Monitoring of Natural Waters and Sediments and Treatment by Electrochemistry and Activated Carbon of Trace Elements in Acid Mine Drainage at the Location of a Former Ore Processing Facility in Trondheim

Abstract

Killingdal er et område i Trondheim hvor det inntil 1986 foregikk prosessering og skipstransport av malm. Dette førte til omfattende forurensning av jord og sedimenter i næromådet. Det har vært oppryddingsprosjekter både på land og i Trondheimsfjorden i tidsperioden 2009 til 2016, men vann med høye konsentrasjoner av potensielt giftige sporelementer fortsetter å renne fra Killingdal og ut i fjorden, noe som utgjør en trussel mot det biologiske mangfoldet i området. Denne masteroppgaven er en del av et prosjekt som ble igangsatt i 2018 og har som mål å rense forurenset vann som befinner seg i en tunnel i Killingdalområdet.

Åtte sporelementer har fått hovedfokus i løpet av overvåkningsprosjekter og eksperimenter i denne masteroppgaven; jern, krom, nikkel, kobber, sink, arsen, kadmium, og bly. Alle disse sporelementene kan være giftige for organismer i store mengder og konsentrasjoner av dem ble funnet til å være i klasse III til V i tilstandsklassifiseringen utarbeidet av Miljødirektoratet. Dette kan føre til alt fra kroniske effekter til omfattende akutte effekter som følge av eksponering. I noen tilfeller ble også aluminium studert, da det potensielt kan lekke ut fra aluminiumelektrodene under elektrolyse. Alle prøvene ble analysert med ICP-MS ved laboratoriene på NTNU.

Forholdene i Killingdalbekken og området i Tronsheimsfjorden, hvor vann lekker ut fra Killingdal, ble overvåket i ett år. Resultater fra dette viser at Killingdalbekken ikke er forurenset av sporelementer, ettersom tilnærmet alle konsentrasjonene som ble målt var i eller mindre enn tilstandsklasse II. Resultatene fra utslippet til fjorden avdekket høye konsentrasjoner av kobber og sink (tilstandsklasse V), og forhøyede konsentrasjoner av arsen og kadmium (tilstandsklasse III og IV). Sedimentene i Trondheimsfjorden ble samlet inn én gang og sammenlignet med tidligere rapporter. Analysene tyder på at selv om mengdene har blitt redusert siden 1972, så er sedimentene fortsatt forurenset av hovedsakelig kobber (klasse V), sink (klasse IV) og arsen (klasse IV) og delvis av kadmium og bly (noen lokasjoner med konsentrasjoner i klasse III og IV). Ut i fra konsentrasjoner målt i utslippet fra Killingdal og observerte trender, korrelasjonsanalyser og analyse av forhold mellom sporelementer og litium i sedimentene ble det konkludert med at forurensningen mest sannsynlig stammer fra Killingdal.

Forsøk med to potensielle poleringstrinn, for fjerning av sporelementer som ikke fjernes effektivt av et hovedrensetrinn, ble utført. Disse metodene var elektrokjemisk rensing, med ulike kombinasjoner av aluminiumelektroder og grafittelektroder, og rensing med aktivt kull. Forsøkene som omhandlet elektrokjemisk rensing fjernet en del av sporelementene. Best effekt hadde kun aluminiumelektroder, som ga maksimale observerte rensekapasiteter på 40.2% (Fe), 39.2% (Cu), 21.4% (Zn), 69.5% (As), 12.9% (Cd) og 41.0% (Pb). Krom og aluminium ble mest effektivt fjernet da kun grafittelektroder ble brukt (6.61-7.30% og 18.6%). Rensing med aktivt kull viste mer lovende resultater. I løpet av eksperimentet ble følgende renseprosenter observert; 99.3% (Fe), 46.7% (Cr), 93.2% (Cu), 84.8% (As) og 98.5% (As). Økning av Ni (44.4%), Zn (16.4%) og Cd (11.3%) ble observert ved slutten av eksperimentet, men dette kan potensielt forbedres ved å øke pH i vannet, som under forsøkene var relativt lav. Disse resultatene gir en indikasjon på at det er potensiale for å bruke aktivt kull som et poleringstrinn og at det bør testes videre for bruk i vannrensing i større skala på Killingdal.

The Killingdal area in Trondheim was subject to extensive ore processing and shipping activities for many years, until 1986. This lead to a comprehensive contamination of the soil and sediments in the area. Clean-up projects both on land and in the Trondheimsfjord were conducted in the time period 2009 to 2016, but water containing high concentrations of potentially toxic trace elements continue to escape this area and flow into the fjord, posing a great threat to the biological diversity. This thesis is part of a project dedicated to treat the contaminated water in a tunnel at the Killingdal area, and was initiated in 2018.

Eight trace elements were in focus both during the monitoring and in the treatment experiments; iron, chromium, nickel, copper, zinc, arsenic, cadmium, and lead. All these elements can be toxic to organisms in high doses, and their concentrations in the tunnel at Killingdal were categorised in class III to V in the classification of conditions formulated by the Norwegian Environment Agency. This indicates potentially chronic effects to extensive acute toxic effects. In addition, aluminium was investigated, due to the potential release from aluminium electrodes during electrolysis. All samples were analysed by ICP-MS at the laboratories at NTNU.

The conditions in the Killingdal stream and the effluent from the Killingdal area into the Trondheimsfjord were monitored over the period of one year. Results from the monitoring program showed that the Killingdal stream was not heavily contaminated with trace elements, as close to all concentrations were within or below class II. The effluent results revealed high concentrations of copper and zinc (class V), and elevated concentrations of arsenic and cadmium (class III and IV). Sediments in the Trondheimsfjord were sampled once and compared to previous reports. The analyses indicate that even though the concentrations have been reduced since 1972, the sediments are still polluted by mainly copper (class V), zinc (class IV), and arsenic (class IV), and to some extent cadmium and lead (some locations with class III and IV). From trace element concentrations measured in the effluent from Killingdal and observed trends, correlation analysis, and analysis of trace element/lithium relationships in the sediments, it can be concluded that the contamination originates from Killingdal.

Testing of two potential polishing steps for removal of trace elements, not sufficiently treated during a main treatment step, were conducted. These two methods were electrochemical treatment with a combination of aluminium and graphite electrodes, and activated carbon treatment. The electrochemical treatment exhibited some removal capacity. Treatment with aluminium electrodes showed maximum removal efficiencies of 40.2% (Fe), 39.2% (Cu), 21.4% (Zn), 69.5% (As), 12.9% (Cd) and 41.0% (Pb). Chromium and aluminium were most efficiently removed when solely graphite electrodes were used (6.61-7.30% and 18.6% respectively). Activated carbon treatment had more promising results. During the experiment, maximum removal efficiencies of 99.3% (Fe), 46.7% (Cr), 93.2% (Cu), 84.8% (As) and 98.5% (As) were observed. Increase of Ni (44.4%), Zn (16.4%) and Cd (11.3%) in the end of the experiment was observed, but could potentially be improved by modifications of the system, such as increasing the low pH of the water. These results indicate that there is a potential for activated carbon as a polishing step, and that it should be investigated further for large-scale water treatment at Killingdal.