1 Einführung
Unsere moderne Gesellschaft, die industrielle Produktion und der hohe Lebensstandard sind eng mit einer sicheren und beständigen Verfügbarkeit von bergbaulich gewonnenen, mineralischen Rohstoffen verbunden (1, 2, 3). Die Weisheit hinter der Redewendung „Wenn man es nicht anbauen kann, muss man es abbauen“ unterstreicht die Notwendigkeit, nicht erneuerbare Ressourcen aus der Erde abzubauen, um die verschiedenartigen Facetten unserer technologisch geprägten, sogenannten modernen Zivilisation aufrechtzuerhalten. Bergbaulich gewonnene Rohstoffe bilden dabei die Grundlage für essentielle Dinge, beginnend bei einfachen Farben und Metallen bis hin zu modernsten Computern, Keramikwaren, Flugzeugen und Baumaterialien (4). Folglich ist der Bergbau eine wichtige Säule für den wirtschaftlichen Wohlstand und ist wesentlicher Bestandteil der heutigen Bemühungen um Nachhaltigkeit (5). Innerhalb der Rohstoffe sticht eine Gruppe hervor, die zumeist Metalle umfasst, und die heutzutage von der Europäischen Kommission als kritische Rohstoffe (CRMs) eingestuft werden; kritisch deshalb, weil sie integrale Bestandteile von Digital-Technologien, kohlenstoffarmen Systemen und umweltverträglicher Mobilität sind (6).
Bergbaulich gewonnene Rohstoffe umfassen sowohl wirtschaftliche als auch nichtwirtschaftliche Anteile. Die nichtwirtschaftlichen Anteile, die bei der Mineralgewinnung unvermeidbar mitanfallen, werden oft als Abraum oder Berge oder schlicht als Abfall bezeichnet (7). Der feinkörnige Anteil dieses Abraums, der sich überwiegend aus Partikeln im Bereich von 2 bis 75 μm zusammensetzt, wird als Tailings bezeichnet und wird normalerweise ohne weitere Nachbearbeitung zumeist in Absatzbecken oder Schlammteichen deponiert. Tailings sind dabei ein komplexes Gemenge aus Metallen, Wasser, chemischen Reagenzien und feinkörnigen Feststoffpartikeln (8, 9, 10, 11). Das Verhältnis von Tailings zu Konzentraten ist extrem hoch und liegt im Schnitt bei 200:1 (12). Heutzutage fallen jährlich > 10 Mrd. t an Tailings an (13), da aus vielen Erzen nur geringste Mengen, wenige Unzen oder Gramm des Zielminerals, extrahiert werden. Prognosen deuten darauf hin, dass sich das jährliche Tailings-Volumen bis 2035 verdoppelt haben wird (14), da die gewünschten, aber metallintensiven, kohlenstoffarmen Energiesysteme zu einem drastisch ansteigenden Bedarf an Metallen führen werden (15).
Die Lagerung von Tailings in Absatzbecken geht mit Umweltrisiken einher, da Boden, Wasser und Luft im Umfeld der Bergbaugebiete verunreinigt werden können (16). Ein bedenkliches Risiko ist das Potential von Tailings-Dammbrüchen, falls diese falsch konstruiert worden sind oder unvorhergesehene Ereignisse auftreten, wie das Beispiel der Brumadinho Eisenerzlagerstätte in Brasilien im Jahr 2019 verdeutlicht hat. Diese Dammbrüche können zur Freisetzung von Tausenden bis Millionen Kubikmetern an Fluiden und Schlamm in die Umwelt, dem Verlust von Menschenleben und Tieren und zu erheblichen Umweltschäden führen (17).
Allerdings können sich Tailings auch als wertvolle Quellen von Baumaterialien, einschließlich Keramikwaren und künstlicher, granulierter Zuschlagsstoffe, herausstellen (18, 19). In diesem Bericht wird versucht, die doppelte Rolle von Tailings – als Umweltrisiken und mögliche Rohstoffquellen für CRMs – darzulegen.
2 Umwelteinwirkungen von Tailings
Die mineralogische und geochemische Zusammensetzung von Tailings wird vornehmlich von der Zusammensetzung des Erzes/des Rohstoffkörpers und der Wirtsgesteine und darüber hinaus von dem durchlaufenden Aufbereitungsprozess bestimmt (20). Das heutzutage am weitesten verbreitete Aufbereitungsverfahrung ist die Schaumflotation (froth flotation) (21) in der mittels einer hydrophob-hydrophil-Trennung die Wertminerale vom restlichen Gestein separiert werden. Hierbei kommt eine Reihe von chemischen Reagenzien zum Einsatz, von denen viele nicht umweltfreundlich sind (21, 22).
