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酸性鉱山排水、酸性金属排水( AMD )、または酸性岩石排水( ARD ) は、金属鉱山や炭鉱から排出される酸性水のことです。[要出典]
酸性岩石排水は、岩石の風化過程の一部として、一部の環境では自然に発生しますが、通常は硫化鉱物を豊富に含む岩石内で、採掘やその他の大規模な建設活動に特徴的な大規模な土壌撹乱によって悪化します。土壌が撹乱された地域 (建設現場や高速道路建設など) では、酸性岩石排水が発生する可能性があります。多くの地域では、石炭貯蔵庫、石炭処理施設、石炭洗浄場、石炭廃棄物 置き場から排出される液体は酸性度が高い場合があり、そのような場合は酸性岩石排水として処理されます。これらが pH の低下と相まって、川の水生環境に有害な影響を及ぼします。[出典が必要]
同じタイプの化学反応とプロセスは、前回の大規模な海面上昇後に沿岸または河口域で形成された酸性硫酸塩土壌の撹乱を通じて発生する可能性があり、同様の環境ハザードを構成します。[要出典]
命名法
歴史的に、稼働中の鉱山や廃坑からの酸性排水は酸性鉱山排水（AMD）と呼ばれていました。酸性岩盤排水（ARD）という用語は、酸性排水が鉱山以外の発生源から発生する可能性があることを示すために、1980年代と1990年代に導入されました。[1]たとえば、1991年にこのテーマに関する主要な国際会議で発表された論文のタイトルは、「酸性岩盤排水の予測 - データベースからの教訓」でした。[2] AMDとARDはどちらも硫化鉱物の酸化によって引き起こされる低pHまたは酸性水を指しますが、ARDの方がより一般的な名前です。
鉱山からの排水が酸性ではなく、金属や半金属を溶解している場合、または元々酸性であったが流路に沿って中和されている場合は、「中性鉱山排水」 [3] 、 「採掘の影響を受けた水」[4]などと呼ばれます。これらの他の名称はいずれも一般に受け入れられていません。
発生
地下採掘は地下水面下で行われることが多いため、浸水を防ぐために鉱山から絶えず水を汲み出さなければなりません。鉱山が放棄されると、汲み上げは停止し、鉱山に水が浸水します。この水の導入は、ほとんどの酸性岩石排水状況における最初のステップです。尾鉱の山や池、鉱山の廃石捨て場、[3]および石炭残渣も酸性鉱山排水の重要な発生源です。
空気と水にさらされると、周囲の岩石や表土内の金属硫化物（多くの場合、鉄硫化物である黄鉄鉱）が酸化されて酸性化する。細菌や古細菌のコロニーは金属イオンの分解を大幅に促進するが、反応は非生物的環境でも起こる。これらの微生物は過酷な条件でも生存できることから極限環境微生物と呼ばれ、岩石中に自然に生息するが、水と酸素の供給が限られているため、通常はその数は少ない。好酸性菌として知られる極限環境微生物は、特に廃鉱山の低いpHレベルを好む。特に、アシディチオバチルス・フェロオキシダンスは黄鉄鉱の酸化に大きく寄与している。[5]
金属鉱山では、鉱石が硫化鉱物であったり、黄鉄鉱と関連している場合、非常に酸性の排出物が発生することがあります。このような場合、主な金属イオンは鉄ではなく、亜鉛、銅、ニッケルである可能性があります。最も一般的に採掘される銅鉱石である黄銅鉱は、それ自体が銅鉄硫化物であり、さまざまな他の硫化物とともに存在します。したがって、銅鉱山は酸性鉱山排水の主な原因となることがよくあります。
鉱山によっては、採掘開始後 2 ～ 5 年以内に酸性排水が検出されるところもありますが、他の鉱山では数十年にわたって検出されません。[要出典]さらに、酸性排水は最初に検出されてから数十年または数世紀にわたって生成されることもあります。このため、酸性鉱山排水は、採掘に関連する深刻な長期的環境問題であると考えられています。[要出典]
化学
