A disposição de rejeitos com potencial de geração de acidez e consequente geração de drenagem ácida de mina (DAM) é um dos grandes problemas ambientais enfrentados pela indústria da mineração de carvão, pois a disposição inadequada contamina a água e o solo. A DAM é uma solução aquosa caracterizada por possuir pH geralmente abaixo de 3 e diversos metais dissolvidos. Devido a essas características, a DAM representa grandes riscos ambientais, em especial, aos recursos hídricos, em consequência da solubilização e mobilização de metais pesados. Este problema requer estudos no sentido de encontrar soluções que venham a minimizar os danos causados ao meio ambiente. A utilização de metodologias alternativas para a disposição dos rejeitos de mineração de carvão constitui em uma estratégia básica para a viabilidade de tais empreendimentos. Visando atender a esta necessidade, o presente trabalho estudou o controle da geração da DAM pelo método de aditivos alcalinos com o uso de escória de aciaria elétrica do forno panela (EAE-FP). A metodologia do trabalho incluiu a caracterização dos materiais, ensaios estáticos e ensaios cinéticos. Os ensaios estáticos foram realizados pelo método de contabilização de ácidos e bases, enquanto que os ensaios cinéticos foram realizados pelo método de células úmidas. Após foi realizada a mistura do rejeito de carvão com a EAE-FP em diferentes dosagens e foram dispostas a céu aberto, sujeitas à precipitação pluviométrica. Esses ensaios tiveram por objetivo uma melhor compreensão dos materiais em ambiente controlado e expostos ao intemperismo. Os resultados demonstram que a água que percolou pelo rejeito de carvão apresentou-se ácida e a água que percolou pela EAE-FP, alcalina. Contudo, os problemas ambientais podem ser em grande parte resolvidos pela mistura do rejeito de carvão com EAE-FP em uma proporção de RC:EAE-FP 10:10 estabelecida pelos ensaios estáticos. Os ensaios cinéticos e o experimento ao ar livre demonstram que durante vários meses de ensaios, na proporção RC:EAE-FP 10:10, ocorre um aumento do pH e uma redução na liberação de acidez, metais e sulfatos na água lixiviada. Análises adicionais de toxicidade para o microcrustáceo (Daphnia similis), peixes (Pimephales promelas) e algas (Pseudokirchneriella subcapitata) mostraram que o lixiviado da proporção RC:EAE-FP 10:15, apresentou níveis menores de toxicidade do que o lixiviado da proporção RC:EAE-FP 10:10, além da redução na liberação da acidez, metais e sulfato. Os resultados demonstraram a eficácia do método na qualidade da água de percolação tanto em termos de pH, concentrações de metais e toxicidade do efluente. Pode-se concluir que o método de contabilização de ácidos e bases mostra-se adequado para definir a proporção de mistura dos materiais. Essas misturas podem ser empregadas no controle da DAM tanto em depósitos de rejeitos em superfícies como no retorno dos rejeitos de carvão para o subsolo. / The waste disposal with potential to generate acidity and consequent generation of acid mine drainage (DAM) is one of the major environmental problems facing the coal mining industry since the improper disposal contaminates water and soil. DAM is an aqueous solution characterized by having pH below 3 and typically many dissolved metals. Due to these characteristics, the DAM is major environmental risks, especially to water resources as a result of solubilization and mobilization of heavy metals. This problem requires studies to find solutions that will minimize damage to the environment. The use of alternatives for the disposal of tailings coal mining methodologies constitutes a basic strategy for the viability of such projects. Aiming to address this need, this paper studied the control of the generation of DAM by alkali additives method with the use of the ladle slag of electric steelmaking (LSES). The methodology of the study included the characterization of materials, static tests and kinetic assays. The static tests were performed by the recording method of acids and bases, while kinetic assays were performed by the method of wet cells. Upon mixing coal tailing was performed with the LSES in different dosages and were placed in the open, subject to rainfall. These tests were aimed at a better understanding of the materials in a controlled environment and exposed to weathering. The results demonstrate that water leached by coal waste is introduced and acid leached by water LSES alkaline. However, environmental problems can be largely solved by mixing the coal waste with LSES in a ratio of CW:LSES 10:10 established by static tests. Kinetic assays and outdoor experiment demonstrate that several months of tests, the ratio CW:LSES 10:10, there is an increase in pH and a reduction in the release of acidity, metals and sulphate in the leach water. Further analysis of toxicity microcrustacean (Daphnia similis), fish (Pimephales promelas) and algae (Pseudokirchneriella subcapitata) showed that the proportion leached CW:LSES 10:15, showed lower levels of toxicity than the proportion of leached CW:LSES 10:10, besides the reduction in the release of acidity, metals and sulfate. The results demonstrated the effectiveness of the method on the quality of percolating water in terms of pH, metal concentration and toxicity of the effluent. It can be concluded that the method of recording of acids and bases proves to be adequate to set the mixing ratio of the materials. These blends can be used to control both DAM tailings deposits on surfaces such as the return of waste coal underground.

