Typpipäästöt kaivosalueelta

Tämä sivu on tietokide alatyypiltään metodi. Sivutunniste: Op_fi3440
Moderaattori:Tkarlsso (katso kaikki) Sivun edistyminen: Täysluonnos. Arvostuksen määrää ei ole arvioitu (ks. peer review).
Lisää dataa {{#opasnet_base_link:Op_fi3440}}

Räjähdeaineperäisen typpipäästön laskeminen. Päästö sisältää räjäytyksessä vapautuvat kaasumaiset päästöt, sekä räjähtämättömistä räjähteistä liukenevat typpipäästöt.

Kysymys

Miten arvioidaan metallikaivostoiminnan typpipäästöjä?

Vastaus

Veteen liukeneva typpi

Räjähdeperäisen typpipäästön määrän arvioiminen vaihtelee tutkimuksesta riippuen ja arvioita on esitetty välillä 0,2 - 28 % käytetyn räjähdysainemäärän sisältämän typen määrästä, arvioiden painottuessa suunnilleen 10 % paikkeille tai sen alle. Tässä riskinarvioinnissa lasketaan typpipäästöt arvolla 10 %.

Yleisimmät kaivoksilla käytetyt räjähdetyypit ovat ANFO ja emulsioräjähteet. Tyypillinen ANFO sisältää noin 33 (paino)% typpeä. Emulsioräjähteet sisältävät yleensä 20-30 (paino)% typpeä. Tässä riskinarvioinnissa kaikkien räjähteiden typpipitoisuutena käytetään arvoa 30 %.

Kaivosalueelle saapuvan veden määrä voidaan arvioida valuma-alueen pinta-alan ja vuotuisen sademäärän perusteella. Maanalaisen kaivoksen vesimäärä saadaan pois pumpatun kuivanapitoveden määrästä.

Kaivoksen vuosittainen räjähdeaineperäinen typpipäästö voidaan laskea seuraavasti:

1.	Laske vuotuisen liuenneen typen (N) määrä perustuen käytettyyn räjähdeainemäärään.
2.	Laske kertyvän veden määrä keskimääräisen sadannan ja kaivosalueen pinta-alan perusteella. Lisää tarvittaessa maanalaisesta kaivoksesta pois pumpattu vesi.
3.	Jaa vuosittain liuenneen räjähdetypen määrä (kg) vuosittain kertyneen veden määrällä (litraa). kg/L * 1 000 000 -> mg/L

Esimerkkilasku louhokselta X

Ala: 10 ha = 100 000 m²

Sademäärä: 600 mm/a = 0,6 m/a

Käytetyt räjähteet vuodessa: 3 000 kg emulsio-tyyppistä räjähdettä

1. 3 000 kg * 0,30 (räjähteen typpi-pitoisuus) * 0,1 (vesistöön päätyvä 10 %) = 90 kg(N)

2. 100 000 m² * 0,6m/a = 60 000 m³ = 60 000 000 litraa

3. 90 kg / 60 000 000 L = 1,5x10^-6 kg/L = 1,5 mg/L

Typpipäästöt ilmaan

Forcit Oy:n ympäristöesitteessä on esitetty räjähdysteknisiä ominaisuuksia eri räjähdysaineille. Ominaisuudet on laskettu Lawrence Livermore National Laboratoryn räjähdysaineiden simulointiin kehittämällä Cheetah 2.0 ohjelmistolla ja ne perustuvat täydelliseen, tasapainoon asti edenneeseen reagointiin.

Kaivosalue

• Käytetty räjähdeainemäärä vuodessa (t)
  • ANFO
  • Emulsio jne. -tyyppiset räjähteet
    • Aniitti
    • Fordyn
    • Kemiitti 510
    • Kemiitti 800
    • Kemix
    • Kemix A
    • Merikemiitti
    • Kemiitti 810

• Vesimäärä vuodessa
  • Valuma-alueen ala (m²)
  • Sademäärä (m/vuosi)
  • Maanalaisen kaivoksen kuivanapitovedet (m²/vuosi)

TAI

• Vesimäärä vuodessa
  • Oma arvio kokonaisvesimäärästä

-> Vastaukseksi vuosittainen typpipäästö vesistöön, sekä kaasupäästö ilmaan.

