Metalen maken onderdeel uit van de natuur. Zonder zink, koper en molybdeen kunnen planten, dieren en ook mensen niet gezond blijven. Zink bijvoorbeeld is onderdeel van een groot aantal enzymen in het lichaam die onder meer betrokken zijn bij groei en ontwikkeling van weefsel. Metalen als zink zijn niet alleen essentieel voor het leven, maar ook voor allerlei industriële en huishoudelijke toepassingen, zoals verzinkt staal en zinken dakgoten.
Een teveel aan deze metalen leidt echter tot toxiciteit en bij industriële afvalwaterlozingen is daar al vrij snel sprake van. Er zijn allerlei chemische en fysische methoden om deze metalen weer uit het afvalwater te verwijderen, maar het kan ook microbiologisch. Vaak kunnen de metalen dan in een herbruikbare vorm worden teruggewonnen. Dat aspect wordt steeds belangrijker omdat ertsvoorraden eindig zijn en allerlei metalen, waaronder zink en koper, schaars worden.
Zink uit afvalwater
Een voorbeeld van een microbiologische proces voor metaalverwijdering is sulfaatreductie door bacteriën. De bacteriën zetten sulfaat, dat ook ruim aanwezig is in afvalwater, om in sulfide HS–. Hierbij hebben ze een organische stof zoals ethanol nodig als energiebron. Het gevormde sulfide kan vervolgens benut worden voor het neerslaan van opgeloste metalen tot onoplosbare metaalsulfide-verbindingen.
Een industrieel proces op basis van biologische sulfaatreductie wordt inmiddels al jaren in de praktijk met succes toegepast. In Budel in Noord-Brabant staat een commerciële sulfaatreductie-installatie met een volume van 500 m3 bij de Nyrstar Zinc Refinery. Het afvalwater met zink en sulfaat wordt hier biologisch behandeld. Het eindproduct zinksulfide kan verder worden verwerkt in de smelter voor productie van metallisch zink en weer gebruikt worden in de fabriek.
Op soortgelijke wijze kan ook koper teruggewonnen worden, zoals onder andere gebeurt in de Dominicaanse Republiek bij een mijn. Hier wordt zwavel in plaats van sulfaat als bron voor sulfide gebruikt.
Seleen
Door microbiologen is aangetoond dat bacteriën specifieke zware metalen, maar ook metalloïden (semi-metalen) en radionucliden zoals uranium, kunnen omzetten naar een vaste vorm. Een voorbeeld hiervan is de biologische reductie van opgelost selenaat (SeO42–) naar goed af te scheiden en elementair selenium (Se, een metalloïde). Seleen is een belangrijke micronutriënt (meststof) voor planten, teruggewonnen seleen kan op termijn voor deze toepassing worden gebruikt. Dit proces van biologische seleenverwijdering uit afvalwater wordt ook toegepast in de praktijk, vooral in de mijnindustrie en metallurgische industrie.
Arseen verpakken in kristallen
Micro-organismen kunnen ook gebruikt worden om schadelijke metalen als arseen neer te slaan. Bij metallurgische processen voor winning van vooral koper, lood zink, kobalt, goud en zilver komt arseenhoudend afvalwater vrij. Arseenverbindingen zijn milieuonvriendelijk en er zijn maar weinig toegestane toepassingen van arseen. Daarom verwerkt de metallurgische industrie arseen tot een vaste afvalstof, meestal amorf ijzer- en calciumarsenaat, dat vervolgens voor altijd opgeslagen wordt in bekkens. Daar zijn veel chemicaliën voor nodig. Bovendien komt er na verloop van tijd vaak toch arseen vrij, dat in het grondwater terecht kan komen.
