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Feasibility of open pit restoration with coal ash aggregates: ground water quality assessment
Latorre Andújar, Isomar
Latorre Andújar, Isomar
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Abstract
Coal ash aggregates (CAAs) are a by-product or waste of coal-fired power plants. Generally, CAAs are a solidified mixture of fly ash and bottom ash. CAAs from AES power plant in PR was studied and evaluated as a potential backfilling amendment material for restoration of open pit quarries in Puerto Rico. Physiochemical influence of CAAs on water quality parameters, including water infiltrated, pH, turbidity, conductivity, hardness, alkalinity, lead, cadmium, and phosphate and nitrate concentrations, in subsurface soils and groundwater was evaluated. Experimental results confirmed the feasibility of CAAs as backfilling amendments for an open pit restoration without detrimental effects to soil and groundwater qualities. This provides a new alternative reutilization of CAAs in the area of environmental engineering. If this approach is implemented, it should lead to utility of additional land for agricultural purposes in PR where land is almost always a limiting natural resource. A statistical screening test using a 2³ factorial design was performed to determine the worst case scenario (WCS) and the best case scenario (BCS) of backfilling design that took into consideration of CAA/topsoil ratio, rain intensity, and CAA size as treatment factors and water quality parameters as responses. Low rainfall intensity, large CAA capacity and more CAA dosage resulted in WCS. On the other hand, high rainfall intensity, small CAA size, and less CAA dosage presented BCS effects with respect to pH, turbidity, conductivity, hardness and water infiltration. In addition, WCS and BCS restoration was further assessed in terms of influence of each backfilling component on water quality parameters, temperature effect and CAA influence on responses. Increments in several parameter values (i.e. pH, hardness and conductivity) were observed due to CAA amendment. However, the responses of parameters such as turbidity, conductivity and hardness clearly validated WCS and BCS. Individual soils and CAA columns contribution to overall water qualities was also evaluated and validated the results obtained from the initial statistical screening test. The potential capacity of CAAs to remove nitrate and phosphate was also evaluated. It was observed that CAAs did not reduce nitrate concentrations, while there were substantial reductions in phosphate concentrations. The efficiency of phosphate removal was observed with high CAA dosage, increase in CAA size, and low flow. The effect on groundwater quality was assessed by BCS restoration in conjunction with parameter responses in an aquifer system. Good results were obtained for all measured parameters.
Hoy en día la reducción y la degradación de los recursos naturales constituyen algunos de los problemas ambientales mas críticos a los cuales se esta enfrentando la población mundialmente. La demanda de electricidad y de materiales para la construcción así como el aumento desmedido de desperdicios sólidos se han acrecentado significativamente, principalmente debido a incrementos excesivos en la población, convirtiéndose de esta manera en un reto poder suplir la demandas y lidiar con la cantidad de desperdicios producidos. Por esta razón, materiales substitutos como cenizas de carbón o mas bien conocidos en ingles como “fly ash” y “bottom ash” han sido recientemente propuestos y utilizados extensivamente para suplir esta necesidad, a su vez aumentando la reutilización de desperdicios y protegiendo los recursos naturales vírgenes. A pesar de todas las aplicaciones beneficiosas en la utilización de la cenizas de carbón, nuevas alternativas de uso necesitan ser exploradas. Es por esta razón que mediante esta investigación la utilización de agregado de ceniza de carbón, es decir, una mezcla de cenizas solidificada y posteriormente curada proveniente de AES Puerto Rico fue propuesta como un material potencial de relleno para restauraciones de canteras en Puerto Rico. Para lograr este fin, la influencia físico-química del agregado en términos de parámetros de calidad de agua tales como pH, turbidez, conductividad, dureza, alcalinidad y concentraciones de plomo, cadmio, fosfato y nitrato así como la cantidad de agua infiltrada fueron evaluados con relación a su efecto en la sub-superficie de los suelos estudiados y respectivamente en las aguas subterráneas. Cinco experimentos a escala fueron realizados en el laboratorio para evaluar la viabilidad del material. Una prueba de detección fue realizada estadísticamente mediante 2³ diseño factorial con el propósito de determinar dos escenarios opuestos “WCS” y “BCS”. Los tres factores de tratamiento que se tomaron en consideración en la esquemática de relleno para llevar a cabo la restauración de la cantera fueron el radio del agregado junto con el suelo de la superficie, la intensidad de lluvia y el tamaño del agregado cada uno a dos niveles. Los parámetros de calidad de agua fueron evaluados como respuestas. Resultados mostraron que a menor intensidad de lluvia, mayor tamaño y cantidad del agregado se produjo el peor escenario así como a una intensidad de lluvia mayor, menor tamaño y cantidad del agregado se observo el mejor escenario ambos en términos de pH, turbidez, conductividad, dureza y cantidad de agua infiltrada. En adición los escenarios fueron posteriormente evaluados en términos de la influencia en serie de cada componente de relleno, es decir los tres suelos estudiados y el agregado de ceniza de carbón, referente a la calidad de agua así como efectos relacionados a cambios en temperatura además de la influencia directa del agregado en cada una de las respuestas. Incrementos en pH, dureza y conductividad fueron observados a raíz de la utilización del agregado. Por otra parte los patrones de comportamiento observados en turbidez, conductividad y dureza claramente validaron los resultados obtenidos por la prueba de detección. La contribución individual del agregado y de los suelos utilizados referente a los patrones generales de calidad de agua fueron también evaluados confirmando también ambos escenarios obtenidos mediante la prueba de detección. La capacidad del agregado de ceniza de carbón para remover nitrato y fosfato también fue evaluada. Resultados propicios no fueron hallados con respecto a la eficiencia del agregado para remover nitrato, pero en cambio la reducción de las concentraciones de fosfato fueron substanciales. La mayor eficiencia de remoción de fosfato fue observada para mayor cantidad y tamaño de agregado y menor flujo. Además otro experimento adicional fue realizado con el fin de evaluar la calidad de agua subterránea en la restauración de la cantera según el diseño del mejor de los escenarios en conjunto con un sistema de acuífero. Resultados favorables fueron observados en todos los parámetros medidos. Según los resultados experimentales, la utilización del agregado de ceniza de carbón como relleno para la restauración de canteras resulto ser factible. Ningún efecto adverso a la calidad del suelo y al agua subterránea fue observado a consecuencia de la utilización del mismo. Mediante esta investigación una nueva alternativa de reutilización del agregado en el área de la ingeniería ambiental es propuesta. En adición con la utilización del mismo para restaurar espacios abiertos se estaría aumentando la disponibilidad de terreno adicional el cual puede ser utilizado con fines agrícolas en Puerto Rico donde la tierra es un recurso natural limitado.