Derzeit existieren weltweit Umweltprobleme im Zusammenhang mit der Handhabung von Tailings. Trotz technischer Fortschritte können Tailings-Dammbrüche auftreten, wie die Beispiele Mount Polley (Kanada, 2014), Fundao Samarco (Brasilien, 2015), Corrego do Feijao Brumadinho (Brasilien, 2019) und Jagersfontain (Südafrika, 2022) (8) zeigen. Tailings-Dammbrüche sind hierbei auf zwei wesentliche Ursachen zurückzuführen:
1) menschliches Versagen in der Konstruktion von Tailings-Dämmen und deren fehlerhaftes Betreiben (23), und
2) natürliche Ereignisse wie Überschwemmungen, Erdbeben und andere alluviale Vorkommnisse (24).
Prinzipiell, wird zwischen zwei Varianten von Tailings-Dämmen unterschieden, das konventionelle Downstream-Modell und das Upstream-Modell, wobei letzteres als kostengünstiger, aber aufgrund der geringeren Stabilität nach der Einstellung des Betriebs auch als weniger sicher gilt (4, 25, 26).
Im nachfolgenden werden die Umwelteinwirkungen, die aus Unfällen an Tailings-Standorten hervorgehen können, anhand der Beispiele des polymetallischen Abbaubetriebs Caudalosa in Peru und des Las Palmas Goldabbaus in Chile kurz aufgezeigt.
2.1 Polymetallische Tailings im Escalera Fluss, Huancavelica Region (Peru)
2.1.1 Lokalität
Die Huancavelica Region liegt in den peruanischen Anden (Bild 1A). Große Teile der Bevölkerung leben von Nutztieren, die in Tiefebenen und in den Tälern der Anden grasen. Landwirtschaft und Bergbau bestehen nebeneinander. Der Abbau erfolgt im Wesentlichen auf Buntmetalle (Cu, Zn, Pb) aus sulfidischen Erzen mit angeschlossener Flotation, sodass sulfidhaltige Tailings zurückbleiben (21, 27). Derzeit sind für eine Fläche von >1 Mio. ha Bergbaulizenzen vergeben. Die Bergbaufirma Minera Caudalosa S.A., die seit über 50 Jahren in der Huancavelica Region tätig ist, betreibt dort drei Tailings-Standorte (Tailings-Dämme A – C) (21).
Fig. 1. A: Location of the Huancavelica region with the former Caudalosa mine in Peru (modified after (75)). B: Broken tailings dam after the event (modified after (21)). C: Water drainage system of the Escalera river down to the Mantaro river (modified after Google Earth). // Bild 1. A: Lage der Huancavelica Region mit dem früheren Caudalosa Abbau in Peru (geändert nach (75)). B: Gebrochener Tailings-Damm nach dem Ereignis (geändert nach (21)). C: Entwässerungssystem des Escalera Flusses bis zur Mündung in den Mantaro Fluss (geändert nach Google Earth).
2.1.2 Auslöser des Tailings-Dammbruchs
Am 25. Juni 2010 brach zunächst Tailings-Damm A (Bild 1B). Der Überlauf geriet außer Kontrolle, als die Tailings in Tailings-Anlage C strömten, in der Sauerwasser (AMD) gespeichert wurde (21). Diese Mischung aus Tailings und AMD floss anschließend unkontrollierbar in den Fluss Escalera, der ein Zufluss des Flusses Huachocolpa ist, und strömte weiter in Richtung der Ebene der Kleinbauern-Gemeinde Huachocolpa. Insgesamt wurde die Sedimentfracht ~120 km weit flussabwärts transportiert bis sie den Fluss Mantaro (Bild 1C) (21) erreichte. Der Dammbruch lässt sich wesentlich zurückführen auf
1) die Verwendung von grobem Tailings-Material für die Dammkonstruktion ohne spätere Verstärkung,
2) das Fehlen einer Abwasserabsauganlage und
3) die Überlastung des Damms aufgrund von zu viel gespeichertem Stauwasser (21).
