Εξέταση εναλλακτικών χρήσεων του βιομηχανικού αποβλήτου της φωσφογύψου

Abstract

Phosphogypsum (PG) is a by-product of the phosphate fertilizer industry that is produced during the phosphoric acid production process. Annual global PG production ranges between 100 to 300 Mt, with only 15% of that utilized while the rest is usually placed on large dumps with the risk of potential serious human and environmental impacts when there are no protection measures or there is a failure of protection measures. Over the last 15-20 years, several potential and/or applied industrial alternative uses of PG have been recorded in literature. More specifically, PG can be used as a substitute in the cement industry, in building materials and in road construction, as a fertilizer for soil improvement, as a raw material for the production of some chemicals, and as a backfilling material for the rehabilitation of abandoned mines and quarries, while the recovery of gypsum and the extraction of rare earth elements signifies the potential importance of PG to circular economy. The objective of the present PhD thesis is the investigation of the potential utilization of PG: a) as a filling material for quarry and mining gaps in restoration projects, and b) as a soil conditioner. For the 1st suggested alternative utilization, lab-scale experiments with lysimeters were conducted in order to simulate and examine the environmental characteristics and the temporal behavior of PG leachates in terms of physicochemical characteristics and chemical composition. Large-scale pilot field tests were also conducted to monitor the environmental behavior of PG in real field conditions. At the same time, geotechnical laboratory tests were also carried out in order to examine the geotechnical feasibility of the proposed alternative use. For the 2nd suggested alternative use, laboratory scale experiments were performed to assess the effect of PG on the growth and health of plants that are not directly involved in the food chain. Based on the results of the lab-scale experiments with lysimeters:•leachates from already deposited for many years PG, seemed to have better pH and conductivity values and lower elemental concentrations compared to leachates from freshly disposed PG, •the leachates characteristics improved and stabilized in both cases after a short period of irrigation, •most major elements were found to have minimal leachability, and the material satisfied the environmental limits for its disposal at landfills for inert and non-hazardous wastes. Moreover, according to the results of the large-scale pilot field tests, non-compacted PG during construction had a significantly improved behavior in terms of drainage, i.e., it produced less volume of leachates, while non-compacted PG with non-compacted clay material on top produced the "best" quality of leachates, i.e., leachates with lower concentrations of pollutants. The range of concentrations of most pollutants was lower compared to the environmental limit for the disposal of wastewater to aquatic recipient, with the exception of the concentrations of sulfate. Based on the results of the laboratory scale experiments for the effect of PG on the growth and production of specific species (lotus, clover, sunflower), the addition of PG to soil did not have adverse effects on seed germination and seedling establishment, while at the same time increased the total production of aboveground biomass to a comparable and/or superior degree compared to the addition of inorganic fertilizer to soil. The application of PG, even in high doses, did not increase the concentration of most chemical elements in the aboveground mass of the plants. Consequently, the results obtained from the present PhD thesis support the potential utilization of PG, either alone or with other materials as mixtures, under certain conditions, as an alternative material for uses such as an earthfill material for mine and quarries reclamation workings and as a soil conditioner.

