Biologinen typenpoisto kaivosvedestä

Abstract

Kaivosvesien typpipäästöihin kiinnitetään enenevissä määrin huomiota suomalaisille kaivok-sille myönnettävissä ympäristöluvissa. Syyt huomioinnin lisääntymiseen ovat typen yhdisteiden myrkyllisyys vesieliöstölle sekä taipumus aiheuttaa vesistöjen rehevöitymistä ja happamoitumista päätyessään ylimäärin kaivosten vesijakeiden purkuvesistöihin. Kaivosvesien typpiyhdisteet ovat pääosin peräisin räjähtämättömistä tai epätäydellisesti räjähtäneistä räjähdeaineista. Näin kaivoksen vesiin päätyvä typpiyhdisteiden määrä voi olla jopa 10 % kaivoksella käytetystä räjähteiden kokonaistypen määrästä.

Tämän työn tarkoituksena oli selvittää kirjallisuuden avulla kaivosveden ominaispiirteitä sekä näiden ominaispiirteiden vaikutusta kaivosveden typenpoistoon ja erityisesti biologisiin typenpoistomenetelmiin. Lisäksi työn keskeisiä tavoitteita olivat biologisen typenpoiston pilotoinnin aloittamiseen liittyvien reunaehtojen kokoaminen kirjallisuuden avulla sekä denitrifioivien baktee-rien rikastumiseen kuluvan ajan selvitys kokeellisesti kaivosvesiolosuhteissa osana edellä mainittuja reunaehtoja.

Vähäisen orgaanisen ja merkittävän epäorgaanisen aineksen yhdistelmä, kaivosvesien mahdollinen happamuus sekä pohjoisten alueiden kylmyys voivat estää esimerkiksi perinteisen yh-dyskuntajätevedenpuhdistuksen aktiivilietemenetelmän käytön. Laboratoriomittakaavan kokeet tai pienet pilotit ovat osoittaneet, että kaivosveden typenpoistoon soveltuu joukko fysikaalisia, kemiallisia sekä biologisia menetelmiä. Biologisista typenpoistomenetelmistä kosteikot ja biofilmimenetelmiin lukeutuva Moving Bed BioReactor (MBBR) -menetelmä, ovat tästä joukosta ainoita, joita on käytössä täysimittaisissa typenpoistoprosesseissa kylmissä kaivosvesiolosuhteis-sa. Biologisten typenpoistomenetelmien typenpoiston tulokset vaihtelevat kylmien kaivosvesien tapauksessa 29–99 %:n välillä. Kosteikoilla on havaittu matalimmat ja biofilmimenetelmillä te-hokkaimmat typen yhdisteiden vähenemät.

Kaivosveden kylmyys, happamuus ja suuret raskasmetallipitoisuudet voivat häiritä merkittä-västi biologista typenpoistoprosessia, mutta biologisen typenpoiston toleranssit raskasmetalleille ovat pääsääntöisesti merkittävästi suurempia kuin näitä komponentteja suomalaisissa kaivos-vesissä keskimäärin esiintyy tai kosteikkokentälle saa kaivoksen ympäristöluvan mukaan päästää. Kaivosveden ominaisuudet niin fysikaalisesti kuin kemiallisestikin määrittävät pitkälti menetelmän yksityiskohtaista suunnittelua ja käytettyjä parametreja.

Tärkeät tekijät biofilmitekniikoiden käyttöönoton tai testauksen näkökulmasta ovat aktiivisten mikrobien rikastuminen ja kolonisaatio, riittävä ilmastus ja sekoitus, sopiva pinta, johon aktiivinen biofilmi voi kasvaa ja kiinnittyä sekä pinnan täyttöaste reaktorissa sekä riittävä käsiteltävän veden hydraulinen viipymä. Mikrobien ravinteeksi tarvitaan usein fosforia ja nitrifikaatio-denitrifikaatioprosessin elektroninluovuttajana käytetään usein pientä orgaanista molekyyliä, mutta myös epäorgaanisia elektroninluovuttajien käytöstä on saatu lupaavia tuloksia.

Denitrifikaatiobakteerit ovat usein hidaskasvuisia ja niiden rikastumista kaivosvedessä tutkit-tiin tässä työssä laboratoriomittakaavan MBBR-reaktorissa 49 vuorokautta. Bakteeriymppinä käytettiin kaivoksen kosteikkokentältä otettua näytettä. Tutkimuksen jatkuvatoimisen reaktorin vaiheessa hydraulinen viipymä oli 24 tuntia. Kosteikkokentän ympistä saatiin tutkimuksessa rikastettua denitrifioivia bakteereja siten, että nitraatin vähenemäksi saatiin parhaimmillaan 65 %. Nitriitti puolestaan väheni denitrifikaatiossa parhaimmillaan jopa 97-prosenttisesti. Nitraattikuormitusta poistui reaktorissa parhaimmillaan 115,7 mg/m2d ja nitriittikuormitusta puolestaan par-haimmillaan 92,1 mg/m2d. Tutkimuksen tuloksena huomattiin, että kosteikkokentältä otetusta viljelmästä saatiin onnistuneesti rikastettua denitrifioivia bakteereja kohtalaisin typenpoistotuloksin.