2.1.3 Auswirkungen des Dammbruchs/der Umweltverschmutzung
Aufgrund der topographischen Gegebenheiten konnte die Beprobung der beeinflussten Fläche erst fünf Tage nach dem Ereignis durchgeführt werden. Das übergelaufene Tailings-Volumen belief sich auf 57.000 m³ und somit ca. 10 % der gesamten Tailings-Anlage (21). Die Einwirkungen auf die Wasserressourcen waren enorm, da 40 % der Dörfer (~4.210 Personen) direkt vom Flusswasser abhängig waren. Analysen des Escalera Flusswassers offenbarten Gehalte von As (≤ 110 mg/l / 0.01 mg/l), Zn (≤ 55 mg/l / 3 mg/l), Mn (≤ 7.9 mg/l / 0.5 mg/l), Pb (≤ 0.95 mg/l / 0.01 mg/l) und Cd (≤ 0.225 mg/l / 0.003 mg/l), Konzentrationen weit jenseits der Trinkwassergrenzwerte der WHO (in kursiv (21)). Die gemessenen pH-Werte (2,5 bis 3,2) waren eindeutige Anzeichen für die Einleitung von AMD aus den Tailings in die Wasserressourcen (21). Der Dammbruch hatte darüber hinaus Auswirkungen auf die Böden und die Nutzpflanzen, da die Tailings in die Bewässerungskanäle eingedrungen waren. Bodenproben zeigten erhöhte Konzentrationen an Ni (≤ 15 mg/kg / -), Cu (≤ 546 mg/kg / -), Zn (≤ 5526 mg/kg / -), As (≤ 822 mg/kg / 50 mg/kg), Pb (≤ 1195 mg/kg / 70 mg/kg), und Fe (≤ 46,125 mg/kg / -), welche die peruanischen ECA-Standards für landwirtschaftlich genutzte Böden (in kursiv (21)) überschritten. Eine Luftverschmutzung durch Feinstaub wurde nicht ausführlich dokumentiert, jedoch gab die potentielle, erneute Verteilung von Tailings-Partikeln mit metallhaltigen Kolloiden Anlass zur Besorgnis (28), da granulometrische Messungen gezeigt hatten, dass 25 % aller Tailings-Partikel ≤ 10 μm und 12 % sogar ≤ 2,5 μm groß waren (21). Demzufolge musste eine Menge von 1,5 t an Tailings-Material, das in der Nähe von menschlichen Ansiedlungen abgelagert worden war und das prinzipiell vom Wind aufgenommen und weiter verteilt werden könnte (21), als ein potentielles, zukünftiges Risiko für Atemwegsprobleme (29) berücksichtigt werden.
Der Dammbruch beeinträchtigte das aquatische Ökosystem so schwer, dass das Wasser des Flusses Huachocolpa und nachgeschalteter Flüsse unbrauchbar war. Landwirtschaftliche Aktivitäten mussten eingeschränkt werden (30), Forellen und Wasserpflanzen waren beeinträchtigt und in der Folge das darüber hinausreichende Ökosystem. Der Dammbruch hatte verheerende Auswirkungen auf den Viehbestand von 3.300 Rindern und eine Fläche von 40 ha mit verschiedenen Nutzpflanzen (21). Spezifische Vorort-Studien bezüglich der Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit fehlen, jedoch geben andere Studien von Gemeinden im Umfeld von Tailings (31, 32, 33) Einblick in diese.
2.2 Gold Tailings im Las Palmas Bach, Maule Region (Chile)
2.2.1 Lokalität
Die Bäche Los Ladrones und Las Palmas sind die Hauptzuflüsse des Flusses Maule in der Gemeinde Pencahue, in der Cordillera de la Costa, in der Maule Region in Chile (Bild 2A) (21). In der Gemeinde Pencahue werden unterschiedliche Tätigkeiten wie Landwirtschaft, Viehwirtschaft und Weinanbau betrieben. Der Bergbau auf Gold, der vor allem in den 1980er und 1990er Jahren von der Bergbaufirma Minera Las Palmas betrieben wurde, prägte die Region (21). Der tägliche Aufbereitungsdurchsatz lag in der Größenordnung von 350 t/d, wobei die Tailings im Umfeld des Baches Los Ladrones gelagert wurden (21).
2.2.2 Auslöser des Tailings-Dammbruchs
Ein katastrophales Ereignis fand am 27. Februar 2010 statt, als ein Erdbeben mit einer Stärke von 8,8 auf der Richter-Skala, mit dem Epizentrum in der Region Maule, zum Zusammenbruch des Las Palmas Tailings-Damms führte (Bild 2B). Die seismischen Wellen führten zur Liquefaktion des Tailings-Damms, was wiederum dazu führte, dass sich die Tailings wie eine schlammhaltige Flüssigkeit verhielten (34). In Summe kollabierten ~2.5 ha der Las Palmas Tailings-Anlage mit einem Volumen von ~200.000 m³, die sich über eine Fläche von ~11 ha ergossen (21).
âFig. 2. A: Location of the Las Palmas tailings in the Maule region in Chile (modified after Google Earth). B: Broken tailings dam. The arrow indicates the direction of the spill (75). // Bild 2. A: Lage der Las Palmas-Tailings in der Maule Region in Chile (geändert nach Google Earth). B: Gebrochener Tailings-Damm. Der Pfeil zeigt die Richtung des Überlaufs an (75).
