Kaivannaisalan antropogeenisten varantojen hyödyntäminen – miten estää taloudellinen hyppy tuntemattomaan?

Antropogeenisten varantojen louhintaa (remining) ja sekundääristen raaka-aineiden hyödyntämistä on pidetty pitkään ekologisena ratkaisuna vastaamaan kriittisten raaka-aineiden kysyntään Euroopassa. Vanhojen kaivosympäristöjen rikastushiekka-alueet, sivukivikasat ja vesikäsittelysakat sisältävät arvoaineksia, joita ei kaivoksen toiminnan aikana ole pidetty taloudellisesti hyödyntämiskelpoisena tai edes tunnistettu sen aikaisilla analyysimenetelmillä. Näin ollen vanhat kaivannaisjätealueet voivat muodostaa tärkeän raaka-ainelähteen eri korkean teknologian sovelluksille. Vähähiilisten energiamuotojen tuotantoon, varastointiin, siirtoon ja käyttämiseen tarvittavilla metalleilla on tällä hetkellä laaja, globaali kysyntä.

Osana Euroopan huoltovarmuutta ja kiertotaloutta tarvitaan uutta kaivostoimintaa yhdistettynä tehokkaaseen kriittisten raaka-aineiden käyttöön sekä kierrätykseen. Silti sekundääristen raaka-ainevarantojen kaupallinen hyödyntäminen on ollut toistaiseksi vähäistä. Mistä tämä johtuu? Yksi syy voi olla energiaintensiivisistä prosessimenetelmistä johtuva kohtalaisen alhainen tuottoprosentti. Myytävien tuotteiden tulot eivät yksikertaisesti kata tuotantokustannuksia. Kaupallisen ratkaisun löytyminen edellyttää kokonaisvaltaista tarkastelua. Kannattavan tuotannon edellytyksenä on, että prosessissa huomioidaan kaikki mahdollinen arvoaines, sillä kaivannaisjätteessä metallien pitoisuustasot ovat tyypillisesti kohtalaisen alhaisia. Kannattavuus on tapauskohtaista, sillä siihen vaikuttaa soveltuvan rikastusprosessin vaatimukset. Rikasteen myynnin tulee kattaa prosessikustannukset sekä huomioida metallien maailmanmarkkinahintojen vaihtelut.

Reminingissa on paljon hyötyjä, muttei siihen ole yhtä, kaikille sopivaa ratkaisua

Remining-konseptilla on paljon etuja verrattuna perinteiseen kaivostoimintaan, jossa louhitaan niin sanottuja primäärisiä raaka-aineita. Näitä ovat muun muassa (1) alhaisemmat kokonaisinvestoinnit, mikä johtuu siitä, että aines on jo prosessoitua ja louhiminen voidaan toteuttaa tavanomaisesti ”kauha ja lava” -periaatteella maanpinnalta sekä (2) ympäristövaikutusten jääminen huomattavasti pienemmiksi, louhittavien metallien/haitta-aineiden vähentymisen myötä.

Tuotannon aikana toiminnanharjoittaja voi hyödyntää olemassa olevia jätealueita sekä suunnitella rikastushiekka-alue uudelleen nykyisten ympäristö- ja turvallisuusstandardien mukaisesti. Prosessissa muodostunut jäte voidaan myös sijoittaa täyttömateriaaliksi vanhoihin louhostiloihin, mikä vähentää alueen ympäristövaikutuksia sekä sortumariskiä.

Muita lisähyötyjä kaivannaisjätteiden uudelleenhyödyntämisestä on, että haitallisten aineiden kuten metallien osuus jätteessä pienenee, mikä vastaavasti vaikuttaa jätteiden ympäristöriskeihin ja siten käsittelyyn liittyviin kustannuksiin. Parhaassa tapauksessa kaivannaisjätteiden uudelleenhyödyntäminen voi nostaa vanhojen kaivosten hyödyntämisasteen jopa 80 prosenttiin. Esimerkiksi hyötymineraalien erotteleminen vesienkäsittelyn sakoista tuo tuloja, jotka voivat osin kattaa ympäristöluvan mukaisten vesienkäsittelyn kustannuksia.

