Innehåll

Innehåll *

Inledning *

Bakgrund *

Avfallsproblematiken *

Vittringen *

Åtgärder *

Bersbo *

Planering och genomförande *

Kontroll och uppföljning *

Slutsatser *

Litteratur 11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Inledning

Problemen med alla avfall är något som ofta uppmärksammas i media och i den akademiska världen. I media handlar ofta problemen om vad vi gör med våra returburkar, hur vi ska kompostera och om hushållsavfall. Något som inte uppmärksammas i den utsträckning det borde är avfallen från vår sulfidmalmshantering, som är den största avfallsproducenten i vikt räknat. Avfallen från dessa gruvor utgör idag ett stort miljöhot om inga åtgärder görs.

Mitt uppsats går således ut på att presentera problemet med läckaget från gruvavfall, både historiskt och kemiskt, var sulfidmalmerna, som är de egentliga miljöbovarna, finns och vad som kan göras för att åtgärda problemen.

Dessutom gjordes ett pilotprojekt i Naturvårdsverkets regi, i Bersbo gruvområde i slutet av 1980-talet. Här försökte man åtgärda problemet med läckande gruvavfall genom att täcka det. Och uppsatsen går därmed också ut på att se vilka resultat detta projekt gav.

Det material jag har haft tillgång till för att ta reda på dessa fakta har jag fått från Hans Gustafsson, avdelningsdirektör på Naturvårdsverket. Materialet består bland annat av ett par rapporter, dels en bearbetning av slutrapporten av projektområdet Gruvindustrins restupplag som handlar om gruvavvfallshanteringen i stort och dels ett utdrag från en intern rapport om hur projektet i Bersbo fortlöper. Då dessa rapporter är ett par år gamla och några nya inte finns tillgängliga tog jag också kontakt med Tom Lundgren på Terratema Miljöteknik AB, som var projektledare för Gruvindustrins restupplag, i vilken Bersboprojektet var en del, och han upplyste mig om den senaste utvecklingen i Bersbo.

Bakgrund

Bergshanteringen har förekommit i Sverige i minst 1000 år. Under vissa perioder i svensk historia har brytningen av t ex koppar och silver varit av stor betydelse både kulturellt och socialt.

I Sverige finns i huvudsak två typer av gruvor, järnmalmsgruvor och sulfidmalmsgruvor. Båda ger stora mängder avfall, men av olika karaktär. Avfallet från järnmalmsgruvorna har i allmänhet inte någon större påverkan på miljön. Avfallet från sulfidmalmsgruvorna kan däremot ge effekter på omgivningen genom att läcka försurat och metallhaltigt vatten. Metallutsläppen från gruvavfall till vatten är i samma storleksordning som utsläppen av metaller till vatten från all övrig industri tillsammans. Lokalt kan metallhalterna vara väldigt höga. Redan en liten ökning av tungmetallhalterna kan leda till en påverkan på det ekologiska systemet. På sikt kan avfallet också komma att påverka Östersjön.

Under gruvdriftens tusenåriga historia har hittills mer än 300 miljoner ton sulfidhaltigt avfall samlats i varphögar och sandmagasin. I det lagrade gruvavfallet finns ungefär 500 000 ton zink, koppar, bly och kadmium men i så låga koncentrationer att det inte anses brytvärt. Avfallet innehåller också stora mängder svavel.

Antalet sulfidmalmsfyndigheter som någon gång brutits i Sverige är förmodligen över tusen. Gruvorna var i allmänhet mycket små och de flesta är dag nerlagda. Var dessa finns visas i bilaga 1. (Här är också gruvfyndigheterna i Bersbo inringade.)

Miljöproblemen med gruvavfallen uppmärksammades först under 1970-talet. Och i olika delar av världen har man arbetat för att ta fram metoder för att förhindra läckage av metaller och surt vatten från gruvavfall. I Sverige genomförde Naturvårdsverket ett forskningsprogram under perioden 1983-1988 under namnet Gruvindustrins restupplag. Dess syfte var att utveckla metoder som till en rimlig kostnad och som på ett acceptabelt sätt löser de miljöproblem som kan uppstå vid gruvavfallsupplag. Pilotprojektet genomfördes i Bersbo 1987-1989.

