Heavy-metal pollution and remediation of forest soil around the Harjavalta Cu-Ni smelter, in SW Finland

Abstract

Active sulphide mine tailings impoundments as sources of contaminated drainage: controlling factors, methods of characterisation and geochemical constraints for mitigation

Low quality mine drainage from tailings facilities persists as one of the most significant global environmental concerns related to sulphide mining. Due to the large variation in geological and environmental conditions at mine sites, universal approaches to the management of mine drainage are not always applicable. Instead, site-specific knowledge of the geochemical behaviour of waste materials is required for the design and closure of the facilities. In this thesis, tailings-derived water contamination and factors causing the pollution were investigated in two coeval active sulphide mine sites in Finland: the Hitura Ni mine and the Luikonlahti Cu-Zn-Co-Ni mine and talc processing plant. A hydrogeochemical study was performed to characterise the tailingsderived water pollution at Hitura. Geochemical changes in the Hitura tailings were evaluated with a detailed mineralogical and geochemical investigation (solid-phase speciation, acid mine drainage potential, pore water chemistry) and using a spatial assessment to identify the mechanisms of water contamination. A similar spatial investigation, applying selective extractions, was carried out in the Luikonlahti tailings area for comparative purposes (Hitura low-sulphide tailings vs. Luikonlahti sulphide-rich tailings). At both sites, hydrogeochemistry of tailings seepage waters was further characterised to examine the net results of the processes observed within the impoundments and to identify constraints for water treatment. At Luikonlahti, annual and seasonal variation in effluent quality was evaluated based on a four-year monitoring period. Observations pertinent to future assessment and mine drainage prevention from existing and future tailings facilities were presented based on the results. A combination of hydrogeochemical approaches provided a means to delineate the tailings-derived neutral mine drainage at Hitura. Tailings effluents with elevated Ni, SO₄ ^2- and Fe content had dispersed to the surrounding aquifer through a levelled-out esker and underneath the seepage collection ditches. In future mines, this could be avoided with additional basal liners in tailings impoundments where the permeability of the underlying Quaternary deposits is inadequate, and with sufficiently deep ditches. Based on the studies, extensive sulphide oxidation with subsequent metal release may already initiate during active tailings disposal. The intensity and onset of oxidation depended on e.g. the Fe sulphide content of the tailings, water saturation level, and time of exposure of fresh sulphide grains. Continuous disposal decreased sulphide weathering in the surface of low-sulphide tailings, but oxidation initiated if they were left uncovered after disposal ceased. In the sulphide-rich tailings, delayed burial of the unsaturated tailings had resulted in thick oxidized layers, despite the continuous operation. Sulphide weathering and contaminant release occurred also in the border zones. Based on the results, the prevention of sulphide oxidation should already be considered in the planning of tailings disposal, taking into account the border zones. Moreover, even lowsulphide tailings should be covered without delay after active disposal ceases. The quality of tailings effluents showed wide variation within a single impoundment and between the two different types of tailings facilities assessed. The affecting factors included source materials, the intensity of weathering of tailings and embankment materials along the seepage flow path, inputs from the process waters, the water retention time in tailings, and climatic seasonality. In addition, modifications to the tailings impoundment may markedly change the effluent quality. The wide variation in the tailings effluent quality poses challenges for treatment design. The final decision on water management requires quantification of the spatial and seasonal fluctuation at the site, taking into account changes resulting from the eventual closure of the impoundment. Overall, comprehensive hydrogeochemical mapping was deemed essential in the identification of critical contaminants and their sources at mine sites. Mineralogical analysis, selective extractions, and pore water analysis were a good combination of methods for studying the weathering of tailings and in evaluating metal mobility from the facilities. Selective extractions with visual observations and pH measurements of tailings solids were, nevertheless, adequate in describing the spatial distribution of sulphide oxidation in tailings impoundments. Seepage water chemistry provided additional data on geochemical processes in tailings and was necessary for defining constraints for water treatment.

