BIOPROSESSIT KAIVOSVESIEN PUHDISTUKSESSA. Jaakko Puhakka Kemian ja biotekniikan laboratorio Tampereen teknillinen yliopisto

Transkriptio

1 BIOPROSESSIT KAIVOSVESIEN PUHDISTUKSESSA Jaakko Puhakka Kemian ja biotekniikan laboratorio Tampereen teknillinen yliopisto

2 Kaivokset mikrobien elinympäristönä 2 Ekstreemiolosuhteet Kylmä/kuuma Alhainen ph Suuret raskasmetallipitoisuudet Ei orgaanisia ravinteita Näissä oloissa menestyvät mikrobit aiheuttavat, mutta ne soveltuvat myös ratkomaan ympäristöongelmia

3 Mikrobiaktiivisuus kaivosympäristössä 3 Energia epäorgaanisten yhdisteiden hapetuksesta Hiilenlähde: Usein autotrofeja (CO 2 ) Jotkin miksotrofeja (hiili org. yhdisteistä) Pelkistysvoima Epäorgaanisten yhdisteiden hapetus tai Käänteinen elektroninsiirto

4 Happamien kaivosvesien muodostus 4 Happi Vesi FeS 2 + 7/2 O 2 + H 2 O Fe SO H + Fe 2+ + H + + ¼ O 2 Fe 3+ + ½ H 2 O FeS Fe H 2 O 15 Fe SO H + Mikrobit Jätevesi: metalleja + SO H +

5 METALLIEN LIUKENEMINEN JÄTEKASOISTA, FREEPORT GRASBERG KAIVOS, INDONESIA 5 Photo: Jaakko Puhakka 11/17/17

6 Esimerkkejä bioprosesseista kaivosvesien puhdistukseen 1) Metallien ja sulfaatin talteenotto sulfaattia pelkistävillä bakteereilla 2) Raudan ja sulfaatin poisto rautaa hapettavilla bakteereilla 3) Arseenin poisto raudanhapettajabakteereilla 4) Denitrifikaatio autotrofisilla bakteereilla 5) Metallien talteenotto biosähkökemiallisesti

7 1) Happamien kaivosvesien käsittely sulfaattia pelkistävillä baktereereilla 7 SO CH 2 O H 2 S + 2 HCO - 3 H 2 S + M 2+ MS (s) + 2 H + HCO H + CO 2 (g) + H 2 O CH 2 O = elektroninlähde M = metalli 1 μm

8 1) Sulfaatin pelkistykseen perustuvia kunnostustai jäteveden käsittelymenetelmiä 8 exten/landrec/passtrt/pa sstrt.htm 1. In situ sovellukset: Substraatin lisäys/injektointi kohteeseen Reaktiiviset seinämät Anoksiset altaat Anaerobiset kosteikot 2. Bioreaktorit: andrec/passtrt/passtrt.htm ISEB 2006, Leipzig THIOPAQ 11/17/17

9 2) Raudan ja sulfaatin poisto rautaa hapettavilla baktereilla 3Fe 3+ + X + + 2HSO 4 + 6H 2 O XFe 3 SO 4 2 OH 6 + 8H +

10 2) Biologinen raudan hapetus ja saostus 10 Biokasaliuotuksen kierrätysliuos (Cu, Zn, Ni and Co poistettu) Alku-pH ~3 Fe 2+ ~6-8 g/l

11 2) Esim: Raudan ja sulfaatin poisto jätevesistä Hydrometallurgy (2010) 101: Rates Efficiencies

12 2) Biologinen raudan hapetus ja saostus (CaCO 3 ) 12 Brushite CaPO 3 (OH) 2 H 2 O Jarosite synthetic KFe 3 (SO 4 ) 2 (OH) 6 Jarosite, hydronian (K,H 3 O) Fe 3 (SO 4 ) 2 (OH) 6 Gypsum (CaSO 4 2H2O) ph g Fe 2+ / L

13 3) Arseeninpoisto rautaa hapettavilla bakteereilla 13 (1) Acidic solution, contaminated with arsenic and ferrous iron (Fe 2+ ), is pumped into the system (2) Iron-oxidizing bacteria in the fluidized-bed reactor oxidize Fe 2+ to Fe 3+ (3) Solution ph is raised in the mixer. A flocculant is added to the solution (4) Fe 3+ compounds precipitate in the settling tank, arsenic is immobilized by sorption and (co)precipitation (5) The remaining solution is aerated and partly recycled into the system [7], partly released as purified effluent [8] Fe oxides 1: Feed pump 2: FBR 3: ph control 4: Settling tank 5: Aeration pump 6: Aeration unit 7: Recycle pump 8: System effluent 9: Precipitate removal Green Mining programme Arsenal-project

14 3) Jarosiittia tuottava bioprosessi: ph:n vaikutus arseeninpoistoon Raudan hapetusnopeus 1070 mg/l/h Saostuva jarosiitti adsorboi As:n Arseenin poisto riippuu ph:sta 3,O:ssa As poisto 99,5% ph:n laskiessa alle 2,4:n arşeenin poisto heikkeni nopeasti 14

15 4) Kaivosvesissä myös typpiyhdisteitä 15 Räjähdysaineista: TNT tai ANFO (ammoniumnitraatti öljyssä) ja kullan liuotuksesta (syanidi) Nitraattia kaivosvesiin

16 4) Autotrofinen denitrifikaatio S 2 O NO H 2 O 0.8N 2 + 2SO H + Avaintuloksia: - Denitrifikaationopeus 600 mg/l/d 10 HRT:llä - Topt 27, T max 51 ja T min 1 o C - Toimii ph 5:ssä Zou et al. (2016) Chem. Eng. J. 284: Di Capua et al. (2017) Chem. Eng. J. 310: Di Capua et al. (2017) Chem. Eng. J. 313: Di Capua et al. (2017) Biores. Technol. 238:

17 5) Metalleja talteen (bio)sähkökemiallisesti 17 Anodilla: S 4 O H 2 O 4 SO H e - Katodilla: Cu e - Cu Sulonen et al. (2018) Hydrometallurgy 176:

18 Yhteenveto Mikro-organismeilla on merkittävä rooli happamien kaivosvesien muodostuksessa ja puhdistuksessa 2. Bioteknisesti kaivosvesistä voidaan poistaa/ottaa talteen metalleja, sulfaattia ja typpiyhdisteitä 3. Bioprosesseissa käytetään kaivosympäristöissä toimeen tulevia mikrobeja kuten sulfaatin pelkistäjiä (koeteltua tekniikkaa) raudan hapettajia (tuotantokäytössä) autotrofisia nitraatin pelkistäjiä (pilotoitu) sähköä tuottavia bakteereja (perustutkimusvaiheessa)

19 Kiitokset yhteistyökumppaneille 19 CSIRO, Australia MINTEK, South Africa The Ohio State University, USA Bangor University, UK University of Umeå, Linnaeus Univ. Sweden Russian Academy of Sciences Tomsk State University, Russia Indian Institute of Science Chinese Academy of Sciences WETSUS and UNESCO IHE, The Netherlands DSMZ, Germany University of Cassino, Italy Yildiz Technical University, Turkey Geological Survey of Finland VTT, Finland Talvivaara/Terrafame Outokumpu Outotec OMG Finland Norilsk Nickel Harjavalta Boliden Mondo Minerals Agnico-Eagle Finland Zijin mine, PRC Kemira Recent and on-going EU-projects: BioMinE project (EU) 39 partners BioElectromet (EU) 9 partners BioMOre (EU) 15 partners