Analys och efterbehandling av sulfidhaltigt gruvavfall Gruvindustrin och miljön. Björn Öhlander. Tillämpad geologi Luleå tekniska universitet

Transkript

1 Analys och efterbehandling av sulfidhaltigt gruvavfall Gruvindustrin och miljön Björn Öhlander Tillämpad geologi Luleå tekniska universitet

2

3 Gruvdriftens miljöpåverkan All mänsklig verksamhet påverkar miljön, även produktion av mineral och metaller. Modern gruvdrift har betydligt mindre mindre påverkan på miljön än historisk gruvdrift (räknat som effekt per producerad enhet). Mycket stora förbättringar i att begränsa gruvindustrins miljöpåverkan har skett de senaste trettio-fyrtio åren; forskning och utveckling pågår ständigt.

4 Själva markanvändningen, kan det finnas konkurrerande intressen?

5 Aitikgruvan; mycket stor koppargruva I Norrbottens län (Boliden)

6 Stockholm

7

8

9 Gruvdriftens miljöpåverkan Gruvdrift kan påverka miljön; vatten, sediment, jord och biota. Gruvindustrin i Sverige använder nästan 2 % av elenergin, fossila bränslen används och nitrösa gaser och andra gaser släpps ut. Läckage av näringsämnet kväve från odetonerade sprängämnen och cyanidlakning av guld förekommer. Buller och damning är vanligt vid gruvområden. Dessa effekter finns bara så länge en gruva är aktiv. Den potentiellt största miljöpåverkan av gruvdrift är uppkomsten av sura, metallhaltiga lakvatten i gruvavfall som innehåller järnsulfider, vilket kan förekomma i hundratals år eller ännu längre i ett visst avfallsupplag.

10 VAD ÄR GRUVAVFALL? MALM DAGBROTT ELLER UNDERJORD BRYTNING PUMPAT GRUVVATTEN GRÅBERGS UPPLAG MALNING/KONCENTRERING PROCESSVATTEN AVRINNING RECIPIENT (RECIRKULATION) ANRIKNINGSSAND KONCENTRAT DAMM TRANSPORT TILL SMÄLTVERK SMÄLTNING LUFT FÄRDIG METALL PRODUKT

11 Avfallshantering Två huvudtyper av avfall (eller restprodukter, som ibland kan användas för andra ändamål). Grovkornigt avfall, gråberg, som bryts för att komma åt en malm. Finkornigt avfall, som kommer efter krossning, malning och processering. Järnmalmer har ofta en Fe-halt på mer än 50 %. Cu-Zn-Pb-malmer har ofta en metallhalt på mindre än 5%. Stora Cu-malmer (som porphyry copper, t ex Aitik) har ofta Cu-halt << 1 %, dvs mer än 99 % avfall. Guldmalmer har en guldhalt på 3-4 gram per ton. Nästan allt som bryts blir avfall Det bildas alltså mycket avfall; bara i Sverige nästan 100 miljoner ton per år, globalt millioner ton per år.

12

13 AITIK- GÄLLIVARE Hittades 1930 Europas första stora, öppna dagbrott med låggradigt Cu från 1968 Idag 37 miljoner ton malm per år, medelhalt 0,3-0,4 % Cu. I den här typen av gruva bryts mycket gråberg för a8 komma åt malmen, lika mycket som man bryter malm!

14 ANRIKNINGSSAND AITIK

15 ANRIKNINGSSAND AITIK

16

17 VARFÖR BILDAS ETT SURT LAKVATTEN? Pyrit (FeS 2 ) +Syre+ Vatten => Järnoxidhydroxid + Sulfat + Protoner FeS 2 (s)+h 2 O (l)+7/2 O 2 (g)=>fe SO H + (1) Fe 2+ + ¼ O 2(g) + H + => Fe 3+ + ½ H 2 O (l) (2) Fe H 2 O (l) => Fe(OH) 3 (s) + 3H + (3) FeS Fe H 2 O => 15Fe SO H + (4) Summareaktion 1-3: FeS 2(s) + 15/4 O 2(g) + 7/2 H 2 O (l) => Fe(OH) 3 (s) + 2SO H + (5) Lågt ph ökar vittringen hos mineral och mobiliteten hos många ämnen

