TP2 Kaivannaisjätteiden pitkäaikaiskäyttäytyminen ja vesipäästöjen laadun ennustaminen

Laboratorioanalyysit kaivannaisjätteiden käyttäytymisen ennustamisessa
 
Kaivannaisjätteiden karakterisointi on ajankohtaista jo ennen varsinaisen kaivostoiminnan aloittamista. Kaivannaisjätteiden lyhyen ja pidemmän aikavälin käyttäytymisen ennustaminen on oleellista esimerkiksi asianmukaisten jätealueiden ja vesienkäsittelyratkaisujen suunnittelua varten. Karakterisointia tarvitaan myös jätejakeiden hyötykäyttöpotentiaalin arvioinnissa, sekä lähtötiedoiksi geokemialliseen mallinnukseen.
Tutkimuksen tavoitteena oli saada lisää tietoa kaivannaisjätteiden pitkäaikaiskäyttäytymisestä, sekä arvioida erilaisten laboratoriomenetelmien soveltuvuutta kaivannaisjätteiden ensivaiheen karakterisointiin. Lisäksi arvioitiin tutkimuksessa mukana olleiden kaivannaisjätteiden hyötykäyttöpotentiaalia. Erilaisten haitta-aineiden liikkuvuutta ja hapontuottokykyä arvioivien laboratoriomenetelmien toimivuutta verrattiin todellisiin jätealueilta virtaavien suotovesien ominaisuuksiin. Tutkimusta varten kerättiin näytteitä seitsemältä kaivosalueelta eri puolilta Suomea.
Tutkittujen kaivannaisjätteiden hyötykäyttöpotentiaali
Pääsääntöisesti tutkitut kaivannaisjätteen eivät soveltuneet erityisen hyvin hyötykäyttöön maarakennuksessa. Ne sisälsivät runsaasti potentiaalisia haitta-aineita, joten niitä ei voitu luokitella inerteiksi materiaaleiksi. Useimmat tutkitut suotovedet olivat lisäksi happamia ja/tai sisälsivät korkeita määriä haitta-aineita (Kuva 1).
Happoa tuottamattomia kaivannaisjätteitä voitaisiin mahdollisesti käyttää hyödyksi vähemmän herkissä ympäristöissä, kuten kaivosalueilla. Koska runsas hienoaineksen määrä lisää reaktiivisen pinta-alan määrää ja sitä kautta haitta-aineiden liukenemisen riskiä, olisi esimerkiksi sivukiviainesta syytä käyttää mahdollisimman suuressa raekoossa. Sivukivien hyötykäyttöpotentiaalia voitaisiin myös parantaa poistamalla erityisen paljon sulfideja sisältävät lohkareet.

Kuva 1. Tutkittujen kaivannaisjätealueiden suotovesiä esitettynä Ficklin-diagrammissa. WR = sivukivi, T = rikastushiekka.
Laboratoriomenetelmät haitta-aineiden liukoisuuden arvioimiseksi
Erilaisia geokemiallisia laboratoriotestejä voidaan käyttää niiden mineraalifaasien määrittelemiseksi, joihin haitta-aineita on sitoutunut. Eri mineraalifaasit liukenevat erilaisissa ympäristöissä, jonka perusteella voidaan arvioida myös haitta-aineiden liikkuvuutta. Tulosten perusteella kaivannaisjäteainekselle tehty kuningasvesiuutto ja ammoniumsitraattiuutto antavat hyvän kuvan siitä, mitkä haitta-aineet tulevat luultavasti olemaan koholla myös jätealueen suotovesissä (Kuva 2). NAG-testin uuttoliuoksen analyysi antaa usein samankaltaisia tuloksia kuningasvesiuuttoon verrattuna, mutta ainoastaan jos NAG-testin liuoksen pH on matala (<4). Jos pH on korkeampi, laskevat NAG-testin liuoksen alkuainepitoisuudet merkittävästi verrattuna kuningasvesipitoisuuksiin, joka johtuu luultavasti haitta-aineiden poistumisesta testin aikana erilaisten saostumisprosessien kautta.