Bersbo gruvfält ligger 8 km nordost om Åtvidaberg i Östergötlandslän. Se karta i bilaga 2.

Gruvbrytningen i Bersbo har troligen börjat redan på 1200-talet och sedan pågått i perioder fram till början av 1900-talet. Malmen innehöll kopparkis, zinkblände, blyglans, svavelkis och magnetkis.

Från gruvverksamheten har det blivit kvar stora mängder avfall, sk varp. Med tiden har avfallet vittrat sönder. Metaller och syra har lakats ut i höga koncentrationer. Dessa föroreningar har givit allvarliga konsekvenser för djur- och växtlivet i de mottagande vattendragen. Metallerna har förstört Gruvsjön och skadat sjöarna Strålången och Risten. Se karta i bilaga 2

En arbetsgrupp bildades 1984 med representanter från Naturvårdsverket, länsstyrelsen i Östergötland, markägaren samt Åtvidabergs kommun. Gruppens mål var att på bästa sätt göra något åt Bersbo gruvområde, så att utlakningen och dess miljöskador skulle bli så liten som möjligt.

För att lättare förstå gruvfallsproblematiken i Bersbo tänkte jag ge en beskrivning av de processer som är inblandade vid läckande gruvavfall samt de åtgärder som enligt Naturvårdsverkets projektområde Gruvindustrins restupplag, i vilken Bersboprojektet var en del, kan vidtas för att hindra förloppet. Processerna kan dock se olika ut beroende på vad gruvavfallet består av och var det ligger lokalt, eftersom bergrund, temperatur osv kan påverka hur läckaget kan komma att se ut. Därför har jag valt att lägga tyngdvikten på de material och de åtgärder som lätt kan anknytas till avfallsproblematiken i Berbso. Själva grunderna vid läckande gruvavfall är dock lika överallt i Sverige och detsamma gäller för åtgärdsprogrammen.

Avfallsproblematiken

Jordskorpans vanligaste sulfidmineral är pyrit (FeS2 ). Den består av järn och svavel och kallas också svavelkis. Den är mycket lättvittrad och anses vara huvudorsaken till att gruvavfall kan ge oönskade effekter på miljön. Pyritinnehållet i gruvavfall kan vara så stort som 50%.

Det finns olika typer av gruvavfall; gruvvarp, slaggvarp, avfallssand och gråbergsavfall. Avfallet i Bersbo består av gruvvarp. Gruvvarp är egentligen detsamma som gråbergsavfall men termen används om äldre tiders gruvavfall och består av stenar i likartad storlek, beroende på att gruvdrift fram till slutet av 1800-talet bedrevs med enkla metoder där berget spräcktes, krossades, forslades upp till ytan och grovsorterades för hand. Den fyndiga delen gick vidare till bearbetning och resten, 70-90% blev gruvvarp. Huvuddelen av läckaget av metaller idag kommer från de äldre upplag där vittrings- och lakningsprocessen har pågått en tid. De flesta av de nyare magasinen har ännu inte börjat läcka. Här finns dock de stora volymerna avfall med stor framtida föroreningspotential. Metallutlakningen från sandmagasin bedöms öka cirka tio gånger till omkring år 2100 om inga åtgärder vidtas. Detta beroende på att det finns stora mängder metall i de sandmagasin som ännu inte börjat läcka.

Vittringen

Sulfidmineral påverkas ytterst lite av vittringsprocesserna så länge de ligger skyddade i berggrunden på våra breddgrader. När de genom gruvhanteringen förs upp till ytan och kommer i kontakt med luftens syre så startar dock vittringen. Denna process löser upp sulfiderna så att svavel och metaller frigörs.