18 Observera ekva?on 4: FeS Fe H 2 O => 15Fe SO H + (4) Om gammalt oxiderat gruvavfall täcks så a8 syrefri miljö uppstår kan Fe 3+ vara oxidant; jämför Bersbo i Östergötland Hur surt e8 lakva8en blir beror även på om buffrande mineral finns i avfallet. Det är framför allt balansen mellan järnsulfider och karbonatmineral som styr ph även om vissa silikatmineral också kan bidra (de reagerar dock långsamt jämfört med pyritoxida?onen). Exempel på buffringsreak?oner: CaCO 3 + H + => Ca 2+ + HCO - 3 MeAlSiO 4 + H + + 0,5 H 2 O => Me x+ + H 4 SiO 4 + Al(OH) 3 Snabb Långsam Där Me kan vara Mg, Ca, Na, K etc

19 Varje gruvavfallsdeponi är unik. Mineralogi, kemisk sammansä8ning och materialegenskaper på den specifika platsen måste bedömas för a8 ta fram en bra everbehandling. En noggrann karakterisering är jä8evik?g. Det räcker inte med några laktester!!!!!!!!!!!!!!!!!

20

21

22 Sandmagasinet vid Lavergruvan, vttringsfronten rör sig neråt 2-3 cm per år Oxiderad zon Ooxiderad zon Oxidationsfrontens rörelse 2-3 cm/år

23

24 I Sverige är målet att hantering och efterbehandling av gruvavfall ska inriktas på att förhindra uppkomsten av sura lakvatten, även i mycket långa tidsperspektiv (nästa istid). Efter att en gruva har stängts ska det vara möjligt att lämna det efterbehandlade gruvområdet utan kontinuerligt underhåll. Behandlingsmetoder som att kalka för alltid eller åtminstone under lång tid är ingen möjlighet.

25 Vad kan man göra för att lösa problemet? Vanliga efterbehandlingsmetoder baseras på att lösligheten och diffusiviteten av syre är mycket lägre i vatten än i luft

26 Löslighet vid 25 C Diffusivitet (g/m 3 ) (m 2 /s) I luft 256 1,78 x 10-5 I vatten x 10-9 Jordtäckning (torrtäckning) och va8entäckning används, lä8are på anrikningssand än gråbergsupplag.

27 Jordtäckning bygger på a8 e8 tätskikt har så låg hydraulisk konduk?vitet (10-9 ms - 1 ) a8 det all?d är va8enmä8at. Därmed kan inte syre i gasform diffundera genom det.

28 E"er avslutad dri" Låga kostnader, kräver underhåll, tillämpbar i våta områden Ny teknik, kan ge långsiktiga fördelar, tillämpbar i våta områden Höga kostnader, låg risk, tillämpbar i dränerade områden Ingen kostnad, hög risk - ingen acceptans

29 Bilden visar a8 va8enmä8naden måste vara hög för a8 tätskiktet ska fungera

30 Olika typer av jordtäckning B är vanligt i Sverig, ofta med lering morän som tätskikt och överst ett skyddsskikt av oklassificerad morän

31

32 I MiMi- programmet försökte man förstå alla detaljer

33 Förenklad bild av si?a?onen i magasin 1 i Kris?neberg, MiMis huvudsite

34 Resultaten av basfallet i MiMi av moräntäckning blev a8 syreflödet genom en väl u^örd moräntäckning blir ca 1 mol syre per kvadratmeter och år, en mycket stor reduk?on jämfört med om man inte har någon täckning. Obervera a8 a8 det Fe 2+ som bildas genom FeS 2 (s)+h 2 O (l)+7/2 O 2 (g)=>fe SO H + inte stannar i deponin utan når recipienten där y8erligare aciditet bildas genom Fe H 2 O (l) => Fe(OH) 3 (s) + 3H +

35 De8a kallas ibland latent aciditet

36 Täckning på gråbergsupplag

37 VATTENTÄCKNING

38 Det finns inte så många välstuderade va8entäckningar i Sverige. Stekenjokk är e8 exempel. Dammvallen kommer knappast a8 stå?ll nästa is?d utan underhåll. STEKENJOKK

39 MiMis basfall för va8entäckning, syreflödet. Jämför med moräntäckning med syrediffusionen 1 mol per kvm år. Notera effekten av sediment som täcker avfallet.

40

41 En variant av va8entäckning är uppnå va8enmä8nad i avfallet utan a8 ha va8enspegel. I Kris?neberg har Boliden försökt va8enmä8a anrikningssand och har e8 enkelt skyddskikt av morän ovanpå anrikningssanden. Det fungerar om anrikningssanden verkligen är helt va8enmä8ad men metoden är känslig för om va8enmä8anden under vissa perioder, t ex av torka, inte uppnås. De8a syns snabbt i va8enkvaliteten.

