Typenpoisto kaivosvesistä rehevöitymisen ehkäisemisessä

11/11/2019

Typenpoisto kaivosvesistä rehevöitymisen ehkäisemisessä

Pohjoisten alueiden vesiekosysteemeissä on vähän ravinteita ja pienikin ravinnepitoisuuden nousu voi vaikuttaa vesistöjen tilaan rehevöittäen niitä. Suomessa kaivosten ympäristöluvat eivät ole edellyttäneet typenpoistoa, mutta tilanne on muuttumassa. Sen vuoksi asiaan ollaan herätty ja kaivosvesien typenpoistosta on tehty tutkimuksia ja kehitystyötä viime vuosien aikana.

Suomessa kaivosten aiheuttama typpikuormitus on lisääntynyt kaivostoiminnan lisääntymisen seurauksena viimeisen vuosikymmenen aikana. Typpiyhdisteet nitraatti (NO3-), nitriitti (NO2-) ja ammonium (NH4+) päätyvät louhosten kuivatusvesiin ja sivukivialueiden suotovesiin etupäässä räjähteistä. Lisäksi typpeä voi tulla kaivosten vesiin kemikaaleista, esimerkiksi kullan liuotusprosessissa käytettävästä syanidista tai pH:n säädössä käytettävästä typpihaposta.

Vesien typpikuormitusta voidaan ennaltaehkäistä hyvällä vesienhallinnalla ja räjäytyssuunnittelulla. Aina tämä ei kuitenkaan riitä ehkäisemään typpipitoisuuden lisääntymistä kaivosvesissä. Lisäksi nykyisillä kaivosten aktiivisilla vesienkäsittelymenetelmillä, kuten metallien erotuksessa käytettävällä kalkkisaostuksella, ei voida vaikuttaa typen poistoon.

Typen poisto voidaan tehdä biologisella nitrifikaatio-denitrifikaatioprosessilla. Nitrifikaatiovaiheessa ammonium ja nitriitti hapettuvat nitraatiksi hapellisissa olosuhteissa. Jotta nitraatti saadaan poistettua vedestä, tarvitaan lisäksi hapeton eli anaerobinen vaihe, jossa mikrobit hajottavat nitraatin ja muodostavat typpikaasua. Tässä prosessivaiheessa tarvitaan hiiltä ja sen vuoksi veteen lisätään esimerkiksi metanolia hiilen lähteeksi. Biologinen typen poisto perustuu nitrifikaatio-denitrifikaatioprosessiin niin passiivisissa kuin aktiivisissa käsittelymenetelmissä.

Perinteisesti kaivosten typpikuormitusta on vähennetty passiivisilla menetelmillä, joissa typpi poistuu pitkän viipymän aikana mm. pintavalutuskentillä ja rikastushiekka-altailla. Niissä typenpoistotehokkuus on havaittu olevan noin 50 prosentin luokkaa. Typenpoistoteho kuitenkin hiipuu talvella biologisen toiminnan hidastumisen takia.

Aktiivisissa menetelmissä typenpoisto tapahtuu hallituissa olosuhteissa, jolloin siitä voidaan tehdä tehokkaampaa passiiviseen typenpoistoon verrattuna. Aktiivisissa menetelmissä mikrobit voivat kasvaa vapaana lietteessä, tai niitä voidaan kasvattaa pienten muovikappaleiden suojassa, kuten kantoaineprosessissa (MBBR, moving bed biofilm reactor) tehdään.

Suomessa aktiivista typenpoistoa ei ole vielä käytetty kaivosvesien käsittelyssä. Menetelmä on kuitenkin jo laajasti käytössä kunnallisten jätevesien käsittelyssä. Verrattuna kunnallisten jätevesien käsittelyyn, kaivosvesien typenpoiston haasteena on suuret ja kylmät vesimäärät, joissa typpeä on suhteellisen matalana pitoisuutena.

Nitrifikaation ja denitrifiaation on havaittu onnistuvan kylmissä, jopa +4 °C vedessä, mutta kylmissä vesissä prosessi hidastuu selkeästi. Typenpoisto on tehokasta kun veden lämpötila on yli +10 °C. Suomessa pohjoisen kaivoksilla olosuhteet ovat tällaiset vain muutaman kuukauden vuodesta. Lisäksi mikrobien toiminta on herkkää ja se voi häiriintyä mm. korkeiden metalli-, kloridi- tai syanidipitoisuuksien vaikutuksesta.

Typen poisto kaivosvesistä ei ole ajankohtaista vain Suomessa. Esimerkiksi Kanadassa, missä olosuhteet ovat myös kylmät, aktiivinen typenpoisto on jo käytössä muutamilla kaivoksilla. Menetelmänä on käytetty MBBR-prosessia. Kylmissä olosuhteissa käsittelyä on tehostettu veden lämmityksellä. Suurten vesimäärien lämmitys kuitenkin nostaa prosessin käyttökustannuksia. Lähin aktiivinen typenpoistolaitos on käytössä Ruotsissa, missä myös käytetään MBBR-tekniikkaa. Siellä prosessista on saatu lupaavia tuloksia: esimerkiksi kokonaistypenpoistotehokkuus on ollut korkea, 95-98 %.

Biologisen typen poiston tiedetään siis onnistuvan myös kylmistä vesistä, mutta käsittelyn kustannukset voivat olla huomattavat. Kylmien vesien vuoksi biologisessa prosessissa tarvitaan pitkä viipymäaika, mikä tarkoittaa suuria käsittelyaltaita ja merkittäviä investointikustannuksia. Myös käyttökustannukset voivat olla tuntuvat johtuen mm. hiilen lisäyksestä ja varsinkin jos vettä joudutaan lämmittämään.

Vaikka typen poisto kylmistä kaivosvesistä on haastavaa ja kallista, tilanne ei ole toivoton. Käsittelymenetelmät kehittyvät jatkuvasti kun aiheesta saadaan lisää kokemusta. On myös hyvä muistaa, että typenpoistovaatimus voi olla tulevaisuudessa uusi normaali, sillä lupaehdot eivät tule ainakaan heikentymään. Sen vuoksi typenpoisto voi tulla ajankohtaiseksi kaivoksilla, joissa kaivosalueelta purettavassa vedessä typpipitoisuudet ovat koholla.