Vittringen av gruvavfall är en komplicerad process där många olika faktorer inverkar, faktorer som kan förstärka eller motverka varandra är t ex syrgashalten, alltså mängden tillgängligt syre, vittringsbenägenheten i de olika sulfidmineralerna och fuktigheten i materialet, framförallt behövs vatten för att lösa upp och transportera bort vittringsprodukterna.

Partikelstorleken är en annan faktor som kan påverka processen eftersom vittringen startar på ytan av en partikel. Med andra ord är vittringbenägenheten större på avfall som består av mindre partiklar eftersom de har större tillgänglig yta per mängd avfall. Temperaturen påverkar också, en höjning ev temperaturen med 10 C fördubblar till exempel vittringshastigheten hos pyrit.

Slutligen påverkas vittringen av pH- värdet. När sulfider vittrar frigörs svavel, vilket leder till en sänkning av pH-värdet, vilket i sin tur leder till att vittringen accelererar. De flesta metaller löser sig också lättare och stannar i lös form i vatten med lägre pH. Därmed kan de föras ut ur upplaget. pH- värdet har alltså stor inverkan på vittringsförloppet och dess effekter på den omgivande miljön.

Det sulfidmineral som dominerar gruvindustrins avfall är pyrit. Då dess oxidation också anses typisk för sulfidvittring lämpar den sig väl som exempel på vittringsförloppet i avfallet.

Den vittring som angriper pyrit består av flera olika reaktioner. Tre reaktioner står dock för huvuddelen av vittringen:

 

Den första vittringsreaktionen som påbörjas är den kemiska oxidationen med syre. Här reagerar pyriten med syre och vatten. Järnet frigörs i form av metalljoner (Fe2+). Svavlet och vattnet bildar svavelsyra (H2SO4), detta är en stark syra som i vatten delar sig i sulfatjoner (SO42-) och vätejoner (H+). Vätejonerna sänker pH-värdet och detta gör att vittringen ökar eftersom mineral angrips lättare i surt vatten. Det tvåvärda järn som bildas vid denna reaktion kan oxideras vidare till trevärt järn (Fe3+), om syre finns tillgängligt.

 

Förenklat ser reaktionen ut på följande sätt:

FeS2

+

O2

+

H2O

Þ

Fe2+

+

SO42-

+

H+

Pyrit

 

Syre

 

Vatten

 

Järn-

joner

 

Sulfat-

joner

 

Väte-

joner

 

Det trevärda järnet kan oxidera pyrit även i syrefrimiljö. Så länge det finns trevärt järn kan oxidationsprocessen alltså fortgå även om avfallet står under vatten. När avfallet sedan torrläggs igen finns det gott om tvåvärt järn som, med det nu tillgängliga syret, åter oxideras till trevärt, som kan oxidera mer pyrit (fig1).

När pH-värdet sjunker under 4 ökar oxidationen med bakterier och kommer så småningom att dominera vittringsprocessen. Det är framförallt tre bakterier av samma släkte som dominerar vid sulfidvittring och de avlöser varandra vid sjunkande pH och vittringshastigheten ökar stegvis.

Fig 1. En Järnjon kan genomgå samma reaktion upprepade gånger. Det tvåvärda

järnet (Fe2+)oxideras, när syre finns tillgängligt, till trevärt järn (Fe3+) som

därefter oxiderar pyrit genom att återgå till tvåvärt järn. (SNV, 1993 s.23)

 

Åtgärder

Med utgångspunkt från de faktorer som styr vittringen, tillgång till syre och vatten, pH-värdet mm, finns det flera tänkbara möjligheter att förhindra att gruvavfall läcker surt och metallhaltigt vatten. Målsättningen med de åtgärder som genomförs skall dock vara att de ska fungera under minst 1000 år, då avfallets potential att vittra och läcka tungmetaller är både stor och långvarig. Detta innebär i praktiken att åtgärden måste kunna fungera utan kontroll och underhåll. Enligt projektområdet Gruvindustrins restupplag kunde detta krav i många fall uppfyllas genom täckning av avfallet efter vissa principer.

