Hur inläckage av surt grundvatten från gruvor genom

Av: Jörgen Hanaeus

När grundvatten flyter in i ett vattendrag utgör sediment en övergångszon som ofta innehåller starka fysiska och biogeokemiska gradienter; något som blir särskilt viktigt när det handlar om surt grundvatten från t ex gruvbrytning. De lösta ämnen, t ex tvåvärt järn, som passerar zonen kan, om reaktionstiden är tillräcklig, ändra karaktär så att kvaliteten i utflödet till ytvattnet blir en annan.

Transporthastigheter, kemiska profiler och limnologiska data har samlats i en tjugioårig fältstudie från en sur, starkt gruvvattenpåverkad sjö i Lusatia, Tyskland. Där jämfördes transitionstiden genom sediment med tiden för viss kemisk reaktion; en s k Damköhleranalys. En ökad uppehållstid där kunde ge en minskad aciditet i gruvvattensjön.

Bakgrund

Då grundvatten strömmar in i ett ytvatten kan sediment och dess yta vara en övergångszon som har starka fysiska och biogeokemiska gradienter. Utbytet mellan grundvattnet och det mottagande vattnet är särskilt viktigt för starkt surt grundvatten från gruvbrytning. Utbytet varierar med tiden; med klimat, årstider och regnhändelser som kan ändra sammansättningen av porvattnet och av pågående processer i detta. Strömningen kan också variera i riktning.

Ödet för lösta ämnen som transporteras genom sedimentet beror mycket på de kemiska och mikrobiologiska reaktioner som hinner ske under passagen. En vanlig situation är när surt grundvatten från gruvdrift rör sig med upplöst pyrit, FeS₂, med tvåvärt järn som då oxideras vid syrekontakt i sjövatten. Det frigörs då två vätejoner per oxiderad Fe-jon och aciditeten i sjön ökar. Samtidigt bildas Fe(3)hydroxid som med sulfat bildar mineralet schwertmannit vilket övergår till goethit.

Ett sådant grundvatten kan ha pH 5 – 6 och högt järn(2)innehåll och reaktionen kan skapa gruvvattensjöar med pH 2 – 3 vilket ger aciditet- och redoxgradienter vid sedimentpassagen.

Organiskt material i sedimenten kan ta upp vätejoner och mildra den försurning som drabbar sjön ifråga.

Tiden för sedimentpassagen ska ställas mot tiden för den kemiska eller mikrobiologiska reaktion som fokuseras. Ett uttryck för denna jämförelse är Damköhlers tal (Da): τ_T / τ_R därτ_T är tiden för (advektiv) transport och τ_R är tiden för reaktionen ifråga. Talet är användbart även i helt andra fysiska situationer. Peclets tal Pe användes för att se om flödet är advektionsstyrt eller diffusionsstyrt. När Da var =1 konsumerades 63 % av grundvattnets Fe (2) -halt och med Da=2,3 var motsvarande siffra 90 %.

Fältförsök

Efter avslutad lignitbrytning (från 1890-talet) i Lusatiaregionen i Tyskland har flera dagbrott vattenfyllts. Några större har genomflutits av pH-neutralt flodvatten men flera mindre har fått tillrinning av surt vatten med hög jonstyrka och visar pH 2-4 med tillhörande låg primärproduktion.

Aciditetsbidrag kommer från pyrit, Fe (2)S₂ som avskiljts vid brytningen. Omgivningarna är kvartära och tertiära med silt, sand och grus. Avfallsdammarna (tailings) består mest av sand med ett pyritinnehåll av 1,4 g FeS₂/kg. Den sjö (ML77) som undersöktes detaljerat hade ett maxdjup av 8 m och ytan 24 ha. Grundvattenflödet drog från nordost till sydost vid sjön och den norra strandlinjen var formad av pyritrikt avfall medan den södra dominerades av ostörda tertiära sediment. Uppehållstiden i sjön är kring två år; den är starkt påverkad av surt gruvvatten och järnmineralen schwertmannit och goetit är vanliga i sedimenten. 

Grundvattenutbytet i sjön har skattats till mellan 10 L/m², d och 20 L/m², d. Klart högre värden (200) har uppmätts centralt i sjön där inflytande grundvatten inte är gruvpåverkat. Data är insamlade 2008 och 2009 från läckvattenmätare med samlingsbagar (installerade av dykare) på ca 20 olika positioner i sjön. Provrör ”peepers”, där inneslutet vattens kvalitet utjämnas, nedsattes i sedimenten för att ge den kemiska profilen hos porvattnet. Sedimentprov togs också.

Resultat

Det framkom att vid vissa tillfällen när vattenrörelsen vändes blev pH- och Fe²⁺-gradienterna helt olika i sedimenten. Da – Pe diagram visas och längdskalan diskuteras. Det visade sig att huvuddelen av Fe²⁺ i tillströmmande grundvatten oxiderades i sjön. 

För att sanera sjön ansågs en möjlighet vara att öka uppehållstiden i sedimenten och på så sätt gynna oxidation i dessa. En annan möjlighet var att öka mängden organiskt material vid sedimentytan t ex genom att gynna produktion av bentiska alger vid sedimentytorna. Då kan den alkalitetsökning som dessa bidrar med via syreproduktion minska försurningen i själva sjön.

Slutsatser

Problemet med surt grundvatten och dess konsekvenser finns vid åtskilliga gruvområden i Sverige, där pyrithaltigt material blir en restprodukt vid brytningen av sulfidmalmer och så småningom en vattenförorening med försurningseffekter. Detaljerade studier av neutraliseringsförlopp har därför sitt intresse för att förstå risker och saneringsmöjligheter.

Källa: Oldham, C.¹⁾, Beer, J.²⁾, Blodau, C.^3)†,  Fleckenstein, J.^2,4), Jones, L.¹⁾, Neumann, C. ²⁾ &  Peiffer, S.²⁾, (2019):“Controls on Iron(II) fluxes into waterways impacted by acid mine drainage: A Damköhler analysis of groundwater seepage and iron kinetics. Water Research, 153, pp 11-20.

Hela artikeln i Water Research finns att köpa här.

Författarna från: 

1. School of Engineering, The University of Western Australia, Perth WA 6009, Australia.
2. University of Bayreuth, Department of Hydrology, Bayeruth Center of Ecology and Environmental Research (BayCEER), 95440 Bayeruth, Germany. 
3. University of Mȕnster, Ecohydrology and Biogeochemistry Group, Institute of Landscape Ecology, 48149 Mȕnster, Germany.
4. Helmholtz Centre for Environmental Research, Department of Hydrogeology, Leipzig, Germany.

Korresponderande författare:

carolyn.oldham@uwa.edu.au