Potenziale di bonifica dell'attività mineraria, agro

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12120 (2023) Citare questo articolo

398 accessi

2 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

Il drenaggio acido delle mine (AMD) comporta gravi conseguenze per la salute umana e gli ecosistemi. Nuove strategie per il suo trattamento implicano l’uso di rifiuti. Questo documento valuta il potenziale di bonifica dei rifiuti provenienti da attività urbane, minerarie e agroindustriali per affrontare l'acidità e le alte concentrazioni di elementi potenzialmente tossici (PTE) nell'AMD. Campioni di questi prodotti di scarto sono stati addizionati con un AMD preparato artificialmente, quindi sono state misurate le concentrazioni di pH, conduttività elettrica (EC) e PTE nei percolati. L'AMD artificiale ottenuto attraverso l'ossidazione della coda di Aznalcóllar ha mostrato un carattere ultraacido (pH - 2,89 ± 0,03) e una conduttività elettrica estremamente elevata (EC - 3,76 ± 0,14 dS m−1). Inoltre, la maggior parte dei PTE erano superiori ai livelli massimi normativi nelle acque naturali e irrigue. I rifiuti studiati avevano una capacità di neutralizzazione degli acidi molto elevata, nonché una forte capacità di immobilizzare il PTE. I rifiuti inorganici, insieme al vermicompost della potatura, hanno ridotto la maggior parte delle concentrazioni di PTE di oltre il 95%, mentre i rifiuti organici ne hanno trattenute tra il 50 e il 95%. Pertanto, un’ampia gamma di rifiuti urbani, minerari e agroindustriali hanno un alto potenziale per essere utilizzati nel trattamento dell’AMD. Questo studio fornisce preziosi input per lo sviluppo di nuove eco-tecnologie basate sulla combinazione di rifiuti (es. Technosol, barriere reattive permeabili) per risanare ambienti degradati.

L’estrazione mineraria è un’industria cruciale a livello mondiale per la sua rilevanza economica e sociale, poiché fornisce un gran numero di risorse importanti. Negli ultimi decenni, il numero di miniere attive è aumentato in modo significativo a causa della necessità di elementi strategici (ad esempio metalli critici, elementi delle terre rare, elementi del gruppo del platino, elementi tecnologici critici), sollevando preoccupazioni per la salute e l'ambiente1,2,3. I solfuri sono il principale fornitore di un'ampia gamma di metalli (loidi), che possono essere considerati elementi potenzialmente tossici (PTE), e il loro sfruttamento è una delle attività minerarie più importanti al mondo4. L’esposizione di questi solfuri (principalmente minerale di pirite [FeS2]), o dei loro rifiuti, a condizioni ossidanti e piovose porta alla generazione di drenaggio acido delle miniere (AMD), comunemente associato a gravi problemi ambientali in tutto il mondo5; in particolare, nelle miniere abbandonate o attive senza concessioni legali (cioè aree di estrazione senza gestione ambientale dei drenaggi e dei rifiuti). Il drenaggio acido delle miniere è problematico a causa della sua portata, sia nello spazio che nel tempo, poiché può influenzare sia le aree minerarie che i loro dintorni per grandi chilometri per decenni o secoli6. Inoltre, l'AMD comporta gravi conseguenze per la salute umana (ad esempio, danni al sistema nervoso, tumori, ritardo mentale nei bambini) e per gli ecosistemi (ad esempio, inquinamento delle falde acquifere, fitotossicità e inibizione della fotosintesi, mortalità dei pesci)7,8,9,10. Un buon esempio di questa preoccupazione può essere trovato nella cintura di pirite iberica (sud-est del Portogallo e sud-ovest della Spagna), una delle più grandi riserve di solfuro nel mondo, dove attività minerarie su larga scala risalgono al XIX secolo e le prime attività al III millennio a.C.11. In questa regione, l'AMD è un'eredità di miniere abbandonate e discariche di residui associate, inclusi enormi cumuli di rocce di scarto contenenti solfuri, sterili e pozzi allagati, nonché rifiuti prodotti dalle miniere in funzione12,13. Pertanto, questa regione costituisce una potenziale fonte di inquinamento da AMD (Fig. S1) ed è rappresentativa di altre miniere di solfuro situate in tutto il mondo. Lo scarico di AMD non trattata esercita effetti negativi sull'ambiente. Negli ecosistemi acquatici, è responsabile dell'ingresso di PTE in questi mezzi, dell'alterazione della chimica dell'acqua e dei cicli dei nutrienti, della diminuzione della quantità di ossigeno disponibile per gli organismi e della precipitazione dei metalli (idrossidi di Fe e Al), tra gli altri. . In generale, la qualità dell’acqua ne risente, provocando tossicità diretta per gli organismi e rendendola inadatta per usi domestici, agricoli e industriali9,14,15. Negli ecosistemi terrestri, lo scarico non trattato di AMD può portare all’inquinamento del suolo e, di conseguenza, accelera la perdita di biodiversità e il degrado del suolo9. Inoltre, l’AMD generata sia nelle aree minerarie attive che in quelle abbandonate, può avere diversi impatti sulla salute dell’ambiente e degli organismi viventi (incluso l’uomo) inquinando le acque superficiali, quelle sotterranee e i suoli agricoli8.