Förenklat syftar en täckning till att man radikalt minskar transporten av syre och vatten till avfallet. Utan syre blir vittringen minimal och utan kontinuerlig vattenströmning genom avfallet kan den syra och de metaller som ändå frigörs endast transporteras bort i begränsad omfattning.

Modellberäkningar som gjordes inom projektet visade att en väl planerad och genomförd täckning hade möjligheten att minska den årliga utlakningen av metaller med, i genomsnitt, mer än 90%. Totalt sett kommer lika mycket metall att lakas ur ett upplag vare sig det åtgärdas eller ej. Men målet med att täcka upplag är att utsläppen fördelas över så lång tid att metallhalterna i omgivningen hålls på en nivå där naturen inte skadas.

Det primära syftet med att täcka gruvavfall är att:

Detta uppnås genom att avfallet täcks med ett material som förhindrar transport av syre och vatten till avfallet. Täckningen skall därför bestå av minst två delar, ett tätskikt och ett skyddsskikt, eftersom ett och samma material sällan kan fungera som både vatten- och syrespärr och samtidigt ge det fysiska skydd som behövs, t ex skydd mot uttorkning, frost och erosion.

De mycket höga krav på täthet mot både syre och vatten som ställs på de material som ska bygga upp tätskiktet uppfylls av finkornigt material, bland annat leriga jordarter, bentonit och Cefyll (cement/flygaska).

Leriga mineraljordar har i allmänget en god täthet mot syretransport och kan vara användbara om de kan packas tillfredsställande till kontinuerliga skikt av jämn och bra kvalitet.

Cefyll är det material som provades i samband med Naturvårdsverkets arbete att täcka gruvavfallet i Bersbo. Cefyll består av cementstabiliserad kolflygaska och påminner om betong. Den kan blandas med andra material för att lämpliga egenskaper ska uppnås. Cefyll av god kvalitet bedömdes vara ett bra tätskiktsmaterial.

Tätskiktet måste alltid skyddas av ett skyddsskikt för att kunna behålla de tätande egenskaperna hela den tidsrymd under vilken avfallet kan vittra och läcka metaller. De yttre krafter som täckningen kan bli utsatt för är framförallt;

 

Inget material kan ge ett fullständigt skydd mot allt detta men vissa moräntyper uppfyller i hög utsträckning önskemålen. Morän täcker tre fjärdedelar av landets yta och har inte nämnvärt påverkats av naturliga yttre krafter sedan senaste istiden för omkring 10 000 år sedan. Den lämpar sig alltså väl som skyddstäckning. Det är emellertid viktigt att skiktet inte görs för tunt om det ensamt ska skydda tätskiktet. För svenska förhållanden bör skiktet inte vara tunnare än 1-2 meter.

Eftersom efterbehandling av avfallsupplag skall fungera tillfredsställande under mycket lång tid skall dess funktion varken vara beroende av underhåll eller kontinuerlig kontroll. Naturvårdsverket beräknade dock att efterkontroll krävdes under en period efter att arbetet slutförts. Då skall undersökningar göras bland annat vad gäller metalläckage, syrgashalt i upplaget och grundvattenstånd i täckningen. Man menade också att efterkontrollen borde pågå till stabila förhållanden hade uppnåts, vilket kan ta flera år. Fel som upptäcks efter att täckningen slutförts är dels svåra att lokalisera, dels mycket dyrbara att åtgärda. Även mindre brister i utförandet kan ge stora effekter. Därför är utförandekontrollen, den kontinuerliga besiktningen under arbetets gång, av avgörande betydelse för slutresultatet.