On tärkeä huomioida, että kaivannaisjätteiden mahdollinen taloudellinen arvo vaihtelee paljon. Tämä vaikeuttaa arviointia, jonka vuoksi ei ole olemassa mitään yleistä arviointiperustetta. Projektien kannattavuuslaskelmien tulee aina pohjautua huolelliseen tutkimukseen sekä varantojen määrittämiseen.

Alkuvaiheen näytteenotosta varantojen arviointiin

Kaivoksen tuotantoon liittyvä moninainen tekninen tieto tulisi käydä huolellisesti lävitse. Tällaista tärkeää tietoa ovat muun muassa: (1) prosessoidun malmin mineralogia sekä primääri kivilajikoostumus, (2) tuotannon pitoisuus, (3) dokumentaatio kaivoksen aikaisista aineksien uudelleenhyödyntämistä, (4) prosessilaitoksen tekniset yksityiskohdat sekä (5) tuotantoluvut ja päivämäärät.

Esiselvitys hyötymineraalien pitoisuuksien varmentamiseksi ja alustava jätteen luokittelu on suositeltavaa ennen laajamittaista näytteenottoa. Alkuvaiheen näytteenotoksi sopii esimerkiksi lapiolla kaivetut kuopat ympäri kaivannaisjätealuetta. Taustatieto kaivoksen toiminnasta yhdessä laserkeilausaineiston sekä ilmakuvakuvien tulkinnan kanssa tulisi hyödyntää rikastushiekan syöttöputkien paikkaa selvittäessä, sillä tämä vaikuttaa rikastushiekan raekokovaihteluihin.

Riippuen kohteen esteettömyydestä ja vedenpinnan tasosta, seuraavassa vaiheessa kerättävä tieto sisältää esimerkiksi kaivauksia tai ensivaiheen kairauksia, jossa selvitetään rikastushiekka-altaan paksuutta ja pinta-alaa sekä kerätään näytteitä kemiallisiin tutkimuksiin ja raekokoanalyyseihin. Maastogeofysikaaliset tutkimukset, kuten sähköinen resistanssitomografia (ERT), painovoimamenetelmät ja magneettiset menetelmät, tuottavat myös epäsuoria tuloksia rikastushiekka-altaan paksuudesta sekä antavat tärkeää tietoa materiaalien magneettisuudesta ja johtavuuksista.

Näytteenoton laatua tulee tarkkailla, sillä rikastushiekka on tyypillisesti koostumukseltaan hienorakeista sedimenttiä. Tämä muodostaa näytteenottoon suuren kontaminaatioriskin. Kairauksen laatua voidaan tarkastella kairaamalla kaksoisreikä ensimmäisen kairareiän viereen, jolloin saadaan toinen näytesarja tilastolliseen tarkasteluun (Kuva 1). Muita tärkeitä laadunvalvontaan liittyviä aspekteja ovat esikäsittely- ja analyysimenetelmien sekä kontrollinäytteiden oikeanlainen valinta. Etenkin Suomessa iso osa rikastushiekasta on vedenpinnantason alapuolella ja siten vedellä kyllästyneessä tilassa. Kaivannaisjätevarantojen arvioinnissa tulee kuitenkin huomioida materiaalin kuivatiheyksien määrittäminen riittävällä tarkkuudella. Kuivatiheyksiä käytetään rikastushiekka-altaiden tonnimäärien arvioinneissa yhdessä tilavuusarvion kanssa. Painotus tulisi olla näytteen edustavuudessa sekä kosteusprosentissa. Tiheys voidaan johtaa tilavuuden ja painon kautta kyseiselle näytemateriaalille esimerkiksi näyterenkaan tai laatikon avulla.

Varantoarvioiden laatiminen kaivannaisjätealueista on verrattavissa prosessikuvaukseltaan yleisesti muihin mineraalivarantoarvioiden laatimiseen. Geologinen jatkuvuus ja pitoisuusjatkuvuus tulee määrittää, mutta lisäksi jatkuvuus tulisi selvittää myös raekokojakauman osalta (Kuva 2). Esiintymän tilavuusmallin luotettava mallintaminen edellyttää tietoa maanpinnantasosta ja rikastushiekka-alueen paksuudesta, mikä tulisi epäsuoran tiedon sijaan todentaa esimerkiksi kairaamalla. Jätealueen reunaosien mallinnus vaatii tarkkuutta ja rikastushiekan sekä patomateriaalin rajapinta tulisi voida määrittää.