A concentração de Fe, Ni, Cd, Mn, Zn, Cr e Pb, determinada por TXRF, foi investigada em matrizes de água, sedimento e fígados de peixes, amostrados em rios da região mineradora de carvão de Criciúma - SC/Brasil - afetadas por descargas de drenagem ácida de mina (DAM). A relação destes metais com a toxicidade para o bioindicador Daphnia magna (24 e 48 h) foi avaliada, sendo estabelecida correlação entre [Fe]solúvel e toxicidade à D. magna nas amostras de água. Para os sedimentos, há indícios de correlação dos teores de Fe e toxicidade, e nos fígados suspeita-se de níveis de Zn alterados. Efluentes da mineração, incluindo a DAM, após o tratamento por floculação e/ou decantação e/ou flotação e alcalinização mantiveram toxicidade mesmo com os metais reduzidos para concentrações não tóxicas à D. magna. Creditou-se a toxicidade remanescente a hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HPAs, determinada por CG/MS). Foram testados três adsorventes de baixo custo na retenção de metais (Fe, Ni, Cd, Mn, Zn, Cr e Pb) em soluções ácidas multimetais: casca de arroz (CA), carvão de casca de arroz (CCA) e turfa e carvão ativado comercial (CAC – adsorvente de confronto). As quantidades máximas adsorvidas dos metais (mg) por massa de sorbente (g) - qm, somatório dos metais, foram: CA 75,46 mg g-1; CAC 78,2 mg g-1; turfa 111,3 mg g-1 e CCA 137,49 mg g-1, (Langmuir e Freundlich - não linear). A toxicidade dos metais para D. magna destes eluatos foi reduzida. Foram preparados compósitos a partir de casca de arroz com deposição in situ de TiO2 (CCT – carbon covered with titanium), e testados como catalisador em Processos Oxidativos Avançados (POA). Os catalisadores TiO2 (P25 Degussa) e CCTs (25 e 50% de TiO2) em POA mostraram remoção dos HPAs e da toxicidade (D. magna e Scenedesmus subspicatus) nos efluentes de mineração, adequando os níveis de toxicidade à legislação ambiental vigente (Portaria FATMA 017/02) com resultados superiores do CCT. Assim, a presente tese alega que o uso de adsorventes à base de carvão de casca de arroz é capaz de reter os metais tipicamente presentes em efluentes ácidos (mineração de carvão), e que a toxicidade remanescente nestes efluentes, devida aos HPAs, pode ser reduzida pelo uso de POA, com incremento de eficiência quando o compósito CCT aqui desenvolvido é utilizado. / The concentration of Fe, Ni, Cd, Mn, Zn, Cr and Pb, determined by TXRF, was investigated in matrixes as water, sediment and fish liver, sampled at mining of coal region rivers from Criciúma - SC/Brazil – targets by acid mine drainage (ADM) discards. The relation of these metals with toxicity to Daphnia magna bioindicator (24 and 48 h) was evaluated, being established a correlation between [Fe]soluble and toxicity to D. magna in water samples. In sediments, correlation between Fe levels and toxicity was observed, and in liver Zn levels were altered. Mining effluents including AMD, after treatment by flocculation and/or decantation and/or flotation and alkalinization remain toxic even when metal concentrations had been reduced to levels which would be non toxic to D. magna. Residual toxicity was accounted to the presence of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs, determined by GC/MS). Three low cost adsorbents were tested in metal retention (Fe, Ni, Cd, Mn, Zn, Cr and Pb) from multielemental acid solution: rice husk (RH), rice husk carbon (RHC), peat and commercial activated carbon (CAC – confront adsorbent). The maximum quantity of adsorbed metals (mg) by sorbent mass (g) - qm, as metals sum, were: CA 75.46 mg g-1; CAC 78.2 mg g-1; peat 111.3 mg g-1 and CCA 137.49 mg g-1, (Langmuir and Freundlich – non linear). The metal toxicity to D. magna of these eluates was reduced. Composites from rice husk with in situ deposition of TiO2 were synthesized (CCT – carbon covered with titanium), and tested as catalyst in advanced oxidative process (AOP). The catalysts TiO2 (P25 Degussa) and CCTs (25 e 50% de TiO2) in AOP showed PAHs and toxicity remotion (D. magna and Scenedesmus subspicatus) on mining effluents, adjusting toxicity levels to environmental legislation in force (FATMA 017/02), with best results to CCT. Then, the present thesis argues that rice husk carbon adsorbents is capable of retaining the metals typically presents in acid effluents (coal mining), and that remain toxicity in these effluents, from PAHs, can be reduced by AOP use, with efficient increasing when the composite here developed (CCT) is employed.

