Scholars' Mine Masters Theses Student Theses and Dissertations 1969 A study of a lead mining waste water pollution problem William Earl Anderson Jr. Follow this and additional works at: https://scholarsmine.mst.edu/masters_theses Part of the Civil Engineering Commons Department: Recommended Citation Anderson, William Earl Jr., "A study of a lead mining waste water pollution problem" (1969). Masters Theses. 7071. https://scholarsmine.mst.edu/masters_theses/7071 This thesis is brought to you by Scholars' Mine, a service of the Missouri S&T Library and Learning Resources. This work is protected by U. S. Copyright Law. Unauthorized use including reproduction for redistribution requires the permission of the copyright holder. For more information, please contact [email protected]. A STUDY OF A LEAD MINING WASTE WATER POLLUTION PROBLEM BY WILLIAM EARL ANDERSON, JR., 1944- , A THESIS submitted to the faculty of THE UNIVERSITY OF MISSOURI-ROLLA in partial fulfillment of the requirements for the Degree of MASTER OF SCIENCE IN CIVIL ENGINEERING Rolla, Missouri T2312 86 p. c. I Approved~///// // (advisor) ///- (_;t(C--.--,1 ~f ~ ii ABSTRAC'.r The waste water from the Fletcher Mine of the St. Joseph Lead Company 1tJ'as producing large algal growths in Bee Fork Creek. A field and laboratory study was conducted to determine the characteristics of the 1..;aste, f'ind a method of' determining the pollutionaJ. materials contained in the waste, study the undesirable algal growths, and develop and evaluate a practical, inexpensive, and ef'f'ective pollution abatement method. Laboratory studies included: analytical analysis of the waste, flotation reagent analysis, a microscopic study of the algal growths, algal growth studies, and heavy metal analysis of the algal growths. Field work comprised: a study of the mining and milling processes, evaluation of waste water samples, observation of' the tailings ponds, collection of' algal samples, and the evaluation of surface baf'fles in the tailings pondso The characterization o:f the waste indicated that some normal parameters :for evaluating waste water are not applicable to mining wasteR The :flotation reagent analysis and algal growth studies were unsuccess:ful, but, the algal growths were f'ound to be composed of the blue-green algae, Oscillatoria, and contained high concentrations of' heavy metals. The surf'ace baffles prevented the out:flow of the surface :film which improved the condition of Bee Fork Creek. iii ACKNOWLEDGEMENTS The author wishes to express his sincere appreciation to his advisor, Dr. Bobby G. Wixson, for his continued support, understanding, and encouragement during this study. He also wishes to express his gratitude to Dr. Ju­ Chang Huang and Dr. Ernst Bolter for their help during the revision of the manuscript. The author wishes to thank all of his colleagues and professors who, in one way or another, contributed to this study but in particular: Mr. Hong-Wen Chen, Mr. Wayne Max, and Mr. Nicholas Tibbs for their assistance in part of the analytical work, and Dr. Sotirios Grigoropoulos for his encouragement and assistance in obtaining a Federal Water Pollution Control Administration Traineeship, This investigation was supported by Training Grant No. STl-WP-86-03&04 from the Federal Water Pollution Control Administration. Acknowledgement is also made to the Office of Water Resources Research, United States Department of the Interior, Grant No. (?O)A-021-MO. :for equipment and supplies furnished