Η φωσφογύψος (ΦΓ) είναι ένα υποπροϊόν της βιομηχανίας φωσφορικών λιπασμάτων που παράγεται κατά τη διαδικασία παραγωγής φωσφορικού οξέος. Η ετήσια παγκόσμια παραγωγή της ΦΓ κυμαίνεται μεταξύ 100 και 300 Mt, με μόνο το 15% αυτής να χρησιμοποιείται, ενώ το υπόλοιπο συνήθως διατίθεται σε στεγανοποιημένους ή μη χώρους απόθεσης με κίνδυνο πιθανών σοβαρών επιπτώσεων στον άνθρωπο και στο περιβάλλον όταν δεν υπάρχουν μέτρα προστασίας ή υπάρχει αστοχία των μέτρων προστασίας. Τα τελευταία 15-20 χρόνια, έχουν καταγραφεί αρκετές δυνητικές ή/και εφαρμοσμένες χρήσεις της ΦΓ στη βιβλιογραφία. Πιο συγκεκριμένα, η ΦΓ μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως υποκατάστατο στη τσιμεντοβιομηχανία, σε οικοδομικά υλικά και στην οδοποιία, ως λίπασμα για τη βελτίωση του εδάφους, ως πρώτη ύλη για την παραγωγή ορισμένων χημικών ουσιών και ως υλικό πλήρωσης κενών για την αποκατάσταση εγκαταλελειμμένων ορυχείων και λατομείων, ενώ η ανάκτηση γύψου και η εξόρυξη στοιχείων σπάνιων γαιών υποδηλώνει τη δυνητική σημασία της ΦΓ για την κυκλική οικονομία. Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση της χρήσης της ΦΓ: α) ως υλικό πλήρωσης λατομικών και μεταλλευτικών κενών σε έργα αποκατάστασης και β) ως εδαφοβελτιωτικό. Για την 1η προτεινόμενη εναλλακτική χρήση, διεξήχθησαν πειράματα εργαστηριακής κλίμακας προκειμένου να προσομοιωθούν και να εξεταστούν τα περιβαλλοντικά χαρακτηριστικά και η διαχρονική συμπεριφορά των στραγγισμάτων της ΦΓ ως προς τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά και τη χημική της σύσταση. Πραγματοποιήθηκαν, επίσης, πιλοτικές δοκιμές πεδίου μεγάλης κλίμακας για την παρακολούθηση της περιβαλλοντικής συμπεριφοράς της ΦΓ και σε πραγματικές συνθήκες πεδίου. Παράλληλα πραγματοποιήθηκαν και γεωτεχνικές εργαστηριακές δοκιμές για να εξεταστεί και γεωτεχνικά η εφικτότητα της προτεινόμενης εναλλακτικής χρήσης. Για την 2η προτεινόμενη εναλλακτική χρήση, διενεργήθηκαν πειράματα εργαστηριακής κλίμακας για την αποτίμηση της επίδρασης της ΦΓ στην ανάπτυξη και στην υγεία φυτών που δεν συμμετέχουν άμεσα στην τροφική αλυσίδα. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των εργαστηριακών πειραμάτων: •τα παραγόμενα στραγγίσματα από την ήδη εναποτεθείσα για πολλά χρόνια ΦΓ, φάνηκαν να έχουν καλύτερες τιμές pH και αγωγιμότητας και χαμηλότερες συγκεντρώσεις στοιχείων σε σύγκριση με τα στραγγίσματα που παράγονταν από την πρόσφατα απορριφθείσα ΦΓ, •τα χαρακτηριστικά των στραγγισμάτων βελτιώνονταν και σταθεροποιούνταν και στις δύο περιπτώσεις μετά από την πάροδο μικρού διαστήματος διαβροχής, •τα περισσότερα κύρια στοιχεία βρέθηκαν να έχουν ελάχιστη εκπλυσιμότητα και το υλικό πληρούσε τα περιβαλλοντικά όρια για την απόρριψή του σε χώρους υγειονομικής ταφής για αδρανή και μη επικίνδυνα απόβλητα. Επιπρόσθετα, βάσει των αποτελεσμάτων των πιλοτικών δοκιμών πεδίου μεγάλης κλίμακας, η ΦΓ που δε συμπιέστηκε κατά την κατασκευή είχε καλύτερη συμπεριφορά όσο αφορά τη στραγγισιμότητα, δηλαδή παρήγαγε μικρότερες ποσότητες στραγγισμάτων, ενώ η ασυμπίεστη ΦΓ καλυμμένη με ασυμπίεστο αργιλικό υλικό παρήγαγε την «καλύτερη» ποιότητα στραγγισμάτων, δηλαδή στραγγίσματα με τις χαμηλότερες συγκεντρώσεις στοιχείων-ρύπων. Το εύρος των συγκεντρώσεων των περισσότερων ρύπων-στοιχείων ήταν μικρότερο από το περιβαλλοντικό όριο διάθεσης υγρών αποβλήτων σε υδάτινο αποδέκτη με εξαίρεση τη συγκέντρωση των στραγγισμάτων σε θειούχα ιόντα.Όσον αφορά τα αποτελέσματα των εργαστηριακών πειραμάτων για την εξέταση της επίδρασης της ΦΓ στην ανάπτυξη και την παραγωγή συγκεκριμένων ειδών (λόλιο, τριφύλλι, ηλίανθος), η προσθήκη της ΦΓ στο έδαφος δεν είχε αρνητικές συνέπειες στο φύτρωμα των σπόρων και την εγκατάσταση των σποροφύτων, ενώ αύξησε παράλληλα τη συνολική παραγωγή υπέργειας βιομάζας σε συγκρίσιμο ή/και υπέρτερο βαθμό σε σχέση με την προσθήκη ανόργανου λιπάσματος. Η εφαρμογή της ΦΓ ακόμα και σε υψηλές δόσεις, δεν αύξησε τη συγκέντρωση των περισσότερων χημικών στοιχείων στα φυτά. Κατά συνέπεια, τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την παρούσα διδακτορική διατριβή υποστηρίζουν την πιθανή χρήση της ΦΓ, είτε μόνης της είτε με άλλα υλικά ως μείγματα, υπό ορισμένες προϋποθέσεις, ως εναλλακτικό υλικό πλήρωσης κενών για εργασίες αποκατάστασης ορυχείων και λατομείων και ως εδαφοβελτιωτικό.