University of Oulu

Challenges in using natural peatlands for treatment of mining-influenced water in a cold climate : considerations for arsenic, antimony, nickel, nitrogen, and sulfate removal

Saved in:
Author: Khan, Uzair Akbar1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology, Environmental Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 3.6 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526227931
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2020
Publish Date: 2020-11-24
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented, with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu, for public defence in the Oulun Puhelin auditorium (L5), Linnanmaa, on 3 December 2020, at 12 noon
Tutor: Docent Anna-Kaisa Ronkanen
Doctor Katharina Kujala
Reviewer: Professor Jan Vymazal
Doctor Aleksandra Drizo
Opponent: Doctor Adam Jarvis
Description:

Abstract

Natural peatlands are commonly used in Finland as treatment wetlands to provide final treatment to mining-influenced water. Their use is convenient as they are cost-effective, abundant in Finland, and often located close to mining sites. This thesis explored contaminant removal processes in treatment peatlands, and factors that affect these processes, through laboratory experiments, analysis of monitoring data, pilot wetlands, and reactive transport modeling. The results showed that, under the right conditions, treatment peatlands can provide efficient year-round removal of arsenic (As), antimony (Sb), nickel (Ni), and nitrogen (N), even in a cold climate. Sulfate (SO42-) removal in the studied peatlands was negligible, due to high SO42- concentrations in inflow mining-influenced water and unfavorable conditions for SO42- removal. Low hydraulic loading was found to be the most important parameter for efficient contaminant removal. Inflow water composition affected removal efficiency and mobilization of contaminants. Temperature had no major systematic effect in batch experiments, but studies on full-scale peatlands indicated slightly better removal of Sb in summer than in winter. Removal of As and Sb was higher at pH 6, while leaching was higher at pH 9. The opposite was true for Ni. Mean residence times were shorter in frozen conditions, indicating loss of available peatland volume during winter. The freezing-thawing pilot wetlands also provided evidence of presence of preferential flow paths. Long-term use of treatment peatlands led to contaminant accumulation, confirming high removal efficiency. However, the accumulated contaminants were mobilized when inflow water concentrations decreased drastically. Pilot wetlands and reactive transport modeling proved useful in understanding treatment peatland processes. Pilot wetlands adequately replicated various peatland processes during the simulated freeze-thaw cycles. Unfrozen conditions were better simulated than frozen conditions by the HYDRUS wetland module, indicating a need for more accurate model parameters. Therefore, use of treatment peatlands is challenged by varying environmental conditions and mine water composition, making it difficult to control removal/retention processes. To address these challenges, there is a need for innovative approaches of peatland use where the benefits to receiving water bodies exceed the risks associated with their long-term use.

see all

Tiivistelmä

Kosteikkoja on käytetty Suomessa puhdistamaan kaivosvesiä, sillä suoluontoa on ollut tarjolla kaivosten lähettyvillä. Tämä väitöskirja käsittelee haitta-aineiden puhdistusprosesseja turvepohjaisilla kosteikkopuhdistamoilla perustuen laboratoriossa toteutettuihin kokeisiin, vesi- ja turvenäytteistä kerättyyn aineistoon ja testikosteikon vedenvirtauksen ja puhdistusprosessien mallintamiseen. Tulokset osoittivat, että oikeanlaisissa olosuhteissa kosteikot puhdistavat arseenia, antimonia, nikkeliä ja typpeä ympärivuoden, mutta sulfaatin puhdistuminen oli olematonta. Tähän pääsyynä oli suuri sulfaattikuorma, mutta myös epäsuotuisat olosuhteet pidättymiselle. Riittävän matala hydraulinen kuormitus oli tärkein mitoitusparametri tehokkaaseen haitta-aineiden puhdistumiseen. Myös tulovedessä olevat aineet ja niiden pitoisuudet vaikuttivat poistumiseen kuten myös uudelleen liikkeelle lähtemiseen. Lämpötila vaikutti haitta-aineiden pidättymiseen laboratoriossa toteutetussa ravistelukokeessa, mutta kosteikkojen aineiston perusteella ainoastaan antimonin puhdistumisprosessit olivat tehokkaampia kesällä kuin talvella. Arseenin ja antimonin pidättyminen oli parasta veden pH:n olleessa noin 6, kun taas selkeätä huuhtoutumista havaittiin pH:ssa 9. Nikkelille tilanne oli päinvastainen. Veden viipymä oli talven roudan vuoksi lyhyempi viitaten pienempään saatavilla olevaan turvetilavuuteen. Pilot-kosteikoilla toteutetut jäätymissulamiskokeet tukivat tätä ja osoittivat, että roudan aikana on selkeitä nopeita virtausreittejä. Kosteikkopuhdistamojen pitkäaikainen käyttö näkyi haitta-aineiden kerääntymisessä turpeeseen, joka tuki vedenlaatuaineiston perusteella laskettua tehokasta ainepoistumaa kohteilla. Tulokset osoittivat, että aineet huuhtoutuvat, kun niiden pitoisuus tulovedessä laskee. Testikosteikot ja mallintaminen todettiin hyödylliseksi menetelmäksi lisätä ymmärrystä puhdistusprosesseista. Ne toistivat turvemaiden sulamisjäätymisprosesseja, mutta puhdistusprosessien HYDRUS-mallinnus oli tarkempaa roudattomalle kaudelle. Lisää tutkimusta tarvitaan mallin parametrisoimiseksi routakaudelle. Tulosten perusteella puhdistusprosessien hallinta kaivosvesien yhteydessä, kun olosuhteet sekä tuloveden laatu vaihtelevat, on haasteellista. Tulisi löytää ratkaisuja vastaanottavan vesistön pilaantumisriskin huomioimiselle tilanteissa, joissa kosteikoille on pitkään johdettu kaivosvesiä.

see all

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

  1. Khan, U. A., Kujala, K., Nieminen, S. P., Räisänen, M. L., & Ronkanen, A.-K. (2019). Arsenic, antimony, and nickel leaching from northern peatlands treating mining influenced water in cold climate. Science of The Total Environment, 657, 1161–1172. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.11.455

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  2. Khan, U. A., Kujala, K., Planer-Friedrich, B., Räisänen, M. L., & Ronkanen, A.-K. (2020). Long-term data reveals the importance of hydraulic load and inflow water quality for Sb removal in boreal treatment peatlands. Ecological Engineering, 148, 105785. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2020.105785

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  3. Heiderscheidt, E., Khan, U. A., Kujala, K., Ronkanen, A.-K., & Postila, H. (2020). Design, construction and monitoring of pilot systems to evaluate the effect of freeze-thaw cycles on pollutant retention in wetlands. Science of The Total Environment, 703, 134713. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.134713

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  4. Khan, U. A., Postila, H., Kujala, K., Heiderscheidt, E. & Ronkanen, A.-K. (2020). Flow processes and nitrogen removal in pilot-scale treatment peatlands using the Hydrus wetland module under frost and no-frost conditions. Manuscript in preparation.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-2793-1
ISBN Print: 978-952-62-2792-4
Issue: 772
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 218 Environmental engineering
215 Chemical engineering
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2020. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.