Een elegantere oplossing is om arseen in de vorm van arsenaat (AsO43–) met ijzer Fe3+ neer te slaan als kristallijn ijzerarsenaat (FeAsO4), het stabiele mineraal scorodiet. Dat is chemisch gezien een lastig proces. De vorming van scorodiet is echter alleen mogelijk in metastabiele oplossingen, waarbij de kristallisatie op al aanwezige kristallen plaatsvindt en de vorming van kristallisatiekernen niet of nauwelijks optreedt. Het is daarom van belang om de mate van oververzadiging voor scorodiet te controleren. In de eerste plaats is daarvoor een lage zuurgraad (pH <2) nodig, zodat een beperkt deel van arsenaat vrij voorkomt als AsO43–. In de tweede plaats is menging op microschaal van belang. Het simpelweg mengen van ijzer- en arsenaatoplossingen resulteert lokaal in een te hoge mate van oververzadiging en snelle vorming van amorf scorodiet.
Bij het bioscorodiet-proces wordt arsenaat gekristalliseerd met ijzer(Fe2+)-oxiderende bacteriën, die Fe3+ vormen. Op die manier kan de mate van oververzadiging van het mineraal op microschaal gecontroleerd worden door de snelheid van biologische oxidatie. Dit resulteert in een hoogkristallijn product. In dit bioscorodiet-proces dat nog steeds in een zuurmilieu en bij hogere temperatuur (70°) plaatsvindt, worden daarom zuur- en hitte-minnende micro-organismen ingezet voor de ijzeroxidatie. Deze micro-organismen leven van nature in vulkanische milieus.
De mogelijkheden om met micro-organismen een wezenlijke bijdrage te leveren aan metaalverwijdering en terugwinning van metalen zijn zo veelzijdig als de micro-organismen zelf en nog lang niet uitgeput. Door onderzoek en ontwikkeling kunnen deze concepten doorgroeien naar praktijktoepassingen op grote schaal.`
Bloedrode rivieren
Wanneer sulfide-ijzermineralen (FeS) uit de bodem aan lucht blootgesteld worden, vindt oxidatie plaats waarbij oplosbaar ijzer (Fe3+) en sulfaat (SO42–) ontstaan. Dit is een natuurlijk chemisch en biologisch proces dat sterk gestimuleerd wordt bij mijnbouw. De Rio Tinto in Zuidwest-Spanje is een bekend voorbeeld van een rivier die bloedrood kleurt ten gevolge van mijnbouwactiviteiten. Een hoog ijzergehalte en de lage pH van het water zijn hier debet aan.
Het winnen van metalen is belangrijk vanwege de ontelbare toepassingen: ijzer in staal, koper in draden, platina in autokatalysatoren, aluminium voor pannen, enz. De meeste metaalhoudende ertsen van hoge kwaliteit zijn echter al uitgeput. Daarom gaat men steeds meer over op het winnen van ertsen van lagere kwaliteit, dus met een laag metaalgehalte en hoog gehalte aan andere, giftige metalen. Dit betekent ook dat er grotere hoeveelheden erts verwerkt worden om aan voldoende metaal te komen, waarbij een grotere hoeveelheid afval ontstaat.
Langs de rivier Rio Tinto in Zuidwest-Spanje wordt al eeuwen goud, zilver, ijzer, koper en andere metalen gedolven. Hierdoor is de rivier sterk vervuild met opgeloste metalen en sterk verzuurd (pH=2). Dat geeft de rivier een dieprode kleur.
Dr. Irene Sanchez Andrea, WUR
De opslag van dit mijnafval vormt een milieuprobleem. Onzorgvuldig beheer ervan leidt tot de vorming van zuur mijnwater met giftige metalen en vormt een bedreiging van de gezondheid van mens en dier door verontreiniging van drinkwaterbronnen. De laatste eeuw zijn er veel ongelukken gebeurd, onder andere de recente damdoorbraken van opslagbassins in de deelstaat Minas Gerais in Brazilië (2015) en in de staat Colorado in de Verenigde Staten (2015).
Een manier om de vervuiling van mijnafval te verminderen is de verschillende metalen terug te winnen met sulfaatreducerende bacteriën. Deze bacteriën zetten sulfaat om in sulfide, waardoor opgeloste metalen neerslaan als metaalsulfiden. Deze neerslag is redelijk makkelijk te scheiden van het water. Niet alleen kunnen de metalen worden hergebruikt, ook vermindert hierdoor de zuurgraad van het mijnwater en kan het ecosysteem zich herstellen.
Irene Sanchez Andrea