Avrenning fra alunskifer : utlekking og nøytraliseringseffekt i kombinasjon med avfallsbetong

Abstract

Alunskifer er en syredannende bergart med utbredelse i Oslofeltet. Skiferen har flere problematiske egenskaper utover iboende syredannende potensial, blant annet et høyt (tung)metallinnhold, deriblant uran. Ved gitte forhold kan produsert syre og uran lekke ut av alunskiferen. På bakgrunn av dette reguleres håndtering og deponering av Avfallsforskriften (2004) og Forskrift om radioaktiv forurensning og avfall (2011a).

I denne oppgaven er to alunskiferprøver inkludert, en fra Regjeringskvartalet i Oslo og en fra Slemmestad i Asker kommune. For å nøytralisere skiferens potensielt iboende syrepotensial kan det være aktuelt ved deponering å samdeponere massene med et alkalisk materiale. I denne sammenheng ble avfallsbetong ansett som interessant på grunn av materialets syrenøytraliserende egenskaper. Basert på teoretiske beregninger av alunskifernes syredannende potensial og betongens syrenøytraliserende kapasitet kreves det ca. 460 kg betong for deponering av 1 tonn skifer i fra Regjeringskvartalet og ca. 1250 kg betong for deponering av 1 tonn skifer fra Slemmestad.

De tre materialprøvene ble inkludert i et umettet kolonneforsøk som ble vannet og analysert ukentlig i 13+ 3 uker. Kontroller med hvert av materialene ble satt opp i duplikater. Det ble i tillegg inkludert triplikater av hver av alunskiferne med et underliggende betonglag, en antatt syrenøytraliserende betongbehandling (80% alunskifer: 20% betong). Basert på utlekking fra kolonneforsøkt ble betongens syrenøytraliserende kapasitet beskrevet som en funksjon av tid (CaCO3PR), og sett i lys av alunskifernes syreproduserende rate (SPR). Estimeringene viste at det foreligger en risiko for at betongen ikke vil evne å bufre hele løpet av syreproduksjon i alunskiferne.

Utlekkingen av uran fra alunskiferne ble også overvåket i det umettede kolonneforsøket. Det ble observert en uran- utlekking fra begge alunskiferne (RE: 210- 2865 μg/L og SL: 185- 860 μg/L). Basert på geokjemiske modelleringer ble det antatt at U i hovedsak lakk ut som U(VI), i form av mobile kalsium- karbonat- komplekser. I kolonnene hvor alunskiferne ble tilført en underliggende betongbehandling (i første rekke for å nøytralisere alunskifernes potensielt genererte syre) ble uran- utlekkingen redusert med tilnærmet 100%. Effekten ble antatt å skyldes en kombinasjon av betongens høye Ca- innhold, som blant annet kan medføre en inkorporering av U(VI) i ettringitt i betongen, samt en effekt av at betongbehandlingen reduserte systemets redokspotensial, resulterende i en reduksjon av U(VI) til U(IV).

Avfallsbetong kan potensielt inneholde en konsentrasjon av seksverdig krom som begrenser mulighet for gjenvinning i anleggsarbeid (8 mg Cr(VI)/kg). En slik forhøyet konsentrasjon ble ikke målt i avfallsbetongen inkludert i foreliggende studie (1,2 mg Cr(VI)/kg). Allikevel ble en utlekking av Cr(VI) over grenseverdi for utslipp av prosessavløpsvann til resipient (0,03 mg/L) observert over tid fra betongen (0,01- 0,07 mg/L) Ved implementering av avfallsbetong i alunskiferdeponi foreligger derfor en viss risiko tilknyttet Cr(VI), med mulige negative effekter dersom ytre miljø eksponeres for ubehandlet sigevann. Ved tilførsel av utlekkingsvann fra alunskifer til betongen (i betongbehandlede alunskiferkolonner) økte utlekkingen av Cr(VI) nevneverdig. Alle observasjonene ble målt til over grenseverdien (REB: 0,04- 0,16 mg/L og SLB: 0,03- 0,19 mg/L). Effekten ble antatt å skyldes høye sulfatkonsentrasjoner i utlekkingsvannet fra alunskiferne, som substituerer Cr(VI) foreliggende i ettringitt i betongen.

