Abstract Millions of tons of mine tailings are generated worldwide annually. Since many valuable metals such as Ag, Cu, Pb, Zn, Au and Ni are usually incorporated into sulphidic minerals, a large proportion of the tailings generated contain high amounts of sulphates and heavy metals. Some of these tailings are used as paste backfill material at mining sites, but large amounts are still being deposited into the tailings dams under water coverage. Sulphidic minerals are stable underground but after mining of the ore and several processing steps these minerals can be oxidized when they come into contact with water and air. This oxidation generates acid and thus reduces the pH of the surrounding environment. Furthermore, the heavy metals present in the mine tailings can be leached into the environment. This phenomenon, called Acid Mine Drainage (AMD), is one of the most critical environmental issues related to the management of sulphidic-rich tailings. Since AMD generation can still occur hundreds of years after closure of the mine, the mine tailings need stable, sustainable and economically viable management methods in order to prevent AMD production in the long term. The aim of this PhD thesis was to study various solidification/stabilization (S/S) methods for the immobilization of sulphidic mine tailings. The main focus was to develop a suitable chemical environment for achieving effective heavy metal (mainly arsenic) and sulphate immobilization while simultaneously ensuring good mechanical properties. Three treatment methods were tested: alkali activation, stabilization using hydrated lime (Ca(OH)2) and blast furnace slag (GBFS), and calcium sulphoaluminate-belite (CSAB) cement stabilization. The mine tailings used in this study contained large amounts of sulphates and heavy metals such as Cr, Cu, Ni, Mn, Zn, V and As. The leaching of arsenic and sulphates from powdered tailings exceeded the legal limits for regular and inert waste. All treatment methods were found to generate a hardened matrix that was suitable for use as a backfilling or construction material, but the calcium-based binding system was the most suitable for effective immobilization of all the heavy metals (including arsenic) and the sulphates. Precipitation in the form of calcium sulphates/calcium arsenate and the formation of ettringite are the main stabilization methods employed in calcium-based stabilization/solidification (S/S) systems. Some evidence of physical encapsulation occurring simultaneously with chemical stabilization was noted. These results can be exploited further to develop more sustainable mine tailing management systems for use in the future. The tailings could be stored in a dry landfill area instead of in tailing dams, and in this way a long-term decrease in AMD generation could be achieved, together with a high potential for recycling. / Tiivistelmä Monet arvometallit kuten kulta, kupari ja nikkeli ovat sitoutuneena sulfidipitoisiin mineraaleihin. Louhittaessa ja rikastettaessa näitä sulfidimineraaleja syntyy miljoonia tonneja sulfidipitoisia rikastushiekkoja vuosittain. Rikastushiekat voivat sisältää myös runsaasti erilaisia raskasmetalleja. Osa rikastushiekoista hyödynnetään kaivostäytössä, mutta suurin osa rikastushiekoista läjitetään edelleen ympäristöön rikastushiekka-altaisiin veden alle. Kun sulfidipitoinen malmi kaivetaan ja käsitellään, sulfidiset mineraalit hapettuvat ollessaan kosketuksissa veden ja hapen kanssa. Hapettuessaan ne muodostavat rikkihappoa, laskien ympäristön pH:ta jolloin useimmat raskasmetallit liukenevat ympäristöön. Muodostuvia happamia kaivosvesiä voi syntyä vielä pitkään kaivoksen sulkemisen jälkeen ja ovat näin ollen yksi suurimmista kaivosteollisuuteen liittyvistä ympäristöongelmista. Lisäksi suuret rikastushiekka-altaat voivat aiheuttaa vaaraa myös ihmisille, mikäli altaan rakenteet pettävät. Rikastushiekkojen kestäviä ja ympäristöystävällisiä varastointimenetelmiä täytyy kehittää, jotta näitä ongelmia voidaan tulevaisuudessa ehkäistä. Tässä työssä tutkittiin menetelmiä, joilla kultakaivoksella syntyvät sulfidipitoiset vaaralliseksi jätteeksi luokitellut rikastushiekat saataisiin stabiloitua tehokkaasti. Työssä keskityttiin kolmeen erilaiseen menetelmään: alkali-aktivointiin, stabilointiin kalsiumhydroksidin ja masuunikuonan avulla ja stabilointiin CSAB sementin avulla. Valmistettujen materiaalien mekaanisia ja kemiallisia ominaisuuksia arvioitiin. Tavoitteena oli ymmärtää, miten eri menetelmät soveltuvat raskasmetallien (erityisesti arseenin) ja sulfaattien sitoutumiseen ja mikä on eri komponenttien rooli reaktioissa. Alkali-aktivoimalla rikastushiekkaa sopivan sidosaineen kanssa saavutettiin hyvät mekaaniset ominaisuudet ja useimmat haitta-aineet sitoutuivat materiaaliin. Ongelmia aiheuttivat edelleen sulfaatit ja arseeni. Kalsiumpohjaiset menetelmät sitoivat raskasmetallit (myös arseenin) ja sulfaatit tehokkaimmin. Sulfaatit ja arseeni saostuivat muodostaen niukkaliukoisia komponentteja kalsiumin kanssa. Samanaikaisesti rakenteeseen muodostui ettringiittiä, jolla on tutkitusti hyvä kyky sitoa erilaisia raskasmetalleja rakenteeseensa. Raskasmetallit myös kapseloituivat rakenteen sisään. Työn tuloksia voidaan hyödyntää, kehitettäessä rikastushiekkojen turvallista varastointia. Kun materiaalille saavutetaan riittävän hyvä lujuus ja kemiallinen stabiilius, rikastushiekat voitaisiin läjittää tulevaisuudessa kuivalle maalle altaan sijaan. Näin vältyttäisiin rikastushiekka-altaiden rakentamiselta ja voitaisiin vähentää happamien kaivosvesien muodostumista pitkällä ajanjaksolla. Saavutettujen tulosten perusteella rikastushiekkoja voidaan mahdollisesti tulevaisuudessa hyödyntää myös erilaisissa betonin tapaisissa rakennusmateriaaleissa.

