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Performance of Semi-passive Systems for the Biological Treatment of High-As Acid Mine Drainage: Results from a Year of Monitoring at the Carnoulès Mine (Southern France)

Comportamiento de los sistemas semipasivos para el tratamiento biológico de los drenajes mineros con alto contenido en ácido: resultados de un año de seguimiento en la mina de Carnoulès (sur de Francia)

Leistungsfähigkeit semi-passiver Systeme für die biologische Behandlung arsenreicher, saurer Grubenwässer: Ergebnisse von einem Jahr Monitoring an der Carnoulès Miene (Südfrankreich)

富砷酸性矿山废水半被动生物处理系统的性能: Carnoulès矿 (法国南部) 一年监测结果

Abstract

Two semi-passive treatment systems for iron (Fe) and arsenic (As) removal in AMD were installed and monitored in-situ for more than a year. These technologies were designed to treat the As-enriched AMD (≈ 1 g/L Fe(II) and 100 mg/L As(III)) of the ancient Carnoulès mine. The treatment was based on biological Fe and As oxidation by indigenous bacteria, and subsequent immobilization of As by ferric hydroxysulfates. Forced aeration and wood/pozzolana or plastic support were used for biofilm attachment. The system performance ranged from 86 to 98% for Fe oxidation, 30 to 60% for Fe removal, and 50 to 80% for As removal at a hydraulic retention time of 9 h. No significant difference were measured between the two biofilm supports. The wood/pozzolana support had a shorter delay for performance recovery after interruptions. Iron oxidation rates were similar to those obtained in the Carnoulès AMD stream and laboratory bioreactor, while As oxidation seemed to be enhanced. The sludge accumulated between 39 and 91 mg/g of As, mainly in the As(V) oxidation state; jarosite and amorphous ferric hydroxysulfate phases were the main Fe and As scavengers. Challenging environmental conditions during the long monitoring period confirm the robustness of the treatment units. The data will be useful in designing future full-scale treatment systems adapted to As-rich AMD.

Resumen

Se instalaron dos sistemas de tratamiento semipasivo para la eliminación de hierro (Fe) y arsénico (As) en el drenaje ácido de mina (DAM) y se monitorearon in situ durante más de un año. Estas tecnologías se diseñaron para tratar el DAM enriquecido en As (≈ 1g/L de Fe(II) y 100 mg/L de As(III)) de la antigua mina de Carnoulès. El tratamiento se basó en la oxidación biológica del Fe y el As por parte de bacterias autóctonas y la posterior inmovilización del As mediante hidroxisulfatos férricos. Se utilizó aireación forzada y soporte de madera/puzolana o plástico para la fijación de la biopelícula. El rendimiento del sistema osciló entre el 86 y el 98% para la oxidación de Fe, entre el 30 y el 60% para la eliminación de Fe y entre el 50 y el 80% para la eliminación de As a un tiempo de retención hidráulica de 9 h. No se obtuvieron diferencias significativas entre los dos soportes de biopelícula. El soporte de madera/puzolana tuvo un menor retraso en la recuperación del rendimiento tras las interrupciones. Las tasas de oxidación del hierro fueron similares a las obtenidas en el flujo de AMD de Carnoulès y en el biorreactor de laboratorio, mientras que la oxidación del As pareció estar potenciada. Los lodos acumularon entre 39 y 91 mg/g de As, principalmente en el estado de oxidación As(V); las fases jarosita e hidroxisulfato férrico amorfo fueron los principales secuestradores de Fe y As. Las difíciles condiciones ambientales durante el largo periodo de seguimiento confirman la solidez de las unidades de tratamiento. Los datos serán útiles en el futuro diseño de sistemas de tratamiento a escala real adaptados a la DAM rica en As.