2.2.3 Auswirkungen des Dammbruchs/der Umweltverschmutzung
Drei Tage nach dem Kollaps wurden Wasser- und Sedimentproben aus den Bächen genommen. In den kollabierten Tailings befanden sich auch Maschinen sowie bauliche Überreste, die während des Ereignisses weggespült worden waren (35), und welche die Wucht des Ereignisses unterstreichen. Die Wasserqualität der Bäche war durch den Dammbruch empfindlich beeinflusst, was die Konzentrationen von Pb (≤ 1.16 mg/l / 0.01 mg/l), Zn (≤ 33.70 mg/l / 3.00 mg/l) und Mn (≤ 3.06mg/l / 0.50 mg/l) in Bachwasserproben oberhalb der Trinkwassergrenzwerte der WHO (in kursiv (21)) verdeutlichen. Darüber hinaus wurden erhöhte Konzentrationen an freiem CN (0.59 mg/l / 0.07 mg/l) nachgewiesen. In Bodenproben wurden erhöhte Konzentrationen an Zn (≤ 11,389 mg/kg), Cu (≤ 612 mg/kg) und Pb (≤ 8023 mg/kg) gefunden (21). Auswirkungen auf Flora und Fauna wurden nicht detailliert dokumentiert, aber eine Studie, die sich mit den Auswirkungen des El Teniente Tailings-Dammbruchs befasst, weist auf schädliche Effekte für landwirtschaftliche Nutzpflanzen durch erhöhte Mo- und Cu-Konzentrationen hin (36). Zudem ist Zyanid, trotz seines hohen Reaktionsvermögens und seines schnellen Abbaus in der Umwelt, schon in geringen Konzentrationen hoch toxisch für viele Lebewesen (21, 37). Die unmittelbarste Auswirkung auf die lokale Bevölkerung jedoch war der Tod von vier Mitgliedern der Familie Gálvez Chamorro (21). Das Ereignis hatte Einfluss auf die Wassernutzung für die Anrainer und die Bewässerung. Die kurzzeitige Metall-Exposition blieb ohne direkte gesundheitliche Folgen, die Langzeitfolgen bedürfen aber eines fortlaufenden Monitorings und einer fortlaufenden Bewertung (38).
3 Tailings als zukünftige Rohstoffquelle
Weltweit sind ~18.000 Tailings-Dämme bekannt, von denen 3.500 aktiv betrieben werden (21). Diese Tailings-Anlagen variieren deutlich im Volumen, zwischen kleineren, die nur wenige 1.000 t und größeren, die > 100 Mio. t an Tailings fassen (12). Das Alter dieser Anlagen ist sehr unterschiedlich. Die ältesten industriellen Tailings stammen aus dem späten 19. Jahrhundert, während im Rahmen des modernen Bergbaus weiterhin neue Tailings-Anlagen gebaut werden (4). Allein in der EU sind mehr als 4,7 Mrd. t an bergbaulichen Rückständen und 1,2 Mrd. t an Tailings bekannt. Generell gesehen ist über die Hälfte aller Bergbaubetriebe in der EU inzwischen geschlossen, mit Ausnahme von wenigen Betrieben, die auf Metallen und Industriemineralen bauen, sowie Steinbrüchen (39).
Die Europäische Richtlinie 2006/21/EC über die Bewirtschaftung von Abfällen aus der mineralgewinnenden Industrie regelt u. a. die Genehmigungsbedingungen, die Lagerung, die Überwachung und die Kontrolle von Gewinnungsabfällen, um die menschliche Gesundheit und die Umwelt zu schützen. Darüber hinaus zielen die EU-Maßnahmen darauf ab, die Entsorgung von Abfällen in Anlagen und Deponien zu reduzieren, indem die Abfallrückgewinnung und das Recyceln in der Rohstoffindustrie gefördert werden, was im Einklang mit den Prinzipien der Kreislaufwirtschaft steht (39). Demgemäß wird Abfall heutzutage als eine Ressource betrachtet und Abfallanlagen und -deponien werden als sekundäre Rohstoffquellen gesehen, die nachhaltig ausgebeutet werden sollen (40).
Derzeit sind CRMs von großem Interesse, da sie eine essentielle Rolle in der Herstellung von Gerätschaften für die sogenannte Grüne Revolution spielen (6). Generell gesehen ist die Konzentration der meisten CRMs in Tailings als eher gering einzuschätzen, aber die schiere Menge an Tailings allein bedingt es, über eine Wiedergewinnung nachzudenken. Zudem sind die Erschöpfung von CRMs in primären Lagerstätten und die inhärenten Versorgungsrisiken mit CRMs aufgrund geopolitischer Probleme und geographischer Abtrennungen zu wichtigen Aspekten geworden. Folglich hat die Ausbeutung von unkonventionellen Quellen, wie stillgelegten Tailings-Anlagen, kürzlich weltweit Aufmerksamkeit erlangt (41). Einige CRMs werden teils als Nebenprodukte, z. B. Co und In in Zinkblende (ZnS), mitgewonnen, da viele CRMs keine eigenständigen Minerale bilden, sondern in anderen Mineralen als Fremdionen – in Erzmineralen oder auch in der Gangart – eingebaut werden und somit automatisch mitextrahiert werden.
