Detta examensarbete utforskar hur övervakad naturlig självrening (ÖNS), en metod som utnyttjar naturens egna processer, kan användas i limniska miljöer för att minska toxiciteten och spridningen av metallföroreningar och därmed bidra till att förbättra ekosystemens hälsa. Fokus ligger på naturliga processer som kontrollerar metallföroreningar genom sorption eller sedimentering.Arbetet inleds med en presentation av en konceptuell modell för ÖNS som förklarar de viktigaste geokemiska processerna som påverkar metallers spridning i vattenmiljöer och betonar behovet av starka bevis på processernas effektivitet för att metoden ska kunna accepteras av både myndigheter och verksamhetsutövare.I studiens andra del redovisas en fallstudie på sjön Hornträsket, där historiska gruvaktiviteter har orsakat långvarig miljöpåverkan. Kemiska analyser av zink (Zn), kadmium (Cd) och koppar (Cu) i olika kontaktmedier (vatten, porvatten, sediment och sedimentfällor), tillhandahållna av Boliden Mineral AB, har undersökts för att bedöma sjöns kemiska tillstånd. Resultaten har även använts för modellering av framtida koncentrationsnivåer baserat på trender i metallhalter från 2014 till 2023. Sedan följer utvärdering av processer som avgör metallers spridning och ackumulation i sjön med hjälp av termodynamiska beräkningar i Phreeqc och Visual Minteq.Resultaten av denna studie visar att det halterna av Zn, Cd och Cu i sjövattnet minskar, men att halterna idag ändå överskrider miljökvalitetsnormerna för vattenförekomsten. Statistiska prognoser för halterna av zink och koppar indikerar en stabilisering för Zn och en potentiell minskning av halterna av Cd och Cu under de kommande åren. Metallhalterna i fallande sediment i sjön är lägre jämfört med övre sedimentlager, med en märkbar minskning av kopparnivåer i den norra delen av sjön. Baserat på resultaten från studien är det svårt att avgöra om metallerna kommer från sjöns naturliga avrinningsområde eller från tidigare gruvverksamhet, eller möjligen en kombination av båda källorna.Studien understryker att i Hornträsket, som generellt har ett genomsnittligt pH på 6,8 och övervägande oxiderande förhållanden, är adsorption en primär mekanism för att minska metallkoncentrationerna i sjövattnet. Närvaron av järn-, aluminium- och manganhydroxider och sekundära silikater kan främja adsorption av Zn och Cu, och i mindre grad Cd. Dessa resultat indikerar att den naturliga reningskapaciteten, även om den effektivt kan binda metaller i sediment, är en långsam process och det kan dröja innan den omfattande föroreningsbelastningen i sjövattnet minskar. ÖNS bör dock övervägas som en långsiktig underhållsstrategi ifall den kvarstående risken för återkontaminering av metaller från de förorenade sedimenten till vattenpelaren minimeras. På grund av osäkerheter i beslutsunderlaget och den komplexa inverkan från naturlig mineralisering krävs fortsatta undersökningar för att säkerställa ÖNS effektivitet och tillförlitlighet. / This thesis explores how monitored natural attenuation (MNA), a method that utilizes nature's own processes, can be applied in limnic environments to reduce the toxicity and spread of metal contaminants, thereby contributing to the improvement of ecosystem health. The focus is on natural processes that control metal pollution through sorption or sedimentation.The work begins with the presentation of a conceptual model for MNA, explaining the key geochemical processes influencing the distribution of metals in aquatic environments. It emphasizes the need for strong evidence of the processes' effectiveness for the method to be accepted by both authorities and operators.The second part of the study presents a case study of Lake Hornträsket, where historical mining activities have caused long-term environmental impact. Chemical analyses of zinc (Zn), cadmium (Cd), and copper (Cu) in various contact media (water, pore water, sediment, and sediment traps), provided by Boliden Mineral AB, were examined to assess the lake's chemical status. The results were also used to model future concentration levels based on trends in metal concentrations from 2014 to 2023. This is followed by an evaluation of processes determining the distribution and accumulation of metals in the lake using thermodynamic calculations in Phreeqc and Visual Minteq.The results of this study show that the levels of Zn, Cd, and Cu in the lake water are decreasing, but still exceed the environmental quality standards for the water body. Statistical forecasts for the levels of zinc and copper indicate stabilization for Zn and a potential decrease in the levels of Cd and Cu in the coming years. The metal levels in the falling sediment in the lake are lower compared to the upper sediment layers, with a noticeable reduction in copper levels in the northern part of the lake. Based on the study results, it is difficult to determine whether the metals originate from the lake's natural catchment area or from previous mining activities, or possibly a combination of both sources.The study emphasizes that in Lake Hornträsket, which generally has an average pH of 6.8 and predominantly oxidizing conditions, adsorption is a primary mechanism for reducing metal concentrations in the lake water. The presence of iron, aluminum, and manganese hydroxides and secondary silicates can promote the adsorption of Zn and Cu, and to a lesser extent Cd. These results indicate that the natural purification capacity, although effectively binding metals in the sediment, is a slow process, and it may take time before the extensive pollution load in the lake water decreases. However, MNA should be considered as a long-term maintenance strategy if the remaining risk of recontamination of metals from the contaminated sediments to the water column is minimized. Due to uncertainties in the decision-making basis and the complex impact of natural mineralization, further investigations are required to ensure the effectiveness and reliability of MNA.

