Blandningar av organiskt material för att effektivisera

Av: Jörgen Hanaeus

Effektiviteten hos passiva bioreaktorer för surt gruvvatten kan förbättras genom användning av finfördelat organiskt substrat. Här undersöktes effekten av cellulosasubstrat i former av sågspån, mikrokristallin cellulosa och träfibrer. Val av inoculum för bioreaktorn var också viktigt. Rötslam, kogödsel och lövkompost provades. Främst eftersträvades sulfatreduktion för tre gruvvatten med olika styrka, men även metallhalter följdes.

För cellulosan och trädfibrerna erhölls de goda sulfatreduktionerna 73 mg/L,d  resp 58 mg/L,d, varvid järnkoncentrationen minskade med 69 resp 86 %. Mycket höga kopparhalter, 273 mg Cu/L och pH 5 störde sulfatreduktionen och kräver fördjupad reaktordesign.

Bakgrund

Gruvavfall, såsom i sandmagasin och gråbergsupplag, är potentiella miljöfaror, särskilt när avfallet innehåller mineral som vid oxidation (luftsyre uppenbar risk) producerar surt gruvvatten (AMD, acid mine drainage). Faran kan bestå i höga metallkoncentrationer, högt sulfatinnehåll (> 2 500 mg/L) och lågt pH (2,0-4,5).

Gruvvattnet (AMD) behöver då behandlas; i aktiva eller passiva system, innan det lämnas till någon recipient. Passiva system, karakteriserade av låga drifts- och underhållsinsatser brukar starkt föredras i ett efterbehandlingsskede med relativt låga och långvariga belastningar, därtill ofta vid avlägsna platser. 

Dessa system strävar efter att tillföra vattnet alkalinitet (ex kalk) och organiskt material (ex halm, kompost) med flöde i självfall. Speciellt i passiva biologiska system används någon bädd med organiskt material som kan reducera sulfat till sulfid och på så sätt bidra till fastläggning av tunga metaller.

En begränsning för passiva biosystem utgörs av det organiska materialets partikelstorlek som ger mindre specifik yta för sulfatreducerande bakterier och för metalladsorption. Vanligt är diametrar 5-25 mm, ibland med metalliskt järn inblandat; gynnsamt för sulfatreduktion.

De sulfatreducerande bakterierna utgör nyckel till framgång då de neutraliserar aciditet och samtidigt omvandlar sulfat och binder metall. Lämpligt reaktivt organiskt substrat bör bestå av olika kolkällor. En blandning av organiskt avfall och cellulosa har visats fungera väl.

Målet med föreliggande studie har varit att utveckla mindre och billigare passiva bioreaktorer och därför har tre cellulosakomponenter provats: sågspån, mikrokristallina cellulosafibrer och träfiber i finpartikulära blandningar med tillsatt inoculum. Tre sorters AMD med olika styrka har använts och effekt på sulfatreduktion samt metallreduktion har använts som mått på framgång.

Försök

Inoculum till de sulfatreducerande bakterierna hämtades från rötkammaren i det lokala avloppsverket. Cellulolytiska bakterier odlades i sediment från en mindre sjö. 

Det organiska materialet var sågspån från en lokal såg, träcellulosafiber från lokalt pappersbruk samt mikrokristallin cellulosa, Sigma Aldrich 20 µm. Därtill färsk kogödsel och lövkompost från campus.

De tre gruvvattnen (a,b,c) simulerade två kanadensiska gruvvatten från Kanada och ett från Chile och sammansattes syntetiskt med sulfatinnehåll 2 710-3 600 mg SO₄^2-/L, Fe (II) 105-750 mg Fe/L, Cu (II) 5-273 mg Cu/L, Zn 1-100 mg Zn/L och pH 2,5-5. Erfarenheterna av biobehandling av vatten a och b var positiva varför de valdes för att utvärdera effekten av finfördelat organiskt material och AMD-sammansättning på sulfatreduktionen. Vatten c) valdes för att undersöka effekten av behandling av vatten med hög kopparkoncentration.

