen. De senare använder endast kemiska reaktioner som ökar pH och alkalinitet medan de förra också involverar sulfatreducerande bakterier. De innehåller delvis organiskt material som tillsammans med sulfat bildar vätekarbonat och sulfid. Sulfiden fäller så metaller.
Erfarenheter från passiva filter ger att de fungerat väl med såväl lättnedbrytbart organiskt material (djurspillning, slam) som trögare nedbrytbart sådant (kompost, sågspån, träspån (chips)). Kunskap från gruvvatten med höga järnhalter, >500 mg Fe/L, är dock bristfällig.
Försök
I denna labstudie, utförd med inriktning mot Lorrainegruvan i Quebec, användes lokala restprodukter. Ekträspån (chips), sågspån från ek, kycklinggödsel, fårgödsel, kogödsel, lövkompost, fin kalcit (< 6mm), sjösediment och kommunalt avloppsslam.
Försöken utfördes med syntetiskt avloppsvatten innehållande 4g Fe/L, 9 g sulfat/L, 7 mg Al/L, 10 mg Mg/L, 10 mg Mn/L, 0,5 mg Cd/L, 1 mg Cr/L, 2 mg Ni/L, 0,5 mg Pb/L, 0,5 mg Zn/L och med ett pH av 3,5.
Förutom metallanalyserna (plasma) och processparametrar detekterades halten sulfatreducerande bakterier.
Inledande sorptionsstudier med järnupptag för vart och ett av adsorbentmaterialen utfördes i 200 mL-kolvar med 100 mL syntetvatten och 2 g av resp material. pH justerades till 3 eller 6. Omrörning i ett dygn med provuttag efter 0,2,4,8 och 24 h. Halterna jämfördes mot Freundlich och Langmuirs isotermer.
Därefter tillverkades 8 kombinationer av de nämnda adsorbenterna i 1-L-flaskor och testades för syntetvattnet via skakapparat under 40 d. 200g torr blandadsorbent till 600 mL syntetvatten. pH, redox, sulfat och metallkoncentrationer analyserades varje vecka. Efter perioden undersöktes sammansättningen av det fasta materialet.
De åtta använda blandningarna redovisas i tabell i artikeln liksom karakteristika för varje ingående material. Vanliga blandningsnivåer var 20 % lövkompost, 20 % sågspån, 10 % träspån, 10 % gödsel, 15 % sjösediment, 20 % sand, 3 % urea och 2 % kalciumkarbonat. Blandning 4 avvek, med 50 % kalcit.
Resultat
Sorptionsstudierna för varje material visade att järnadsorptionen väl följde Freundlichs isoterm såväl vid pH 3 som pH 6 med undantag av sågspån och sediment vid det högre pH-värdet. Vid pH 3 adsorberade slammet högst (i mg Fe/g torr adsorbent) och spånen lägst, medan vid pH 6 var kogödseln högst och sågspånen lägst. Generellt adsorberade materialen bättre vid det lägre pH-värdet, nivå 8,7 g Fe/g torr adsorbent, stabiliserat efter 8h. Gäller dock ej sedimentet, som ännu efter 24 h ej stabiliserats.
Vid pH 6 stannade adsorptionen vid 0,9 mg/g för spånen och 1,4 mg/g för sedimentet – 24 h gav nära stabilisering – och vid 2,1 mg/g för övriga material där jämvikt nåddes efter ca 6 h.
I försöken med blandningar ökade pH till uppemot 7 under de tio första dygnen; ett undantag (30 dygn). Redoxpotentialen sjönk till under 0 mV i de flesta flaskorna. Alla blandningar avskiljde mer än 99 % av tillfört järn under de första 18 dygnen.
Efter 18 dygn var sulfatreduktionen klen, sannolikt beroende på acklimatiseringstiden för de sulfatreducerande bakterierna. Efter 40 d hade 29-73 % av sulfatinnehållet avskiljts. Övriga metaller (ur syntetvattnet) hade adsorberats till mer än 99 %; huvuddelen inom 10 d.
Sulfatreduktionen blev mellan 102 och 217 mg/L/d för blandningarna under hela perioden.
Lukt av svavelväte och svart vätskefärg noterades.
Proportionerna (sorption)/(fällning+övriga mekanismer) bedömdes vara ca 2/3 med undantag för två blandningar (ca 25 %).
Slutsatser
Med det testade syntetvattnet som utgångspunkt drogs följande slutsatser:
Sorption är en viktig mekanism i den tidiga järnavskiljningen och beskrivs väl med en Freundlichisoterm. Under sulfatbakteriernas acklimatiseringsperiod adsorberades 28-74 % av tillfört järn. De porösare organiska materialen (gödsel, slam) hade drygt 10 ggr högre järnsorptionskapacitet än spånmaterialen.
Användandet av organiskt material bedömdes vara gynnsamt för adsorptionskapaciteten i en passiv reaktor för järnavskiljning. En hög andel sand kan vara intressant för hydrauliken i reaktorn, men bidrar inte nämvärt till järnavskiljningen.
Försöken ska skalas upp till kolonnivå, vilket bedöms ge mer insikt i hydrauliken.
Källa: Genty,T.1), Bussiére, B.1), Benzaazoua, M.1), Neculita, C.1) & Zagury, G.2) (2017): Iron removal in highly contaminated acid mine drainage using passive biochemical reactors. Water Science & Technology, 76.7, pp 1833-1843.
Författarna från:
1) Research Institute on Mines and Environment, (RIME), University of Québec in Abitibi-Témiscamingue (UQAT), Rouyn-Noranda, QC, Canada J9X 5E4.
2) RIME, Department of Civil, Gelogical and Mining Engineering, Polytechnique Montréal, Montréal, QC, Canada H3C 3A7.
Kontakt: gerald.zagury@polymtl.ca