Juha Ovaskainen, Päivi Kauppila, Rita Kallio, Tommi Kauppila, Teemu Karlsson: GTK SMARTTEST

Kaivannaisjätteiden ja sivuvirtojen hallinnan uudistunut testausympäristö GTK Mintecissä

Tausta

Geologian tutkimuskeskuksessa (GTK) on tehty kaivosympäristöihin keskittyvää tutkimusta jo yli kolmen vuosikymmenen ajan. Tutkimuksen painopisteinä ovat olleet erityisesti kaivannaisjätteiden pitkäaikaiskäyttäytyminen ja karakterisointi sekä ympäristövaikutukset ja niiden hallintakeinot. Tarve uuden ja yhä sovelletumman tiedon tuottamiselle kasvaa edelleen. Kaivannaisjätteet ovat maailman suurimpia sivuvirtoja, ja niiden hallinta on kallista, mutta välttämätöntä kestävän kaivostoiminnan toteuttamiseksi. Jätteiden tehokas hallinta vähentää ympäristövaikutuksia sekä parantaa kaivostoiminnan kannattavuutta. Kaivannaisjätteiden hyödyntämisen lisääminen tarjoaa merkittäviä mahdollisuuksia säästää primäärejä luonnonvaroja, vähentää kaivostoiminnan päästöjä ja parantaa toiminnan materiaalitehokkuutta. GTK:lla näihin haasteisiin ja mahdollisuuksiin on vastattu perustamalla uusi kaivannaisjätteiden ja sivuvirtojen testausympäristö, GTK SMARTTEST.

Suunnittelusta tekemiseen

Vuoden 2024 lopulla käynnistetty kaivannaisjätteiden ja sivuvirtojen testausympäristö pohjautuu GTK:n pitkäaikaiseen kokemukseen pienen mittakaavan kenttätestien hyödyntämisestä aiemmissa hankkeissa. Kenttätesteillä on tutkittu mm. rikastushiekan pitkäaikaiskäyttäytymistä, sivukivien typpipäästöjä, kaivannaisjätteiden peittorakenteiden toimivuutta ja vaihtoehtoisia materiaaleja sekä biohiilen käyttöä kasvukerrosmateriaalina. Suuremman mittakaavan eli pilot-kokoluokan kenttätestien ja testirakenteiden varsinaisen kehitystyön katsotaan kuitenkin käynnistyneen GTK:n omarahoitteisessa SMARTT-projektissa (Smart Tailing Facility) vuosina 2021–2023.

Kuva: Päivi Kauppila

Projektin tavoitteena oli kehittää älykäs rikastushiekkojen testauskonsepti Outokumpuun GTK:n koetehtaan yhteyteen, täydentämään GTK Mintecin tutkimuslaboratorioiden ja koerikastustoiminnan palvelukokonaisuutta. Tavoitteeseen pääsemiseksi aloitettiin testaustoimintaan soveltuvan, erillisen tutkimuskentän suunnittelu siten, että testausympäristöllä olisi toiminnallinen yhteys GTK Mintecin koetehtaaseen.

Kentälle kasattavien kenttätestirakenteiden vaatimuksiksi asetettiin muokattavuus ja uudelleenkäytettävyys kulloisenkin testaustoiminnan tarpeisiin. Testien kokoluokaksi suunniteltiin tyypillisestä koetehdasajosta muodostuva rikastushiekan määrä, joka mahdollistaisi laboratorio-, olosuhdekammio- ja kolonnikokeita suuremmat, pilottyyppiset kenttätestaukset. SMARTT-hankkeen suunnittelutyön puitteissa saatiinkin aloitetuksi kentän rakentamisen valmistelut sekä hahmotelluksi testirakenteiden toiminnallisuus, mutta varsinaiseen testikentän rakentamisurakkaan ja testien kasaamiseen päätettiin hakea ulkopuolista rahoitusta.

Vasta rakennettu testikenttä ja tulevan testaustoiminnan suunnittelua

Kuva: Pekka Forsman

Testikentän rakentaminen ja tutkimusfasiliteetin investoinnit erotettiin omaksi rahoitusprosessikseen varsinaisesta testaustoiminnan käynnistämisestä ja seurantatutkimuksesta. Edellisen toteuttamiseksi haettiin Pohjois-Karjalan maakuntaliitolta rahoitusta JFT-rahoitusohjelmasta (Just Transition Fund). Saadun rahoituksen tuella käynnistettiin kesäkuussa 2023 kaksivuotinen MINECOIN-investointiprojekti (Kestävän mineraalitalouden innovaatioalusta). Siihen sisältyi yhtenä osana testikentän ja sen infrastruktuurin kehittäminen.

Jälkimmäiseen tarkoitukseen niin ikään Pohjois-Karjalan maakuntaliitolta haettu EAKR-kehityshanke SMARTTEST (Älykäs kiertotalouden kenttätestausalusta kaivannaisjätteille ja sivuvirroille) sai positiivisen rahoituspäätöksen syksyllä 2023, ja hanke pystyttiin aloittamaan vielä saman vuoden loppupuolella. Hanke kestää marraskuun 2026 loppuun saakka.