A disposição de rejeitos com potencial de geração de acidez e consequente geração de drenagem ácida de mina (DAM) é um dos grandes problemas ambientais enfrentados pela indústria da mineração de carvão, pois a disposição inadequada contamina a água e o solo. A DAM é uma solução aquosa caracterizada por possuir pH geralmente abaixo de 3 e diversos metais dissolvidos. Devido a essas características, a DAM representa grandes riscos ambientais, em especial, aos recursos hídricos, em consequência da solubilização e mobilização de metais pesados. Este problema requer estudos no sentido de encontrar soluções que venham a minimizar os danos causados ao meio ambiente. A utilização de metodologias alternativas para a disposição dos rejeitos de mineração de carvão constitui em uma estratégia básica para a viabilidade de tais empreendimentos. Visando atender a esta necessidade, o presente trabalho estudou o controle da geração da DAM pelo método de aditivos alcalinos com o uso de escória de aciaria elétrica do forno panela (EAE-FP). A metodologia do trabalho incluiu a caracterização dos materiais, ensaios estáticos e ensaios cinéticos. Os ensaios estáticos foram realizados pelo método de contabilização de ácidos e bases, enquanto que os ensaios cinéticos foram realizados pelo método de células úmidas. Após foi realizada a mistura do rejeito de carvão com a EAE-FP em diferentes dosagens e foram dispostas a céu aberto, sujeitas à precipitação pluviométrica. Esses ensaios tiveram por objetivo uma melhor compreensão dos materiais em ambiente controlado e expostos ao intemperismo. Os resultados demonstram que a água que percolou pelo rejeito de carvão apresentou-se ácida e a água que percolou pela EAE-FP, alcalina. Contudo, os problemas ambientais podem ser em grande parte resolvidos pela mistura do rejeito de carvão com EAE-FP em uma proporção de RC:EAE-FP 10:10 estabelecida pelos ensaios estáticos. Os ensaios cinéticos e o experimento ao ar livre demonstram que durante vários meses de ensaios, na proporção RC:EAE-FP 10:10, ocorre um aumento do pH e uma redução na liberação de acidez, metais e sulfatos na água lixiviada. Análises adicionais de toxicidade para o microcrustáceo (Daphnia similis), peixes (Pimephales promelas) e algas (Pseudokirchneriella subcapitata) mostraram que o lixiviado da proporção RC:EAE-FP 10:15, apresentou níveis menores de toxicidade do que o lixiviado da proporção RC:EAE-FP 10:10, além da redução na liberação da acidez, metais e sulfato. Os resultados demonstraram a eficácia do método na qualidade da água de percolação tanto em termos de pH, concentrações de metais e toxicidade do efluente. Pode-se concluir que o método de contabilização de ácidos e bases mostra-se adequado para definir a proporção de mistura dos materiais. Essas misturas podem ser empregadas no controle da DAM tanto em depósitos de rejeitos em superfícies como no retorno dos rejeitos de carvão para o subsolo. / The waste disposal with potential to generate acidity and consequent generation of acid mine drainage (DAM) is one of the major environmental problems facing the coal mining industry since the improper disposal contaminates water and soil. DAM is an aqueous solution characterized by having pH below 3 and typically many dissolved metals. Due to these characteristics, the DAM is major environmental risks, especially to water resources as a result of solubilization and mobilization of heavy metals. This problem requires studies to find solutions that will minimize damage to the environment. The use of alternatives for the disposal of tailings coal mining methodologies constitutes a basic strategy for the viability of such projects. Aiming to address this need, this paper studied the control of the generation of DAM by alkali additives method with the use of the ladle slag of electric steelmaking (LSES). The methodology of the study included the characterization of materials, static tests and kinetic assays. The static tests were performed by the recording method of acids and bases, while kinetic assays were performed by the method of wet cells. Upon mixing coal tailing was performed with the LSES in different dosages and were placed in the open, subject to rainfall. These tests were aimed at a better understanding of the materials in a controlled environment and exposed to weathering. The results demonstrate that water leached by coal waste is introduced and acid leached by water LSES alkaline. However, environmental problems can be largely solved by mixing the coal waste with LSES in a ratio of CW:LSES 10:10 established by static tests. Kinetic assays and outdoor experiment demonstrate that several months of tests, the ratio CW:LSES 10:10, there is an increase in pH and a reduction in the release of acidity, metals and sulphate in the leach water. Further analysis of toxicity microcrustacean (Daphnia similis), fish (Pimephales promelas) and algae (Pseudokirchneriella subcapitata) showed that the proportion leached CW:LSES 10:15, showed lower levels of toxicity than the proportion of leached CW:LSES 10:10, besides the reduction in the release of acidity, metals and sulfate. The results demonstrated the effectiveness of the method on the quality of percolating water in terms of pH, metal concentration and toxicity of the effluent. It can be concluded that the method of recording of acids and bases proves to be adequate to set the mixing ratio of the materials. These blends can be used to control both DAM tailings deposits on surfaces such as the return of waste coal underground.

