Siilinjärven kaivoksen rikastushiekan hyödyntäminen pilaantuneen maaperän kunnostamisessa Salla Venäläinen Helsingin yliopisto Maatalous-metsätieteellinen tiedekunta Elintarvike- ja ympäristötieteiden laitos 27.3.2010 1
Sisältö Lyijy (Pb) ympäristöongelmana Suomessa Mitä on rikastushiekka? Yara Suomi Oy:n Siilinjärven apatiittikaivos Tutkimuksen tavoitteet Pari esimerkkiä: Taustat ja koeasetelmat Tuloksia Johtopäätöksiä 27.3.2010 2
(Pb) ympäristöongelmana Suomessa Lyijy (Pb) Käyttö polttoaineessa lopetettiin 1994 Edelleen korkeita pitoisuuksia teiden varsilla Edelleen käytössä luodeissa ja hauleissa Kielletty vesilintujen metsästyksessä Sallittu muunlaisessa metsästyksessä Sallittu ampumaradoilla 27.3.2010 3
(Pb) ympäristöongelmana Suomessa Lyijy (Pb) Ammunta suosittu harrastus Suomessa Arviolta 2000-2600 ampumarataa, joista n. 60 % edelleen aktiivisessa käytössä Ampumaradat usein voimakkaasti saastuneita Vuosittainen Pb-kuormitus n. 530 t 27.3.2010 4
Mitä on rikastushiekka? Rikastushiekalla (engl. tailings) tarkoitetaan malmimineraalin rikastamisen yhteydessä muodostuvaa jätettä Rikastusprosessissa malmi erotellaan alkuperäisestä mineraaliaineksesta mekaanisesti ja kemiallisesti Rikastushiekka koostuu kivimurskasta ja prosessikemikaaleista Taloudellisesti hyödytön rikastushiekka kasataan jätteenä 27.3.2010 5
Yara Suomi Oy:n Siilinjärven apatiittikaivos Länsi-Euroopan ainoa fosfaattikaivos ja Suomen suurin avolouhos Vuosittainen fosfaattituotanto n. 850 000 t Rikastushiekkaa vuosittain n. 150 000 t 70 000 t jalostetaan edelleen maanparannusaineeksi 80 000 t läjitetään jätteenä Kuva: Kemira Chemicals Oy, 1997 27.3.2010 6
Siilinjärven rikastushiekka Mineraalien seos: Flogopiitti (75 %) Karbonaattimineraalit (16 %) Muut mineraalit, esim. apatiitti (3 %) Flogopiitti Monipuoliset mineralogiset ja kemialliset ominaisuudet Hyödyntäminen pilaantuneen maaperän kunnostamisessa haitta-aineita aineita pidättävänä materiaalina?! Kalsiitti Apatiitti 27.3.2010 7
Siilinjärven rikastushiekan mineraalikoostumus Flogopiitti Alumiini- ja rautapitoinen silikaattimineraali Rapautuminen tuottaa Al- ja Fe- (oksi)hydroksideja Pb:n pidätyspintaa Karbonaattimineraalit Pääasiassa kalsiittia (CaCO 3 ) Pb:n pidätyspintaa + serussiitin (PbCO 3 ) muodostus Apatiitti Pieniä jäämiä rikastusprosessista Pb:n pidätyspintaa + niukkaliukoisten yhdisteiden (esim. pyromorfiitit) mudostus 27.3.2010 8
Tutkimuksen tavoitteet Selvittää: Rikastushiekan kykyä pidättää Pb:ä Pidätysprosesseihin vaikuttavia tekijöitä Rikastushiekan vaikutusta saastuneen ampumaratamaan Pb:n esiintymismuotoon ja jakautumiseen maan eri pidättävien pintojen välillä Rikastushiekan hyödyntämismahdollisuudet saastuneiden alueiden kunnostamisessa? 27.3.2010 9