Tuote	r g/cm³	E MJ/kg	V dm³/kg	H20 g/kg	N2 g/kg	CO2 g/kg	NO g/kg	NO2 g/kg	CO g/kg
Anfo	0,9	4,0	1050	485	330	182	0,56	0,01	0,05
Aniitti	1,1	4,5	960	412	311	206	1,45	0,06	0,02
Fordyn	1,5	4,4	960	380	270	305	1,79	0,28	0,003
Kemiitti 510	1,2	3,2	860	387	216	237	0,87	0,07	0,005
Kemiitti 800	1,2	2,7	1000	567	261	119	0,0001	0	29
Kemix	1,2	3,0	1020	556	282	118	0,0001	0	40
Kemix A	1,2	3,7	960	515	270	72	0,0001	0	51
Merikemiitti	1,3	4,5	870	411	246	39	0,0001	0	68
Kemiitti 810	1,0	3,0	1010	560	278	142	0,0006	0	16

• r = tiheys
• E = energia
• V = kaasutilavuus

Perustelut

Räjähdysaineperäiset typpipäästöt voivat olla kaivoksen merkittävä ympäristöhaitta. Typpeä voi joutua vesistöön suoraan kaivokselta, tai jätekivikasalta. Vesistöihin päätyvän typen määrää on erittäin hankala arvioida, sillä se riippuu monista tekijöistä, kuten käytetyn räjähteen tyypistä, kuinka huolellisesti sitä käsitellään, läsnä olevan veden määrästä, paljonko räjähdysainetta ehtii liukenemaan ennen räjäytystä, sekä paljonko räjähdysainetta jää räjähtämättä.

Räjähdysaineperäinen typpi esiintyy yleensä nitraatti (NO3-), nitriitti (NO2-) ja ammonium (NH4+) -muodoissa, sekä erilaisina kaasuina (N2, NH3, N2O, NO ja NO2), joita syntyy räjähdyksen aikana. Eri typpilajit voivat helposti muuntua toisikseen hapetus-pelkistys –reaktioissa, sekä biologisen toiminnan tuloksena. Yleisin kaivosvesissä esiintyvä typpilaji on nitraatti (75-99 % kokonaistypestä), seuraavina ammonium (0,5-24 %) ja nitriitti (0-6 %). Ammonium hapettuu nitriitiksi ja edelleen bakteeritoiminnan avustuksella nitraatiksi.

Erityisesti nitraatti ja ammonium ovat ongelmallisia vesistössä, sillä niillä on suurimmat haittavaikutukset ihmisiin ja vesieliöihin. Suuri nitraattipitoisuus voi aiheuttaa pienille lapsille methemoglobinemiaa, jolloin nitraatti muodostaa veren hemoglobiinin kanssa methmoglobiinia. Methemoglobiini ei pysty sitomaan happea, mistä seuraa oireita, äärimmäisenä tapauksena kuolema. Vesieliöihin nitraatti voi vaikuttaa kolmella tavalla: suora myrkyllisyys (kuten ihmisillä), veden happipitoisuuden lasku, sekä aiheuttamalla rehevöitymistä kasvillisuuden liiallisen ravinnesaannin johdosta. Myös ammonium aiheuttaa rehevöitymistä ja ammoniakkimolekyyli (NH3) on myrkyllinen sen toksisuuden riippuessa veden lämpötilasta ja pH:sta.

Lainsäädäntöä

Euroopan Unionin neuvoston nitraattidirektiivi antaa vesistöjen nitraattipitoisuuksien raja-arvoksi 25 mg/l. Sosiaali- ja terveysministeriön asetus talousveden laatuvaatimuksista ja valvontatutkimuksista antaa talousvesien enimmäispitoisuuksiksi nitraatin osalta 50 mg/l, sekä nitriitin ja ammoniumin osalta 0,5 mg/l. Valtioneuvoston asetuksen perusteella pohjavesiä pilaavien pitoisuuksien raja-arvot ovat nitraatille 50 mg/l ja ammoniumille 0,25 mg/l. Valtion päätös suojelua ja parantamista edellyttävien sisävesien laadusta kalojen elinolojen turvaamiseksi antaa tietyille sisävesille (”lohi- ja särkivedet”) raja- ja ohjeellisia arvoja typen suhteen: ammoniakki 0,025 mg/l (suositus 0,005 mg/l), kokonais-ammonium 1 mg/l (suositus lohivesien osalta 0,02 mg/l ja särkivesien osalta 0,2 mg/l), sekä nitriitille ohjeelliset arvot 0,01 mg/l (lohivedet) ja 0,03 mg/l (särkivedet).

Räjähteet ja niiden käyttö

Yleisimmin käytetyt räjähteet sisältävät yleensä polttoainetta ja hapettajan. Hapettajana käytetään tyypillisesti ammoniumnitraattia (NH4NO3), kalsiumnitraattia (CaNO3), tai natriumnitraattia (NaNO3). Kaivosteollisuudessa eniten käytetyt räjähteet voidaan jakaa kolmeen luokkaan; ANFO (ammoniumnitraattia ja polttoöljy), vesigeelit tai ”slurryt”, sekä emulsiot. Kaikki sisältävät huomattavia määriä typpeä, mutta niiden vedenkestävyydellä on suuria eroja. Räjähteiden typpi on kahdessa hyvin vesiliukoisessa muodossa, ammoniumina (NH4+) ja nitraattina (NO3-).