O presente trabalho teve, por objetivo principal, analisar a remoção de sulfato em águas de drenagem ácida de minas em dois tipos de reatores anaeróbios, um com crescimento granular (UASB) e outro com biomassa aderida (RAHLF). Estudos anteriores publicados na literatura apresentam resultados positivos quanto ao tratamento anaeróbio de drenagem ácida de minas, entretanto, na maioria deles, é aplicado um tratamento preliminar à água residuária antes do tratamento principal. Esse trabalho avaliou a operação de reatores anaeróbios sem prévio tratamento da drenagem ácida sob diferentes variáveis. Para o reator anaeróbio horizontal de leito fixo (RAHLF), foram analisadas as variáveis relação DQO/\'SO IND.4\'POT.2-\', correção do pH afluente, carga de sulfato aplicada e a recirculação da fase líquida. Os resultados mostraram que a redução da carga de sulfato aplicada foi o fator determinante para os bons resultados de remoção, encontrados ao longo da operação dos reatores (70% de remoção de sulfato e 75% de remoção de DQO). A relação DQO/\'SO IND.4\'POT.2-\' também foi importante e quando utilizada a relação estequiométrica de 0,67, a eficiência de remoção de sulfato atingiu níveis superiores a 70% com pequeno acúmulo de ácido acético no efluente. Para a operação do reator anaeróbio de manta de lodo (UASB), as variáveis analisadas foram o volume da manta de lodo, a relação DQO/\'SO IND.4\'POT.2-\', a carga de sulfato aplicada e a recirculação da fase líquida. Como para o RAHLF, a redução da carga de sulfato aplicada foi essencial para o melhor funcionamento do UASB. A relação DQO/\'SO IND.4\'POT.2-\' de 1,0 promoveu melhora na eficiência do reator, quando comparada à relação estequiométrica e a recirculação no reator só foi positiva quando realizada com água de abastecimento, tendo o reator entrado em colapso quando a recirculação foi realizada com o efluente tratado. / The main objective of this work was to evaluate the sulfate removal from acid mine drainage in two types of anaerobic reactors, one with a granular sludge (UASB) and another with immobilized biomass (HAIB reactor). Previous published studies have showed positive results for the anaerobic treatment of acid mine drainage, however, in most of them, it was applied a pre-treatment operation. This study evaluated the operation of anaerobic reactors without pre-treatment of the acid mine drainage under different parameters. The parameters COD/\'SO IND.4\'POT.2-\' ratio, correction of affluent pH, sulfate loading and recirculation of the liquid phase were tested for horizontal-flow anaerobic immobilized biomass (HAIB) reactor. The results showed that the decrease in the sulfate loading was a determining factor for the successful sulfate removal found throughout the operation of the reactors. The COD/\'SO IND.4\'POT.2-\' ratio was also important and the removal efficiency of sulfate reached levels above 70% with a small accumulation of acetic acid in the effluent when using stoichiometric ratio of 0.67. For the operation of the upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor, the parameters were the volume of the sludge blanket, the COD/\'SO IND.4\'POT.2-\' ratio, the sulfate loading and the recirculation of the liquid phase. Similarly ti the HAIB reactor, reducing the sulfate load was essential for obtaining better results. The COD/\'SO IND.4\'POT.2-\' ratio of 1.0 showed a improved sulfate removal efficiency for the UASB reactor when compared to stoichiometric ratio at 0.67 ant the recirculation in this reactor was only positive when carried out with tap water. The UASB reactor collapsed when recirculation was carried out whit the treated effluent.

