Challenges in using natural peatlands for treatment of mining-influenced water in a cold climate : considerations for arsenic, antimony, nickel, nitrogen, and sulfate removal

Abstract

Natural peatlands are commonly used in Finland as treatment wetlands to provide final treatment to mining-influenced water. Their use is convenient as they are cost-effective, abundant in Finland, and often located close to mining sites. This thesis explored contaminant removal processes in treatment peatlands, and factors that affect these processes, through laboratory experiments, analysis of monitoring data, pilot wetlands, and reactive transport modeling. The results showed that, under the right conditions, treatment peatlands can provide efficient year-round removal of arsenic (As), antimony (Sb), nickel (Ni), and nitrogen (N), even in a cold climate. Sulfate (SO₄^2-) removal in the studied peatlands was negligible, due to high SO₄^2- concentrations in inflow mining-influenced water and unfavorable conditions for SO₄^2- removal. Low hydraulic loading was found to be the most important parameter for efficient contaminant removal. Inflow water composition affected removal efficiency and mobilization of contaminants. Temperature had no major systematic effect in batch experiments, but studies on full-scale peatlands indicated slightly better removal of Sb in summer than in winter. Removal of As and Sb was higher at pH 6, while leaching was higher at pH 9. The opposite was true for Ni. Mean residence times were shorter in frozen conditions, indicating loss of available peatland volume during winter. The freezing-thawing pilot wetlands also provided evidence of presence of preferential flow paths. Long-term use of treatment peatlands led to contaminant accumulation, confirming high removal efficiency. However, the accumulated contaminants were mobilized when inflow water concentrations decreased drastically. Pilot wetlands and reactive transport modeling proved useful in understanding treatment peatland processes. Pilot wetlands adequately replicated various peatland processes during the simulated freeze-thaw cycles. Unfrozen conditions were better simulated than frozen conditions by the HYDRUS wetland module, indicating a need for more accurate model parameters. Therefore, use of treatment peatlands is challenged by varying environmental conditions and mine water composition, making it difficult to control removal/retention processes. To address these challenges, there is a need for innovative approaches of peatland use where the benefits to receiving water bodies exceed the risks associated with their long-term use.

Tiivistelmä

Kosteikkoja on käytetty Suomessa puhdistamaan kaivosvesiä, sillä suoluontoa on ollut tarjolla kaivosten lähettyvillä. Tämä väitöskirja käsittelee haitta-aineiden puhdistusprosesseja turvepohjaisilla kosteikkopuhdistamoilla perustuen laboratoriossa toteutettuihin kokeisiin, vesi- ja turvenäytteistä kerättyyn aineistoon ja testikosteikon vedenvirtauksen ja puhdistusprosessien mallintamiseen. Tulokset osoittivat, että oikeanlaisissa olosuhteissa kosteikot puhdistavat arseenia, antimonia, nikkeliä ja typpeä ympärivuoden, mutta sulfaatin puhdistuminen oli olematonta. Tähän pääsyynä oli suuri sulfaattikuorma, mutta myös epäsuotuisat olosuhteet pidättymiselle. Riittävän matala hydraulinen kuormitus oli tärkein mitoitusparametri tehokkaaseen haitta-aineiden puhdistumiseen. Myös tulovedessä olevat aineet ja niiden pitoisuudet vaikuttivat poistumiseen kuten myös uudelleen liikkeelle lähtemiseen. Lämpötila vaikutti haitta-aineiden pidättymiseen laboratoriossa toteutetussa ravistelukokeessa, mutta kosteikkojen aineiston perusteella ainoastaan antimonin puhdistumisprosessit olivat tehokkaampia kesällä kuin talvella. Arseenin ja antimonin pidättyminen oli parasta veden pH:n olleessa noin 6, kun taas selkeätä huuhtoutumista havaittiin pH:ssa 9. Nikkelille tilanne oli päinvastainen. Veden viipymä oli talven roudan vuoksi lyhyempi viitaten pienempään saatavilla olevaan turvetilavuuteen. Pilot-kosteikoilla toteutetut jäätymissulamiskokeet tukivat tätä ja osoittivat, että roudan aikana on selkeitä nopeita virtausreittejä. Kosteikkopuhdistamojen pitkäaikainen käyttö näkyi haitta-aineiden kerääntymisessä turpeeseen, joka tuki vedenlaatuaineiston perusteella laskettua tehokasta ainepoistumaa kohteilla. Tulokset osoittivat, että aineet huuhtoutuvat, kun niiden pitoisuus tulovedessä laskee. Testikosteikot ja mallintaminen todettiin hyödylliseksi menetelmäksi lisätä ymmärrystä puhdistusprosesseista. Ne toistivat turvemaiden sulamisjäätymisprosesseja, mutta puhdistusprosessien HYDRUS-mallinnus oli tarkempaa roudattomalle kaudelle. Lisää tutkimusta tarvitaan mallin parametrisoimiseksi routakaudelle. Tulosten perusteella puhdistusprosessien hallinta kaivosvesien yhteydessä, kun olosuhteet sekä tuloveden laatu vaihtelevat, on haasteellista. Tulisi löytää ratkaisuja vastaanottavan vesistön pilaantumisriskin huomioimiselle tilanteissa, joissa kosteikoille on pitkään johdettu kaivosvesiä.