De organiska materialen siktades genom 20 µm. De inkuberades (2 L) i 48 d med kogödsel, lövkompost och metalliskt järn. Rötslam (enbart rötslam i någon reaktor), cellulolytiskt inoculum och SRM (sulfatreducerande mikroorganismer) inoculum tillsattes och prov uttogs varje vecka. 

Resultat

Trots att blandningarna höll höga C/N-värden; 20-30 begränsade detta inte bakteriernas metabolism. 

För vattnen a) och b) steg pH från ca 3 till knappa 6. Sulfatreduktionen kom, tack vare sulfatreducerande bakterier och inoculum, snabbt igång; ingen tydlig lag-fas. Efter 48 d med mikrokristallin cellulosa hade sulfathalten minskat till 50 mg/L. Högre för trädfiber: 450 mg/L och 950 mg/L för vattnen b) resp a). Järninnehållet sjönk parallellt och antogs bero på fällning av järn med den biogent producerade sulfiden. Järnminskningen var lägst i sågspånsblandningen, 12-42 % beroende på vilket vatten som tillfördes. Högst var den i träfiberblandningarna; 87 och 74 % respektive.

Sulfatreduktionen påverkades inte påtagligt av utgångsvattnet men däremot av blandningens sammansättning. Reduktionen var störst för den mikrokristallina cellulosan, drygt 70 mg sulfat /L,d. Trädfiberblandningen följde sedan, med 58 mg/L,d medan sågspånsblandningen gav 20-40 mg/L,d.

Redoxpotentialen sjönk under försöken till mellan -180 mV och -250 mV. Optimalt för sulfatreduktion anses vara lägre än -150 mV. Vad gäller sulfidproduktion gav reaktorerna slutkoncentrationer mellan 3,6 och 68 mg/L.

Sulfatreduktionen påverkades också av blandningarnas koncentration, varför ett volumetriskt effektmått ansågs vara lämpligt. För de tre materialen erhölls 1,6 mol/m³, d (mikrokristallin cellulosa), 1,2 mol/m³, d (trädfibrer) och 0,6 mol/m³, d (sågspån).

För de flaskreaktorer som enbart fått rötslam som inoculum blev sulfatreduktionen lägre, ca 45 mg/L, d jämfört med 58 och 73 för reaktorerna med berikat inoculum. 

Slutsatser

Laboratorieresultaten visade att tillsats av cellulosafiber från skog kan öka kapaciteten hos sulfatreducerande reaktorer. Mikrokristallin cellulosa likaså, men produkten ansågs (för) dyr.

Skogsfibern gav sulfatreduktionen 1,2 mol SO₄^2-/L, vilket är fyra gånger högre än vad som rekommenderas för denna reaktortyp. Sulfatreduktionen ökade avsevärt (30-60 %) om inoculum med sulfatreducerande bakterier och cellulolytisk population tillsattes. En snabb reduktion kan vara viktig för att hindra att fällda metaller har toxisk verkan på populationen.

Höga kopparhalter, > 42 mg Cu/L, inhiberade sulfatreduktionen och får motverkas t ex genom alkalitetstillsats eller skiktade reaktorbäddar med kemisk reaktionsdel först och biologisk sedan.

De hydrauliska fullskaleaspekterna behöver fördjupade studier.

Källa: Perez, N.^1,2), Schwartz, A.¹⁾ & de Bruijn, J.³⁾ (2018): Evaluation of fine organic mixtures for treatment of acid mine drainage in sulfidogenic reactors measurements. Water Science & Technology, 78.8, pp 1715-1725.

Hela artikeln i Water Science & Technology finns att köpa här.

1. Centro de Recursos Hidricos para la agricultura y Mineria, Universidad de Concepcion, Barrio Universitario sn, Concepcion, Chile.
2. Departemento de Aculcultura, Universidad Catolica del Norte, Facultad de Ciencas del Mar, Larrondo 1281, P.O.Box 117 Coquimbo, Chile.
3. Facultad de Ingeniera Agricola, Avenida Vicente Mendez 595, Chillan, Chile

Kontakt:  norma.perez@ucn.cl