Abstract Lime precipitation has been used for the treatment of mine water for decades; however, the impact of precipitation conditions is not adequately known. In this thesis, four aspects related to the removal of sulphate from mine water by lime precipitation are considered: the effect of magnesium on lime precipitation, the utilisation of by-products in lime precipitation, enhancement of lime precipitation, and utilisation of the precipitate. Sulphate removal in the presence of magnesium at the commonly used lime precipitation treatment pH of 9.6 was found unefficient as magnesium was keeping the sulphate soluble in the form of magnesium sulphate. At higher treatment pH of 11.5, magnesium that was naturally present in the mine water was shown to precipitate as magnesium hydroxide, which could serve as seed crystals for gypsum or co-precipitate sulphate thus enhancing sulphate removal. Quicklime manufacturing generates by-products that, currently, have few applications. The by-products examined in this study were successfully applied for mine water neutralization replacing commercial lime products. These by-products were found to remove sulphate equally well from the mine water. However, differences between by-products were observed in the consumption, and produced sludge quantities and qualities. An enhanced lime precipitation method is the precipitation as ettringite, which was used to reduce the sulphate content in mine water to less than the value set as the drinking water guideline in Finland. Furthermore, the formed precipitate was found to remove arsenate from the model solution. / Tiivistelmä Vaikka kalkkisaostusta on käytetty kaivosten vesienkäsittelyyn useiden vuosikymmenten ajan, tieto olosuhteiden vaikutuksesta käsittelyn tehokkuuteen sulfaatin poiston osalta on puutteellista. Tämä väitöskirja käsittelee sulfaatinpoistoa kaivosvesistä kalkkisaostuksen avulla neljällä eri osa-alueella: magnesiumin vaikutus kalkkisaostukseen, kalkinpolton sivutuotteiden hyödyntäminen kalkkisaostuksessa, kalkkisaostuksen tehostaminen ja muodostuvan saostuman hyödyntäminen. Magnesiumin todettiin kokeellisesti ja laskennallisesti haittaavan sulfaatin poistoa kaivosvedestä kalkkisaostuksessa yleisesti käytetyssä pH:ssa 9.6 pitämällä sulfaattia liukoisessa muodossa magnesiumsulfaattina. Korkeammassa pH:ssa 11.5 puolestaan kaivosveden luontaisesti sisältämän magnesiumin havaittiin kokeellisesti ja laskennallisesti saostuvan magnesiumhydroksidina, joka voi toimia siemenkiteinä kipsille tai kerasaostaa sulfaattia ja siten tehostaa sulfaatin poistoa. Kalkinpolton sivutuotteina muodostuu jakeita, joille ei tällä hetkellä ole juurikaan käyttökohteita. Tässä työssä käytettiin kalkinpolton sivutuotteita korvaamaan kaupallista kalkkia kaivosveden neutraloinnissa. Sivutuotteet poistivat sulfaattia yhtä tehokkaasti kuin kaupalliset kalkkituotteet. Sivutuotteiden välillä havaittiin eroja niiden kulutuksessa sekä muodostuvan lietteen määrässä ja laadussa. Saostuksella ettringiittinä, joka on tehostettu versio perinteisestä kalkkisaostuksesta, saavutettiin sulfaattipitoisuuden lasku alle Suomessa juomavedelle käytetyn suositusarvon. Lisäksi havaittiin muodostuneen ettringiittisaostuman olevan potentiaalinen materiaali arsenaatin poistoon vedestä.