Es gibt zwei Hauptgründe CRMs aus alten und stillgelegten Tailings zu extrahieren:
1) Die Abbaukosten sind deutlich reduziert, da die Erze/Rohstoffe bereits zusammengetragen und teilweise aufbereitet worden sind.
2) Die Wahrscheinlichkeit Wertminerale in wirtschaftlich interessanten Konzentrationen in alten Tailings zu finden höher ist, da die Aufbereitungstechnik in der Vergangenheit weniger effizient war (41).
In einigen Fällen könnte die Konzentration der Wertminerale in alten Tailings sogar die von primären Erzen/Rohstoffvorkommen übertreffen (16). Darüber hinaus kann die Gewinnung von Rohstoffen aus Tailings dafür sorgen, dass in der Zukunft ein geringeres Tailings-Volumen verwaltet werden muss und die Konzentration an potentiellen toxischen Elementen reduziert wird (41).
4 Technologien für die Rückgewinnung von kritischen Rohstoffen aus Tailings
Die Rückgewinnung von Mineralen aus sekundären Rohstoffquellen, wie Tailings, erfordert häufig eine Modifizierung der Aufbereitungsprozesse, die für primäre Rohstoffe verwendet werden, da die Mineralgehalte in den sekundären Rohstoffen ggf. geringer sind und die bereits aufbereiteten Rohstoffe mitunter andere Materialeigenschaften aufweisen. Zur Extraktion der Minerale aus den Tailings werden verschiedene Verfahren, zumeist aus der Hydrometallurgie, verwendet (41, 42). Diese Verfahren umfassen die Lösungsmittelextraktion (Solvent-Extraktion), die Laugung mittels Säuren, die Flüssig-Flüssig-Extraktion und die Biolaugung (Bioleaching), und somit nasschemische Verfahren, um Metalle bei relativ niedrigen Temperaturen aus Erzen, Konzentraten und recycelten Materialien oder Reststoffen zurückzugewinnen. Im nachfolgenden werden die hauptsächlich verwendeten hydrometallurgischen Techniken und neuesten Forschungsergebnisse zur Gewinnung von ausgewählten CRMs (Co, Cu, Li, Seltene Erden (REE)) aus Tailings kurz beschrieben.
4.1 Hydrometallurgische Extraktion
Zur Rückgewinnung von REE aus sekundären Quellen wurden bereits verschiedene hydrometallurgische Verfahren eingesetzt. Diese Verfahren umfassen typischerweise die Produktion von Konzentraten, gefolgt von einer Säurelaugung oder einer Solvent-Extraktion. Insbesondere die Solvent-Extraktion, basierend auf der Vermischung von Lösungsmitteln und säurehaltigen Extraktionsmitteln (43), stellte sich bereits als effektiv bei der selektiven Gewinnung von REE, auch bei Anwesenheit von Verunreinigungen (41), heraus. Ferner sind neue technische Entwicklungen vielversprechend hinsichtlich der Gewinnung von Co und REE aus Laugungslösungen, die auch auf die Aufbereitung von Tailings angepasst werden können (44). Die Gewinnung von Li aus Tailings ist ein relativ neuartiges Konzept, da Li traditionell aus Solen und primären Mineralen wie Spodumen gewonnen wird (45). Reines Leaching mittels kombinierter Säuren ist nachgewiesenermaßen effektiv in der Rückgewinnung von Li aus Bauxit-Tailings, hat aber das Manko eines hohen Energie- und Chemikalienverbrauches (46).
4.2 Bio-hydrometallurgische Techniken (Bioleaching)
Bio-Hydrometallurgie oder Bioleaching basiert auf der Interaktion zwischen Mikroben und Metallen in Mineralen (41), wobei die Mikroorganismen mittels biochemischer Oxidation unlösliche metallhaltige Sulfide in wasserlösliche metallhaltige Sulfate umwandeln, sodass spezifische Minerale/Elemente gezielt extrahiert werden können (47). Dies bietet den Vorteil von geringeren Betriebskosten und geringerer Umweltauswirkungen und führt dazu, dass Bioleaching insbesondere bei metallarmen Vorkommen effektiv angewendet werden kann (47, 48). Demzufolge wird Bioleaching inzwischen in verschiedenen Industriezweigen eingesetzt, in denen es um die Metallgewinnung und die Aufbereitung von Abfällen geht, um wertvolle Metalle aus diesen geringhaltigen Industrieabfällen und Klärschlämmen zurückzugewinnen (49, 50, 51). Allerdings ist Bioleaching langsamer als konventionelles Leaching und es können toxische Chemikalien, wie z. B. Schwefelsäure entstehen, die zur Bildung von AMD führen können. Eine Studie am Bergwerk Rammelsberg hat gezeigt, dass Bakterien dazu in der Lage sind, Co und Cu auch aus komplexen Tailings freizusetzen (41). Ferner sind Bakterien in der Lage, REE und andere Metalle aus U-haltigen Tailings (52) und geringhaltigem Gibbsit-Erz auszulaugen (53).