Koejärjestelyjen taustaa Potentiaalisesti biosaatava Pb vaihtuvassa tai vesiuuttoisessa muodossa Ekologisesti toksimmat spesiekset Pb 2+ ja PbOH + Sitoutuminen orgaaniseen ainekseen lisää liukoisuutta ja vähentää ekotoksisuutta Saastuneilla alueilla pyrittävä vähentämään haitallisimpien spesiesten esiintymistä Koejärjetelyllä pyrittiin selvittämään rikastushiekan vaikutusta ampumaratamaan Pb:n esiintymismuotoon ja jakautumiseen maan eri pidättävien pintojen välillä 27.3.2010 10
Koejärjestelyt I: Astiakokeen perustaminen Astiakoe laboratoriossa ampumaratamaalla, josta silmin havaittavat haulit poistettu Lisättiin maahan Käsittelemätöntä rikastushiekkaa (B), ph 9.1-9.4 9.4 Keinotekoisesti rapautettua (happokäsiteltyä) rikastushiekkaa (Al- ja Fe-oksidien muodostus) (BHA), ph 3.6-4.0 Kokofraktiot: Seulomaton materiaali Ø > 0.2 mm Ø < 0.2 mm Näytteenotto 9, 10, 14 ja 21 kk inkuboinnin jälkeen 27.3.2010 11
Koejärjestelyt II: Pb:n fraktiointi Pb:n fraktiointi peräkkäisillä uutoilla: Vesiuuttoinen Pb mq-h2o Potentiaalisesti Vaihtuva Pb biosaatava Pb 1 M NH 4 NO 3 Orgaaniseen ainekseen pidättynyt Pb 0,5 M NaOH Amorfisiin oksideihin pidättynyt Pb Hapan ammoniumoksalaatti Uutteista mitattiin Pb ICP-MS:lla ja ph 27.3.2010 12
Pb mg kg 300 250 200 150 100 50 0 300 250 kg-1 200 150 100 50 0 300 250 B Control BHA Tulokset I: Rikastushiekan vaikutus vesiuuttoisen Pb:n määrään 7 6 5 4 3 2 1 B > 0.2 mm BHA > 0.2 mm Control = Saastunut maa B = Saastunut maa + käsittelemätön rikastushiekka BHA = Saastunut maa + happokäsitelty rikastushiekka = ph 1200 1000 B < 0.2 mm BHA < 0.2 mm 7 6 5 4 3 2 1 7 6 ph 200 800 5 150 600 4 100 400 3 50 200 2 0 9 10 14 21 9 10 14 21 0 9 10 14 21 1 Aika (kk) 27.3.2010 13
Tulokset I: Rikastushiekan vaikutus vesiuuttoisen Pb:n määrään Kontrollimaassa ei muutoksia ajan kuluessa Käsittelemätön, seulomaton rikastushiekka (B) Vähensi maan vesiliukoisen Pb:n määrää ( ) Rikastushiekka pidätti Pb:ä Käsittelemättön, seulottu rikastushiekka (B > 0,2 mm, B < 0,2 mm) Ei vaikutusta maan vesiliukoisen Pb:n määrään (± 0) Happokäsitelty rikastushiekka (BHA) Lisäsi ajan kuluessa maan vesiliukoisen Pb:n määrää huomattavasti kokofraktiosta riippumatta ( ) Pb:n lisääntynyt liukoisuus ph:n laskiessa? ) 27.3.2010 14
Pb g kg Pb g kg-1 30 25 20 15 10 5 0 30 25 20 15 10 5 0 30 25 20 15 10 5 B Control BHA Tulokset II: Rikastushiekan vaikutus vaihtuvan Pb:n määrään 7 6 5 4 3 2 1 B > 0.2 mm BHA > 0.2 mm Control = Saastunut maa B = Saastunut maa + käsittelemätön rikastushiekka BHA = Saastunut maa + happokäsitelty rikastushiekka = ph B < 0.2 mm BHA < 0.2 mm 7 6 5 4 3 2 1 7 6 5 4 3 2 ph 0 9 10 14 21 9 10 14 21 9 10 14 21 1 Aika (kk) 27.3.2010 15