I Mälardalens och Västra Götalands lerjordar har tidigare naturligt höga halter av kobolt och nickel respektive arsenik och koboly uppmätts. Med dagens nationella bakgrundshalter och generella riktvärden kan de naturliga lerjordarna i riskbedömningen felaktigt bedömas som förorenade och kan då behöva saneras i onödan. Projektet syftade till att bestämma bakgrundshalter för dessa ämnen i lerjord i Mälardalen och Västra Götaland med hjälp av data från Mark- och grödoinventeringen samt med data från denna studie. Vidare syftade studien till att undersöka lakbarheten av ämnena och den markekologiska risken för en mer hållbar riskbedömning. Bakgrundshalterna av kobolt och nickel i Mälardalen bestämdes till 16,2 mg/kg TS respektive 32 mg/kg TS vilket visade att bakgrundshalterna i Mälardalen är naturligt höga för kobolt och nickel. I Västra Götaland bestämdes bakgrundshalterna för arsenik och kobolt till 6,4 mg/kg TS respektive 12,8 mg/kg TS. Bakgrundshalten av Co är naturligt hög i lerjorden men bakgrundshalten av As är lägre än Naturvårdsverkets nationella bakgrundshalt, vilket visar att halten As inte är naturligt hög i lerjord i Västra Götaland.  Flera skakförsök utfördes som visade att lakbarheten av arsenik, kobolt och nickel var låg. Ett Kd-värde för att beskriva lakbarheten beräknades som visade att ämnena binds hårt i lerjord. När indata till Naturvårdsverkets riktvärdesmodell anpassades till lerjord ökade riktvärdena i jord för kobolt och nickel. För arsenik skedde ingen förändring. För kobolt och nickel innebär detta att högre halter kan tillåtas i jorden innan en oacceptabel risk uppstår vid jämförelse med dagens generella riktvärden. Se tabell 1 för  de föreslagna riktvärdena i lerjord tillsammans med Kd-värdena för arsenik, kobolt och nickel. Tabell 1. Rekommenderade riktvärden i lerjord och Kd-värden för arsenik, kobolt och nickel                                                                              Arsenik       Kobolt       Nickel Riktvärde i lerjord (KM) [mg/kg TS]           10              20              120 Riktvärde i lerjord (MKM) [mg/kg TS]         15             150             250 Kd-värde (p10) [l/kg TS]                           5 800         51 000        6 000 Lösligheten simulerades i Visual MINTEQ, en programvara som kan användas för att visualisera lakbarheten i en jord. För de undersökta lerjordarna överskattade modellerna lösligheten och dåliga anpassningar erhölls för kobolt och nickel. Det gick inte att förklara med den använda modellen varför metallerna binds så hårt till lerjorden.