 

 

Bersbo

Att belysa hur det gick i Bersbo är inte bara intressant ur det lokala perspektivet eftersom detta var ett pilotprojekt, det första i sitt slag i Sverige och vars lärdomar har använts vid täckning av annat gruvavfall i Sverige. Projektet i Bersbo att kom delas in i fem faser:

 

Planering och genomförande

I den första fasen kom naturvårdsverket fram till att den bästa lösningen för att förhindra läckage av gruvavfallet i Bersbo var övertäckning (se föregående beskrivning). Detta innebär dock inte att utlakningen stoppas helt eftersom detta anses vara ett orealistiskt mål. Målet är att utlakningen sker inom gränser för vad naturen tål och med hänsyn till vad som anses ekonomiskt och tekniskt möjligt.

Från resultaten av den första fasen kom man vidare fram till att allt avfall i Bersbo gruvområde skulle forslas till två huvuddeponier, Steffenburgsupplaget och Storgruvsupplaget. Se karta i bilaga 3.

De båda avfallsupplagen täcktes. Steffenburgupplaget fick ett tätskikt av 0,5 meter lera, Storgruveupplaget ett av 0,3 meter Cefyll. Att Cefyll valdes till tätskiktet på Storgruverupplaget hade flera orsaker. Upplaget är relativt brant och Cefyll är lättare att lägga vid stora lutningar än vad lera är. Storgruveupplaget har också en del besvärliga gränszoner, bland annat till berg, där det var lättare att få en tät anslutning med Cefyll. Då Cefyll inte blev särskilt mycket dyrare än lera tog man också tillfället i akt att pröva materialet, som på grund av sina egenskaper är mycket intressant i täckningssammanhang.

Båda upplagen har ett skyddsskikt av två meter morän (figur 2 folder). Lera och morän fanns att tillgå lokalt. Arbetet avslutades 1989.

Åtgärderna i Bersboområdet hade i maj 1986 beräknats kosta totalt ca 36 miljoner kronor. De största kostnaderna står för omflyttning av varp, utläggning av lera och Cefyll samt hantering av morän och krossmaterial. Statliga medel täcker ca 80 procent av kostnaderna.

Kontroll och uppföljning

En viktig del av arbetet i Bersbo var uppföljningen och kontrollen. Särskilt med tanke på att detta var ett pilotprojekt och att detta skulle ligga till grund för vidare forskning och åtgärdsprogram i Sverige och i världen. Mätningar gjordes på följade:

  1. Nederbörd - en måttstation på vardera upplagen
  2. Inspektion av tätskikten genom utgrävningar
  3. Syrgashalt i det deponerade avfallet
  4. Diffusiviteten ( genomsläpplighet för syre) för de två täckningsalternativen
  5. Grundvattennivåerna i skyddsskikten
  6. Filtreringshastigheten för vatten i skyddsskikten
  7. Portryck i tätskikten
  8. Hydraulisk konduktivitet (genomsläpplighet för vatten) i tätskiktmaterialet
  9. Innehållet av koldioxid i den interna atmosfären
  10. Temperaturfördelning i de båda upplagen
  11. Vattennivåer och vattenkvalité av markytor där avfall blivit borttaget

I de första efterkontrollerna som pågick fram till 1991 kom man fram till att tätskiktet verkade fungera som man hade förutsett i den forskning som föranledde täckningen. Syrgashalten i det deponerade avfallet hade till och med sjunkit mer än vad man hade beräknat och vattenbalansen i deponierna verkade överensstämma med de hydrologiska egenskaperna av tätskikten (Lundgren, 1992). Man hade alltså fått en minskad transport av syre och vatten genom upplagen. Man ansåg att förutsättningarna för avfallet att vittra därmed hade försämrats avsevärt då syrgashalten i avfallet då bara var någon procent, jämfört med 15-20% före täckningen. Utflödet av metaller från området som helhet hade också minskat (Tabell 1).