Original papers

Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Khan, U. A., Kujala, K., Nieminen, S. P., Räisänen, M. L., & Ronkanen, A.-K. (2019). Arsenic, antimony, and nickel leaching from northern peatlands treating mining influenced water in cold climate. Science of The Total Environment, 657, 1161–1172. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.11.455

   Self-archived version

2. Khan, U. A., Kujala, K., Planer-Friedrich, B., Räisänen, M. L., & Ronkanen, A.-K. (2020). Long-term data reveals the importance of hydraulic load and inflow water quality for Sb removal in boreal treatment peatlands. Ecological Engineering, 148, 105785. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2020.105785

   Self-archived version

3. Heiderscheidt, E., Khan, U. A., Kujala, K., Ronkanen, A.-K., & Postila, H. (2020). Design, construction and monitoring of pilot systems to evaluate the effect of freeze-thaw cycles on pollutant retention in wetlands. Science of The Total Environment, 703, 134713. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.134713

   Self-archived version

4. Khan, U. A., Postila, H., Kujala, K., Heiderscheidt, E., & Ronkanen, A.-K. (2020). Flow processes and nitrogen removal in pilot-scale treatment peatlands using the Hydrus wetland module under frost and no-frost conditions. Manuscript in preparation.

Osajulkaisut

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon.

1. Khan, U. A., Kujala, K., Nieminen, S. P., Räisänen, M. L., & Ronkanen, A.-K. (2019). Arsenic, antimony, and nickel leaching from northern peatlands treating mining influenced water in cold climate. Science of The Total Environment, 657, 1161–1172. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.11.455

   Rinnakkaistallennettu versio

2. Khan, U. A., Kujala, K., Planer-Friedrich, B., Räisänen, M. L., & Ronkanen, A.-K. (2020). Long-term data reveals the importance of hydraulic load and inflow water quality for Sb removal in boreal treatment peatlands. Ecological Engineering, 148, 105785. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2020.105785

   Rinnakkaistallennettu versio

3. Heiderscheidt, E., Khan, U. A., Kujala, K., Ronkanen, A.-K., & Postila, H. (2020). Design, construction and monitoring of pilot systems to evaluate the effect of freeze-thaw cycles on pollutant retention in wetlands. Science of The Total Environment, 703, 134713. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.134713

   Rinnakkaistallennettu versio

4. Khan, U. A., Postila, H., Kujala, K., Heiderscheidt, E., & Ronkanen, A.-K. (2020). Flow processes and nitrogen removal in pilot-scale treatment peatlands using the Hydrus wetland module under frost and no-frost conditions. Manuscript in preparation.