Mikkelin Pursialan pohjavesialueen haitta-aineet

Mikkelin talousvedestä kahden kolmasosan tullessa Pursialan pohjavesialueelta on alueen suojeleminen tärkeää. Pohjaveden laatua uhkaavat etenkin alueella sattuneet pohjavedenpilaantumistapaukset. Merkittävimmät pohjaveden pilaantumistapaukset ovat VAPO Oy:n sahan aiheuttama pohjaveden pilaantuminen kloorifenoleilla (CP) ja VR:n ratapölkkykyllästämön aiheuttama pohjaveden pilaantuminen kreosoottiöljyllä sekä Rinnekadun Nesteen aiheuttama pohjaveden pilaantuminen MTBE:llä. Alueella on tehty tutkimuksia ja kunnostuksia pilaantumiin liittyen, mutta näiden tuloksia ei ole aikaisemmin koottu yhteen. Tämän työn tavoitteena oli koota tulokset samaan aineistoon. Työssä keskityttiin kloorifenolien leviämisen tarkasteluun sen Pursialan pohjavedenottamolle muodostaman suurimman uhan vuoksi. Kallioperätietojen, maanpintatietojen ja näytetietojen pohjalta laadittiin myös pienoismalli CP-pilaantuman leviämisen kokonaiskuvan hahmottamiseksi. Työn tavoitteena oli lisäksi tehdä riskitarkastelua CP-pilaantumaan liittyen ja etsiä keinoja hallita havaittuja riskejä. Riskinhallintaan liittyen työssä tutkittiin kloorifenoleilla pilaantuneen alueen maaperä- ja kalliotietoja sekä pohjaveden laatutietoja. Pursialan pohjavedessä on runsaasti rautaa ja mangaania sekä aggressiivista hiilihappoa. Pohjaveden pH on alueella noin 6,5, lämpötila noin 7,5 ºC ja happipitoisuus noin 0,7 mg/l. Pursialan kaupunginalueen kallioperässä on havaittavissa VAPO Oy:n sahalta vedenottamolle etenevä kalliopainanne, jota pitkin CP etenee. Alueen kallioperä on kiillegneissiä, jossa on pohjois–etelä-suuntaista rakoilua. Maaperätuloksien perusteella on havaittavissa vettä hyvin johtavien maakerrosten jatkuminen koko vedenottamon ja sahan välisen matkan, mikä tarkoittaa, että CP-pitoisella pohjavedellä voi olla aiemmin oletettua nopeampikin yhteys sahalta vedenottamolle. Suurin CP-pitoisuus noin 100 000 µg/l on mitattu KY-5-altaan kohdalle asennetun M14-pohjavesiputken pohjasta. Talousvesiasetuksen raja-arvo CP:lle on 10 µg/l. Sahan ja vedenottamon puolivälissä on havaittu yli 10 000 µg/l meneviä CP-pitoisuuksia. Suurin vedenottamon kaivoista (kaivo 10) mitattu pitoisuus on 149 µg/l. Jakotukilta raakavedestä otetuissa näytteissä tai talousvedessä ei ole kuitenkaan havaittu talousvesiasetuksen ylittäviä CP-pitoisuuksia. Pienoismallin perusteella CP sijaitsee sahan alueella lähellä kallionpintaa ja hajaantuu koko pohjavesipatjaan vedenottamolle päin mentäessä. CP-mittaustuloksissa on havaittavissa pulssimaisuutta. Tämä johtuu todennäköisesti Saimaan pinnan vaihtelun seurauksena muuttuvasta rantaimeytyneen pohjaveden määrästä. Saimaan pinnan nousu näyttäisi tuloksien perusteella nostavan CP-pitoisuuksia saha-alueella ja laskevan lähellä vedenottamoa. Pohjaveden pintatietojen perusteella tehdyn tarkastelun mukaan pohjavesi voi kulkeutua sahalta vedenottamolle parhaimmillaan noin vuodessa. Työssä arvioitiin KY-5–liuoksen vuosittaiseksi käyttömääräksi noin 648–970 m3. Allassakkaa arvioitiin syntyneen yhteensä noin 10–31 m3. Pohjaveteen arvioitiin joutuneen toiminnan aikana yhteensä noin 3 000–4 000 kg CP:tä. Kloorifenolit esiintyvät pohjavedessä lähes täysin kloorifenolaatteina. Kloorifenolien hajoaminen ja muuntuminen pohjavedessä on epätodennäköistä. Käsitteellisen mallin mukaan kloorifenolipilaantuman suurimmat riskit aiheutuvat kloorifenolien mahdollisuudesta pilata Pursialan vedenottamon talousvesi. Tällä hetkellä riskejä hallitaan kloorifenolien leviämisen tarkkailulla, sahan ja vedenottamon puolivälissä sijaitsevalla koepumppauksella sekä varautumalla aktiivihiilijauheen syöttöön talousvesiprosessiin. Koepumppauksen avulla on saatu ylös tällä hetkellä noin 69 kg kloorifenoleita. Tutkimuksen perusteella suositeltavimmat riskinhallintatoimet tulevaisuudessa ovat sahalla sijaitseva kunnostuspumppaus, sahan ja vedenottamon väliin sijoittuva suojapumppaus- ja vesiverhoyhdistelmä sekä sahan rannan kautta tapahtuvan rantaimeytymisen estäminen.