Development of a novel sizing approach for passive mine water treatment systems based on iron removal kinetics

Titelangaben

Opitz, Joscha:
Development of a novel sizing approach for passive mine water treatment systems based on iron removal kinetics.
Bayreuth , 2024 . - VII, 137 S.
( Dissertation, 2024 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

The contamination of ground- and surface water by mining activities is one of the greatest and most costly environmental problems worldwide. Most notably, oxidation of ubiquitous sulphide minerals such as pyrite results in the release of iron, acidity, and sulphate as well as associated metal(loid)s in harmful concentrations (“acid mine drainage”). Subsequent progressive dilution and neutralisation of acidic mine water leads to precipitation of hydrous ferric oxides (“ochre” or “yellow boy”) and thus to extensive pollution of water resources and degradation of aquatic ecosystems. The overall objective of the research project at hand was to introduce, advance, and optimise a sustainable and environmentally friendly (passive-biological) technology for treatment of ferruginous, circumneutral mine water. The advantage of passive compared to conventional treatment is the complete elimination of energy and chemicals input to minimise the environmental footprint. The primary focus of the project was on the natural, i.e. physical and biogeochemical immobilisation of iron as primary, omnipresent contaminant in mine water. A three-stage pilot plant was implemented at a former open pit in the historic lignite district of Upper Palatinate in southeast Germany for treatment of the ferruginous, yet circumneutral seepage water. Progressing iron removal throughout the innovative pilot plant is achieved in increasingly efficient passive treatment stages with settling ponds for pre-treatment, surface-flow wetlands for polishing, and sediment filters for purification. The consecutive treatment stages were built as identical, parallel triplicates such that hydraulic variation in the three lines generated a comprehensive, previously missing database for evaluation of iron removal performance and kinetics. The overall objective of the field study was to demonstrate operational reliability of the pilot system, and to determine and parameterise the mechanisms governing passive iron removal. Additional laboratory column studies were conducted to quantify sedimentation kinetics of particulate hydrous ferric oxides in ferruginous mine water. Results of the systematic laboratory experiments showed that settling of hydrous ferric oxides is governed by two interrelated regimes, a rapid second-order aggregation-driven step (r1) at high iron levels followed by a slower first-order settling step (r2) at lower iron levels. A mixed first-/second-order model was found to adequately describe the process d[Fe]/dt = kr2[Fe] + kr1[Fe]² with coefficients kr1 and kr2 determined as 9.4×10-3 m³/g/h and 5.4×10-3 h-1. Moreover, in-depth evaluation demonstrated that the removal of particulate hydrous ferric oxides at moderate iron levels (< 10 mg/L) may be reasonably well approximated by a simplified first-order model -d[Fe]/dt = ksed[Fe] with ksed = 2.4(±0.4)×10-2 h-1, which agrees well with initial literature estimates. The multistage pilot plant achieved excellent iron removal rates in the order of 98% with effluent concentrations averaging 0.21(±0.07) mg/L, thus reliably meeting the strict site-specific effluent limit of 1 mg/L. Both treatment performance and operational reliability of the pilot system were comparable to the conventional plant currently operated on site and even surpassed the latter in terms of ammonia and manganese removal, thereby demonstrating that passive treatment is a suitable, more sustainable alternative for long-term seepage water treatment at the project site. By systematically varying flow rates (and thus residence time), it was demonstrated that sedimentation-driven removal of hydrous ferric oxides in the pilot-scale settling ponds may indeed be approximated by a simplified first-order approach for the low to moderate iron levels observed in the seepage water. The coefficient ksed for the pilot-scale settling ponds was found in the order of 2.1(±0.7)×10-2 h-1, which corresponds well with the previous laboratory studies. The sedimentation kinetics may be readily combined with preceding ferrous iron oxidation kinetics to estimate the required residence time for pre-treatment of ferruginous mine water in settling ponds. In contrast, iron removal in surface-flow wetlands is more complex due to the phytologic component. Therefore, the established liner, area-adjusted iron removal approach was advanced by parameterising the underlying concentration-dependency for reliable polishing of finely-dispersed, colloidal iron from pre-treated mine water A = Q × ([Fe]in - [Fe]out) / m / [Fe]in^n with coefficients m and n empirically determined as 0.2 and 1.4, respectively. Altogether, the qualitative understanding of the natural mechanisms governing iron transport, transformation, and removal throughout passive systems together with respective kinetics go far beyond the established state of science. Thus, insights and results from the pilot field study and associated laboratory experiments provide a novel technical and scientific basis for the customised sizing of both settling ponds and wetlands, demonstrating that strategically combing increasingly efficient passive treatment stages broadly following the Pareto principle may allow for optimisation of treatment performance and operational reliability whilst providing an opportunity to minimise land consumption, maintenance requirements, and overall costs. The advantages of passive eco-technologies for resource conservation are evident, especially for moderate pollutant and volume flows in the long-term aftercare of abandoned mining legacies. In this respect, the advancement and optimisation of a sustainable technology in this research project has the potential to make a substantial contribution to overcoming the environmental and socio-economic consequences of active, post-closure, and historic mining in Germany.