Hoy en día la reducción y la degradación de los recursos naturales constituyen algunos de los problemas ambientales mas críticos a los cuales se esta enfrentando la población mundialmente. La demanda de electricidad y de materiales para la construcción así como el aumento desmedido de desperdicios sólidos se han acrecentado significativamente, principalmente debido a incrementos excesivos en la población, convirtiéndose de esta manera en un reto poder suplir la demandas y lidiar con la cantidad de desperdicios producidos. Por esta razón, materiales substitutos como cenizas de carbón o mas bien conocidos en ingles como “fly ash” y “bottom ash” han sido recientemente propuestos y utilizados extensivamente para suplir esta necesidad, a su vez aumentando la reutilización de desperdicios y protegiendo los recursos naturales vírgenes. A pesar de todas las aplicaciones beneficiosas en la utilización de la cenizas de carbón, nuevas alternativas de uso necesitan ser exploradas. Es por esta razón que mediante esta investigación la utilización de agregado de ceniza de carbón, es decir, una mezcla de cenizas solidificada y posteriormente curada proveniente de AES Puerto Rico fue propuesta como un material potencial de relleno para restauraciones de canteras en Puerto Rico. Para lograr este fin, la influencia físico-química del agregado en términos de parámetros de calidad de agua tales como pH, turbidez, conductividad, dureza, alcalinidad y concentraciones de plomo, cadmio, fosfato y nitrato así como la cantidad de agua infiltrada fueron evaluados con relación a su efecto en la sub-superficie de los suelos estudiados y respectivamente en las aguas subterráneas. Cinco experimentos a escala fueron realizados en el laboratorio para evaluar la viabilidad del material. Una prueba de detección fue realizada estadísticamente mediante 2³ diseño factorial con el propósito de determinar dos escenarios opuestos “WCS” y “BCS”. Los tres factores de tratamiento que se tomaron en consideración en la esquemática de relleno para llevar a cabo la restauración de la cantera fueron el radio del agregado junto con el suelo de la superficie, la intensidad de lluvia y el tamaño del agregado cada uno a dos niveles. Los parámetros de calidad de agua fueron evaluados como respuestas. Resultados mostraron que a menor intensidad de lluvia, mayor tamaño y cantidad del agregado se produjo el peor escenario así como a una intensidad de lluvia mayor, menor tamaño y cantidad del agregado se observo el mejor escenario ambos en términos de pH, turbidez, conductividad, dureza y cantidad de agua infiltrada. En adición los escenarios fueron posteriormente evaluados en términos de la influencia en serie de cada componente de relleno, es decir los tres suelos estudiados y el agregado de ceniza de carbón, referente a la calidad de agua así como efectos relacionados a cambios en temperatura además de la influencia directa del agregado en cada una de las respuestas. Incrementos en pH, dureza y conductividad fueron observados a raíz de la utilización del agregado. Por otra parte los patrones de comportamiento observados en turbidez, conductividad y dureza claramente validaron los resultados obtenidos por la prueba de detección. La contribución individual del agregado y de los suelos utilizados referente a los patrones generales de calidad de agua fueron también evaluados confirmando también ambos escenarios obtenidos mediante la prueba de detección. La capacidad del agregado de ceniza de carbón para remover nitrato y fosfato también fue evaluada. Resultados propicios no fueron hallados con respecto a la eficiencia del agregado para remover nitrato, pero en cambio la reducción de las concentraciones de fosfato fueron substanciales. La mayor eficiencia de remoción de fosfato fue observada para mayor cantidad y tamaño de agregado y menor flujo. Además otro experimento adicional fue realizado con el fin de evaluar la calidad de agua subterránea en la restauración de la cantera según el diseño del mejor de los escenarios en conjunto con un sistema de acuífero. Resultados favorables fueron observados en todos los parámetros medidos. Según los resultados experimentales, la utilización del agregado de ceniza de carbón como relleno para la restauración de canteras resulto ser factible. Ningún efecto adverso a la calidad del suelo y al agua subterránea fue observado a consecuencia de la utilización del mismo. Mediante esta investigación una nueva alternativa de reutilización del agregado en el área de la ingeniería ambiental es propuesta. En adición con la utilización del mismo para restaurar espacios abiertos se estaría aumentando la disponibilidad de terreno adicional el cual puede ser utilizado con fines agrícolas en Puerto Rico donde la tierra es un recurso natural limitado.
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Date
2010