Før potensiell implementering av betongbehandling i alunskiferdeponi vil det være nødvendig å gjennomføre ytterligere undersøkelser og vurderinger av fordelaktige og negative effekter. Foreliggende studie er gjort over et begrenset tidsintervall, og over et begrenset pH- intervall for alunskiferne. Interaksjonen imellom surt sigevann fra alunskifer (ARD) og betong er derfor ikke undersøkt. Det vil også være aktuelt å oppskalere forsøket for i større grad etterligne realistiske forhold i deponi, noe som gjøres i et pågående utendørs kontainerforsøk hos NOAH avdeling Langøya.

Alum shale is an acid-forming rock prevalent in the Oslo field. The shale has several problematic properties in addition to its inherent acid-forming potential, for instance a high (heavy)metal content, including uranium. Under certain conditions, produced acid and Uranium can leak out of the alum shale. Based on this, handling and disposal are regulated by the Waste Regulations (Avfallsforskriften, 2004) and Regulations on radioactive pollution and waste (Forskrift om radioaktiv forurensning og avfall, 2011a)

In this thesis, two alum shale samples are included, one from Regjeringskvartalet in Oslo and one from Slemmestad in Asker municipality. In order to neutralize the shale's potentially inherent acid potential, it may be relevant when depositing to co-deposit the masses with an alkaline material. In this context, waste concrete was considered interesting because of the material's acid neutralizing properties. Based on theoretical calculations of the alum shale's acid-forming potential and the concrete's acid-neutralizing capacity, approximately 460 kg of concrete is needed for depositing 1 tonne of shale in from Regjeringskvartalet and approximately 1250 kg of concrete is needed for depositing 1 tonne of shale from Slemmestad.

The three material samples were included in an unsaturated column experiment that was watered and analyzed weekly for 13+ 3 weeks. Controls with each of the materials were set up in duplicate. In addition, triplicates of each of the alum shale with an underlying concrete layer, a presumed acid neutralizing concrete treatment (80% alum slate: 20% concrete) were included. Based on leaching from column tests, the concrete's acid-neutralizing capacity was described as a function of time (CaCO3PR) and compared with the alum slate's acid-producing rate (SPR). The estimates showed that there is a risk that the concrete will not be able to buffer the entire acid production in the alum slates.

The leaching of uranium from the alum shales was also monitored in the unsaturated column experiment. A uranium leaching from both alum shale was observed (RE: 210-2865 μg/L and SL: 185-860 μg/L). Based on geochemical modelling, it was assumed that U mainly leached out as U(VI), in the form of mobile calcium- carbonate- complexes. In the columns where the alum shale was added to an underlying concrete treatment (primarily to neutralize the alum shale's potentially generated acid) the uranium leaching was reduced by approximately 100%. The effect was assumed to be a combination of the concrete's high Ca content, which can lead to an incorporation of U(VI) into ettringite in the concrete, as well as an effect of the concrete treatment reducing the redox potential of the system, resulting in a reduction of U(VI) to U(IV).

Waste concrete can potentially contain a concentration of hexavalent chromium that limits the possibility of recycling in construction work (8 mg Cr(VI)/kg). Such an elevated concentration was not measured in the waste concrete included in the present study (1.2 mg Cr(VI)/kg). Nevertheless, a leaching of Cr(VI) above the limit value for discharge of process wastewater to the recipient (0.03 mg/L) was observed over time from the concrete (0.01- 0.07 mg/L), and a certain risk associated with Cr(VI), with possible negative effects if the external environment is exposed to untreated leachate. When leaching water from alum shale was added to the concrete (in concrete-treated alum shale columns), the leaching of Cr(VI) increased significantly. All observations were measured above the limit value (REB: 0.04-0.16 mg/L and SLB: 0.03-0.19 mg/L). The effect was assumed to be due to high sulphate concentrations in the leaching water from the alum slates, which substitute Cr(VI) present in ettringite in the concrete.

Before the potential implementation of concrete treatment in alum shale landfill, it will be necessary to carry out further investigations and assessments of beneficial and negative effects. The present study has been carried out over a limited time interval, and over a limited pH interval for the alum shales. The interaction between acidic leachate from alum shale (ARD) and concrete has therefore not been investigated. It will also be relevant to scale up the experiment with the intention of more closely imitating realistic conditions in a landfill, which is being done in an ongoing outdoor container experiment at NOAH department Langøya.