90%) and very high EC (> 1 dS m−1). Gypsum spoil (GS) had moderate to low values in total iron (~ 1%), moderately high CaCO3 content (~ 23%) and very high EC (> 2.9 dS m−1). The only inorganic waste that showed an assimilable phosphorus content (PA ~ 470 mg kg-1) above detection limits was CW./p> 7 dS m-1) for the rest; and CaCO3 was also detected in all cases, ranging from 7.7% in BM to 24.9% in VC. Basal respiration (BR) presented a wide range of values without significant differences between inorganic and organic wastes, with maximum of 124 µg CO2 day−1 kg−1 in CW and minimum of 14 in WS µg CO2 day−1 kg−1./p> Hg2+ > Cd2+ > Fe2+ > Pb2+ > Ni2+ > Co2+ > Mn2+ > Zn2+ > As5+ > As3+53,54. Thus, organic matter together with total humic extract and humic and fulvic acids provide an important content of reactive colloidal fractions that allow the complexation of the different chemical forms of PTE55,56. Carbonates also exert a strong control over pH, which is considered a key property in controlling the immobilisation of most PTE because of its influence on the electrical charge of colloidal components57. In addition, it is a key component to neutralise acid solutions40. Likewise, iron oxyhydroxides content is another constituent to consider for the retention of some PTE, especially As, for which they exert a strong control on speciation and bioavailability58,59. In fact, the results of AMD treatment test indicate that many of the wastes tested show considerable acid neutralisation and PTE immobilisation capacity./p> CW ≥ MS ≥ VC > GS > OW > OL > WS > GW > BM; where wastes rich in iron oxyhydroxides and carbonates are more effective in the retention of PTE than wastes rich in organic matter. The removal rates for wastes dominated by carbonates (CW and MS) or iron oxyhydroxides (IO) are above 95% for most PTE present in AMD, while for organic wastes the removal rate was below 95% in most cases, with values as low as 15% in the case of bio-stabilised material of municipal solid wastes (BM). In other studies, for similar wastes the removal rates achieved were similar or even lower. For example, water filters partly made of iron-rich materials achieved removal rates of 50% for As66. However, other studies that also explore As retention capacity of water filters with iron oxide-rich materials reached rates of 90%67 and 99%68. The latter study concerned not only filters made from iron-rich waste, but also marble slurry filters for which As removal rate is 95%68. Furthermore, the success of these materials is not limited to As; for example, along with near 100% As retention in groundwater affected by an abandoned gold mine when treated with various mixtures composed of organic carbon, zero-valent iron and limestone, a strong decrease in the concentration of Al, Cd, Co, Cu and Ni has been demonstrated69; although the concentrations of these elements in the groundwaters are much lower than in our study. On the other hand, although less studied, the capacity of some organic wastes has also been assessed; for example, it has been reported a 70% reduction of some PTE (Al, As, Cd, Cu, Fe, Ni, Mn, Pb, and Zn) present in sulfide mine leachates by the addition of aqueous organic wastes from domestic wastewater16. Agricultural wastes have also been used to remove pollutants; for example, solid-olive mill by-products have a great capacity to remove Cr, Mn, Cu, Zn, Ni, and Pb from mining wastewater70. Similarly, there is an extensive list of agricultural waste (agave, bananas, wheat, rice, citrus fruits) that have been used for the immobilisation of different PTE (Cd, Pb, Zn) with uncertain results71. Particularly noteworthy is the case of vermicompost (VC), which shows retention rates of PTE close to those of carbonated and iron-rich wastes. This may be due to the higher content of calcium carbonate and total iron compared to other organic wastes, and, to a lesser extent, its considerable high OC content. In this sense, vermicompost can be a very effective material for the treatment of AMD. A similar study for the treatment of AMD72 using vermicompost and other agricultural by-products (sheep, cow, and rabbit manure) reported retention rates of 90% for As, Cd, Cu, and Zn in AMD. Similarly, gypsum spoil (GS) also has a high retention capacity for PTE similar to that of the other inorganic wastes, although for some, such as Ni and Co, was very low. The high retention capacity of GS is related to high CaCO3 and FeT contents./p> CW ≥ MS ≥ VC > GS > OW > OL > WS > GW > BM. Thus, a wide range of mining, urban, and agro-industrial wastes could be recovered for use in the treatment of AMD. The use of these wastes as AMD treatment technique showed promising results to be applied in the decontamination of polluted waters and as a control technique on tailing deposits to prevent the AMD generation. This study is the first step in the development of green technologies based on the different combinations of wastes with contrasting characteristics, to create solution (e.g.: Technosols, permeable reactive barriers, etc.) with a higher capacity to retain a greater variety of PTE and reduce acidity in polluted environments. The use of waste to remediate AMD will decrease the cost of the water treatment. This is especially relevant for the rehabilitation of areas with historical or abandoned mines, where the decrease in cost by replacing commonly used and expensive reagents for worthless waste will increase the affordability of water treatments. Nevertheless, additional site-specific studies should be conducted to include the cost of waste transport, as well as to evaluate the in-situ effectiveness of waste combinations under real field conditions./p>