Восстановительный потенциал горнодобывающей, агропромышленной промышленности

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 12120 (2023) Цитировать эту статью

398 Доступов

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Кислотный дренаж шахт (AMD) имеет серьезные последствия для здоровья человека и экосистем. Новые стратегии его обработки предполагают использование отходов. В этом документе оценивается потенциал восстановления отходов городской, горнодобывающей и агропромышленной деятельности для устранения кислотности и высоких концентраций потенциально токсичных элементов (ПТЭ) в AMD. В образцы этих отходов добавляли искусственно приготовленный AMD, затем измеряли pH, электропроводность (EC) и концентрации ПТЭ в фильтратах. Искусственный АМД, полученный путем окисления хвостов Азналькольлара, обладал ультракислотным характером (рН - 2,89 ± 0,03) и чрезвычайно высокой электропроводностью (ЭК - 3,76 ± 0,14 дСм м-1). Более того, большинство ПТЭ в природных и ирригационных водах превышали максимально допустимые уровни. Исследованные отходы обладали очень высокой кислотонейтрализующей способностью, а также сильной способностью иммобилизовать ПТЭ. Неорганические отходы вместе с вермикомпостом после обрезки снизили концентрацию большинства ПТЭ более чем на 95%, тогда как органические отходы сохранили от 50 до 95%. Таким образом, широкий спектр городских, горнодобывающих и агропромышленных отходов имеет высокий потенциал для использования в лечении ВМД. Это исследование вносит ценный вклад в разработку новых экотехнологий, основанных на сочетании отходов (например, технозолей, проницаемых реактивных барьеров) для восстановления деградировавшей окружающей среды.

Горнодобывающая промышленность является важной отраслью во всем мире из-за ее экономической и социальной значимости, поскольку она поставляет большое количество важных ресурсов. В последние десятилетия количество действующих рудников значительно возросло из-за потребности в стратегических элементах (например, критических металлах, редкоземельных элементах, элементах платиновой группы, критических для технологии элементах), что вызывает проблемы со здоровьем и окружающей средой1,2,3. Сульфиды являются основным поставщиком широкого спектра металлов (лоидов), которые можно рассматривать как потенциально токсичные элементы (ПТЭ), и их добыча является одним из наиболее важных видов горнодобывающей деятельности в мире4. Воздействие этих сульфидов (в основном пиритовой руды [FeS2]) или их отходов на окислительные условия и атмосферные осадки приводит к образованию кислых шахтных дренажей (AMD), что обычно связано с серьезными экологическими проблемами во всем мире5; особенно в заброшенных или действующих шахтах без юридических концессий (т.е. в зонах добычи без экологического управления дренажем и отходами). Кислотный дренаж шахт является проблематичным из-за его масштабов, как в пространстве, так и во времени, поскольку он может влиять как на районы добычи, так и на их окрестности на большие километры в течение десятилетий или столетий6. Кроме того, ВМД имеет серьезные последствия для здоровья человека (например, повреждение нервной системы, рак, умственная отсталость у детей) и экосистем (например, загрязнение грунтовых вод, фитотоксичность и подавление фотосинтеза, смертность рыб)7,8,9,10. Хороший пример этой проблемы можно найти в Пиренейском пиритовом поясе (юго-восток Португалии и юго-запад Испании), одном из крупнейших запасов массивных сульфидов в мире, где крупномасштабная добыча полезных ископаемых началась в девятнадцатом веке, а самые ранние работы - в 3-е тысячелетие до н.э.11. В этом регионе AMD представляет собой наследие заброшенных шахт и связанных с ними хвостохранилищ, в том числе огромных отвалов пустой породы, содержащих сульфиды, хвостов и затопленных карьеров, а также отходов, образующихся на действующих шахтах12,13. Таким образом, этот регион представляет собой потенциальный источник загрязнения AMD (рис. S1) и является типичным для других сульфидных рудников, расположенных по всему миру. Сбросы неочищенных AMD оказывают негативное воздействие на окружающую среду. В водных экосистемах он отвечает за попадание ПТЭ в эти среды, изменение химического состава воды и циклов питательных веществ, уменьшение количества кислорода, доступного для организмов, а также осаждение металлов (гидроксидов Fe и Al) и других. . В целом это влияет на качество воды, вызывая прямую токсичность для организмов и делая ее непригодной для бытового, сельскохозяйственного и промышленного использования9,14,15. В наземных экосистемах неочищенные выбросы AMD могут привести к загрязнению почвы и, следовательно, ускорить утрату биоразнообразия и деградацию почвы9. Более того, ВМД, образующиеся как на действующих, так и на заброшенных горнодобывающих территориях, могут оказывать ряд последствий для здоровья окружающей среды и живых организмов (включая человека), загрязняя поверхностные и грунтовые воды и сельскохозяйственные почвы8.