Abstract in weiterer Sprache

Die Belastung von Grund- und Oberflächenwasser durch bergbauliche Aktivitäten ist eines der größten und kostspieligsten Umweltprobleme weltweit. Insbesondere die Oxidation ubiquitärer, sulfidischer Minerale wie Pyrit führt zur Freisetzung von Eisen, Säure und Sulfat sowie assoziierten Metall(oid)en in schädlichen Konzentrationen (sog. „Acid Mine Drainage“). Die konsekutive Verdünnung und Neutralisation von Grubenwasser in Gewässersystemen führt zur Ausfällung von Eisenhydroxiden (sog. „Verockerung“) und damit zu einer stark verminderten Nutzbarkeit von Wasserressourcen sowie einer teils vollständigen Zerstörung aquatischer Ökosysteme. Übergreifendes Ziel des vorliegenden Projektes war die Einführung, Weiterentwicklung und Optimierung eines nachhaltigen und umweltfreundlichen (passiv-biologischen) Verfahrens für die Aufbereitung eisenhaltigen, pH-neutralen Grubenwassers. Entscheidender Vorteil solcher passiven Systeme im Vergleich zur konventionellen Wasseraufbereitung ist der Verzicht auf den Einsatz von Energie, Chemikalien und weiteren Betriebsmitteln, womit der ökologische Fußabdruck deutlich verringert wird. Der primäre Fokus der vorliegenden Studie zur passiven Grubenwasseraufbereitung liegt auf der natürlichen physikalischen und biogeochemischen Immobilisierung des im Bergbau nahezu omnipräsenten Eisens. An einem ehem. Tagebauabschnitt im Oberpfälzer Braunkohlerevier bei Wackersdorf (Bayern) wurde eine dreistufige, passive Pilotanlage zur Entfernung von Eisen aus dem am Tiefpunkt der ehem. Grube anfallenden Sickerwasser implementiert. Der Rückhalt von Eisen erfolgte in der Pilotanlage in zunehmend effizienten Anlagenstufen mit Absetzbecken zur Vorreinigung, Wetlands zur Feinreinigung und Sedimentfiltern zur Nachreinigung. Das innovative Konzept der Pilotanlage sah neben dem mehrstufigen Aufbau auch drei nahezu identische, parallele Züge vor, sodass durch gezielte Variation des Volumenstroms umfangreiche und bislang fehlende Vergleichsdatensätze zur Untersuchung der Reinigungsleistung und dem Rückhalt von Eisen zugrundeliegenden Mechanismen sowie zur Quantifizierung von deren Kinetik gewonnen wurden. Ergänzend wurden im Labor Säulenversuche durchgeführt, um die Sedimentation partikulärer Eisenhydroxide in eisenreichem, neutralem Grubenwasser zu quantifizieren. Die Ergebnisse der systematischen Laborversuche zeigen, dass die Sedimentation von Eisenhydroxiden durch zwei verknüpfte Regime – einem schnellen, koagulationsbasierten Schritt zweiter Ordnung (r1) bei hohen Eisengehalten und einem langsameren, absetzbasierten Schritt erster Ordnung (r2) bei niedrigen Eisengehalten – bestimmt wird. Zur Beschreibung der Prozesskinetik wurde ein zusammengesetztes Modell erster-/zweiter Ordnung abgeleitet -d[Fe]/dt = kr2[Fe] + kr1[Fe]² und die Koeffizienten kr1 and kr2 mit 9,4×10-3 m³/g/h und 5,4×10-3 h-1 ermittelt. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Entfernung partikulärer Eisenhydroxide bei niedrigem bis moderatem Eisenniveau (< 10 mg/L) hinreichend genau mit einem vereinfachten Ansatz erster Ordnung -d[Fe]/dt = ksed[Fe] abgeschätzt werden kann. Der Koeffizient erster Ordnung ksed wurde mit 2,4(±0,4)×10-2 h-1 ermittelt, was gut mit ersten Abschätzungen aus der Literatur übereinstimmt. Die Ergebnisse der Pilotstudie zeigen eine hervorragende Reinigungsleistung des mehrstufigen passiven Systems in der Größenordnung von 98% mit Eisenkonzentrationen im Ablauf der