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No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) TESE.pdf: 6406097 bytes, checksum: d7e90d4c5b8540ce3480587c0129fc13 (MD5) Previous issue date: 2014-09-09 / Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / O carvão mineral e rochas associadas podem conter pirita, que ao entrar em contato com ar ou água sofre oxidação, produzindo ácido sulfúrico. Essa acidez acelera dissolução dos minerais do solo e aumenta a concentração de metais pesados na solução do solo, criando a drenagem ácida da mina que contamina as águas superficiais e subsuperficiais. Este estudo teve o objetivo de investigar o efeito da drenagem ácida nas propriedades químicas e na retenção da solução do solo construído numa área de mineração de carvão em Candiota, RS. Foram abertas trincheiras e coletadas amostras deformadas e indeformadas, em quatro profundidades (0-10; 40-50; 100-110; 190-200 cm), bem como instalados lisímetros de sucção e sensores de umidade, em perfis de solos construídos de diferentes idades e morfologia (sem terra vegetal: MII-T1 – 28 anos; com terra vegetal: MIV-T1 – 18 anos, MIV-T2 – 17 anos, MVII-T3 – 10 anos, MIV-T4 – 4 anos). Nas amostras deformadas foram realizadas análises físicas e químicas básicas (granulometria, pH (em água, em CaCl2), índice SMP, cátions trocáveis, acidez potencial e carbono orgânico), metais extraídos pelo método US-EPA3050, o potencial de acidificação (PA) e de neutralização (PN) pelo método do peróxido de hidrogênio, bem como a mineralogia, analisada por difratometria de raios X na forma de pó na amostra total. Para a coleta de solução do solo a campo foram instalados lisímetros de sucção (ecoTech, Bonn, Germany) e o monitoramento da umidade do solo foi feito com sensores de umidade (Watermark). A obtenção da solução do solo em laboratório foi feita pelo método do extrato da pasta saturada. Os metais e os cátions básicos das soluções do solo obtidas pelos dois métodos foram analisadas por ICP-OES e o Si e o S determinados por espectroscopia UVvisível e os resultados comparados por testes não paramétricos e em diagramas de estabilidade mineral. Foram obtidas curvas de retenção de solução do solo por câmara de Richards e pelo WP-4 e calculada a capacidade de água disponível em função do potencial osmótico. Concluiu-se que (a) todas camadas de estéril dos solos construídos possuem potencial de acidificação e que as camadas de terra vegetal e argila (malhas IV e VII) apresentaram potencial líquido positivo (não geradoras de acidez), indicando estarem livres de contaminação por sulfetos; (b) ambos os métodos de extração de solução do solo se mostraram equivalentes em termos de concentração de íons extraídos, conforme teste não paramétrico de Mann-Whitney; porém os diagramas de estabilidade mineral mostraram comportamento discrepante em função da maior atividade do Al na solução extraída com a pasta saturada em laboratório, mais diluída; (c) a solução do solo, por ambos métodos, confirmam a formação de drenagem ácida em profundidade, mesmo nas áreas com cobertura de terra vegetal ou argila (malhas IV e VII), indicando que essas camadas não são suficientes para conter ou minimizar o processo de geração de drenagem ácida; (d) na solução do solo foram encontrados valores acima do permitido para consumo humano para vários elementos (S, Cu, Zn, Fe, Mn, Cd, Cr, Ni, Pb, Se e As), como resultado do processo ativo de sulfurização, contrastando com a extração pelo método USEPA 3050, que indica somente valores acima para As e Se; (e) os estéreis de mineração dos solos construídos retém solução do solo com maior energia em relação às camadas superficiais (terra vegetal e argila) em função do caráter da porosidade dos estéreis, oriundo de processos litogênicos (diagênese), que aliada ao elevado potencial osmótico, reduz a quantidade de água disponível as plantas e (f) o monitoramento da variação da umidade do solo nos perfis dos solos construídos mostrou que as camadas de terra vegetal e de argila, em função da menor capacidade de retenção de água, mesmo quando saturadas, apresentaram menores níveis de umidade do solo ao longo do tempo do que as camadas mais profundas, compostas pelos estéreis de mineração. / The coal and associated rocks may contain pyrite, which undergoes oxidation, when in contact with air or water producing sulfuric acid. This acidity accelerates the dissolution of minerals from the soil and increase the concentration of heavy metals in the soil solution, creating the acid mine drainage which contaminates surface and subsurface waters. This study aimed to investigate the effect of acid mine drainage on the chemical properties and retention of the soil solution in constructed soil in coal mining area in Candiota, RS. Pits were opened and disturbed and undisturbed samples were collected at four depths (0-10, 40-50, 100-110, 190-200 cm) and suction lysimeters and humidity sensors were installed in soil constructed soil profiles of different ages and morphology (without topsoil: MII-T1 - 28 years; with topsoil: MIV-T1 - 18 years, MIV-T2 – 17 years, MVII-T3 - 10 years, MIV-T4 - 4 years). In the disturbed samples basic physical and chemical analysis were performed (particle size, pH (in water, CaCl2), SMP index, exchangeable cations, potential acidity and organic carbon), as well as metals extracted by the US-EPA3050 method, acidification (AP) and neutralization potential (PN) by the hydrogen peroxide method, and mineralogy, analyzed by X-ray diffraction in powder (total sample). In the field, suction lysimeters (Ecotech, Bonn, Germany), to collect soil solution, and moisture sensors (Watermark), to monitor the moisture, were installed. Soil solution were also extracted in the laboratory, by the saturated paste extract method. Metals and basic cations in soil solutions obtained by the two methods were analyzed by ICP-OES and Si and S determined by UV-visible spectroscopy and the results compared by nonparametric tests and mineral stability diagrams. Soil solution retention curves were determined with Richards chambers