This study focuses on the particle tracking of reactive transport with groundwater in a tailing dam, specifically at the Malmberget mine in Northern Sweden. Understanding the geochemical behaviour of major elements and trace metals in the subsurface environment with a focus on the tailings sand and moraine layers. The mobility and interactions of pollutants through a period of time were simulated using advanced modelling programmes such as FASTREACT, PHREEQC, and MIKE SHE.  The results reveal that major elements such as calcium (Ca), sodium (Na), and sulphate (SO₄) remain stable, indicating minimal geochemical reactions within the tailings sand layer. A decline in pH, primarily due to pyrite oxidation, highlights key geochemical changes. Trace metals, including cobalt (Co), copper (Cu), nickel (Ni), strontium (Sr), uranium (U), and zinc (Zn), maintain constant concentrations, attributed to the uniformity of processed water both as the infiltrating and existing solution in the tailings sand. In the moraine layer, the incoming water supersedes the existing water, achieving the concentration of the incoming water after subsurface mixing. Consequently, it is essential to assess the concentration reaching the lake to determine safety levels.  In the closure scenario, rainwater replaces the processed water as the infiltrating solution, resulting in gradual dilution and displacement of the original process water chemistry within the tailings sand. This natural attenuation process enhances subsurface water quality by reducing contaminant levels initially introduced by mining operations. In moraine, the incoming concentration from the sand supersedes that of the existing groundwater, leading to an increase in the concentration of the moraine layer. The study also examines travel times, indicating rapid particle movement through the sand layer and more variable travel times through the moraine layer, reflecting geological heterogeneities.  The study emphasises the importance to combine geochemical and hydrological models when evaluating tailings dam effects on the ecosystem in order to decrease the negative consequences of mining operations. The study recommends that future work should add dynamic situations and precise geochemical interactions to improve the knowledge of contaminant behaviour, while accepting limitations such as the assumption of steady-state flow and simplified geochemical processes.  Overall, this study contributes to the development of sustainable mining practices and the protection of surrounding water resources by providing a comprehensive analysis of a simple subsurface geochemical and hydrological processes and their impacts. / Denna studie fokuserar på partikelspårning av reaktiv transport med grundvatten i en avfallsdamm, specifikt vid Malmbergets gruva i norra Sverige. Förstå det geokemiska beteendet hos viktiga grundämnen och spårmetaller i den underjordiska miljön med fokus på avfallssand och moränlager. Föroreningarnas rörlighet och interaktioner under en tidsperiod simulerades med hjälp av avancerade modelleringsprogram som FASTREACT, PHREEQC och MIKE SHE.  Resultaten visar att huvudämnen som kalcium (Ca), natrium (Na) och sulfat (SO4) förblir stabila, vilket indikerar minimala geokemiska reaktioner i avfallssandskiktet. En minskning av pH, främst på grund av pyritoxidation, belyser viktiga geokemiska förändringar. Spårmetaller, inklusive kobolt (Co), koppar (Cu), nickel (Ni), strontium (Sr), uran (U) och zink (Zn), upprätthåller konstanta koncentrationer, vilket tillskrivs enhetligheten hos bearbetat vatten både som infiltrerande och befintlig lösning i avfallssanden. I moränskiktet ersätter det inkommande vattnet det befintliga vattnet och uppnår koncentrationen av det inkommande vattnet efter blandning under ytan. Följaktligen är det viktigt att bedöma koncentrationen som når sjön för att fastställa säkerhetsnivåer.  I stängningsscenariot ersätter regnvatten det processade vattnet som den infiltrerande lösningen, vilket resulterar i gradvis utspädning och förskjutning av den ursprungliga processvattenkemin i avfallssanden. Denna naturliga dämpningsprocess förbättrar vattenkvaliteten under ytan genom att minska föroreningsnivåerna som initialt introducerades av gruvdrift. I morän ersätter den inkommande koncentrationen från sanden den i det befintliga grundvattnet, vilket leder till en ökning av koncentrationen av moränlagret. Studien undersöker också restider, vilket indikerar snabb partikelrörelse genom sandlagret och mer varierande restider genom moränlagret, vilket återspeglar geologiska heterogeniteter.  Studien understryker vikten av att kombinera geokemiska och hydrologiska modeller vid utvärdering av avfallsdammseffekter på ekosystemet för att minska de negativa konsekvenserna av gruvdrift. Studien rekommenderar att framtida arbete bör lägga till dynamiska situationer och exakta geokemiska interaktioner för att förbättra kunskapen om föroreningars beteende, samtidigt som begränsningar som antagandet om steady-state flöde och förenklade geokemiska processer accepteras.  Sammantaget bidrar denna studie till utvecklingen av hållbara gruvdriftsmetoder och skyddet av omgivande vattenresurser genom att tillhandahålla en omfattande analys av en enkel underjordisk geokemiska och hydrologiska processer och deras effekter.