4.3 Membran-Prozess
Druckgesteuerte Membranprozesse, wie Umkehrosmose (RF) und Nanofiltration (NF) sind für die Gewinnung von strategischen Metallen und CRMs bereits im Einsatz. Diese Methoden bieten zahlreiche Vorteile gegenüber konventionellen, hydrometallurgischen Prozessen wie ein höherer Abscheidungsgrad, eine höhere Selektivität, ein geringerer Energiebedarf, eine einfachere Handhabung, ein geringeres Abfallaufkommen und Erleichterungen bei der Einbindung anderer Verfahren. Jedoch sind diese Verfahren energieintensiv, was zu höheren Betriebskosten und Umweltproblemen führen kann. (41) Ein großer Nachteil ist die verminderte Leistungsfähigkeit der Membranen bei exzessiver Verschmutzung, da hierdurch eine langfristige Nutzung verringert wird. Diese Einschränkung kann teilweise gemindert werden, wenn NF mit konventioneller Flotation und magnetischer oder gravimetrischer Abtrennung kombiniert wird, da so der Anteil an unwirtschaftlichen Mineralen in der Zufuhrlösung (Feed-Solution) reduziert werden kann und die Verschmutzung der Membranen reduziert wird (54). Studien haben gezeigt, dass Li aus Solen unter Verwendung von NF- und RF-Membranen gewonnen werden kann (55, 56, 57, 58, 59), während diese Technik bei der Gewinnung von CRMs aus Tailings bisher weniger Anwendung findet.
5 Herausforderungen
Die Rückgewinnung von strategisch wichtigen Metallen aus Tailings steht zentralen technischen, ökonomischen und umwelttechnischen Herausforderungen gegenüber. Diesen Aspekten liegen zahlreiche Faktoren zugrunde, welche die Rückgewinnungsverfahren direkt beeinflussen, und die im nachfolgenden nur kurz beschrieben werden.
5.1 Technische Herausforderungen
Die größte Herausforderung bei der Rückgewinnung von CRMs aus Tailings ist die geringe Konzentration der Wertminerale/Wertmetalle darin, da die herkömmlichen Technologien typischerweise für höhere Konzentrationen in primären Erzen/Rohstoffen ausgelegt sind. Folglich werden bei Anwendung dieser Technologien auf Tailings mitunter nur geringe Rückgewinnungsraten für REE und Li erreicht (41, 60). Der Grund hierfür liegt häufig im Vorkommen konkurrierender Buntmetalle und anderer Ionen in höheren Konzentrationen, die den Separationsprozess von CRMs behindern (z. B. (41, 61, 62)).
5.2 Umwelttechnische Herausforderungen
Die umwelttechnischen Herausforderungen bei der Gewinnung von CRMs aus Tailings sind komplex und lagerstättenspezifisch und variieren mit jeder Tailings-Anlage. Die Aufbereitung von Tailings umfasst stets die Herstellung eines Konzentrats, dessen Veredlung und die Abtrennung des Zielminerals/der Zielminerale. Diese Schritte können mit einer weiteren Landbeanspruchung, Landumgestaltung, Störung des Ökosystems und Gesundheitsproblemen einhergehen (41, 63). Insbesondere der hohe Energieverbrauch und die extensive Nutzung von Wasser und Chemikalien, die häufig toxisch sind, können Wasser, Luft, Land und die menschliche Gesundheit beeinträchtigen und werden somit kritisch gesehen (64). Auch wenn die Aufbereitung von Tailings generell als weniger umweltbelastend angesehen wird als der primäre Rohstoffabbau, entstehen bei der Gewinnung von CRMs aus Tailings unvermeidbar neue feste Abfälle unter Freisetzung von Staub, Abwässern und Abgasen (65, 66). Generell enthalten Tailings häufig toxische Elemente wie As, Cd und Cr (67) und können zudem radioaktive Elemente wie Th und U enthalten (68, 69). Diese Elemente können mittels Wind, Oberflächenwasser und Grundwasser transportiert werden und somit Boden und Sediment kontaminieren (70). Darüber hinaus enthalten einige Tailings Pyrit, was zur Entstehung von AMD führen kann. Nach der Wiederaufbereitung werden die meisten Tailings in Deponien eingelagert, sofern sie nicht für andere Zwecke, z. B. als Baumaterialien oder Bodenzusatzstoffe, recycelt werden.