and by WP-4, and the available water capacity taking into account the osmotic potential. It was concluded that (a) all layers of mine overburden materials showed acidification potential while top soil and clay layers (MIV and MVII) had a positive net potential (non-acid generation), indicating the they were free from sulfides contamination; (b) both methods of extraction of soil solution showed to be equivalent in terms of concentration of extracted ions as analyzed by non-parametric Mann-Whitney test; but the mineral stability diagrams showed different behavior due to the higher activity of Al in solution extracted with saturated paste in the laboratory, more diluted; (c) the soil solution, by both methods, confirm the formation of acid drainage in depth, even areas covered by topsoil or clay layers (MIV MVII), indicating that these layers are not sufficient to contain or minimize the generation of acid mine drainage; (d) in soil solution values above the allowed for human consumption for various elements (S, Cu, Zn, Fe, Mn, Cd, Cr, Ni, Pb, Se and As) as a result of the active process of desulfurization were found, contrasting with the metals extracted by the USEPA 3050 method, that indicates that values above the allowed only to As and Se; (e) the overburden materials retain soil solution with higher energy than the topsoil and clay layers due to the character of their porosity, originated by lithogenic processes (diagenesis), which allied to the high osmotic potential, reduces the amount of plant available water and (f) the monitoring of the soil moisture in the constructed soil profiles showed that the topsoil and clay layers, due to the lower water holding capacity, even when saturated, showed lower levels of soil moisture over time than the deeper layers, composed by mine overburden.

Waste rocks (WRs) from coal mining and fly ash (FA) from coal combustion were studied to determine the potential of the WRs to generate AMD, FAs to neutralise it and estimate their impacts on environment. The ultimate goal was to develop a methodology based on co-disposal to mitigate the environmental problems associated to both wastes. Two methods for co-disposal were tested: i) Mixing WRs and FAs and ii) covering WRs with FAs. WRs were sampled from the Lakhra coal mines in Pakistan (PK), which has an estimated coal reserves of 1.3 Btonne, varying from lignite to sub-bituminous quality. The FA was sampled from a power plant utilising coal from Lakhra coal mines and is situated in close vicinity (15km) of the mine site. For comparative purposes a bituminous FA from Finland (FI) and biomass FA from Sweden (SE) were also characterised. The WRs and FA samples were characterised by mineralogical and geochemical methods. Besides organic material (coal traces), quartz, pyrite, kaolinite, hematite, gypsum and traces of calcite, lime, malladerite, spangolite, franklinite and birnessite were identified in WRs by XRD. The major elements Si, Al, Ca and Fe were in the range (wt. %) of 8 – 12, 6 – 9, 0.3 – 3 and 1 – 10, respectively, with high S concentrations (1.94 – 11.33 wt. %) in WRs. The AMD potential of WRs ranged from -70 to -492 kg CaCO3 tonne-1. All FAs contained quartz, with iron oxide, anhydrite and magnesioferrite in PK, mullite and lime in FI and calcite and anorthite in SE. The Ca content in SE was 6 and 8 times higher compared to PK and FI, respectively. FAs were enriched in As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb and Zn compared to continental crust. The acid neutralising potential of PK was equivalent to 20 kg CaCO3 tonne-1 compared to 275 kg CaCO3 tonne-1 (SE) and 25 kg CaCO3 tonne-1 (FI). During the period of 192 days in weathering cell experiments (WCE), the pH of leachates from most acidic WRs was maintained from 1 to 2.5, whereas, the less acidic WRs produced leachates of mildly acidic (2.7) to neutral (7.3) pH. The leachates from very acidic WRs ranged in the concentrations of Fe, SO24− and Al from mg L-1 to g L-1. The samples were subjected to column leaching experiments (CLE) in which mixture (FA:WR; 1:3) and cover (FA:WR; 1:5) cases were mimicked (with 10mm particle size) and effects of particle size (2, 5 and 10mm) on element leaching were studied. Despite having the lowest acid-neutralisation potential compared to FI and SE, co-disposal of PKFA as mixture readily provides acid buffering minerals, resulting in better start-up pH conditions and leachate quality. However, acidity produced by secondary mineralisation contributes towards the acidification of the system, causing stabilisation of pH at around 4.5−5. Secondary mineralisation (especially Fe- and Al-mineral precipitation) also removes toxic elements such as As, Pb, Cu, Zn, Cd, Co, Ni and Mn, and these secondary minerals can also buffer acidity when the pH tends to be acidic. In contrast, the pH of the leachates from the PKFA cover scenario gradually increased from strongly acidic to mildly acidic and circumneutral along with decrease in EC and elemental leaching in different WRs. Gradually increasing pH can be attributed to the cover effect, which reduces oxygen ingress, thus sulphide oxidation, causing pH to elevate. Due to the fact that pH~4–5 is sufficient for secondary Fe- and Al-mineral precipitation which also removes toxic elements (such as Cd, Co, Cu, Zn and Ni) by adsorption and/or co-precipitation, the FA cover performs well enough to achieve that pH until the conclusion of the CLE. However, due to the slower reactivity of the buffering system (additional to the initial flush-out), leaching in the beginning could not be restricted. The co-disposal of FA as cover and/or mixture possesses potential for neutralisation of AMD and improving leachate quality significantly. Particle size of the WRs affected the leaching of the sulphide related elements (such as Fe, S, Zn, Co, Cr, Cu, Mn and Ni) in CLE and WCE. Experiments with ≤1mm particle size constantly produced acidic and metal laden leachates. Co-disposal of FA and WRs as cover and mixture need to be investigated on pilot-scales before full-scale application.