Löslighet och transport av sällsynta jordartsmetaller i Källfallsfältets gruvsandsmagasin Hugo de Campos Pereira Syftet med detta arbete har varit att kartlägga vilka mekanismer som styr lösligheten av sällsynta jordartsmetaller (eng. rare earth elements, REE) i sulfidhaltig anrikningssand vid den föredetta gruvan Källfallsfältet i Västmanland. För syftet har markvatten- och grundvattenprovtagning utförts, tillsammans med laktester och geokemisk modellering med Visual MINTEQ ver. 3.0. Resultaten visade att sulfidvittring är den främsta processen som styr pH i anrikningssanden, och därmed också indirekt REEs löslighet. Däremot är sulfidvittring ingen källa till REE i sig då ämnena inte föreligger sulfidbundna, något som oxiderat tillgänglighetstest NT ENVIR 006 visade. Istället går REE ut i lösning i anrikningssanden genom vittring av lättvittrade silikatmineral. Vanligtvis betraktas metall bunden i silikatform inte som geokemiskt aktiv. Jämförelser mellan laktester med olika jämviktstid visade att en kinetisk (tidsberoende) faktor föreligger, kopplad till nämnda silikatvittring, som påverkar pH och således också metallöslighet vid laktester på anrikningssanden. Vid jämförelse mellan laktester och halter i anrikningssandens mark- och grundvatten bör denna därmed vägas in. Det pH-statiska laktestet SIS-CEN/TS 14997 visade begränsad möjlighet att undersöka kinetik med anledning av att det utförs under förhållandevis kort tid, 48 timmar. REE- och Cu-halter vid syratitrering (de behandlingar med lägst syratillsatser) och enstegslakning (SIS-CEN ISO/TS 21268-2:2010) visade god, respektive förhållandevis god, överensstämmelse med uppmätta markvattenhalter. Detta visade att syratitrering och enstegslakning är laktest som är tillämpbara, respektive förhållandevis väl tillämpbara, för att uppskatta markvattenhalter i anrikningssanden. Specieringsmodellering med Visual MINTEQ ver. 3.0 visade att pH och DOC är de viktigaste parametrarna som styr REEs speciering i anrikningssandens mark-, grund och ytvatten. Samtliga REE bildar starka komplex med löst organiskt material, men koncentrationerna av DOC var generellt sett låga. I sura sulfatrika mark-, grund och ytvatten domineras specieringen av lösta sulfatkomplex, huvudsakligen (REE)SO4+, följt av fria hydratiserade joner som näst vanligaste förekomstform. Dessa resultat överensstämmer väl med tidigare modelleringsstudier av REEs speciering i sura sulfatrika vatten resulterande från gruvavfall. Med bakgrund av detta och av att REEs ekotoxicitet verkar överensstämma med den fria jon-modellen (eng. free ion model) förväntas REE uppvisa högre toxicitet vid låga pH-värden. / Solubility and transport of rare earth elements in the mine tailings of Källfallsfältet Hugo de Campos Pereira The mechanisms which govern the solubility of rare earth elements (REEs) in sulfide-containing tailings at the former mine site of Källfallsfältet (Västmanland, Sweden) were studied by the means of soil water and ground water sampling, leaching tests and geochemical modeling using Visual MINTEQ ver. 3.0. The results showed that weathering of sulfides is the primary process governing pH in the tailings, and thus also REE solubility. However, weathering of sulfides is no source for REE in itself since the elements are not bound in sulfides, which the oxidized availability test NT ENVIR 006 showed. Instead REE are released into solution by weathering of easily weathered silicates. Usually, metal bound in silicate form is not considered geochemically active. A kinetic (time dependent) factor, associated with the weathering of silicates, was found to affect pH and thus also metal solubility in leaching tests performed on the tailings. The standardized pH static leaching test (SIS-CEN/TS 14997) showed limitations in observing kinetic effects because of its relatively short equilibration time (48 h). Thus, in future studies with similar materials, leaching test kinetics should be taken into account when comparing leached concentrations with field measured concentrations. Acid titration and one step batch test (SIS-CEN ISO/TS 21268-2:2010) proved to be applicable and relatively well applicable to the tailings, respectively, in order to estimate soil solution concentrations. Speciation calculations using Visual MINTEQ ver. 3.0 showed that pH and DOC concentration are the most important factors which affect REE speciation in soil solution, ground water and surface water associated with the tailings. In acid sulfate rich solutions, low in DOC, speciation is dominated by sulfate complexes, mainly (REE)SO4+, followed by free dissolved ions as the second most common form. These results are in accordance with previous modeling studies of REE speciation in acid sulfate rich waters resulting from tailings. This, together with previous results showing that REE ecotoxicity seems to follow the free ion model, implies that the toxicity of the elements is expected to increase with decreasing pH value.