Tyypillinen ANFO sisältää noin 94 % ammoniumnitraattia ja 6 % polttoöljyä kokonaistyppimäärän ollessa 33 (paino)%. ANFO on edullisuutensa takia yleisesti käytetty räjähdysaine ja sen vedenkestävyys on huono. Vesigeeli- ja emulsioräjähteet sisältävät yleensä 20-30 (paino)% typpeä ja niiden vedenkestävyys on hyvä.

Suomessa kaivoksilla on arvioitu käytettävän vuosittain noin 12 000 tonnia räjähteitä, keskimäärin 0,4 kg / louhittu tonni kiveä, mutta määrä on ollut kaivosteollisuuden aktivoitumisen seurauksena voimakkaassa kasvussa. Esimerkiksi pelkästään Talvivaaran kaivoksella arvioidaan käytettävän vuosittain noin 12 000 t räjähdysaineita.

Kaivoksella käytetyn räjähteen määrä vuodessa voi vaihdella kokonaislouhintamäärän mukaan suurten kaivosten kymmenistä tuhansista tonneista (esim. Talvivaara 12 000 t) luonnonkivilouhimoiden muutamaan tonniin vuodessa (esim. Sirkjärven louhos noin 3 t). Myös louhintatapa vaikuttaa räjähdemäärään; avolouhoksella käytetään räjähdysainetta keskimäärin 0,2-0,3 kg / louhittu tonni kiveä, kun taas maanalaisissa kaivoksissa vastaava määrä on 0,5-1,0 kg. Luonnonkivilouhimoilla, joissa tarkoituksena on irrottaa hyötykivi mahdollisimman isoina ja ehjinä kappaleina, käytetty räjähdeainemäärä voi olla hyvin matala, vain muutamia kymmeniä grammoja kivitonnia kohden.

Räjähdysaineperäisen typen määrä

Räjähtämättömästä räjähdysaineesta peräisin olevan typen määrä riippuu räjäytystyön tehokkuudesta. Räjäytystöiden huono suunnittelu tai toteutus on epäonnistuneiden laukaisuiden suurin syy. Arvioiden mukaan 10-20 % räjäytysrei’istä jää räjähtämättä.

Reveyn tutkimusten mukaan 25 % ANFO:sta liukenee veteen kuudessa minuutissa ja yli puolet on hävinnyt tunnin kuluttua. Vedenkestävämmästä versiosta ANFO:a liukenee 25 % tunnin aikana. Vesigeelimäisestä räjähteestä 25 % liukeni kuudessa tunnissa ja 75 % kuudessa päivässä. Emulsioräjähdysaineet olivat vedenkestävimpiä ja niiden massasta liukeni kuuden päivän kuluessa 1 %.

Kaivoksen räjähdysaineperäisten typpipäästöjen suuruus vaihtelee tutkimuksista riippuen. Kovin tarkkaa arviota on vaikea antaa ilman tapauskohtaista tutkimusta. Vesistöön päätyvän typen määräksi on esitetty arvoja 0,2 - 28 % käytetyn räjähdysainemäärän sisältämän typen määrästä.

Wiberin et al. mukaan 5-15 % käytetyn ANFO:n kokonaismäärästä voi päätyä vesistöön ja Sharpe päätyi samanlaisiin lukuihin. Forsbergin ja Åkerlundin mukaan 15-19 % käytetystä räjähteestä jää malmiin ja sivukiviin ja 1 (paino)% käytettyjen räjähteiden typestä päätyy lopulta vesistöihin. Morin & Hutt tutkivat maanalaisen metallikaivoksen typpipäästöjä ja saivat kahdessa testissä tuloksiksi 12 % ja 28 %. Suomalaisen Kaira-projektin loppuraportissa arvioidaan, että 20-30 % räjähteiden sisältämästä typestä voidaan havaita jälkeenpäin kaivosvesistä, malmista tai sivukivistä. Malmin tyyppi kuitenkin vaikutti kiven kykyyn sitoa typpeä. Vesiolosuhteilla on luultavasti suurin vaikutus sekä räjähteiden toimivuuden, että typen liukenemisen ja kulkeutumisen kannalta kaivosten typpipäästöihin. AMEC:n mukaan räjäytystyöperäisen typen määrä vaihtelee kuivien olosuhteiden 0,1 prosentista kosteiden olosuhteiden 8-9 prosenttiin. Fergusonin ja Leaskin mukaan 1-6 % räjähteissä käytetystä typestä liukeni kaivosvesiin, mutta kuivemmilla kaivosalueilla määrä oli vain 0,2 % ja märemmillä keskimäärin 2-5 %. Liuenneen typen määrällisten erojen perusteella arvioitiin, että kuivempien alueiden räjäytyspaikoilla ja sivukivikasoilla saattoi olla varastoituneena suuri määrä typpeä, joka saattaa lähteä liikkeelle, mikäli vesiolosuhteet muuttuvat. Tietyn kaivoksen typpipäästöjen arvioiminen on siis hankalaa, sillä ne riippuvat monesta tekijästä. Pääsääntöisesti kosteammat olosuhteet ilmeisesti tuottavat suurempia päästöjä, mutta ”kosteamman” kvantitatiivinen määrittäminen on mahdotonta.

