Treatment of mining site seepage water using sulfate reducing organisms

Rikastushiekka-alueelta suotautuvat sulfaattipitoiset vedet ovat aiheuttaneet rehevöitymistä Siilinjärven fosfaattikaivoksen lähijärvissä. Yksi tapa puhdistaa sulfaattipitoisia vesiä on käyttää biologiseen sulfaatinpelkistykseen perustuvia reaktiivisia seinämiä. Hapettomissa oloissa sulfaatinpelkistäjäorganismit pelkistävät sulfaattia sulfidiksi, joka muodostaa metallien kanssa niukkaliukoisia saostumia. Näin nämä rikkiä sisältävät yhdisteet jäävät seinämärakenteen sisään ja saadaan poistettua vedestä. Tässä työssä tutkittiin mahdollisuutta puhdistaa Siilinjärven kaivoksen rikastushiekka-alueilta suotautuvia vesiä biologisella reaktiivisella seinämällä. Tutkimus suoritettiin paikan päällä käyttäen pilot-mittakaavan reaktoria, joka täytettiin sulfaatinpelkistäjien elektronidonoriksi soveltuvalla reaktiivisella materiaalilla. Reaktiivisen materiaalin koostumus oli: 45 % soraa vedenläpäisevyyden varmistamiseksi, 45 % elektronidonorien seosta (1/3 säilörehua, 1/3 puuhaketta ja 1/3 kompostimateriaalia) ja 10 % mikrobisiirrosteena toimivaa järven pohjamutaa. Reaktorin läpi pumpattiin sulfaattipitoista (keskimääräinen pitoisuus 124,8 mg/l) suotovettä siten, että veden viipymä reaktorissa oli 15 päivää. Reaktoria ylläpidettiin kolmen kuukauden ajan ja sen toimintaa tarkkailtiin ottamalla näytteitä sisään menevästä ja ulostulevasta vedestä kahdesti viikossa. Reaktorissa saavutettiin täydellinen sulfaatinpoisto syöttöveden lämpötilan ollessa vähintään 12 °C. Lämpötilan laskiessa sulfaatinpoistotehokkuus kuitenkin heikkeni siten, että lämpötilan ollessa 8 °C vain n. 50 % ja lämpötilan ollessa 5 °C vain n. 25 % sulfaatista poistui. Näiden tulosten ja lämpötilatilastojen perusteella arvioitiin, että 15 päivän viipymällä saataisiin keskimäärin 52,5 % vuoden aikana reaktoriin sisään menevästä sulfaatista poistettua. Tavoitteena oli vuotuinen 2/3 sulfaatinpuhdistusteho, joka laskelmien mukaan saavutettaisiin nostamalla viipymä 30 päivään. Reaktorista kuitenkin huuhtoutui orgaanista ainesta ja typpeä puhdistettuun veteen, mikä on huomioitava jatkosuunnittelussa. Reaktorissa käytettyjen elektronidonoreiden tehokkuutta tutkittiin kasvattamalla käytettyä sulfaatinpelkistäjäviljelmää eri elektronidonoreilla erikseen ja yhdessä panospullokasvatuksissa. Kasvatusten sulfaattipitoisuutta ja liukoisen orgaanisen aineen määrää tarkkailtiin kokeen edetessä. Erityisesti säilörehu ja puuhake vaikuttivat kokeiden perusteella lupaavilta elektronidonoreilta sulfaatinpelkistykseen. Kaiken kaikkiaan biologinen sulfaatinpelkistys osoittautui toimivaksi tavaksi vähentää vesistöihin kohdistuvaa sulfaattikuormaa. Tulosten perusteella reaktiivisen seinämän käyttöönottoon liittyvien käytännön järjestelyjen selvittämistä suositellaan.Sulfate containing seepage waters from tailing ponds have caused eutrofication in nearby lakes of Siilinjärvi mining site. One way to treat these sulfate containing waters is to use a permeable reactive barrier exploiting biological sulfate reduction. In anaerobic conditions, sulfate reducing organisms can reduce sulfate into sulfide, which forms sparingly soluble precipitates with metals. This way, sulfur compounds are trapped within the barrier and removed from the water stream. In this work, the utilization of a biological reactive barrier for purification of seepage waters at the Siilinjärvi mining site was studied. The study was performed on site using a pilot-scale reactor filled with reactive material. The reactive material consisted of: 45% of gravel for ensuring the permeability of the barrier, 45% of electron donor mixture (1/3 silage, 1/3 wood chips and 1/3 compost material) and 10% of bacterial inoculum, which was bottom sediment of a nearby lake. Sulfate containing (average concentration 124.8 mg/l) seepage water was pumped into the reactor so that its hydraulic retention time was 15 days. The reactor was operated for three months and its influent and effluent quality was monitored by taking water samples twice a week. Complete removal of sulfate was obtained in the reactor when the temperature of the influent was at least 12 °C. However, when the temperature decreased to 8 °C, only approximately 50% of the sulfate was removed and only around 25% when the temperature was 5 °C. Based on these results and temperature statistics it was estimated that with a retention time of 15 days, 52.5 % of sulfate entering the reactor within a year could be removed. The goal was a yearly sulfate removal efficiency of 2/3, which was calculated to be achievable by increasing the retention time to 30 days. However, organic matter and nitrogen was released from the reactor, which needs to be taken into account in future planning. The electron donors used in the reactor were studied by growing the used sulfate reducing community with different electron donors as batch bottle incubations. Sulfate concentration and concentration of organic matter in the bottles were monitored during the experiment. According to the results, especially silage and wood chips seemed to be promising electron donors for sulfate reduction. All in all, biological sulfate reduction proved to be a functional way to reduce the sulfate load of nearby lakes. Based on the results, it is advised to start examining the practical arrangements related to the utilization of a permeable reactive barrier