 

Tabell 1. Kvaliteten på vattnet från Storgruveupplaget före och efter täckningen (medelvärden i mg/l) (Efter Lundgren 1992 s.36)

pH

Sulfat

Järn

Koppar

Zink

Kadmium

1985-1988

4,16

567

5,0

10,3

81,7

0,268

1990

3,89

1 103

178,8

11,4

161,6

0,275

1991

3,77

1 190

341,2

3,3

63,6

0,114

 

Man menade också att Steffenupplaget efter täckningen hade en mycket låg vattengenomströmmning i upplaget. Det vatten som tidigare hade runnit genom avfallet rann, efter mätningar gjorda före 1991, på och i skyddskiktet. Detta bidrog till utspädning av lakvattnet och man beräknade därmed att det totalt borde leda till lägre koncentrationer av metaller och syra.

En oväntad effekt av täckningen var att lakvattnet från Storgruveupplaget hade fått en avsevärd ökning av tvåvärt järn. När detta fälls ut förorsakar det lokal försurning i vattendraget närmast upplaget. Detta kan förklaras av att en del av den gruvvarp som tippades ner i gruvschaktet före täckningen redan hade börjat vittra. Den innehöll således trevärt järn som oxiderar pyrit genom att reduceras till tvåvärt järn. När det tvåvärda järnet förs ut till vattendragen fälls det ut som järnhydroxid och försurar dessa. Denna process kan dock bara pågå så länge som det finns trevärt järn kvar i gruvschaktet. Enligt Tom Lundgren på Miljöteknik beräknas processen pågå i ytterligare ett par decennier.

Enligt Tom Lundgren på Miljöteknik fortsätter arbetet med uppföljning och kontroll av Bersbo gruvavfall. I stora drag har man hittills kommit fram till att tätskiktet i Steffenupplaget som var av lera har varit effektivt både som syre och vattenbarriär. Tätskiktet gjort av Cefyll på Storgruveupplaget har däremot fungerat sämre än förväntat som syrebarriär. Här förekommer i runda tal ca 10% högre halter av syre i deponierna än i Steffenupplaget, med inslag av toppar på upp till 25% högre syrgashalt vid vissa tider. Däremot har Cefyllen visat sig vara en bra vattenbarriär. Att syrgashalten är relativt högre än förväntat innebär att vittringsprocessen kan fortgå. För att motverka detta så gjordes tätningsinsatser i Storgruveupplaget 1995/96.

Metalltransporten har enligt Lundgren bara halverats i Storgruveupplaget medan den i Steffenupplaget är betydligt bättre. Det relativt höga metallutsläppen till vattendragen beror också på att det är samma vattenutsläpp från både gruvan, Storgruveupplaget och Steffenupplaget. Nettoeffekterna av täckningen visar dock att metallutsläppen har minskat något.

Lundgren menar dock att fler kontroller och mätningar är nödvändiga innan några slutgiltiga slutsatser kan dras.

Slutsatser

Det är svårt att dra några slutsatser vad gäller gruvavfallsproblematiken i Bersbo då mätningar fortfarande pågår. Vissa delar av projektet tycks dock ha fallit väl ut. De stora problemen tycks ha med Storgruveupplaget att göra och dess tätskikt Cefyllen. Många andra täckningsprojekt har dock gjorts i Sverige efter Bersbo och där har man, vad jag har erfarit lyckats bättre. Ett av problemen i Bersbo hade också att göra med att redan vittrat material täcktes. Den nyare avfallssanden som kommer från moderna gruvor har dock inte hunnit vittra ännu, och om täckning görs innan magasinen börjar vittra är chansen stor att problemet med läckande gruvavfall minskar i framtiden.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Litteratur

Naturvårdsverket, 1993. Gruvavfall från sulfidmalmsbrytning, metaller på drift

VIAK AB (inget årtal) Gruvavfall i Bersbo, Nu skall miljöproblemen åtgärdas

Gustafsson H. 1997 Naturvårdsverkets syn på gruvavfallsproblematiken. Arbetsmaterial

Lundgren T. 1992 Following up the covering project at Bersbo, the attempt to control acid mine drainage. Koncept till en rapport av Naturvårdsverket.

Lundgren T. 1999 på Terratema Miljöteknik AB. Muntlig information.

 

 


Till abirs hemsida