Assessing Root Development and Porosity in Ameliorated and Revegetated Bauxite Residue from Hydro-Alunorte, Brazil, through Digital Analysis of X-ray Micro Computed Tomography Images

Abstract

Bauksittrester (BR) er en svært alkalisk, saltholdig og sodisk rest av aluminaraffinerier med lite gjenbrukspotensial og er hovedsakelig tørrstablet i landdeponeringsområder. Erosjon av BR forårsaket av vind og regn utgjør en risiko for forurensning av de omkringliggende vann- og terrestriske miljøene. Revegetering på stedet av den forbedrede resten anses som en effektiv strategi for å redusere miljørisikoen. Målet med denne studien var å vurdere revegetering av prøver fra Hydro-Alunorte-raffineriet i Brasil ved å fokusere på rotutviklingen. Bildeanalyseteknikker ble utført på skanninger med mikrocomputertomografi (μCT) fra 5 BR-prøver som ble endret av forskjellige sammensetninger av gips og lokalt organisk avfall. Prøvene hadde vært gjennom laboratorietester som etterlignet de lokale nedbørsnivåene og forbedret deres generelle kjemiske tilstand før planting av raigrasfrø. μCT-skanninger ble tatt før planting samt etter to og fire uker med gressvekst. Etter manuell segmentering av røtter fra blandingene ble de kvantitativt analysert ved å måle rotegenskapene som vanligvis brukes i geoteknisk prosjektering ved vurdering av vegetert jord: antall og dybde på røtter (RD), rotvolumtetthet (RVD), rotarealforhold (RAR) og porøsitet i jorda. Dessuten ble latent variant og klyngeanalyse gjort på de kjemiske dataene fra prøvene for å vise sammenhengen mellom prøvenes kjemi og innkvartering av rotvekst. Tretti frø ble plantet i hver prøve og etter to uker viste prøvene opptil 21 røtter med en gjennomsnittlig dybde på 10 mm. Etter fire uker viste prøvene opptil 50 røtter med en gjennomsnittlig dybde på 12 mm. RVD-middelverdien var 0,2 % etter to uker og 1 % etter fire uker, og RAR nådde en gjennomsnittlig verdi på opptil 0,4 % over kolonnedybden. Porøsitetsverdiene på tvers av alle prøvene var i gjennomsnitt 64 % før plantingen, 54 % etter to uker og 37 % etter 4 ukers vekst. Den første gruppen hadde 10 % gipsinnhold uten organisk avfall, 5 % acaifrøavfall eller 5 % organisk matavfall. Den andre gruppen hadde 5 % gips med 5 % acaifrøavfall eller 5 % organisk matavfall. Den første gruppen viste varierende grad av rotutvikling. Prøven uten organisk endring viste høyest rotvekst, mens det ble observert tydelige forskjeller mellom prøvene med acai- og matavfallsendringer. Den andre gruppen hadde svært dårlig til ingen vekst. Klyngeanalyse stemte overens med inter- og intragruppevariasjonen i rotutvikling. Det ble funnet en sterk korrelasjon (R2=0,95) mellom RD og elektrisk ledningsevne (EC) og i mindre grad (R2=0,83) med kalsium- (Ca) konsentrasjon. Videre var RAR og RVD negativt korrelert med alkalitet med R2-verdier på henholdsvis 0,72 og 0,64. Det ble konkludert med at digital bildeanalyse basert på μCT er en effektiv metode for å analysere røttene og porøsitet i bauksittrester og at rotvekst er signifikant assosiert med EC, Ca-konsentrasjon og alkalinitet i blandingene. Disse sammenhengene påvirkes i stor grad av utvaskingsprosedyre, vektandel av gips og type organisk avfall som brukes som tillegg.

Bauxite residue (BR) is a highly alkaline, saline, and sodic tailing of alumina refineries with little re-use potential and is mainly dry-stacked in land disposal areas. Erosion of BR caused by wind and rain poses a risk of contamination to the surrounding aquatic and terrestrial environments. In situ revegetation of the ameliorated residue is considered an effective strategy for mitigating the environmental risks. The aim of this study was to assess the revegetation of samples from Hydro-Alunorte refinery in Brazil by focusing on the root development. Image analysis techniques were performed on micro-computed tomography (μCT) scans from 5 BR samples that were amended by different compositions of gypsum and local organic waste. The samples had been through laboratory leaching tests that mimicked the local rainfall levels and improved their overall chemical condition before plantation of ryegrass seeds. μCT scans were taken before plantation as well as after two and four weeks of grass growth. After manual segmentation of roots from the mixtures, they were quantitatively analysed by measuring the roots features typically used in geotechnical engineering when assessing vegetated soils: number and depth of roots (RD), root volume density (RVD), root area ratio (RAR), and porosity of the soil. Moreover, latent variant and clustering analysis were done on the chemical data from the samples to show the link between samples chemistry and root growth accommodation. Thirty seeds were planted in each sample and after two weeks the samples showed up to 21 roots with an average depth of 10mm. After four weeks, the samples exhibited up to 50 roots with an average depth of 12mm. RVD mean value was 0.2% after two weeks and 1% after four weeks and RAR reached up to average value of 0.4% across column depth. Porosity values across all samples averaged into 64% before plantation, 54% after two weeks, and 37% after 4 weeks of growth. The first group had 10% gypsum content with no organic waste, 5% acai seed waste, or 5% organic food waste. The second group had 5% gypsum with 5% acai seed waste, or 5% organic food waste. The first group exhibited varying degrees of root development. The sample without organic amendment displayed the highest root growth, while distinct differences were observed between the samples with acai and food waste amendments. The second group had very poor to no growth. Clustering analysis agreed with the inter- and intra-group variation in root development. A strong correlation (R2=0.95) was found between RD and electrical conductivity (EC) and to a lesser extent (R2=0.83) with calcium (Ca) concentration. Furthermore, RAR and RVD were negatively correlated with alkalinity with R2 value of 0.72 and 0.64, respectively. It was concluded that digital image analysis based on μCT is an effective method to analyse the roots and porosity in bauxite residue and that root growth is significantly associated with EC, Ca concentration, and alkalinity of the mixtures. These relationships are greatly influenced by leaching procedure, weight proportion of gypsum and the type of the organic waste that is used as amendment.