5.3 Ökonomische Herausforderungen
Traditionell folgt die Bergbauindustrie einem linearen Wirtschaftsmodell, was die Rückgewinnung von Mineralen aus Bergbauabfällen erschwert (71). Bei der Aufbereitung von Tailings fallen signifikante Kosten für Wasser, Energie, Chemikalien, Arbeitskräfte und die Abfallbeseitigung an. Des Weiteren muss mit Mineral- und Lösemittelverlusten gerechnet werden (z. B. (72)). Studien zeigen, dass der Energieverbrauch exponentiell mit der Verringerung des Erzgrades/Wertmineralgehalts ansteigt (41, 73). Generell gilt, dass die Rückgewinnungskosten umgekehrt proportional zur Konzentration der Wertminerale sind oder vereinfacht ausgedrückt, geringere Konzentrationen bedingen größere Aufbereitungsanlagen und höheren Ressourceneinsatz, was zu einer geringeren Wirtschaftsleistung und einer potentiell negativen Bilanz führen kann. Zudem geht die Rückgewinnung von CMRs mit mehrstufigen Prozessen einher, was die Gesamtrückgewinnungskosten erhöht. Verluste von Wertmineralen während dieser Prozesse können somit substantiell sein (z. B. (74)). Überdies beeinflussen die Marktpreise von CRMs den Rückgewinnungserfolg, da viele CRMs nur Neben- oder Begleitprodukte sind. Folglich können Schwankungen in den Marktpreisen einen erheblichen Einfluss auf die Preise der CRMs und die Wirtschaftlichkeit insgesamt haben (41).
6 Diskussion
Die Umweltauswirkungen des Bergbaus, insbesondere die Handhabung und die Lagerung von Tailings, sind ein signifikantes globales Anliegen. Von aktiven Bergbauaktivitäten und stillgelegten Abbaubetrieben gehen substantielle Umweltgefährdungen aus, einschließlich AMD. Während AMD zur Verbreitung von Metallen in die Ökosysteme unter Beeinflussung von Wasser, Boden und Luftqualität führen kann, können Tailings-Anlagen Feststoffe und Gase emittieren, die wiederum zu soziokulturellen Beeinträchtigungen in den umliegenden Gemeinden führen können.
Aktuelle Fälle aus aller Welt zeigen die schädlichen Konsequenzen, die sich durch Unfälle in Tailings-Anlagen ergeben. Die Vorfälle am Escalera-Fluss (Peru) und am Las Palmas-Bach (Chile) sind Beispiele für eine weitverbreitete Wasserverschmutzung, Bodenverschmutzung, Probleme mit der Luftqualität und schwerwiegende Auswirkungen auf Flora, Fauna und die menschliche Gesundheit. Diese Brüche beruhen zum einen auf menschlichen Fehlern (mangelhaftes Management des Tailings-Damms), zum anderen auf natürlichen Ursachen (Erdbeben).
Durch Unfälle in Form von Tailings-Dammbrüchen können verschiedene chemische Stoffe, einschließlich Metalle und andere Schadstoffe, ins aquatische Milieu gelangen. Diese Schadstoffe beeinflussen die Zusammensetzung der Oberflächenwässer und können durch Veränderungen in der Umwelt (pH, Eh) erneut mobilisiert werden. Bestimmte chemische Formen von Metallen sind toxisch für Organismen. Metalle wie As, Pb und Hg in Tailings stellen eine ernsthafte Bedrohung für das Leben im Wasser, Trinkwasserquellen und die menschliche Gesundheit dar, da sie in nahe gelegene Wasserkörper gelangen können. Deshalb müssen bei Tailings-Brüchen sofort Notfallpläne greifen, um die Ökosysteme und die Bevölkerung zu schützen oder in anderen Worten, die Integrität von Tailings-Dämmen ist ein signifikantes weltweites Umweltanliegen.
Trotz dieser Umweltprobleme ist die Rückgewinnung von Ressourcen aus Tailings ein umsetzbares Konzept, um Risiken zu minimieren und gleichzeitig wirtschaftliche Vorteile zu erzielen. Der Prozess beginnt mit der sorgfältigen Auswahl der Bergwerksgelände auf denen sich Tailings befinden, die möglicherweise noch Wertminerale enthalten können. Diese Auswahl beruht auf historischen Daten über die abgebauten Erze/Rohstoffe, die extrahierten Metalle und die hierfür verwendeten Extraktionsmethoden sowie die Art und das Volumen der Tailings. Diese Faktoren helfen diejenigen Tailings zu identifizieren, die noch ein signifikantes wirtschaftliches Potential besitzen.