42 Förenklad bild av magasin 1 i Kris?neberg

43

44 På senare tid har vi på LTU och andra börjat studera om avfall från andra industrier och aktiviteter kan användas som tätskikt eller på annat sätt i efterbehandling/behandling av gruvavfall. Två avfallsproblem blir lösta samtidigt. Exempel är rötslam, askor, slagg och avfall från pappersindustrin (grönlutslam, mesakalk, fiberslam). Möjliga användningar kan vara som täckning och för inhibering av pyritoxidation i reaktivt gråberg (genom utfällning av sekundära mineral som täpper till porer eller inaktiverar sulfidytor).

45

46 Exempel Grönlutslam, alkalisk restprodukt från papperindustrin

47 Grönlutslam för efterbehandling av gruvavfall

48 Resultat från karaktäriseringen GLS Partikelstorlek(d50) 9,5 μm 60μm Lerig morän Densitet 2,57g/cm 3 2,19g/cm 3 Porositet 74% 22% Hydraulisk 3x10-9 m/s 3-7x10-10 m/s konduktivitet ph ,5-5,5 Zetapotential Neg. vid alla N.A. ph-värden Spec. ytarea 17,1 m 2 /g N.A.

49 Vattenhållningsförmåga 1000 Morän Capillary suction (m) ,1 GLS 0, Volumetric water content (%)

50 SEM bilder

51 Åldrandestudier: Provborrningar på Iggesunds deponi- nov 2010

52 Grävning på Rönnskärsverken, okt 2011

53 Tätskikt på Rönnskärsverken Aska Grönlutslam

54 Grönlutslammet har lovande egenskaper. Det finns dock i för små mängder och är svårt a8 applicera pga klibbigheten så det kan vara svårt a8 direkt använda som täckning. Mer användbart kan vara a8 blanda anrikningssand, grönlut och kanske flygaska. Ger mindre åtgång och material på plats kan användas.

55 På LTU arbetar även Lena Alakangas, Chris?an Maurice och Roger Hamberg med bl a de8a

56 Exempel 2 Rötslam

57 Disputa?on 18/

58 SLUTSATSER: Rötslam är effek?vt för växtetablering, särskilt uppepå moräntäckning. Läggs rötslam direkt på avfall sker en snabb transport av kväve och metaller från slammet?ll grund- och ytva8en innan växt- lighet har etablerats. Dessutom kan kväve fungera som oxidant och metaller kan transporteras som metallkomplex. Bör undvikas. En kombina?on av rötslam och flygaska kan fungera bä8re men det finns for^arande risk a8 kväve tränger ner?ll avfallet och oxiderar pyrit. Rötslam fungerar bra som tätskikt men det organiska materialet bryts ner (både aerobt och anaerobt) så funk?onen kan minska med?den. Finns dock poten?al a8 det kan fungera rela?vt lång?d.

59 Exempel 3 Fiberslam och flygaska

60 Exempel 3 Fiberslam och flygaska

61 Utvärdering av täckningar vid sandmagasinet Ryllshyttan, Garpenberg

62 Testområde Location of the tailings profile Boliden gjorde fyra testområden 2000 till Vi provtog 2011, nästan10 år efter att täckningen gjordes.

63 Provtagning Groundwater pipe Oxygen pipe 63

64 0cm Profile B Sludge Fors 70cm Sludge Fors: 3 samples 70 Ash 50cm Ash layer: 3 samples 50 Tailings 0-20cm: 4 samples (5cm interval) Tailings Tailings 20-85cm: 5 samples

65 Surface soil 37cm 0cm Profile F Surface Soil: 2 samples Tailings 0-20cm: 4 samples Tailings 20-27cm: 1 samples 32 Tailings 27-37cm: 2 samples 37 Tailings Tailings cm: 5 samples

66 Syremätningar i Bolidens regi, % S3 ref S4 ref 2/1/2002 5/1/2002 8/1/ /1/2002 2/1/2003 5/1/2003 8/1/ /1/2003 2/1/2004 5/1/2004 8/1/ /1/2004 2/1/2005 5/1/2005 8/1/ /1/2005 2/1/2006 5/1/2006 8/1/ /1/2002 6/1/ /1/2002 2/1/2003 6/1/ /1/2003 2/1/2004 6/1/ /1/2004 2/1/2005 6/1/ /1/2005 2/1/2006 6/1/2006 S1 A S2 A S5B S6B S7D S8D S9E S10E De olika täckningarna var effektiva syrebarriärer

67 Slutsatser Rullshyttemagasinet Ø De olika täckningarna var effektiva syrebarriärer, även den där bara fiberslam användes Ø ph var i regel mellan 7 och 9, vilket leder till effektiv fastläggning av metaller som frigörs vid vittring Ø Om för mycket aska används och ph blir för högt (>10-11) bli många sulfidassocierade metaller mobila. Ø Det är viktigt att studera hur fort fiberslammet bryts ner.