黄鉄鉱の酸化、すなわち第一鉄イオンとそれに続く第二鉄イオンの生成の化学は非常に複雑であり、この複雑さが効果的な処理オプションの設計を著しく妨げてきました。[6]
酸性鉱山排水には多くの化学反応が関与しているが、黄鉄鉱の酸化が圧倒的に大きく関与している。この反応の一般的な式は次の通りである。[7]
- 2 FeS 2 (s) + 7 O 2 (g) + 2 H 2 O (l) → 2 Fe 2+ (aq) + 4 SO2−4(水溶液) + 4 H + (水溶液)
硫化物が硫酸塩に酸化されると第一鉄（鉄(II) ）が可溶化し、続いて第二鉄（鉄(III) ）に酸化されます。
- 4 Fe 2+ (水溶液) + O 2 (g) + 4 H + (水溶液) → 4 Fe 3+ (水溶液) + 2 H 2 O (l)
これらの反応はいずれも自発的に起こる場合もあれば、酸化反応からエネルギーを得る微生物によって触媒される場合もある。生成された第二鉄陽イオンは、追加の黄鉄鉱を酸化して第二鉄イオンに還元することもできる。[8]
- FeS 2 (s) + 14 Fe 3+ (aq) + 8 H 2 O (l) → 15 Fe 2+ (aq) + 2 SO2−4(水溶液) + 16 H + (水溶液)
これらの反応の最終的な効果は H + を放出し、 pH を下げて鉄(III)イオンの溶解度を維持することです。
効果
pHへの影響
アイアンマウンテン鉱山の地下では水温が47℃（117℉）[9]まで上昇し、pHは-3.6まで低下することがある[10] 。
酸性鉱山排水の原因となる生物は、pHがゼロに非常に近い水域で繁殖することができます。マイナスのpH [11]は、すでに酸性の水たまりから水が蒸発して水素イオンの濃度が上昇したときに発生します。
ペンシルベニア州の炭鉱排水の約半分はpHが5未満です。[12]しかし、ペンシルベニア州の瀝青炭鉱地域と無煙炭鉱地域の鉱山排水の一部はアルカリ性です。これは、排水が放出される前に表土中の石灰岩が酸を中和するためです。[要出典]
黄色い男の子
酸性鉱山排水の pH が、淡水との接触または中和鉱物によって 3 を超えて上昇すると、それまで溶解していた鉄(III) イオンが、黄橙色の固体である水酸化鉄(III)として沈殿し、通称イエローボーイと呼ばれる。[13]鉄の沈殿物には、鉄酸化物やオキシ水酸化物、ジャロサイトなどの硫酸塩など、他の種類の沈殿物も考えられる。これらの沈殿物はすべて、水を変色させ、川底の動植物を窒息させ、川の 生態系を混乱させる可能性がある(カナダの漁業法では特定の違法行為である)。このプロセスでは追加の水素イオンも生成され、これが pH をさらに低下させる可能性がある。場合によっては、イエローボーイの水酸化鉄の濃度が非常に高いため、沈殿物を回収して顔料として商業的に使用できる。[14]
微量金属および半金属汚染
多くの酸性岩石排出物には、潜在的に有毒な金属、特にニッケルと銅が高濃度で含まれており、鉛、ヒ素、アルミニウム、マンガンなどのさまざまな微量および半金属イオンも低濃度で含まれています。高濃度の重金属は、黄鉄鉱の酸化によって生成される酸性水のように、pH の低い水にのみ溶解します。英国の南ウェールズ渓谷周辺の石炭地帯では、石炭貯蔵場所からの非常に酸性のニッケルを多く含む排出物が特に問題であることが証明されています。[引用が必要]
水生生物への影響
酸性鉱山排水は、影響を受ける水域に生息する野生生物にも影響を与えます。酸性鉱山排水の影響を受けた川や川の一部に生息する水生大型無脊椎動物は、個体数が少なく、多様性が低く、バイオマスも低下しています。魚類の多くの種も汚染に耐えられません。[15]大型無脊椎動物の中には、特定の汚染レベルでしか見られない種もあれば、広範囲で見られる種もあります。[16]
識別と予測