SMARTTEST-hankkeen myötä kenttätestausrakenteiden ja testien suunnittelutyöt pääsivät toden teolla käyntiin. GTK:n hankeryhmän ja hankkeessa mukana olleiden yrityskumppaneiden intensiivisen yhteistekemisen pohjalta laadittiin investointi- ja toteuttamissuunnitelmat kolmelle suuremmalle pilot-tyyppiselle ja yhdeksälle pienemmälle IBC-konttikokoluokan kenttätestille. Rinnakkaiseen MINECOIN- hankkeeseen kuuluneet testikentän rakennustyöt olivat samanaikaisesti käynnissä, ja testien varsinaiseen kasaamiseen päästiin syyskuussa 2024.

Kolmen testausasetelman voimin

SMARTTEST-hankkeen päätavoitteena on testata kolmea erityyppistä kaivannaisjätteiden hallintamenetelmää. Testiasetelmassa 1 tutkitaan vedenpoistoon perustuvaa kuivaläjitystä. Rikastushiekasta poistettiin kenttätestiä varten ylimääräinen vesi suodattamalla GTK Mintec:in koetehtaalla. Suodatettu testimateriaali kuljetettiin kentälle ja läjitettiin tavoiteltuun rinnekaltevuuteen, korkeuteen ja tiiveystasoon.

Testiasetelmassa 2 selvitetään rikastushiekkojen käyttömahdollisuuksia kaivoksen jätealueiden peittorakenteissa. Tutkimusasetelma perustuu kahden erityyppisen rikastushiekan vuorovaikutukseen. Asetelmassa ympäristövaikutuksiltaan vähemmän haitallinen rikastushiekka toimii suojaavana peittomateriaalina haitallisemmalle rikastushiekalle.

Testiasetelman 3 muodostavat sivukiven sekaläjitys- ja kapselointisovellukset. Niissä sivukiveä testataan sekä yhteisläjityksessä että teollisen sivuvirran kanssa sekoitettuna kovettuvana peittorakenteena.

Rikastushiekan läjitysvaihe peittorakennetestaukseen

Kuva: Joonas Toivanen

Kaikkien testien kohdalla toteutetaan kahden vuoden seurantatutkimus. Testeistä kerätään ja analysoidaan rakenteen läpi suotautuvia vesiä, huokosvesiä ja pintavaluntaa. Tulosten perusteella selvitetään testimateriaaleissa ja niistä aiheutuvassa kuormituksessa tapahtuvia geokemiallisia muutoksia. Vesinäytteet otetaan säännöllisesti ja samassa yhteydessä tehdään lidar-kuvaukset testattavien peitto- tai läjitysratkaisujen geoteknisten muutosten selvittämiseksi.

Kaikki testit on myös instrumentoitu testimateriaalien sisäisiä geokemiallisia ja fysikaalisia muutoksia havainnoivalla mittausinstrumentiikalla mm. happipitoisuuden, lämpötilan, kosteuden, vesipotentiaalin ja sähkönjohtavuustietojen taltioimiseksi. Näyteanalytiikan, kuvausmateriaalin ja mittausinformaation tuottaman tiedon pohjalta voidaan arvioida kunkin rakenteen tai tekniikan toimivuutta. Samalla voidaan myös tunnistaa epävarmuuksia, jotka kunkin tekniikan käytössä olisi otettava huomioon.

Osaksi palvelukonseptia

Hanke tuottaa uutta ja arvokasta tutkimustietoa valituista testausaihioista, mutta tämän lisäksi se muodostaa tärkeän työkalun testauskonseptin liittämiseksi osaksi GTK Mintecin palvelutarjontaa. Tämän vuoksi testauskentälle suunnitellaan ja toteutetaan jo hankeaikana uutta testaustoimintaa olemassa olevan hankkeen rinnalle, jolloin palvelun saatavuutta ei viivytetä tarpeettomasti.

Tältä osin rohkaisemmekin hanketoimijoita ja muita asiasta kiinnostuneita ottamaan yhteyttä. Kokemuksen mukaan parhaaseen lopputulokseen päästään, kun yhteistyö rakennetaan tiiviiksi asiantuntijoiden ja toimijoiden kesken jo alkuideoinnista lähtien. Koska testirakenteet on suunniteltu vapaasti muokattaviksi, vain mielikuvitus ja kulloinenkin tutkimuskysymys ovat rajana sille, millaisia testejä voidaan suunnitella.

SMARTTTEST-hankkeen toteutumisen ja rahoituksen ovat mahdollistaneet Euroopan aluekehitysrahasto (EAKR), PohjoisKarjalan maakuntaliitto sekä yrityskumppanimme: Agnico Eagle Finland Oy, EPSE Oy, Fatec Oy, Nordfuel Oy, Kemira Oyj, Mawson Oy ja Sokli Oy. ▲

KIRJOITTAJAT: JUHA OVASKAINEN, PÄIVI KAUPPILA, RITA KALLIO, TOMMI KAUPPILA, TEEMU KARLSSON