Tulokset II: Rikastushiekan vaikutus vaihtuvan Pb:n määrään Kontrollimaassa lisääntyi läpi koko kokeen Pb:n jatkuva liukeneminen hauleista Happokäsitelty, hienojakoinen rikastushiekka (BHA < 0,2 mm) Lisäsi maan vaihtuvan Pb:n määrää ( ) Muut rikastushiekkakäsittelyt Vähensivät vaihtuvan Pb:n määrää maassa ( ) Huomattavia eroja happokäsitellyn rikastushiekan eri kokofraktioiden vaikutusten välillä Suuret partikkelit vähensivät vaihtuvaa Pb:ä tehokkaimmin Rikastushiekan eri pidättävät komponentit jakautuneet vaihtelevasti eri kokofraktioihin Mitä enemmän vaihtuvaa Pb:ä, sitä alempi ph Kationinvaihtoreaktiot maan orgaanisen aineksen kanssa 27.3.2010 16
Koejärjestelyt III: Pb:n esiintymismuodot Vesiuuttoisen Pb:n fraktiointi erilaisin suodatuksin: Kokonais Kokonais-Pb Suodatus paperisuodattimen läpi 12-25-µm Vesiliukoinen Pb Suodatus membraanisuodattimen läpi 0,2 µm Kationinen ( paha ) Pb Kationivaihtohartsi: Kationit pidättyvät Neutraali ja anioninen ( ei ei-niin niin-paha paha ) Pb Kationivaihtohartsi: Anionit ja neutraalit yhdisteet läpäisevät hartsin Orgaaninen Pb ( ei ei-niin niin-paha paha ) Pb Kationivaihtohartsi: Orgaaniset kationiset Pb-yhdisteet pidättyvät Pb- ja DOC-mittaus ennen ja jälkeen kationinvaihdon Pb-spesiekset mittaustulosten erotuksina 27.3.2010 17
Tulokset III: Rikastushiekan vaikutus vesiliukoisen Pb:n spesiaatioon Kationivaihtohartsi pidätti huomattavan osan maan vesiliukoisesta Pb:stä kaikilla rikastushiekkakäsittelyillä Suurin osa maan vesiliukoisesta Pb:tä oli kationisessa muodossa Ei-kationisen Pb:n ( ei-niin-paha-pb ) osuus maan vesiliukoisesta kokonais-pb:stä: Maa (Control): 5 % Maa + käsittelemätön rikastushiekka (B): 9-12 % Maa + happokäsitelty rikastushiekka (BHA): 1-4 % Käsittelemätön rikastushiekka lisäsi vähemmän 27.3.2010 18 Käsittelemätön rikastushiekka lisäsi vähemmän toksisen Pb:n määrää toksisemman kustannuksella
Johtopäätöksiä Käsittelemätön rikastushiekka (B) Vähentää Biosaatavan Pb:n määrää tehokkaimmin Pb:n toksisuutta maassa Sopii hyödynnettäväksi saastuneen maan kunnostuksessa Materiaalin seulomisesta eri kokofraktioihin ei luultavasti hyötyä Happokäsitelty rikastushiekka (BHA) Lisää Pb:n liukoisuutta alentamalla maan ph:ta Pb:n toksisuutta maassa Voi aiheuttaa myös alumiinin huuhtoutumista Ei luultavimmin sovellu käytettäväksi kunnostusmateriaalina 27.3.2010 19
Kiitokset MUTKU ry K.H. Renlundin säätiö Helsingin yliopiston tiedesäätiö Maa- ja vesitekniikan tuki ry Maj & Tor Nesslingin säätiö 27.3.2010 20