鉱山現場では、AMDの可能性を判断するために、プロジェクトの初期段階で鉱山材料の地球化学的評価を実施することが主流となっています。地球化学的評価は、主要な地球化学的パラメータ、酸生成特性、元素浸出特性の分布と変動をマッピングすることを目的としています。[17]
評価には以下の内容が含まれる可能性がある: [17]
- サンプリング;
- 静的地球化学試験（例：酸塩基計算、硫黄の種別分析）
- 運動学的地球化学試験 - OxConなどの酸素消費試験を実施して酸性度生成速度を定量化する[18]
- 酸化、汚染物質の生成と放出のモデリング
- 材料構成のモデリング。
処理
見落とし
英国では、廃鉱山からの排出物の多くは規制の対象外となっている。そのような場合、環境庁とウェールズ天然資源局は石炭庁などのパートナーと協力して、ポート・タルボット近郊のアファン川渓谷のペレナ川や、ニース川沿いのイニサルウェドにある人工湿地などの人工湿地ソリューションを含む、いくつかの革新的なソリューションを提供している。
廃坑となった地下鉱山は酸性鉱山排水のほとんどを排出しているが、最近採掘され、再開発された露天掘り鉱山もARDを排出し、地元の地下水と地表水資源を劣化させている。稼働中の鉱山で排出される酸性水は、中和して、鉱山現場から河川に排出する前の pH は 6 ～ 9 であることが許可されています。
カナダでは、酸性鉱山排水の影響を軽減するための取り組みが、鉱山環境中立排水（MEND）プログラムに集中しています。酸性岩石排水による総負債は20億～50億カナダドルと推定されています。[19] MENDは、8年間で1,750万カナダドルの投資からARD負債を最大4億カナダドル削減したと主張しています。[20]
方法
炭酸カルシウムによる中和
酸性岩石排水の影響を受ける現場では、酸性排水の中和に寄与する可能性のある石灰岩や適切な石灰質地層が不足しているか、十分にアクセスできないことがよくあります (酸性水との接触時間が短すぎる、流れが速すぎる、比表面積が低すぎる、接触が 不十分など)。このような場合、砕いた石灰岩を中和剤として現場に投棄することができます。
しかし、石灰岩は大量に入手できる未加工の原料であり、最も安価な中和剤であるにもかかわらず、その用途を制限する可能性のあるいくつかの欠点を抱えている。実際、砕いた石灰岩の小さな炭酸カルシウム粒子は、石膏（CaSO 4 ·2H 2 O ）のコーティングを形成しやすく、その周囲には溶解度の低いFe-Alヒドロキシ硫酸塩の薄い不浸透性保護膜が覆っている。このコーティングは、文献では鎧（シールド、外皮、縁、皮など）と呼ばれることがある。[21]存在すると、石灰岩の表面が不動態化され、方解石の溶解と溶液中の重炭酸塩のさらなる放出が防止される。[21]
これは、ウェールズ中部のクーム・レイドルで、石灰岩の適用によるプラスの影響が予想よりもはるかに少なかった理由を説明するかもしれません。これは、石灰岩チップの表面に難溶性の硫酸カルシウム層が形成され、材料が結合してそれ以上の中和が妨げられたためです。
石灰による中和
中和する酸性排水の量と流量、および産業施設の規模によって異なりますが、酸性鉱山排水を処理するための一般的でより高価な商業プロセスは、高密度スラッジ (HDS) プロセスで石灰を用いて沈殿させることです。このアプリケーションでは、石灰のスラリー(水和後のCaO – Ca(OH) 2 ) を酸性鉱山排水とリサイクルスラッジの入ったタンクに分散させて、水の pH を約 9 に上げます。この pH では、リサイクルスラッジの存在によって、ほとんどの有毒金属が不溶性になり沈殿します。オプションで、タンクに空気を注入して鉄 (II) とマンガン (II) を酸化し、それらの沈殿を促進することができます。結果として得られるスラリーは、浄化槽などのスラッジ沈殿容器に送られます。その容器では、きれいな水が溢れて放出され、沈殿した金属沈殿物 (スラッジ) は、スラッジを廃棄するサイドストリームとともに酸性鉱山排水処理タンクにリサイクルされます。このプロセスには、ARDの化学的性質、その量、その他の要因によって決まるいくつかのバリエーションが存在します。[22]一般的に、HDSプロセスの生成物には石膏（CaSO4 ）と未反応の石灰も含まれており、これにより沈殿性と再酸性化および金属の移動に対する耐性が向上します。