Nach der ersten Auswahl ist eine detaillierte Charakterisierung von Tailings-Proben notwendig, um deren chemische, physikalische und mineralogische Eigenschaften zu bestimmen. Eine umfangreiche Probenahmekampagne, die den gesamten Tailings-Damm abdeckt, ist wesentlich für die Bewertung des wirtschaftlichen Potentials auf CRMs. Darüber hinaus dient diese der Identifizierung von (allen) Wertmineralen und hilft somit die wirtschaftliche Rentabilität des Projekts zu bewerten.
Die wirtschaftliche Rentabilität hängt zudem von den Marktpreisen der wiedergewinnbaren Minerale ab. Eine ganzheitliche Betrachtung, die wirtschaftliche, soziale und den umwelttechnischen Nutzen kombiniert, ist essentiell. Methoden wie Bioleaching, das kostengünstig und umweltfreundlich ist, sollten bei der Gestaltung des Rückgewinnungsprozesses berücksichtigt werden. Darüber hinaus ist die Rückgewinnung von Prozesswasser und dessen Wiederverwendung bei der Mineralrückgewinnung von entscheidender Bedeutung.
Fortgeschrittene Technologien, wie Membranverfahren, ermöglichen eine effektive Abwasserbehandlung während der Aufbereitung der Tailings. Diese Technologien stellen sicher, dass das Abwasser gefahrlos abgelassen werden kann, sodass die Umweltauswirkungen minimiert werden. Eine detaillierte technisch-wirtschaftliche Bewertung ist als Teil jeder Machbarkeitsstudie für jedes Mineralrückgewinnungsprojekt aus Tailings empfehlenswert.
Trotz aller Herausforderungen bietet die Rückgewinnung von CRMs aus Tailings erhebliche Chancen. Die wichtigste Chance besteht im wirtschaftlichen Nutzen, der sich aus einer effektiven Rückgewinnung ergibt. Die Einbeziehung spezifischer Aspekte der Umweltbelastung durch die Tailings selbst, der Verwendung von Chemikalien und der Wirtschaftlichkeit der Abtrennungsprozesse kann sowohl zu sozioökonomischen als auch ökologischen Vorteilen führen. Die Kosten sind bei der Aufbereitung von abgeworfenen Tailings im Vergleich zum konventionellen Abbau primärer Lagerstätten geringer, da weniger Wasser und Elektrizität benötigt werden, sodass Investitionen geringer ausfallen. Zudem geht die Rückgewinnung von Tailings mit der Schaffung von Arbeitsplätzen in lokalen Gemeinden einher.
Umweltvorteile, die sich ergeben, umfassen die Reduzierung der Belastung durch Staub und Sickerwasser, die Abnahme des Tailings-Volumens, und die Minderung des Risikos für Tailings-Dammbrüche. Die Entwässerung von Tailings und das Lagern der trockenen Tailings-Reste nach der Mineralrückgewinnung reduzieren die ökologischen, umwelttechnischen und gesellschaftlichen Risiken die von schlammartigen Tailings ausgehen. Des Weiteren erlaubt die Rückgewinnung von Tailings die Produktion von zusätzlichen Wertmineralen ohne dabei – im Gegensatz zu neuen Bergbauprojekten – den ökologischen Fußabdruck zu erhöhen.
7 Schlussfolgerung
Tailings bergen sowohl umwelttechnische Risiken als auch das Potential als zukünftige Rohstoffquellen. Ein effektives Management und die Rückgewinnung von Tailings können Umweltgefährdungen abschwächen und gleichzeitig wirtschaftliche und soziale Vorteile bieten. Die Entwicklung und die Anwendung von fortgeschrittenen Technologien, zugeschnitten auf die Charakteristika von Tailings, kann die Rückgewinnung von Wertmineralen erhöhen und dabei die Kreislaufwirtschaft fördern. Um den Herausforderungen, die mit dem Management von Tailings verbunden sind, gerecht zu werden, muss ein ganzheitliches Konzept entwickelt werden, bei dem Wirtschaftlichkeit sowie die ökologische und soziale Verantwortung ausbalanciert sind. Durch eine detaillierte Charakterisierung und die Verwendung von innovativen Aufbereitungstechniken können sorgfältig ausgewählte Tailings von einer Belastung in eine wertvolle Ressource umgewandelt werden und so zu einer nachhaltigen Entwicklung und dem Umweltschutz beitragen.
Danksagung
Dieser Beitrag ist aus der Studienarbeit des Hauptautors am Institut für Bergbau, Fachgebiet für Tagebau und Internationaler Bergbau an der Technischen Universität Clausthal hervorgegangen. Herzlichen Dank an Jörg Bertram für die finale sprachliche Durchsicht der deutschen Version.
References / Quellenverzeichnis
References / Quellenverzeichnis
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