90%) and very high EC (> 1 dS m−1). Gypsum spoil (GS) had moderate to low values in total iron (~ 1%), moderately high CaCO3 content (~ 23%) and very high EC (> 2.9 dS m−1). The only inorganic waste that showed an assimilable phosphorus content (PA ~ 470 mg kg-1) above detection limits was CW./p> 7 dS m-1) for the rest; and CaCO3 was also detected in all cases, ranging from 7.7% in BM to 24.9% in VC. Basal respiration (BR) presented a wide range of values without significant differences between inorganic and organic wastes, with maximum of 124 µg CO2 day−1 kg−1 in CW and minimum of 14 in WS µg CO2 day−1 kg−1./p> Hg2+ > Cd2+ > Fe2+ > Pb2+ > Ni2+ > Co2+ > Mn2+ > Zn2+ > As5+ > As3+53,54. Thus, organic matter together with total humic extract and humic and fulvic acids provide an important content of reactive colloidal fractions that allow the complexation of the different chemical forms of PTE55,56. Carbonates also exert a strong control over pH, which is considered a key property in controlling the immobilisation of most PTE because of its influence on the electrical charge of colloidal components57. In addition, it is a key component to neutralise acid solutions40. Likewise, iron oxyhydroxides content is another constituent to consider for the retention of some PTE, especially As, for which they exert a strong control on speciation and bioavailability58,59. In fact, the results of AMD treatment test indicate that many of the wastes tested show considerable acid neutralisation and PTE immobilisation capacity./p> CW ≥ MS ≥ VC > GS > OW > OL > WS > GW > BM; where wastes rich in iron oxyhydroxides and carbonates are more effective in the retention of PTE than wastes rich in organic matter. The removal rates for wastes dominated by carbonates (CW and MS) or iron oxyhydroxides (IO) are above 95% for most PTE present in AMD, while for organic wastes the removal rate was below 95% in most cases, with values as low as 15% in the case of bio-stabilised material of municipal solid wastes (BM). In other studies, for similar wastes the removal rates achieved were similar or even lower. For example, water filters partly made of iron-rich materials achieved removal rates of 50% for As66. However, other studies that also explore As retention capacity of water filters with iron oxide-rich materials reached rates of 90%67 and 99%68. The latter study concerned not only filters made from iron-rich waste, but also marble slurry filters for which As removal rate is 95%68. Furthermore, the success of these materials is not limited to As; for example, along with near 100% As retention in groundwater affected by an abandoned gold mine when treated with various mixtures composed of organic carbon, zero-valent iron and limestone, a strong decrease in the concentration of Al, Cd, Co, Cu and Ni has been demonstrated69; although the concentrations of these elements in the groundwaters are much lower than in our study. On the other hand, although less studied, the capacity of some organic wastes has also been assessed; for example, it has been reported a 70% reduction of some PTE (Al, As, Cd, Cu, Fe, Ni, Mn, Pb, and Zn) present in sulfide mine leachates by the addition of aqueous organic wastes from domestic wastewater16. Agricultural wastes have also been used to remove pollutants; for example, solid-olive mill by-products have a great capacity to remove Cr, Mn, Cu, Zn, Ni, and Pb from mining wastewater70. Similarly, there is an extensive list of agricultural waste (agave, bananas, wheat, rice, citrus fruits) that have been used for the immobilisation of different PTE (Cd, Pb, Zn) with uncertain results71. Particularly noteworthy is the case of vermicompost (VC), which shows retention rates of PTE close to those of carbonated and iron-rich wastes. This may be due to the higher content of calcium carbonate and total iron compared to other organic wastes, and, to a lesser extent, its considerable high OC content. In this sense, vermicompost can be a very effective material for the treatment of AMD. A similar study for the treatment of AMD72 using vermicompost and other agricultural by-products (sheep, cow, and rabbit manure) reported retention rates of 90% for As, Cd, Cu, and Zn in AMD. Similarly, gypsum spoil (GS) also has a high retention capacity for PTE similar to that of the other inorganic wastes, although for some, such as Ni and Co, was very low. The high retention capacity of GS is related to high CaCO3 and FeT contents./p> CW ≥ MS ≥ VC > GS > OW > OL > WS > GW > BM. Thus, a wide range of mining, urban, and agro-industrial wastes could be recovered for use in the treatment of AMD. The use of these wastes as AMD treatment technique showed promising results to be applied in the decontamination of polluted waters and as a control technique on tailing deposits to prevent the AMD generation. This study is the first step in the development of green technologies based on the different combinations of wastes with contrasting characteristics, to create solution (e.g.: Technosols, permeable reactive barriers, etc.) with a higher capacity to retain a greater variety of PTE and reduce acidity in polluted environments. The use of waste to remediate AMD will decrease the cost of the water treatment. This is especially relevant for the rehabilitation of areas with historical or abandoned mines, where the decrease in cost by replacing commonly used and expensive reagents for worthless waste will increase the affordability of water treatments. Nevertheless, additional site-specific studies should be conducted to include the cost of waste transport, as well as to evaluate the in-situ effectiveness of waste combinations under real field conditions./p>