この中和プロセスの一般的な方程式は次のとおりです。
このプロセスのより単純な変種、例えば単純な石灰中和法では、石灰サイロ、混合タンク、沈殿池のみで済む。これらのシステムは建設コストがはるかに低いが、効率も低い（反応時間が長く、存在する場合は微量金属濃度の高い排出物を生成する）。比較的小規模な流量や、それほど複雑でない酸性鉱山排水に適している。[23]
ケイ酸カルシウムによる中和
処理された鉄鋼スラグから作られるケイ酸カルシウム原料は、バルク溶液から遊離水素イオンを除去して pH を上昇させることにより、AMD システムの活性酸性を中和するためにも使用できます。ケイ酸アニオンが H + イオンを捕捉すると( pHが上昇)、中性溶質である一ケイ酸 (H 4 SiO 4 ) が形成されます。一ケイ酸はバルク溶液に残り、酸性条件の悪影響を修正する上で多くの役割を果たします。バルク溶液では、ケイ酸アニオンは土壌溶液中のH +カチオンを中和するのに非常に効果的です。 [24]その作用機序は石灰岩とはまったく異なりますが、酸性溶液を中和するケイ酸カルシウムの能力は、CCE 値[明確化が必要]が 90～100%、相対中和値が 98% [明確化が必要]であることからもわかるように、石灰岩と同等です。[25]
重金属が存在すると、ケイ酸カルシウムは石灰岩とは異なる方法で反応します。石灰岩はバルク溶液の pH を上昇させるため、重金属が存在すると難溶性の金属水酸化物の沈殿が促進され、石灰岩粒子の表面に装甲と呼ばれる不浸透性の金属水酸化物コーティングが形成される傾向が大幅に増加します。石灰岩粒子は、不浸透性で保護的な Fe-Al 水酸化硫酸塩の薄い外部フィルムで包まれた石膏の外皮で覆われます。装甲はCaCO 3の溶解を遅くし、石灰岩粒子が溶液中に余分なアルカリを放出するのを防ぎます。[21]ケイ酸カルシウム凝集体では、ケイ酸種が金属水酸化物表面に吸着されるため、シリカ層 (単層および二重層) が形成され、中性または負の表面電荷を持つコロイド複合体が形成されます。これらの負に帯電したコロイドは、互いに（負に帯電したケイ酸カルシウム粒子と同様に）静電的に反発します。隔離された金属コロイドは安定化され、安定した分散状態を維持します。これにより、金属の沈殿が効果的に阻止され、物質の装甲化（物質粒子の周囲に不浸透性の殻が形成され、溶解が防止され、反応性が低下する）に対する脆弱性が軽減されます。[24]
イオン交換による有毒金属の除去
陽イオン交換プロセスは、酸性鉱山排水の潜在的な処理方法としてこれまで研究されてきました。その原理は、イオン交換樹脂が潜在的に有毒な金属（陽イオン樹脂）や塩化物、硫酸塩、ウラニル硫酸塩錯体（陰イオン樹脂）を鉱山水から除去できるというものです。[26]汚染物質が吸着されると、樹脂上の交換部位を再生する必要があり、通常は酸性および塩基性の試薬が必要となり、汚染物質を濃縮した塩水が生成されます。2013年に水管理および供給（AMD処理）でIChemE賞を受賞した南アフリカの企業[説明が必要]は、鉱山排水（およびAMD）を経済的に処理する特許取得済みのイオン交換プロセスを開発しました。[引用が必要]
人工湿地
