Abstract

When discharged into the environment, acidic mining effluents containing sulfate and metals cause the acidification of natural waters and harm to aquatic organisms. Environmental permit conditions are being tightened to prevent pollution, reduce emissions and waste, protect biodiversity, and to promote sustainable use of natural resources. Thus, more sustainable and effective water treatment solutions are required. Biological sulfate reduction can be exploited for the removal of sulfate and the precipitation of many metals as sulfides.

In this thesis, a biological treatment process was developed for cold mining-impacted waters (MIWs) using sulfate-reducing bacteria (SRB). The SRB consortium was enriched from a sediment sample collected from a boreal area and acclimatized to cold conditions. Succinate was used as the carbon source for the bacteria. The ability of the SRB consortium to utilize different low-cost carbon sources — conditioned sewage sludge, peat, and whey — was also studied. The consortium was used for the removal of sulfate and metals from synthetic and actual acidic MIWs in a continuous up-flow biofilm reactor. In addition, the SRB consortium and a pure SRB culture isolated from it were both tested for the bioregeneration of sulfate-laden anion exchange resin. The resin was separately loaded with sulfate and incubated with the SRB cultures, when the resin-attached sulfate ions were replaced with the ions present in the SRB solutions.

The cold-tolerant SRB consortium was found to grow at temperatures as low as 6 °C. The bacteria were able to utilize low-cost organic carbon sources, and promising results were achieved in the removal of sulfate from synthetic MIW, especially with conditioned sewage sludge as the carbon source. When the sulfidogenic bioreactor was operated at a temperature of 11.7 °C for the treatment of actual MIW, the sulfate reduction rate reached 4500 mg L^-1 d^-1 and 87% of the initial sulfate content was reduced. Most of the metals present in the actual MIWs precipitated either off-line with hydrogen sulfide gas formed in the reactor, or inside the reactor vessel. Bioregeneration of the sulfate-laden anion exchange resin proved successful with both pure and mixed SRB cultures. In the column experiments, the capacity of the resin was almost completely restored in bioregeneration using the pure culture. The results of this study provide valuable information about the possibilities of using biological sulfate reduction in the treatment of MIWs at low temperatures and of combining the advantages of sulfate reduction and ion exchange.

Tiivistelmä

Kaivostoiminnassa muodostuvat happamat metalli- ja sulfaattipitoiset jätevesipäästöt aiheuttavat luonnonvesien happamoitumista ja vahingoittavat vesistöjen eliöitä. Ympäristölupamääräyksiä tiukennetaan ympäristön pilaantumisen ehkäisemiseksi, päästöjen ja jätteiden määrän vähentämiseksi, luonnon monimuotoisuuden suojelemiseksi ja luonnonvarojen kestävän hyödyntämisen edistämiseksi, minkä myötä tarvitaan kestävämpiä ja tehokkaampia vedenkäsittelyratkaisuja. Biologista sulfaatinpelkistystä voidaan hyödyntää sulfaatinpoistoon sekä useiden metallien saostamiseen sulfideina.

Tässä väitöstyössä kehitettiin sulfaatinpelkistäjäbakteereja hyödyntävää biologista käsittelyprosessia kylmille kaivosvesille. Sulfaattia pelkistävä bakteerikasvusto rikastettiin pohjoiselta alueelta kerätystä maaperänäytteestä ja totutettiin kylmiin olosuhteisiin. Hiilenlähteenä bakteereille käytettiin sukkinaattia. Lisäksi tutkittiin sulfaattia pelkistävän bakteerikasvuston kykyä käyttää erilaisia edullisia hiilenlähteitä — käsiteltyä yhdyskuntalietettä, turvetta sekä heraa. Sulfaatinpelkistäjäsekakasvustoa hyödynnettiin jatkuvatoimisessa ylösvirtausbiofilmireaktorissa sulfaatin ja metallien poistoon keinotekoisista ja aidoista happamista kaivosvesistä. Sekakasvustoa sekä siitä eristettyä puhdaskasvustoa testattiin myös sulfaattikylläisen anioninvaihtohartsin bioregenerointiin. Hartsi kyllästettiin erikseen sulfaatilla ja kylläistä hartsia inkuboitiin sulfaatinpelkistäjien kanssa, jolloin hartsiin kiinnittyneet sulfaatti-ionit vaihtuivat bakteeriliuosten sisältämiin ioneihin.

Kylmänsietokykyisen sulfaatinpelkistäjäkasvuston todettiin kasvavan jopa 6 °C:ssa. Bakteerit pystyivät hyödyntämään edullisia orgaanisia hiilenlähteitä ja etenkin käsitellyn yhdyskuntalietteen käytöllä saavutettiin lupaavia tuloksia sulfaatinpoistossa keinotekoisesta kaivosvedestä. Kun sulfidogeenistä bioreaktoria ajettiin lämpötilassa 11,7 °C, sulfaatinpelkistysnopeus oli parhaimmillaan 4 500 mg L^-1 d^-1 ja 87 % aidon kaivosveden alkuperäisestä sulfaatista pelkistyi. Suurin osa aitojen kaivosvesien sisältämistä metalleista saostui joko erillään bioreaktorissa syntyneen rikkivetykaasun avulla tai bioreaktorin sisällä. Sulfaattikylläisen anioninvaihtohartsin bioregenerointi onnistui sekä puhdas- että sekakasvustolla. Kolonnikokeissa hartsin kapasiteetti palautui lähes kokonaan käytettäessä puhdaskasvustoa. Tämän tutkimuksen tulokset tarjoavat arvokasta tietoa mahdollisuuksista hyödyntää biologista sulfaatinpelkistystä kaivosvesien käsittelyssä matalissa lämpötiloissa sekä sulfaatinpelkistyksen ja ioninvaihdon hyötyjen yhdistämisestä.

Osajulkaisut / Original papers

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

1. Virpiranta, H., Taskila, S., Leiviskä, T., Rämö, J., & Tanskanen, J. (2019). Development of a process for microbial sulfate reduction in cold mining waters – Cold acclimation of bacterial consortia from an Arctic mining district. Environmental Pollution, 252(Part A), 281–288. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.05.087

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Virpiranta, H., Taskila, S., Leiviskä, T., Vepsäläinen, J., Rämö, J., & Tanskanen, J. (2021). Biological sulfate removal with low-cost carbon sources using cold-acclimated bacteria. Journal of Water and Climate Change, 12(8), 3544–3557. https://doi.org/10.2166/wcc.2021.350

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Virpiranta, H., Sotaniemi, V.-H., Leiviskä, T., Taskila, S., Rämö, J., Johnson, D. B., & Tanskanen, J. (2022). Continuous removal of sulfate and metals from acidic mining-impacted waters at low temperature using a sulfate-reducing bacterial consortium. Chemical Engineering Journal, 427, 132050. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132050

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Virpiranta, H., Leiviskä, T., Taskila, S., & Tanskanen, J. (2022). Bioregeneration of sulfate-laden anion exchange resin. Water Research, 224, 119110. https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.119110

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version