Application of wetland systems in the treatment of acid rock mine drainage

The presented work was conducted within the Dissertation / Internship, branch of Environmental Protection Technology, associated to the Master thesis in Chemical Engineering by the Instituto Superior de Engenharia do Porto and it was developed in the Aquatest a.s, headquartered in Prague, in Czech Republic. The ore mining exploitation in the Czech Republic began in the thirteenth century, and has been extended until the twentieth century, being now evident the consequences of the intensive extraction which includes contamination of soil and sub-soil by high concentrations of heavy metals. The mountain region of Zlaté Hory was chosen for the implementation of the remediation project, which consisted in the construction of three cells (tanks), the first to raise the pH, the second for the sedimentation of the formed precipitates and a third to increase the process efficiency in order to reduce high concentrations of metals, with special emphasis on iron, manganese and sulfates. This project was initiated in 2005, being pioneer in this country and is still ongoing due to the complex chemical and biological phenomenon’s inherent to the system. At the site where the project was implemented, there is a natural lagoon, thereby enabling a comparative study of the two systems (natural and artificial) regarding the efficiency of both in the reduction/ removal of the referred pollutants. The study aimed to assist and cooperate in the ongoing investigation at the company Aquatest, in terms of field work conducted in Zlaté Hory and in terms of research methodologies used in it. Thereby, it was carried out a survey and analysis of available data from 2005 to 2008, being complemented by the treatment of new data from 2009 to 2010. Moreover, a theoretical study of the chemical and biological processes that occurs in both systems was performed. Regarding the field work, an active participation in the collection and in situ sample analyzing of water and soil from the natural pond has been attained, with the supervision of Engineer, Irena Šupiková. Laboratory analysis of water and soil were carried out by laboratory technicians. It was found that the natural lagoon is more efficient in reducing iron and manganese, being obtained removal percentages of 100%. The artificial lagoon had a removal percentage of 90% and 33% for iron and manganese respectively. Despite the minor efficiency of the constructed wetland, it must be pointed out that this system was designed for the treatment and consequent reduction of iron. In this context, it can conclude that the main goal has been achieved. In the case of sulphates, the removal optimization is yet a goal to be achieved not only in the Czech Republic but also in other places where this type of contamination persists. In fact, in the natural lagoon and in the constructed wetland, removal efficiencies of 45% and 7% were obtained respectively. It has been speculated that the water at the entrance of both systems has different sources. The analysis of the collected data shows at the entrance of the natural pond, a concentration of 4.6 mg/L of total iron, 14.6 mg/L of manganese and 951 mg/L of sulphates. In the artificial pond, the concentrations are 27.7 mg/L, 8.1 mg/L and 382 mg/L respectively for iron, manganese and sulphates. During 2010 the investigation has been expanded. The study of soil samples has started in order to observe and evaluate the contribution of bacteria in the removal of heavy metals being in its early phase. Summarizing, this technology has revealed to be an interesting solution, since in addition to substantially reduce the mentioned contaminants, mostly iron, it combines the low cost of implementation with an reduced maintenance, and it can also be installed in recreation parks, providing habitats for plants and birds.

O trabalho que se apresenta foi realizado no âmbito da disciplina de Dissertação/Estágio do ramo de Tecnologias de Protecção Ambiental, do Mestrado em Engenharia Química do Instituto Superior de Engenharia do Porto tendo sido desenvolvido na empresa Aquatest a.s., sediada na cidade de Praga, na República Checa. A exploração de minério na República Checa teve início no século XIII, tendo-se prolongado até ao século XX, sendo actualmente evidentes as consequências da extracção intensiva nomeadamente a contaminação do solo e sub-solo por concentrações elevadas de metais pesados. A região montanhosa de Zlaté Hory foi o local escolhido para a implementação de um projecto de remediação, que consistiu na construção de três células (tanques), a primeira para aumentar o pH, a segunda para a sedimentação dos precipitados formados e uma terceira para aumentar a eficiência do processo, de modo a reduzir as elevadas concentrações de metais, com especial ênfase para o ferro, manganês e sulfatos. Este projecto foi iniciado em 2005, sendo pioneiro na República Checa, encontrando-se ainda em curso devido à complexidade dos fenómenos químicos e biológicos inerentes a este tipo de sistemas. No local onde foi implementado o projecto, existe uma lagoa natural possibilitando assim, uma análise comparativa dos dois sistemas (natural e artificial) ao nível da eficiência de ambos na redução/remoção dos referidos poluentes. O presente trabalho teve como objectivo auxiliar e colaborar na investigação em curso na empresa Aquatest, quer ao nível do trabalho de campo desenvolvido em Zlaté Hory, quer ao nível da pesquisa de metodologias utilizadas no mesmo. Assim, efectuou-se um levantamento e análise dos dados disponíveis desde 2005 até 2008, sendo complementados pelo tratamento de novos dados referentes ao período entre 2009 e 2010. Além disso, fez-se um estudo teórico dos processos químicos e biológicos desencadeados em ambos os sistemas. No que diz respeito ao trabalho de campo, houve uma participação activa na recolha e análise de amostras de água e de solo in-situ da lagoa natural, com a supervisão da Engª, Irena Šupiková. No entanto, as análises laboratoriais da água e do solo foram efectuadas pelos técnicos do laboratório. Verificou-se que a lagoa natural é mais eficiente na redução do ferro e manganês, tendo sidas obtidas percentagens de remoção de 100%, contrastando com os 90% e os 33% para o ferro e o manganês respectivamente, na lagoa artificial. Apesar da eficiência do sistema artificial ser menor, é necessário salientar que este foi concebido principalmente, para o tratamento e consequente redução do ferro. Neste contexto, pode-se concluir que o objectivo primordial foi alcançado. No caso dos sulfatos, a optimização da sua remoção é um objectivo ainda por alcançar, não só na República Checa, como também em outros locais onde existe este tipo de contaminação. De facto, no caso da lagoa natural obteve-se uma eficácia de remoção de 45% e na lagoa artificial de apenas 7%. Existe a possibilidade de a água à entrada de ambas as lagoas terem diferente proveniência. A análise dos dados recolhidos mostra, à entrada da lagoa natural, uma concentração de de 4,6 mg/L de ferro total, 14,6 mg/L de manganês e 951 mg/L de sulfatos. No caso da lagoa artifical, as concentrações são de 27,7 mg/L, 8,1 mg/L e 382 mg/L respectivamente para o ferro total, manganês e sulfatos. No decorrer de 2010 a investigação foi alargada, tendo-se iniciado o estudo de amostras de solo, com o objectivo de estudar e avaliar o contributo de bactérias na remoção de metais pesados, encontrando-se numa fase de recolha de dados. Em suma, esta tecnologia revelou-se uma solução bastante interessante, dado que, para além de reduzir substancialmente os contaminantes já referidos, nomeadamente o ferro, alia o baixo custo de implementação a uma manutenção reduzida, podendo ainda ser utilizada para fins recreativos, exemplo da criação de parques lúdicos, para os quais poderá propiciar habitats para plantas e aves.