人工湿地システムは、1980年代に東部アパラチアの廃炭鉱から発生する酸性鉱山排水を処理するために提案されました。[27] 一般的に、湿地には石灰岩ベースの処理プロセスによって中和された後、中性に近い水が供給されます。[28]金属の沈殿は、中性に近い pH での酸化、有機物との錯体形成、炭酸塩または硫化物としての沈殿によって発生します。後者は、硫酸イオンを硫化物イオンに還元できる堆積物中の嫌気性細菌によって発生します。これらの硫化物イオンは重金属イオンと結合し、溶液から重金属を沈殿させ、プロセス全体を効果的に逆転させます。[要出典]
人工湿地ソリューションの魅力は、その比較的低コストにあります。人工湿地は、処理できる金属負荷（高流量または金属濃度のいずれか）によって制限されますが、現在の専門家は、大量（キャンベル鉱山の人工湿地の説明を参照）および/または高酸性水（適切な前処理付き）を処理する人工湿地の開発に成功しています。通常、中性に近い水を受け入れる人工湿地からの排水は、6.5～7.0で十分に緩衝され、容易に排出できます。堆積物に保持された金属沈殿物の一部は、大気中の酸素にさらされると簡単に酸化され、再移動します（例：硫化銅または元素セレン）。そのため、湿地堆積物を大部分かつ永久に水没させ、それらを不溶性かつ不動の状態に保つことが非常に重要です。気候温暖化によって長期にわたる干ばつが発生すると、非常に暑い夏の時期に水の供給が減少し、蒸発が加速して人工湿地が干上がってしまうと、人工湿地の適切な機能と安全性が損なわれる可能性があります。
効果的な人工湿地の例としては、ポート・タルボット上流のアファン川渓谷にあるアフォン・ペレナがあり、ここではウィットワース鉱山からの高鉄分排出物がうまく処理されている。[要出典]
金属硫化物の沈殿
酸性溶液中のほとんどの卑金属は、H 2 S または NaHS などの遊離硫化物と接触して沈殿します。反応後の固液分離により、排出または硫酸塩を減らすためにさらに処理できる卑金属を含まない排水と、経済的価値のある可能性のある金属硫化物濃縮物が生成されます。
代替案として、何人かの研究者が生体硫化物を用いた金属の沈殿を研究してきました。このプロセスでは、硫酸還元細菌（SRB）が酸素の代わりに硫酸を末端電子受容体として有機物を酸化します 。その代謝産物には、有機物の酸化によって生成される重炭酸塩（水の酸性度を中和できます）や硫化水素（多くの有毒金属と非常に不溶性の沈殿物を形成します）などがあります。このプロセスは有望ではありますが、さまざまな技術的な理由から採用が遅れています。[29]
テクノロジー
AMDの治療には多くの技術が存在する。[30]
メタゲノム研究
大規模シーケンシング戦略の進歩により、酸性鉱山排水群集の微生物のゲノムが環境から直接シーケンシングされるようになりました。ほぼ完全なゲノム構造により、群集に関する新たな理解が得られ、代謝経路を再構築できるようになりました。[31]酸性鉱山排水中の好酸性菌に関する知識はまだ初歩的です。ARDに関連する種は、役割や機能を確立できるよりもはるかに多く知られています。[32]
微生物と新薬の発見
科学者たちは最近、新しい医薬品のリードを生み出すことができるユニークな土壌細菌を求めて、酸性鉱山排水と鉱山再生地の調査を開始しました。土壌微生物は長い間、効果的な薬の供給源となってきました[33] 。そして、医薬品研究イノベーションセンターで行われたような新しい研究では、これらの極端な環境が新しい発見の未開発の源であることを示唆しています。[34] [35]
世界中の酸性鉱山排水地点のリスト
このリストには、酸性鉱山排水を排出する鉱山と、そのような排水によって重大な影響を受ける河川システムの両方が含まれています。世界中にそのような場所が数千箇所存在するため、決して完全なものではありません。
アフリカ
ヨーロッパ
- アボカ、ウィックロー州、アイルランド
- スペイン、グアディアマルのアスナルコラール鉱山
- ウィール・ジェーン、コーンウォール、イングランド