Pilotanlage von im Mittel 0,21(±0,07) mg/L. Der außerordentlich strenge Grenzwert für Eisen am Projektstandort von 1 mg/L konnte durch die strategische Kombination zunehmend effizienter Komponenten über die gesamte Projektlaufzeit durchgehend eingehalten und somit der Nachweis für Eignung und Betriebssicherheit erbracht werden. Insofern ist die Pilotanlage mit der am Projektstandort betriebenen, konventionellen Anlage vergleichbar. Für sekundäre bergbautypische Schadstoffe wie Mangan und Ammonium konnte die Reinigungsleistung der konventionellen Anlage sogar deutlich übertroffen werden. Durch die systematische Variation des Volumenstroms (und damit der hydraulischen Retentionszeit) konnte gezeigt werden, dass der sedimentationsbasierte Rückhalt partikulärer Eisenhydroxide in den Absetzbecken tatsächlich durch einen vereinfachten Ansatz erster Ordnung abgeschätzt werden kann. Der Koeffizient ksed wurde für die Absetzbecken in der Größenordnung von 2,1(±0,7)×10-2 h-1 er-mittelt, was gut mit den o.a. Laborergebnissen übereinstimmt. Die Kinetik der Sedimentation kann insofern direkt mit der Kinetik der vorausgehenden Eisen(II)-Oxidation kombiniert werden, um die integrierte Verweilzeit zur Vorreinigung in Absetzbecken abzuschätzen. Demgegenüber wurde der Rückhalt von kolloidalem Eisen in den dicht bepflanzten Wetlands aufgrund der phytologischen Komponente als deutlich komplexer festgestellt. Infolgedessen wurde eine Weiterentwicklung des etablierten, flächenbasierten Ansatzes zur Feinreinigung in Wetlands vorgenommen, indem die zugrundeliegende Konzentrationsabhängigkeit der Filtration parametrisiert A = Q × ([Fe]in - [Fe]out) / m / [Fe]in^n und die Koeffizienten m und n mit 0,2 und 1,4 ermittelt wurden. Zusammenfassend wurde im Zusammenspiel von Pilotstudie und Laborversuchen ein anwendungsorientiertes Verständnis der natürlichen Mechanismen der Eisenentfernung und deren Kinetik entwickelt, und damit der Grundstein für die wissenschaftlich fundierte Konzipierung und Bemessung passiver Systeme gelegt. Die kinetischen Grundlagen erlauben eine in der Ingenieurökologie typische, näherungsweise Abschätzung der zur Grobreinigung in Absetzbecken und Feinreinigung in Wetlands erforderlichen Retentionszeit bzw. Anlagengröße und damit die maßgeschneiderte Bemessung mehrstufiger passiver Systeme. Besonderes Augenmerk lag hier auf strengen Grenzwertniveaus, da durch gezielte Kombination zunehmend effizienter Anlagenstufen in Anlehnung an das Pareto-Prinzip die Konzipierung passiver Systeme hinsichtlich der Reinigungsleistung und Betriebssicherheit optimiert werden kann. Dabei gehen die vorliegend abgeleiteten, qualitativen und quantitativen Erkenntnisse deutlich über den etablierten Stand der Wissenschaft und Technik hinaus. Die Vorteile ingenieurökologischer, passiver Technologien liegen v.a. für moderate Schadstoff- und Volumenströme bei der langfristigen Nachsorge bergbaulicher „Ewigkeitslasten“ für Klima- und Ressourcenschutz sowie zur Minimierung von Flächenverbrauch und Kosten auf der Hand. Nachhaltige Technologien gewinnen mit Blick auf die Umsetzung der EU-WRRL für die langfristige Wasser- bzw. Gewässerbewirtschaftung massiv an Bedeutung. Somit konnte vorliegend durch Einführung und Weiterentwicklung einer nachhaltigen Technologie ein substanzieller Beitrag zu deren Etablierung sowie zur Bewältigung der umwelttechnischen und sozioökonomischen Folgen des aktiven und nachsorgenden Bergbaus geleistet werden.