M.Sc. (Zoology) / Sediment contamination occurs as a result of various anthropogenic activities; mainly through mining-, agricultural- and industrial practices. Many of the contaminants arising from these activities enter the aquatic system and precipitate from the surrounding water, binding to sediment particles. In the sediment compartment, these contaminants reach concentrations much higher than in solution with the overlying water. Even though the quality of the overlying water may prove acceptable in accordance to water quality uidelines, an aquatic system may still be at risk from the contaminated sediment. If the contaminated sediment were to be disturbed through flooding, bioturbation or changes in the water chemistry, these contaminants will desorb into the water column and as a result be detrimental to life forms in contact and dependent on that water source. Monitoring sediment has been a widespread initiative internationally and has led to the development of various sediment toxicity test methods, including different bioassays. This study focused on sediment bioassays such as the Phytotoxkit-F and Ostracodtoxkit-F, and the Diptera bioassay to assess the sediment quality of the Tweelopiespruit-Rietspruit-Bloubankspruit (TRB) river system in Gauteng, South Africa. This river is known to be impacted by acid mine drainage (AMD) since late August 2002. Exposure of the bioassays to river sediment from preselected sampling sites (Site 1, closest to the mine, to Site 6, furthest from the mine, and Site 7, the reference site) provided an eco-toxicological estimation of the acute toxicity emanating from contaminants in the sediment. Physico-chemical analyses revealed high concentrations of metals and other contaminants in the water and sediment. A general linear decrease in contaminant concentrations was observed from Site 1 to Site 6. The results from the bioassays displayed a similar trend, since there were greater sensitivities (mortalities and growth inhibition) to sediments sampled closer to the mine. Due to high levels of contamination in sediments, compared to the overlying water, and the potential impact on aquatic organisms, sediment toxicity monitoring should be a compulsory requirement for environmental studies in South Africa

Magister Scientiae - MSc / The objective of this study was to investigate the feasibility of the application of low cost high capacity inorganic ion exchange material, synthesized form collected fly ash and acid mine drainage solid residues, for the decontamination of secondary co-disposal process waters, with emphasis on investigating the processes governing the solid/solution interface. / South Africa

A disposição de rejeitos com potencial de geração de acidez e consequente geração de drenagem ácida de mina (DAM) é um dos grandes problemas ambientais enfrentados pela indústria da mineração de carvão, pois a disposição inadequada contamina a água e o solo. A DAM é uma solução aquosa caracterizada por possuir pH geralmente abaixo de 3 e diversos metais dissolvidos. Devido a essas características, a DAM representa grandes riscos ambientais, em especial, aos recursos hídricos, em consequência da solubilização e mobilização de metais pesados. Este problema requer estudos no sentido de encontrar soluções que venham a minimizar os danos causados ao meio ambiente. A utilização de metodologias alternativas para a disposição dos rejeitos de mineração de carvão constitui em uma estratégia básica para a viabilidade de tais empreendimentos. Visando atender a esta necessidade, o presente trabalho estudou o controle da geração da DAM pelo método de aditivos alcalinos com o uso de escória de aciaria elétrica do forno panela (EAE-FP). A metodologia do trabalho incluiu a caracterização dos materiais, ensaios estáticos e ensaios cinéticos. Os ensaios estáticos foram realizados pelo método de contabilização de ácidos e bases, enquanto que os ensaios cinéticos foram realizados pelo método de células úmidas. Após foi realizada a mistura do rejeito de carvão com a EAE-FP em diferentes dosagens e foram dispostas a céu aberto, sujeitas à precipitação pluviométrica. Esses ensaios tiveram por objetivo uma melhor compreensão dos materiais em ambiente controlado e expostos ao intemperismo. Os resultados demonstram que a água que percolou pelo rejeito de carvão apresentou-se ácida e a água que percolou pela EAE-FP, alcalina. Contudo, os problemas ambientais podem ser em grande parte resolvidos pela mistura do rejeito de carvão com EAE-FP em uma proporção de RC:EAE-FP 10:10 estabelecida pelos ensaios estáticos. Os ensaios cinéticos e o experimento ao ar livre demonstram que durante vários meses de ensaios, na proporção RC:EAE-FP 10:10, ocorre um aumento