Analysis of the geochemical barriers effectiveness as the basis for the use of nature-like water purification technologies
- 1 — Ph.D., Dr.Sci. Professor Saint Petersburg State University ▪ Orcid
- 2 — Postgraduate Student Saint Petersburg State University ▪ Orcid
- 3 — Ph.D., Dr.Sci. Professor Saint Petersburg State University ▪ Orcid
- 4 — Ph.D. Associate Professor Saint Petersburg State University ▪ Orcid
- 5 — Bachelor Saint Petersburg State University ▪ Orcid
Abstract
Nature-like technologies are being introduced into many human activities including mining wastewater treatment. This work is based on long-term studies of the Sibay copper-zinc-pyrite deposit development. It is dedicated to assessment of geochemical barriers effectiveness in Cu, Zn, Cd removal from water of the Karagayly River (receiving quarry and dump drainage water). The research is based on the elements’ content and forms in water and bottom sediments, pH values etc. Four types of hydrogeochemical environment (formed due to changes in the water use over the past 20 years) were distinguished using discriminant analysis. The mechanisms of barriers formation and destruction were described. Statistical modeling of the metals’ precipitation was performed by multivariate regression analysis. Cu is adsorbed by recently formed Fe hydroxides, and, to a lesser extent, precipitates with sulfates as water pH increases. Antagonism to Mn hydroxides has been demonstrated, due to different physicochemical conditions for their precipitation. Zn enters solid phase mainly with sulfates, this element also forms its own mineral phases. The second mechanism is adsorption by recently formed Mn hydroxides, which corresponds to the idea of similar conditions for the precipitation of metal hydroxides. Cd behavior reflects conditions intermediate between these of Cu and Zn. Contribution of both mechanisms (related to Fe hydroxides and aqueous sulfates) is equal. Antagonism to Mn is absent. According to the assessment results using of nature-like technologies in situ in watercourses, canals and other water drainage systems is promising. Developed statistical models can be used for needs of experimental studies and artificial geochemical barriers engineering.
References
- Aqib Zahoor, Guozhu Mao, Xinming Jia et al. Global research progress on mining wastewater treatment: a bibliometric analysis // Environmental Science: Advances. 2022. Vol. 1. Iss. 2. P. 92-109. DOI: 10.1039/D2VA00002D
- Castellar J.A.C., Torrens A., Buttiglieri G. et al. Nature-based solutions coupled with advanced technologies: An opportunity for decentralized water reuse in cities // Journal of Cleaner Production. 2022. Vol. 340. № 130660. DOI: 10.1016/j.jclepro.2022.130660
- Wolkersdorfer C. Mine Water Treatment – Active and Passive Methods. Berlin: Springer, 2022. 328 p. DOI: 10.1007/978-3-662-65770-6
- Удачин В.Н., Аминов П.Г., Филиппова К.А. Геохимия горнопромышленного техногенеза Южного Урала. Екатерин-бург: УрО РАН, 2014. 251 с.
- Chanturiya V., Masloboev V., Makarov D. et al. Geochemical barriers for environment protection and recovery of nonferrous metals // Journal of Environmental Science and Health. Part A. 2014. Vоl. 49. Iss. 12. P. 1409-1415. DOI: 10.1080/10934529.2014.928543
- Денисова Ю.Л. Научное обоснование использования искусственных геохимических барьеров на основе отходов горнодобывающей промышленности для очистки сточных вод и извлечения цветных металлов: Автореф. дис. … канд. техн. наук. М.: Институт проблем промышленной экологии Севера, 2018. 21 с.
- Назаров А.М., Латыпова Ф.М., Арасланова Л.Х. и др. Исследование эффективности природных и модифицированных сорбентов для очистки промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов // Нанотехнологии в строительстве. 2018. Т. 10. № 5. С. 125-143. DOI: 10.15828/2075-8545-2018-10-5-125-143
- Никашина В.А. Проницаемые геохимические барьеры как способ защиты окружающей среды от загрязнений. При-родные сорбенты для решения экологических задач. Математическое моделирование и расчет процессов. Обзор // Сорбци-онные и хроматографические процессы. 2019. Т. 19. № 3. C. 289-304. DOI: 10.17308/sorpchrom.2019.19/746
- Савенко А.В. Экспериментальное моделирование иммобилизации тяжелых металлов на карбонатном сорбционно-осадительном геохимическом барьере // Геохимия. 2016. № 8. С. 748-760. DOI: 10.7868/S0016752516060066
- Torres E., Lozano A., Macías F. et al. Passive elimination of sulfate and metals from acid mine drainage using combined limestone and barium carbonate systems // Journal of Cleaner Production. 2018. Vol. 182. P. 114-123. DOI: 10.1016/j.jclepro.2018.01.224
- Limper D., Fellinger G.P., Ekolu S.O. Evaluation and microanalytical study of ZVI/scoria zeolite mixtures for treating acid mine drainage using reactive barriers – Removal mechanisms // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2018. Vol. 6. Iss. 5. P. 6184-6193. DOI: 10.1016/j.jece.2018.08.064
- Mayacela-Rojas C.M., Molinari A., Cortina J.L. et al. Removal of Transition Metals from Contaminated Aquifers by PRB Technology: Performance Comparison among Reactive Materials // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2021. Vol. 18. Iss. 11. № 6075. DOI: 10.3390/ijerph18116075
- Кременецкая И.П., Мазухина С.И., Догобужская С.В., Иванова Т.К. Физико-химическое моделирование системы ZnSO4-CaO(MgO)-SiO2-H2O // Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Естественные и гуманитарные науки. 2022. Т. 1. № 2. С. 93-99. DOI: 10.37614/2949-1185.2022.1.2.011
- Mei Li, Yan Kang, Haoqin Ma et al. Efficient removal of heavy metals from aqueous solutions using Mn-doped FeOOH: Performance and mechanisms // Environmental Research. 2023. Vol. 231. Part 1. № 116161. DOI: 10.1016/j.envres.2023.116161
- Ahmed M., Elektorowicz M., Hasan S.W. GO, SiO2, and SnO2 nanomaterials as highly efficient adsorbents for Zn2+ from industrial wastewater – A second stage treatment to electrically enhanced membrane bioreactor // Journal of Water Process Engineering. 2019. Vol. 31. № 100815. DOI: 10.1016/j.jwpe.2019.100815
- Чантурия В.А., Маслобоев В.А., Суворова О.В. и др. Обоснование технологий переработки и снижения экологической опасности отходов горных предприятий: основные результаты и перспективы научного сотрудничества // Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Естественные и гуманитарные науки. 2022. Т. 1. № 2. С. 9-19. DOI: 10.37614/2949-1185.2022.1.2.002
- García-Valero A., Martínez-Martínez S., Faz A. et al. Environmentally sustainable acid mine drainage remediation: Use of natural alkaline material // Journal of Water Process Engineering. 2020. Vol. 33. № 101064. DOI: 10.1016/j.jwpe.2019.101064
- Харько П.А., Нуреев Р.Р., Пашкевич М.А. Возможность применения геохимических барьеров на основе известняка для очистки подотвальных вод от металлов // Вестник Евразийской науки. 2020. Т. 12. № 6. 9 с.