Kuva 2. Eri laboratoriotestien (AR = kuningasvesiuutto, NAG-test = NAG testin uuttoliuos, Amm.citrate = ammoniumsitraattiuutto) Co, Cu ja Ni metallisummien vertailua vastaavien suotovesien (Drainage) pitoisuuksiin.
Kuningasvesiuuton tavoin myös ns. sulfidiuutto happojen KClO3, 12 M HCl ja 4 M HNO3 seoksella on tarkoitettu erityisesti sulfidien liuottamiseen. Pääsääntöisesti sulfidiuuttoiset pitoisuudet olivat hieman kuningasvesiuuttoisia pitoisuuksia matalampia. Ero voi johtua esimerkiksi kuningasvesiuuton kyvystä liuottaa sulfidimineraalien lisäksi myös joitakin herkemmin liukenevia silikaattimineraaleja, kuten biotiittia ja kloriittia. Sulfidiuutto ei myöskään näytä liuottavan täydellisesti kaikkia sulfidilajeja.
Ravistelutestiä (EN 12457-3) voidaan hyödyntää vesiliukoisten haitta-ainefaasien määrittelemiseen. Tulosten perusteella ravistelutestissä käytettävä vesi näyttäisi olevan liian heikko liuotin ja testin kestoaika liian lyhyt tuoreessa kiviaineksessa olevien haitta-aineiden liuottamiseen ja määrittämiseen. Testi ei siten sovellu tuoreen kaivannaisjäteaineksen pitkäaikaiskäyttäytymisen arviointiin.
 
Hapontuoton arviointimenetelmät
Kiviaineksen hapontuoton arviointi ABA-testillä (EN 15875), NAG-testillä ja mineralogiaan perustuvalla laskukaavalla antoi, joitakin poikkeuksia lukuun ottamatta, samankaltaisia tuloksia verrattuna vastaavien suotovesien pH-arvoihin. Pääsääntöisesti ABA-testistä saatavat hapontuottopotentiaalin (AP) arvot, jotka lasketaan näytteen rikkipitoisuuden perusteella, olivat mineralogian perusteella laskettuja minAP-arvoja suurempia. Mineralogisten laskujen perusteella suurin osa tutkittujen kaivannaisjätteiden hapontuottopotentiaalista oli peräisin magneettikiisusta. Mineralogian perusteella laskettu neutralointipotentiaali (minNP) sen sijaan oli pääsääntöisesti ABA-testin NP:tä suurempi.
Yleisesti ottaen ABA- ja NAG-testit eivät näytä huomioivan riittävästi silikaattimineraaleista peräisin olevan NP:n vaikutusta. Mineralogisten tulosten perusteella näytteet sisälsivät suhteellisen vähän karbonaatteja, joita yleisesti pidetään tärkeimpinä NP:n lähteinä. Suurin osa tutkittujen näytteiden neutraloimispotentiaalista oli peräisin silikaateista, kuten biotiitistä, sarvivälkkeestä, oliviinista, diopsidista, augiitista, kloriitista ja serpentiinistä.
Monimutkaisten liukenemisprosessien vuoksi mineraalien käyttäytymistä laboratoriotesteissä ja jätealueilla on hankala arvioida. Tärkeimpien happoa tuottavien sulfidien ja neutraloimispotentiaalia omaavien silikaattien käyttäytymistä tulisi tutkia tarkemmin. Erityisesti silikaattimineraalien tuottaman hitaamman NP:n kykyyn vastata magneettikiisun nopeampaan hapontuottoon pitäisi kiinnittää huomiota kaivannaisjätteiden hapontuoton arvioinnissa.
SEM-mineralogian perusteella laskettu hapontuoton arviointi näyttäisi antavan realistisia tuloksia verrattuna muihin arviointimenetelmiin ja tutkimusnäytteitä vastaaviin suotovesiin. Mineralogisen menetelmän hyvänä puolena hapontuotosta ja neutraloinnista vastaavat mineraalit voidaan määrittää tarkasti. Tämän ansioista myös hapontuottoon liittyvien prosessien nopeuksia voidaan ottaa huomioon, joka parantaa hapontuottoarvionnin täsmällisyyttä.