68 Slutsats av forskningen hittills: Det finns stor potential att använda andra restprodukter och avfall för efterbehandling av gruvavfalldeponier.

69 För mycket stora sandmagasin typ Ai?k är det inte realis?skt med täckning. Här måsta andra strategier användas. Avsvavling och separat deposi?on av pyritkoncentrat har diskuterats.

70 Pastateknik Pastateknik för deponering av anrikningssand, dvs avva8ning med eller utan?llsatser (polymerer, cementerande substanser) Får en konsistens som tandkräm

71 Förstudie finansierad av Outotec, LKAB och Boliden

72 Paste/Thickened Tailings The idea of thickening tailings to get rid of the excess water was proposed back in 1970 s. Mainly as a result of accidents and environmental issues, the technology started to receive attention in the last decade. Has 2 main applications: Backfilling of underground openings Surface Disposal (more recent)

73 Paste/Thickened Tailings Thickening process effects almost the entire (from flow to depositional) behavior of tailings. Such a change results in a material, properties of which can be exploitable. The technology has three proven advantages: Savings in construction costs due to reduced rate of raise (or complete elimination) of the embankment(s). Improved stability (relatively lower risks of failure compared to conventional disposal). Reductions in water use. A possible but yet unproven possibility is reduction of oxygen penetration and sulphide oxidation

74 Det behövs forskning och utveckling innan pastatekniken slår igenom i Sverige. Bl a är det osäkert hur vårt vintriga klimat med snabb snösmältning på våren påverkar de mekaniska egenskaperna. Vi8ringsegenskaperna och sulfidoxida?on i pasta borde studeras. LKAB har börjat använda de8a i Svappavaara. Northland gör det också i Pajala (fast kallar det förtjockad deponering). Boliden använder pasta för återfyllning i Garpenberg.

75 Paste/Thickened Tailings Feasibility of adopting the technology heavily relies on: Non-segregating (homogeneous) behavior of tailings Deposition at relatively high slope rates Thus, it is vital to have a preliminary understanding of the above mentioned behavior by means of pilot scale testing before implementation.

76 Paste/Thickened Tailings Majority of the knowledge is based on the field experiences of completed/ongoing projects in Australia and Canada. The number of facilities are expected to increase in the coming years.

77 Reak2vt gråberg För reak?vt gråberg kan alterna?va strategier finnas. En metod kan vara inhibering genom injek?on av alkalina material. I vissa fall kan de8a vara en?llfällig lösning under drivsfas, och det reak?va gråberget kan ever gruvdrivens slut deponeras i va8enfyllt dagbro8 ( dessa kan dock ova ha dålig va8enkvalitet). Då blir det va8entäckning, som eventuellt kan komple8eras med jordtäckning uppepå.

78 ÖPPET DAGBROTT

79 RÄVLIDMYRAN

80 När en gruva stängs så kan positiva effekter uppnås med kreativ planering. Exempel: Turistattraktioner Attraktiva ytor för rekreation och friluftsliv Ökad biodiversitet

81 KVÄVE

82 Disputa?on

83 Nitrogen removal Vision 2020 Constructed wetland Municipal sewage Carbon phosphorus Greenhous es Ligh t Excess heat Ligh t Denitrification test mesocosms Ligh t Enhanced denitrification Denitrificatio n barrier

84 Till sist, pyrit och magnetkis orsakar problemen, ska vi forsätta att deponera dem som avfall även i de fall när de är krossade och malda (anrikningssand)? Bortsett från möjligheten att göras svavelsyra kan de innehålla skapliga halter av olika metaller. Det varierar mycket mellan olika fyndigheter.

85 ppm eller wt. % Spårelement i pyrit (FeS 2 ) (från Levinson, 1974) max common Se Ni 2,5 % Cu 6 % 10-1% Co >2,5 % V Pb As 5 % Ti Mn 1 % Ag 200 <10 Sn Zn 4,5 % Tl Bi Sb Au kan förekomma