JultikaUniversity of Oulu repository

Tiivistelmä

Kaivoksen suotovesien ominaisuuksien seuranta on tärkeä osa kaivoksen ympäristövaikutusten tarkkailua ja kaivoksen toiminnanharjoittaja on velvoitettu siihen ympäristölainsäädännön mukaisesti ympäristöluvassa. Perinteisesti vesianalytiikka toteutetaan akkreditoiduissa laboratorioissa SFS-EN ISO-standardien mukaisesti esimerkiksi ICP-analytiikalla (Inductively Coupled Plasma). Metallimalmikaivoksen tuotantovaiheessa päästöjä pinta- ja pohjavesiin voi aiheutua esimerkiksi louhoksen kuivanapitopumppausvesistä, rikastusprosessista tai rikastushiekan ja sivukiven varastoinnista. Kaivosympäristön vesiä on tarkkailtava myös kaivoksen elinkaaren muissakin vaiheissa. Vesipäästöjen laatuun, kuten happamuuteen, vaikuttaa ensisijaisesti malmin ja sivukiven mineralogia.

Tämän tutkielman tavoitteena on selvittää, voisiko perinteisten ja käytössä olevien analyysi- ja näytteenottomenetelmien rinnalle tuoda uusia tapoja tarkkailla kaivosympäristön vesien laatua. Uusia analyysimenetelmiä koekäytettiin rinta rinnan perinteisen ICP-OES-analytiikan (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy) kanssa erilaisissa kaivosympäristöissä ja tuloksia vertailtiin keskenään. Koekäytössä olivat 1) 3AWater Oy:n nanoteknologiseen suodatinkalvoon perustuva on-site analyysimenetelmä, jossa kalvon läpi puristetun vesinäytteen metallipitoisuus mitataan kalvosta kannettavalla XRF-analysaattorilla (pXRF, portable X-Ray Fluorecence Analyser) ja 2) Eurofinsin vastikään markkinoille tullut passiivinäytteenottomenetelmä Sorbisense, jossa näytteenkeräin altistetaan näytteenottokohteen vedelle sen luontaisissa virtausolosuhteissa ja altistusajalta määritetään veden keskimääräinen metallipitoisuus. Vesinäytteitä kerättiin yhteensä kolmelta eri kaivokselta (Laivakangas, Raahe; Otanmäki, Kajaani ja Rautuvaara, Kolari) kevään 2020 aikana. Vesinäytteitä kerättiin sekä pinta- että pohjavesistä.

Analysoitavaksi valittiin viisi alkuainetta: mangaani, nikkeli, kupari, sinkki, lyijy ja uraani. Parhaat tulokset uusilla menetelmillä saatiin mangaanista, josta pystyttiin mittaamaan määritysrajoissa olevia tuloksia kaikissa kohteissa ja joiden tulokset korreloivat ICP-menetelmällä saatujen tulosten kanssa hyvin. Nikkelin ja sinkin osalta Sorbisensen tulokset eivät vastanneet ICP-analyysin tuloksia. 3AWaterin pXRF-mittaukselle vesien metallipitoisuudet olivat ICP-analyysilla todennettunakin niin matalat, että ne jäivät paljolti alle 3AWaterin on-site-mittauksen määritysrajojen. Lisäksi tuloksissa oli jonkin verran vaihtelua ICP-analyysin tuloksiin. Tulokset olivat kuitenkin pääasiassa yhteneviä ICP-analyysin kanssa, mutta matalien metallipitoisuuksien vuoksi metallien havaitsemista ja menetelmän soveltuvuutta kaivosympäristön vesien tarkkailuun on hankala arvioida tämän tutkimuksen tulosten perusteella. Menetelmien keskinäisen vertailun lisäksi tuloksia verrattiin testialueilta olemassa olevaan vanhempaan vesianalyysidataan. Näin varmistettiin, että tähän tutkielmaan tuotetut tutkimustulokset ovat yhteneviä aiempien tulosten kanssa ja niitä voidaan siten pitää luotettavina tuloksina onnistuneesta näytteenotosta.

Tämän tutkimuksen tulosten valossa näitä uusia menetelmiä ei voida suositella otettavaksi sellaisenaan käyttöön kaivosvesien tarkkailuohjelmaan. Tarvitaan lisätutkimusta, jotta soveltuvuutta kaivosympäristön vesien mittaamiseen voidaan arvioida. On-site analyysimenetelmät ja passiivinen näytteenotto ovat kuitenkin hyvin kiinnostava kehityskohde ja mahdollisesti tulevaisuudessa yksi tehokas keino kaivosvesien tilan seurannassa.

Usability of on-site analysis methods and passive sampling in monitoring water quality of mining environments

Abstract

Monitoring the quality of seepage waters in a mining site is an important part of monitoring the ecological impact of mining. Operator of the mine is obligated to do so by environmental protection act. Mining may cause water pollution in any phase of its life cycle. Seeping waters from waster rock piles and tailing basins are a significant source of dissolved metals. Mineralogy of the ore and adjoining rock are one of the main factors that affect water discharge quality. Regulatory monitoring is most often carried out complying SFS-EN ISO-standards and a common analysis method for determining metal concentrations is ICP (Inductively Coupled Plasma).

The aim of this study is to determine whether new methods of rapid on-site water determination and passive sampling could be adopted to mining water monitoring alongside regulatory methods for water sampling and analysis. New methods were piloted alongside the conventional spectrometric methods (ICP-OES, Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy) to determine metal contents in differing mining environments and the results then were compared. The methods that were piloted were: 1) An on-site rapid analysis method by 3AWater Oy that relies on high-tech nanomaterial filter that collects metal ions from the water sample. The metals concentrated in the filter can then be measured by portable XRF-device (pXRF, portable X-Ray Fluorecence Analyser). 2) Sorbisense, a passive sampling system by Eurofins. Passive water samplers are exposed to natural flow of the water body and metal ions absorb to a sorbent, and average metal concentration of the water during the sampling period can then be determined. Groundwater and surface water samples were collected from three different mining sites: Laivakangas, Raahe; Otanmäki, Kajaani and Rautuvaara, Kolari during the spring of 2020.

Concentrations of five elements were then determined from the water samples: manganese, nickel, copper, zinc, lead and uranium. The new analysis methods were successful in determining manganese from the samples: Manganese was within detection limits on each sampling site and the results were similar with those of the conventional spectrometric, ICP-OES. With Sorbisense, such good correlation was not acquired with nickel and zinc. The ICP-analyses prove the metal concentrations of the water samples in this study to be relatively low and therefore not within the detection limits for 3AWater pXRF-method. Therefore, it is difficult to assess the feasibility of the 3AWater on-site analysis method based on this study.

Water results were also compared to previous existing water analysis data from the site. This was made to ensure that the results conformed to the data and thus make sure the sampling was conducted reliably.

According to the results of this study these new piloted methods cannot yet be recommended to replace generally used methods in regulatory monitoring of mining waters. Further testing is needed to determine the usability of these methods in mining environment. Rapid on-site water monitoring and passive sampling are intriguing prospects and product development could enable new efficient ways to monitor environmental impacts in mining environments.