Zusammenfassung

Zwei semi-passive Behandlungssysteme wurden implementiert, um Eisen (Fe) und Arsen (As) in-situ aus saurem Grubenwasser zu entfernen. Die Anlagen wurden zur Behandlung des arsenreichen Grubenwassers (≈ 1g/L Fe(II) und 100 mg/L As(III)) aus dem historischen Carnoulès Bergwerk konzipiert und über mehr als ein Jahr überwacht. Die Grubenwasseraufbereitung basiert auf der biologischen Oxidation von Fe und As durch autochthone Bakterien sowie der nachfolgenden Immobilisierung von As in Fe(III)hydroxysulphaten. Zu diesem Zweck wurde eine künstliche Belüftung zusammen mit Oberflächen (Holz/Puzzolane oder Plastik) für die Ausbildung von Biofilmen eingesetzt. Die Reinigungsleistung lag bei einer hydraulischen Retentionszeit von 9 h in der Größenordnung von 86 bis 98% für Fe(II)-Oxidation, 30 bis 60% für Fe Entfernung und 50 bis 80% für As Entfernung. Ein signifikanter Unterschied zwischen den beiden Biofilm-Oberflächen war nicht feststellbar. Holz/ Puzzolane wies eine kürzere Erholungsphase nach Betriebsunterbrechungen auf. Die Fe(II)-Oxidationsraten waren vergleichbar mit den Ergebnissen aus dem Carnoulès-Grubenwasser und einem Labor-Bioreaktor, wohingegen die As-Oxidation sogar erhöht erschien. Im Schlamm wurden zwischen 39 und 91 mg/g As, meist als As(V), angereichert. Das As wurde v.a. von Jarosit und amorphen Fe(III)hydroxysulphat-Phasen co-präzipitiert. Die herausfordernden Umweltbedingungen während des langen Monitoringzeitraums bestätigen die Robustheit der Behandlungseinheiten. Die Daten bieten eine gute Ausgangsbasis für die Konzipierung großmaßstäblicher Systeme zur Behandlung arsenreicher Grubenwässer.

抽象的

安装了两套去除酸性矿山废水 (AMD) 铁 (Fe) 和砷 (As) 的半被动处理系统, 现场监测系统运行一年多。用这些技术处理遗留老矿Carnoulès的富砷酸性矿山废水 (AMD) (含Fe(II) ≈1 g/L和As (III) 100 mg/L) 。利用本地细菌生物氧化铁和砷, 随后再通过硫酸氢氧铁 (ferric hydroxysulfates) 固定砷。应用了强制曝气, 使用木头/灰泥或塑料支撑生物膜附着体。在9h水力停留时间内, 系统的铁氧化率86% ~ 98%, 铁去除率30% ~ 60%, 砷去除率50% ~ 80%。未监测出两种生物膜支撑作用的显著差异, 木头/灰泥支撑受间断影响的性能恢复延迟时间更短。系统的铁氧化率与Carnoulès 酸性矿山排放废水和实验室生物反应器获得数值都相似, 但砷的氧化似乎得到加强。污泥积累砷39 ~ 91 mg/g, 主要为氧化态砷 (V); 黄甲铁矾和非晶态硫酸氢氧铁是铁和砷的主要清除剂。在长时间监测过程中, 充满挑战性的不利环境条件证明处理系统具有较好的运行稳定性。研究数据将有助于设计全比例的富砷酸性矿山废水处理系统。

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References

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Acknowledgements

The authors acknowledge the financial support of (ADEME) [APR-GESIPOL-2017-COMPAs], the Occitanie region, and BRGM for co-funding of the PhD grant of Camila Diaz-Vanegas, and OSU-OREME for co-funding of the long-term monitoring of Carnoulès AMD physico-chemistry. Thanks to Adam Djibrine and Amandine Malcles for their work during experimental monitoring. Thanks to Jérémy Engevin for bringing his expertise on the design and installation of the devices and to Rémi Freydier, Léa Causse, and Sophie Delpoux for their help in analytical work on the AETE-ISO platform, OSU OREME, Université de Montpellier. The authors would like to thank the editors for their contribution to improve the quality of the manuscript.

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Diaz-Vanegas, C., Casiot, C., Lin, L. et al. Performance of Semi-passive Systems for the Biological Treatment of High-As Acid Mine Drainage: Results from a Year of Monitoring at the Carnoulès Mine (Southern France). Mine Water Environ 41, 679–694 (2022). https://doi.org/10.1007/s10230-022-00885-4

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  • DOI: https://doi.org/10.1007/s10230-022-00885-4

Keywords

  • Mine waste water
  • Biological arsenic oxidation
  • Biological iron oxidation
  • Bioremediation
  • Field-pilot