Impact of Sewage Sludge on Groundwater Quality at a Formerly Remediated Tailings Impoundment

Abstract

Sewage sludge can be a suitable, organic-rich substrate to promote vegetation of sulfide-mine tailings, but it may contain contaminants, that, when oxidized, can adversely affect underlying groundwater systems. The geochemical impact of a surface application of 12,000 metric tons of anaerobically-digested sewage sludge on the groundwater quality of a remediated sulfide-tailings impoundment in northern Sweden was evaluated to determine if sludge-borne metals and nitrate were released to the underlying groundwater system. Two years of data from a field-scale groundwater monitoring programme initiated just before the sludge application was compared to groundwater data from 1998 to 2006. Grass was successfully established within 2 years. However, until that occurred, elevated concentrations of sludge-borne metals (Cu, Ni, Pb, Zn) were released to the underlying groundwater. In addition, the release of nitrate likely exacerbated metal concentrations by providing an oxidant for pyrite in the underlying tailings. The release was periodic due to the establishment of the grass, which immobilized metals and nitrate in the sludge. Metals bound as organo-metallic complexes, due to dissolved organic carbon released from the sludge, migrated across the tailings impoundment. Model simulations indicate that the plume will take 6 years to exit the groundwater environment. Though the impacts are relatively short-term, this type of application should be reconsidered in the future.

Zusammenfassung

Klärschlamm kann ein passendes, an organischen Stoffen reiches Substrat sein, um die Vegetation auf Sulfid-reichen Tailings-Materialien zu fördern. Der Klärschlamm kann aber auch Kontaminationen enthalten, die im Falle einer Oxidation darunterliegende Grundwassersysteme negativ beeinflussen können. Der geochemische Einfluss einer Oberflächenaufbringung von 12 000 t anaerob ausgefaulten Klärschlamms auf die Grundwasserqualität eines sanierten Sulfid-Tailings-Beckens in Nordschweden wurde untersucht. Es wurde geprüft, ob aus dem Klärschlamm stammende Metalle oder Nitrat in das unterliegende Grundwassersystem abgegeben wurden. Daten aus einer zweijährigen Datenreihe aus Grundwasseruntersuchungen, die unmittelbar vor der Schlammausbringung begonnen wurden, wurden mit Grundwasserdaten aus den Jahren 1998–2006 verglichen. In den zwei Jahren konnte ein guter Aufwuchs von Gras erreicht werden. Seither wurden jedoch erhöhte Konzentrationen von Metallen aus dem Klärschlamm (Cu, Ni, Pb, Zn) in das unterliegende Grundwasser abgegeben. Außerdem erhöhte die Abgabe von Nitrat wahrscheinlich Metallkonzentrationen, indem das Nitrat als Oxidationsmittel für Pyrit in den Tailings-Materialien wirkte. Die Auswaschungen traten periodisch auf durch das Aufwachsen des Grases, das Metalle und Nitrat im Schlamm immobilisierte. Metalle migrierten durch die Tailings-Materialien, wenn sie durch aus dem Klärschlamm stammende organische Verbindungen als Metall-organische Komplexe gebunden waren. Modellsimulationen zeigten, dass die Kontaminationswolke sechs Jahre brauchen wird, um das Grundwasser zu verlassen. Trotz der relativ kleinen Zeit der negativen Beeinflussung des Grundwassers sollte für zukünftige Vorhaben die Anwendung von Klärschlamm wie im untersuchten Fall überdacht werden.

Resumen

El lodo de aguas residuales es un sustrato rico en compuestos orgánicos que es adecuado para promover la vegetación en colas de minas sulfuradas aunque puede contener contaminantes que, cuando son oxidados, pueden afectar negativamente las aguas subterráneas subyacentes. Se evaluó el impacto geoquímico de la aplicación superficial de 12.000 toneladas métricas de lodo de aguas residuales digerido anaeróbicamente sobre la calidad del agua subterránea de un dique de colas sulfuradas remediado en el norte de Suecia. Esta evaluación pretendía determinar si metales y nitratos habían sido liberados a las aguas subterráneas subyacentes. Los datos tomados durante dos años mediante un programa de monitoreo de agua subterránea a escala de campo que fue iniciado justo antes de la aplicación del lodo, fue comparado con datos obtenidos entre 1998 y 2006. La hierba fue exitosamente instalada dentro de los dos años. No obstante, hasta que eso ocurrió, elevadas concentraciones de metales (Cu, Ni, Pb, Zn) fueron liberados al agua subterránea subyacente. Además, la liberación de nitrato incrementó las concentraciones de metales al proveer un oxidante para la pirita presente en las colas subyacentes. La liberación fue periódica debido a la hierba que inmoviliza metales y nitratos en el lodo. Metales unidos como complejos órgano metálicos debido al carbono orgánico disuelto que se liberó del lodo, migraron a través del dique de colas. Las simulaciones a través de modelos indican que la pluma tomará 6 años para salir del ambiente de aguas subterráneas. Aunque los impactos son relativamente de corto tiempo, este tipo de aplicaciones debería ser reconsiderada en el futuro.

摘要

污水污泥是一种理想的富含有机质培养基,能够用以提高富含硫化物尾矿库的植被覆盖率。但是,污水污泥往往含有污染物;当其被氧化时,对地下水水质产生负面影响。文章研究了12000吨厌氧菌致分解污水污泥盖层对瑞典北部已修复硫化物尾矿库地下水水质的地球化学影响,识别了污水污泥是否将其携带的金属离子和硝酸盐释放到下伏地下水系统中。文章对比了污泥盖层铺设前已起动的地下水现场监测计划的前两年数据与1998-2006年地下水监测数据。在两年时间内,成功完成尾矿库草皮覆盖。然而,由污水污泥产生的高浓度重金属离子(Cu, Ni, Pb, n)已经释放到下伏地下水系统中。污水污泥释放的硝酸盐为下伏尾矿里的黄铁矿提供了氧化剂,使重金属浓度进一步提高。草皮可以固定污泥里的重金属和硝酸盐,草皮覆盖使金属离子释放呈现周期性特征。同时,由于污泥能够释放溶解有机炭,金属离子被束缚于有机金属络合物中而运移、穿过尾矿库。模拟结果表明,污染羽流将用六年时间流出地下水系统。虽然此类污染时间较短,但是应该慎重考虑污泥盖层的未来应用。