Reinsing av kopar i sur gruveavrenning (AMD) med algeaktivert granulert torv som sorbent

Sur gruveavrenning med høgt innhald av metall (AMD) er eit vedvarande problem ved nedlagde sulfid¬malmgruver. Når vatn renn gjennom gruvegangar og slagghaugar vert metall oksidert og transportert ut av gruveområdet. Kopar (Cu) er eit essensielt metall, men potensielt svært giftig og ein kan finne høge konsentrasjonar av Cu i AMD. Formålet med denne oppgåva var å undersøkje reinseeffekt av kopar med sorbent (90 L) av granulert torv kombinert med mikroalge i feltforsøk. Eit gjennomstrøymingsforsøk i ein motstraums filtreringsbrønn vart utført med vatn frå ein bekk som mottek AMD frå drensnettet rundt Folldal Verk. Frå ein batch på 500 mL vart det dyrka 340 liter algemedium og 180 liter granulert torv vart tilsett. Etter to døgn vart sorbenten avsilt og tørka. Det vart teke vassprøvar får inn- og utløp av filtrerings¬brønnen over ein periode på tre dagar. pH, konduktivitet og temperatur vart målt dagleg og prøvar av brukt sorbent vart samla ved prøve¬periodens slutt. In situ konsentrasjon av Fe2+ i bekkevatnet vart bestemt med spektrofotometer to veker seinare, medan størrelsesfraksjonering vart utført i løpet av prøveperioden. Analyse av syrekonserverte vassprøvar vart utført på induktivt kopla plasma optisk emisjon spektro¬metri (ICP-OES). Prøvar av brukt og ubrukt sorbent vart dekomponert i salpetersyre under høgt trykk og tem¬peratur (250 ˚C) ved hjelp av mikrobølgjeteknikk (UltraClave®) og analysert med ICP-OES og ICP-MS (massespektrometer). Nokre prøvar av filtermaterialet vart òg mikrobølgje¬pyrolysert før syreoppslutting og analyse (ICP-OES). Mikrobølgjepyrolyse av sorbent ved 400 ˚C resulterte i ein væskefraksjon med svært låge metallkonsentrasjonar og metall oppkonsentrert i ein oskerest. Moglegheit for vidare bruk av desse fraksjonane vert diskutert. Det fanst minimalt med partikulært eller kolloidalt bunde grunnstoff (> 0,45 µm) i prøvevatnet. Pourbaix¬diagram indikerer at alle dei undersøkte metalla i bekken måtte vere på ioneform eller som metall¬kompleks < 0,45 µm og antakeleg hovudsakleg som frie ion. Resultata tyda på at ionebytting var den viktigaste bindingsprosessen som skjedde i filteret og jordalkali- og alkalimetall var blant dei utlekkande grunnstoffa, medan dei fleste andre vart reinsa i større eller mindre grad. Hardleik på vatnet vart ikkje vurdert som eit problem for binding av kopar, men jern (Fe) utkonkurrerte alle andre metall. Dette var grunna svært høge konsentrasjonar (om lag 1 g/L) samt at ein del jern antakeleg fanst som Fe3+. Det var òg mykje kopar å finne i bekken (90 mg/L) og i starten av forsøket vart nesten 50 % av metallet reinsa frå vatnet. Jern var likevel det einaste metallet som vart reinsa gjennom heile perioden (nesten 60 % reinsing i starten, 10 % frå dag 2). Dersom ein kan unngå høge konsentrasjonar av jern ved å nytte ein lokalitet med mindre utlekk av metallet eller felle det ut før filtrering, vil antakeleg sorbenten kunne nyttast til reinsing av AMD. Dersom sorbenten skal nyttast i anaerob våtmark må først effekten av anoksiske forhold i filteret undersøkast. Abstract Pollution of waterways caused by acid mine drainage (AMD) originating from abandoned mines is of great concern. Whenever water runs through mine cavities or tailings, metal sulphides are oxidized and transported from the site into the aquatic environment. Copper (Cu) is an essential element, but proven toxic in minute concentrations (12 μg/L). The purpose of this thesis was to investigate copper sorption efficiency of granulated algal treated peat (90 L) in the field. A countercurrent column experiment was conducted filtering water from a stream receiving AMD from Folldal Mines. Water samples from the inlet and outlet of the filter were collected throughout a period of three days. From a batch of 500 mL, 340 litres of algal medium was cultivated, to which 180 litres of granulated peat was added, mixed for two days, sieved and finally dried. After completing the experiment, samples of sorbent were collected. pH, conductivity and temperature were measured daily, whilst in situ analysis of stream water with respect to quantification of iron(II) was conducted two weeks after the trial period. Size fractionation of water samples however, was performed during the trial. Water samples were preserved with acid and analysed by inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES). Microwave technique (UltraClave®) was utilised at high pressure and temperature (250 ˚C) to decompose samples of sorbent in nitric acid prior to analysis on ICP-OES and –MS (mass spectrometry). Microwave pyrolysis was conducted on a selection of samples before they were subjected to acid digestion and analysis (ICP-OES). Microwave pyrolysis at 400 ˚C separated liquids from solids, preventing most metal evaporation. Metal concentrations in the liquid fraction were mainly undetectable and metals were predominantly contained within the ash. The potential for further use of the fractions is discussed. Analysis of filtrated water samples showed negligible concentrations within the range of particulate- or colloidal matter (> 0, 45 μm) which concluded most elemental concentrations in solution to exist as free ions or metal complexes < 0, 45 μm. This knowledge combined with interpretation of Pourbaix diagrams strongly indicated free ions to be the main species of most elements in question. Ion exchange was most likely the major sorption mechanism; leaching alkali- and alkaline earth metals, generally adsorbing the remaining elements. Extensive concentrations (90 mg/L) of copper were discovered, and an initial sorption of about 50 % Cu was observed. Nevertheless iron (Fe) was present in severe concentrations (1 g/L), probably including Fe3+. Substantial sorption throughout the period was limited to Fe; declining from initial 60 %, stabilising at 10 % for the last couple of days. The investigated sorbent could successfully be used as a means for copper sorption in AMD at locations containing lower concentrations of Fe, or as an after polishing unit subsequent to prior removal of Fe by precipitation. With regards to the use of this sorbent in constructed wetlands, pre-liminary investigations on sorbent performance at anoxic conditions are recommended