do pH e uma redução na liberação de acidez, metais e sulfatos na água lixiviada. Análises adicionais de toxicidade para o microcrustáceo (Daphnia similis), peixes (Pimephales promelas) e algas (Pseudokirchneriella subcapitata) mostraram que o lixiviado da proporção RC:EAE-FP 10:15, apresentou níveis menores de toxicidade do que o lixiviado da proporção RC:EAE-FP 10:10, além da redução na liberação da acidez, metais e sulfato. Os resultados demonstraram a eficácia do método na qualidade da água de percolação tanto em termos de pH, concentrações de metais e toxicidade do efluente. Pode-se concluir que o método de contabilização de ácidos e bases mostra-se adequado para definir a proporção de mistura dos materiais. Essas misturas podem ser empregadas no controle da DAM tanto em depósitos de rejeitos em superfícies como no retorno dos rejeitos de carvão para o subsolo. / The waste disposal with potential to generate acidity and consequent generation of acid mine drainage (DAM) is one of the major environmental problems facing the coal mining industry since the improper disposal contaminates water and soil. DAM is an aqueous solution characterized by having pH below 3 and typically many dissolved metals. Due to these characteristics, the DAM is major environmental risks, especially to water resources as a result of solubilization and mobilization of heavy metals. This problem requires studies to find solutions that will minimize damage to the environment. The use of alternatives for the disposal of tailings coal mining methodologies constitutes a basic strategy for the viability of such projects. Aiming to address this need, this paper studied the control of the generation of DAM by alkali additives method with the use of the ladle slag of electric steelmaking (LSES). The methodology of the study included the characterization of materials, static tests and kinetic assays. The static tests were performed by the recording method of acids and bases, while kinetic assays were performed by the method of wet cells. Upon mixing coal tailing was performed with the LSES in different dosages and were placed in the open, subject to rainfall. These tests were aimed at a better understanding of the materials in a controlled environment and exposed to weathering. The results demonstrate that water leached by coal waste is introduced and acid leached by water LSES alkaline. However, environmental problems can be largely solved by mixing the coal waste with LSES in a ratio of CW:LSES 10:10 established by static tests. Kinetic assays and outdoor experiment demonstrate that several months of tests, the ratio CW:LSES 10:10, there is an increase in pH and a reduction in the release of acidity, metals and sulphate in the leach water. Further analysis of toxicity microcrustacean (Daphnia similis), fish (Pimephales promelas) and algae (Pseudokirchneriella subcapitata) showed that the proportion leached CW:LSES 10:15, showed lower levels of toxicity than the proportion of leached CW:LSES 10:10, besides the reduction in the release of acidity, metals and sulfate. The results demonstrated the effectiveness of the method on the quality of percolating water in terms of pH, metal concentration and toxicity of the effluent. It can be concluded that the method of recording of acids and bases proves to be adequate to set the mixing ratio of the materials. These blends can be used to control both DAM tailings deposits on surfaces such as the return of waste coal underground.

Beim Bergbau werden bestehende Ökosysteme in großem Maße beeinflusst. Im ehemaligen Uranbergwerk Königstein (Sachsen) wurde die Umwelt durch den Einsatz von chemischen Säuren zur Lösung des Urans aus dem Erz (Laugung) in Folge der Verschiebung des pH-Wertes zusätzlich belastet. Durch diesen Prozess entstand eine Umgebung, die einen niedrigen pH-Wert und hohe Konzentrationen an gelösten Schwermetall-Ionen aufweist. Die komplexe mikrobielle Lebensgemeinschaft verschob sich daraufhin, indem sich bevorzugt säuretolerante und Schwermetall-tolerante Mikroorganismen durchsetzten. Diese Mikroorganismen wurden durch die Flutung der unter Tage Schächte im Jahr 2010 in ihrer Zusammensetzung erneut beeinflusst. In dieser Arbeit wurde die mikrobielle Biozönose nach Flutung der unter Tage Schächte des ehemaligen Uranbergwerkes Königstein charakterisiert und mit den Ergebnissen der mikrobiellen Diversität vor dem Flutungsprozess verglichen. Hierfür kam ein breites Spektrum an Methoden zum Einsatz, das klassische mikrobiologische Methoden und molekularbiologische Techniken umfasste. Die Analysen erfolgten dabei über mehrere Jahre hinweg, um die Variabilität der mikrobiellen Population im Grubenwasser planktonisch und im Biofilm zu erfassen.