Kaivannaisjäte voi poiketa merkittävästi alkuperäisestä louhitusta malmikivestä kemiallisilta ja fysikaalisilta ominaisuuksiltaan. Jätteen mineralogiset selvitykset ja metallurgiset kokeet tulisi suunnitella yksilöllisesti ja aloittaa jo tutkimuksien alkuvaiheessa. Ensivaiheen metallurgisissa tuloksissa voi esimerkiksi käydä ilmi, että vaikka hieno- ja karkearakeinen aines ovat samankaltaisia geokemialtaan, voi metallien saannit poiketa merkittävästi toisistaan. Tämä voi tarkoittaa että pitoisuus- ja raekokovaihtelua voi joutua seuraamaan (”Grade control”) ja arvoainesta louhimaan selektiivisesti. Myös remining-kasat eri pitoiselle tai raekoon arvoainekselle voivat tulla tarpeen, jotta pystytään parantamaan syötteen laatua ja metallisisältöä.

On myös ymmärrettävä haasteet, jotka liittyvät pohjavedenpinnan tasoon ja rikastushiekan mahdolliseen hapettumiseen. Sulfidimineraalien hapettumiseen ja sitä kautta mineraalien ja kaivosvaluman geokemiaan vaikuttaa mm. kaasujen eli lähinnä hapen diffuusio, joka on pitkälti riippuvainen vedellä kyllästymättömän kerroksen paksuudesta ja läjityksestä kuluneesta ajasta. Pinta- ja reunaosien muutoksia geokemiassa voidaan tutkia esimerkiksi erilaisten uuttojen avulla.

GTK:n mineraali ja kiertotalouden ratkaisut tarjoavat palveluja asiakkaalle varantoarvioihin, laadunvalvonnan (QA/QC) ja suunnitteluun ja toteutukseen sekä konsultointia että rikastuskokeita sekundäärisistä raaka-aineista. Palveluratkaisut tuottavat asiakkaille luotettavaa tietoa osana projektien kannattavuusselvityksiä ja tukevat päätöksentekoa näytteenottovaiheesta kaivoksen sulkemiseen.

Reminingiin liityvistä palveluista antavat mielellään lisätietoa Aleksi Salo, aleksi.salo@gtk.fi ja Teemu Karlsson teemu.karlsson@gtk.fi

Teksti

Janne Hokka, erikoisasiantuntija (FM – Geologia, EurGeol), GTK, janne.hokka@gtk.fi
Teemu Karlsson, geologi (FM – Geologia, PhL – Applied Geochemistry, EurGeol) GTK, teemu.karlsson@gtk.fi
Anna Tornivaara, ryhmäpäällikkö (FM – Geologia) GTK, anna.tornivaara@gtk.fi

Lähteet

• Abzalov, M. Z., 2009. Use of Twinned Drillholes in Mineral Resource Estimation: Exploration and Mining Geology, v. 18, p. 13-23.
• Blengini, G.A., Mathieux, F., Mancini, L., Nyberg, M., Viegas, H.M., 2019, (Editors): Salminen, J., Garbarino, E., Orveillon, G., Saveyn, H., Mateos Aquilino, V., Llorens González, T., García Polonio, F., Horckmans, L., D’Hugues, P., Balomenos, E., Dino, G., de la Feld, M., Mádai, F., Földessy, J., Mucsi, G., Gombkötő, I., Calleja,I., Recovery of critical and other raw materials from mining waste and landfills: State of play on existing practices, EUR 29744 EN, Publications Office of the European Union, Luxembourg, doi:10.2760/600775, JRC116131.
• Markovaara-Koivisto, M., Valjus, T., Tarvainen, T., Huotari, T., Lerssi, J., Eklund, M., 2018. Preliminary volume and concentration estimation of the Aijala tailings pond – Evaluation of geophysical methods: Resource Policy, v. 59, p. 7-16, doi: https://doi.org/10.1016/j.resourpol.2018.08.016.