- ティント川、スペイン
- オディエル川、スペイン
- リビオラ鉱山、[37]イタリア
- シュプレー川、ドイツ
- 露天掘り褐炭採掘の産物であるルサチア湖水地方と中央ドイツ湖水地方は、酸性鉱山排水に対処しなければならない。
北米
- アルゴ トンネル、アイダホ スプリングス、コロラド州、米国
- バークレー・ピット ・スーパーファンド・サイト。米国モンタナ州ビュートとその周辺のクラークフォーク川と50,000エーカー（200 km 2 ）をカバーしています。
- コロラド州リオグランデ郡のサミットビル鉱山。この地域には、自然と鉱山で悪化した酸性排水があり、ライトマンフォークに流れ込み、その後アラモサ川に流れ込み、サンルイスバレーに流れ込みます。
- ブリタニアビーチ、ブリティッシュコロンビア州、カナダ
- クリンチ-パウエル川水系、バージニア州およびテネシー州、米国
- アイアン マウンテン鉱山、カリフォルニア州シャスタ郡、アメリカ合衆国
- マンデークリーク、オハイオ州、米国
- ペンシルバニア州南西部のアーウィンシンクライン
- プロント鉱山の尾鉱現場、エリオット レイク地域、オンタリオ州、カナダ
- ケンタッキー川北支流、ケンタッキー州、米国
- ペンシルバニア州ラカワナ川のオールドフォージ掘削坑。1日あたり4000万～1億ガロンの酸性鉱山排水を排出する。[38]
- チート川流域 2020年2月18日アーカイブWayback Machine、ウェストバージニア州、米国
- コッパーラス・ブルック流域、バーモント州サウス・ストラッフォードのエリザベス鉱山からオムポンパヌーサック川に影響を及ぼす
- マサチューセッツ州北西部のデイビス黄鉄鉱鉱山
- ヒューズボーリングホール、ペンシルバニア州
- ゴールドキング鉱山、コロラド州、米国
オセアニア
- 南オーストラリア州ブルクンガ[39]
- グラスベルグ鉱山、パプア州、インドネシア[40]
- マッカーサーリバー亜鉛鉱山、オーストラリア、ノーザンテリトリー[41]
- マウントモーガン鉱山、クイーンズランド州、オーストラリア[42]
- パプアニューギニア、オクテディ川のオクテディ鉱山によるオクテディ環境災害[43]
- ニュージーランドのカイマイ山脈にあるテ・アロハ山の西斜面にある廃鉱山、トゥイ鉱山。国内で最も汚染された場所と考えられている。
- オーストラリア、タスマニア島西海岸の鉱床[44]
参照
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- ^ [4] 2007年9月27日にWayback Machineでアーカイブ。2011年12月6日にアクセス。
外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、酸性鉱山排水に関連するメディアがあります。
- 酸性および金属含有排水の管理：鉱業のための持続可能な開発プログラムのリーディングプラクティス Trove：オーストラリア政府産業・観光・資源省ハンドブック、2007年。ISBN 0642725128 2016年5月21日にアクセス。
- AMRクリアリングハウス
- OrangeWaterNetwork.org (EPCAMR の Web サイト)
- 治療法の評価（PDF）
- IMWA – 国際鉱山水協会
- INAP – 国際酸予防ネットワーク
- INAP – 世界酸性岩排水ガイド
- 関連する化学プロセスの概要
- PADRE – 欧州酸性排水浄化パートナーシップ
- 酸性鉱山排水と受動的処理の科学
- USGS 鉱山排水
- 世界で最も酸性度の高い水はカリフォルニア州レディング近郊で発見されました (pH -3.6)
- MiWER - 鉱山水環境研究センター（オーストラリア拠点）
- ウェストランド金鉱における酸性鉱山排水の影響の概要