- Патент № 2779420 РФ. Способ очистки подотвальных вод от ионов железа и меди / Ю.Д.Смирнов, П.А.Харько, М.А.Пашкевич. Опубл. 06.09.2022. Бюл. № 25.
- Баюрова Ю.Л., Нестеров Д.П., Корнева Е.А. и др. Искусственные геохимические барьеры для решения экологиче-ских и технологических задач // Вестник МГТУ. 2013. Т. 16. № 3. C. 536-541.
- Черемисина О.В. Технологические аспекты защиты гидросферы от ионов тяжелых металлов в зоне влияния объектов цветной металлургии // Записки Горного института. 2013. Т. 203. С. 116-119.
- Петракова Е.А. Макрофиты в фиторемедиации и биоиндикации вод: Автореф. дис. … канд. биол. наук. Брянск: Брянский государственный университет им. академика И.Г.Петровского, 2017. 23 с.
- Mudruňka J., Matunová Kavková K., Kučerová R. et al. Technology of the Biological Treatment of Mine Water at the Kohinoor II Mine // Engineering Proceedings. 2023. Vol. 57. Iss. 1. № 34. DOI: 10.3390/engproc2023057034
- Petrov D.S., Korotaeva A.E., Pashkevich M.A., Chukaeva M.A. Assessment of heavy metal accumulation potential of aquatic plants for bioindication and bioremediation of aquatic environment // Environmental Monitoring and Assessment. 2023. Vol. 195. Iss. 1. № 122. DOI: 10.1007/s10661-022-10750-0
- Kapahi M., Sachdeva S. Bioremediation Options for Heavy Metal Pollution // Journal of Health and Pollution. 2019. Vol. 9. Iss. 24. № 191203. DOI: 10.5696/2156-9614-9.24.191203
- Khalid A., Khan Y., Hadi R. et al. Bioremediation of heavy metals from wastewater through soil bacteria // Journal of Xi’an Shiyou University, Natural Sciences Edition. 2023. Vol. 66. Iss. 04. 15 p. DOI: 10.17605/OSF.IO/CV3MU
- Prajapati A.V., Baxi N.N., Dave S.R., Tipre D.R. Mycosorption: a sustainable approach for removing heavy metals from simulated polluted water in non-competitive and competitive systems // Environment, Development and Sustainability. 2024. 19 p. DOI: 10.1007/s10668-024-04524-6
- Косарев А.М., Владимиров А.Г., Ханчук А.И. и др. Девон-каменноугольный магматизм и оруденение южно-уральской аккреционно-коллизионной системы // Геодинамика и тектонофизика. 2021. Т. 12. № 2. С. 365-391. DOI: 10.5800/GT-2021-12-2-0529
- Масленников В.В., Аюпова Н.Р., Масленникова С.П., Целуйко А.С. Гидротермальные биоморфозы колчеданных месторождений: микротекстуры, микроэлементы и критерии обнаружения. Екатеринбург: УрО РАН, 2016. 388 с.
- Опекунов А.Ю., Опекунова М.Г., Сомов В.В. и др. Влияние разработки Сибайского месторождения (Южный Урал) на трансформацию потока металлов в подчиненных ландшафтах // Вестник Московского университета. Серия 5. География. 2018. № 1. С. 14-24.
- Наследов А. IBM SPSS Statistics 20 и AMOS: профессиональный статистический анализ данных. СПб: Питер, 2013. 416 с.
- Емлин Э.Ф. Техногенез колчеданных месторождений Урала: Автореф. дис. … д-ра геол.-минерал. наук. Свердловск: Свердловский горный институт имени В.В.Вахрушева, 1988. 30 с.
- Опекунов А.Ю., Янсон С.Ю., Опекунова М.Г. и др. Гидрогеохимическая трансформация малых рек под воздействием горнодобывающих предприятий (на примере р. Карагайлы, г. Сибай) // Вопросы степеведения. 2022. № 3. С. 12-22. DOI: 10.24412/2712-8628-2022-3-12-22
- Ryskie S., Neculita C.M., Rosa E. et al. Active Treatment of Contaminants of Emerging Concern in Cold Mine Water Using Advanced Oxidation and Membrane-Related Processes: A Review // Minerals. 2021. Vol. 11. Iss. 3. № 259. DOI: 10.3390/min11030259