Suomen olosuhteissa typpipitoisia vesiä purkautuu sivukivikasoilta varsinkin keväisin ja rankkojen sateiden jälkeen. Keväistä typpipurkaumaa pidetään erityisen pahana, sillä haitallisia typpimuotoja hajottava mikrobitoiminta on vielä kylmän talven jäljiltä hidasta. Erityisesti pienten purojen ja lampien, sekä pohjoisemman Suomen luonnostaan ravinneköyhien alueiden kyky selvitä ylimääräisestä typpikuormasta on rajoittunut ja rehevöitymisen vaara on suuri.

Räjähdysaineperäisen typen kaavio

Räjähdysaineperäisen typen vähentäminen

Typpipäästöjä voidaan vähentää kustannustehokkaasti räjähteiden oikeanlaisella käsittelyllä ja henkilökunnan kouluttamisella ymmärtämään typpipäästöjen ongelmat. Wiberin tutkimusten mukaan eräiden kaivosten kaivosvesien ammoniumpitoisuus laski jopa yli 30 % koulutusohjelman jälkeen. Sharpen mukaan räjähteiden 5-15 % typpipäästöjä voidaan laskea luokkaan 2-5 % noudattamalla parhaita ympäristökäytäntöjä.

Käytetyistä räjähteistä ANFO on selvästi suurin nitraattilähde. ANFO:a käsiteltäessä tulisi kiinnittää erityisesti huomiota räjäytysreiän kuivuuteen. Panostettaessa tulisi varoa jauhemaisen räjähteen joutumista räjäytysreiän ulkopuolelle. Puoliksi käytetyt ANFO-säkit tulisi sulkea huolellisesti ja palauttaa varastoon. Panostuksessa käytetyt välineet tulisi puhdistaa alueella, jossa käytettyä pesuvettä ei johdeta suoraan ympäristöön. Vesigeeli- ja emulsiotyyppiset räjähteet kestävät paremmin kosteutta, mutta niitä ladatessa vettä tulisi silti varoa. Roiskeet olisi syytä puhdistaa huolellisesti. Vaikka tietyt räjähdetyypit liukenevatkin hitaasti veteen, tulevat ne esimerkiksi sivukivikasaan päätyessään vapauttamaan typpeä pikkuhiljaa.

Nitraatin poistamiseksi kaivosvesistä on kehitetty tekniikoita, jotka voidaan jakaa eri ryhmiin; ioninvaihto, elektrokemiallinen ionin vaihto, biologinen denitrifikaatio, tai näiden yhdistelmä. Joitakin näistä tekniikoista on käytetty esimerkiksi kunnallisessa jätevedenpuhdistuksessa. Tarkemmin erilaisista puhdistustekniikoista voi lukea Kindtin et al. tutkimuksesta, sekä KAIRA-projektin loppuraportista. Typen poistamisen taloudellisten kustannusten vuoksi sen käyttö kaivosteollisuudessa ei ole vielä juurikaan yleistynyt. Nykyään typpeä poistetaan yleisimmin kierrättämällä vettä rikastushiekka-alueiden kautta, jolloin typpeä poistuu vedestä pitkän viipymän aikana.

Yhteenveto toimenpiteistä kaivosten räjähdeperäisten typpipäästöjen vähentämiseksi:

• Kehitetään räjähteenkäsittelytapoja huolellisemmiksi ja tehokkaammiksi.
• Räjäytystehokkuuden arvioiminen ja parantaminen räjähtämättömien räjähteiden vähentämiseksi.
• Räjähteiden käytössä pitäisi suosia paremmin vettä kestäviä aineita, kuten emulsioita, jotta typen välitön kulkeutuminen kaivosvesiin rajoittuisi.
• Kaivosvesien hallinnoimisen tulisi tähdätä sivukivikasojen suotovesien keräämiseen, rikastusjätteen ilmastukseen, sekä kaikkien pilaantuneiden kaivosvesien purkautumiseen yhdestä kohtaa, jolloin mahdollinen puhdistuskäsittely on helpompi suorittaa.
• Mahdollisten puhdistustoimenpiteiden määrittäminen.

Aiheeseen liittyviä tiedostoja

<mfanonymousfilelist></mfanonymousfilelist>