for this study. This study was made possible by the complete trust, cooperation, and assistance given the author by Mr. Larry Casteel, Division Manager of St. Joseph Lead Company and Mr. Dick Bullock, Mine Superintendent of the Fletcher Mine, Finally, the author wishes to thank his wife, Jamie for her understanding, condolence, and manuscript typing. iv TABLE OF CONTENTS Page ABST.RACTo o •••••• o •••• o •••• • •••• a •••••• •• ••••••••••••• o •• 11 ACKNOWLEDGEMENTSo••••••••••••••••••••••••••••••••••••••iii LIST OF FIGURES •• • • o. "• •••• o •••••••••• • •• • • •• • ••••••• o •• vi LIST OF TABLES •••••••••• o ••••••••••••• o •••••••• o • •• o. o • .ix I. INTRODUCTION•••••••••••o••••••••••••••••••••••••••l A. His tory •• o o o • o • • o • o o ., • • • • o • • ••••• o • o •• o • ., •• o •• 1 B. Previous Work•••••••••••••••••••••••••••••••••4 c. Objectives••••••••••••••••••••••••••••••••••••5 D. Scope•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••7 II. THE AREA OF STUDY•••••••••••••••••••••••••••••••••9 A. The Fletcher Plant••••••••••••••••••••••••••••9 1. The ~1i ne •••• ,. •• ~ •••••••••••• o ••••••••••••• 9 2. The Ore Concentrating Mill ••••••••••••••• ll 3. The Tailings Ponds•••••••••••••••••••••••18 B. Bee Fork Creek •••••••••••••••••••••• o •••••• D 0 21 1. Station 6 • ••••••••••••••••••••••••••• 0 • •• 24 2. Station ?ao••••••••••o•••••••••••oo•••• •• 24 3. Station 8 0 ••••• 0 ••• 0 0 •• 0 0 •••••• 0 ••• 0 ••••• 24 III. REVIEW OF THE LITERATURE••••••••o••••••••••••••••26 A. Water Pollution by Mining Waste Reagents ••••• 26 B. Detection and Analysis of Flotation Reagents•••••••••••••••••••••••••••••••••••••28 C. Flotation Reagent Waste Treatment Methods •••• JO IV. METHODS AND PROCEDURES ••••••••••••••••••••••••••• 32 A. Characterization of Mining and Nilling Waste Waters••••••••••••••••••••••••o32 1. Dissolved Oxygen •• o••••••••••••••••••••••32 2. Biochemical Oxygen Demand •••••••••••••••• 33 3. Chemical Oxygen Demand ••••••••••••••••••• 34 4. Solids Determination ••••••••••••••••••••• 34 5. Phosphorus••••••••••••••••••••••••••••••o35 6. Nitrogen•••••••••••••••••••••••••••••••••35 ?. Fluoride•••••••••••••••••••••••••••••••••36 8. Hydrogen Ion Concentration (pH) •••••••••• 36 v B. Potentiometric Titration of Sodium Isopropyl Xanthate••••••••••••••••••••••••••37 c. Microscopic Examination of Undesirable Algal Growths From the Field •••• J8 D. Studies of Algal Growth in Flotation Process Waste•••••••••••••••••••••••••••••••39 1. The Outside Growth Chambers ••••••••••••• 4o 2. The Laboratory Growth Chambers •••••••••• 41 E. Measurement of Heavy Metals in the Undesirable Algal Growths•••••••••••••••••••43 F. Field Studies••••••••••••••••••••••••••••••o46 1. Sampling •••••••••••••••••••••••••••••••• 46 2. Observation•••••••••••••••••••••••••••••46 3. Surface Baffle Experiment ••••••••••••••• 46 V. RESULTS ••••••• ••• ••••• •••••••••••••• •• ••• • ••• ••• 52 A. Characterization of Mining and Milling Waste Waters••••••••••••••••••••••••52 B. Potentiometric Titration of Sodium Isopropyl Xanthate ••••••••••••••••• •-• •••••• ., 52 c. Microscopic Study of the Undesirable Algal Growths From the Fleld •••••••••••••••• 56 D. Studies of Algal Growth in Flotation Process Waste•••••••••••••••••••••••••••••••56 E. Measurement of Heavy Metals in Algal Growths•••••••••••••••••••••••••••••••6o F. Surface Baffle Experiment•••••••••••••••••••63 VI. DISCUSSION••••••••••••••••••••••••••••••••••••••69 VII. CONCLUSIONS•••••••••••••••••••••••••••••••••••••72 VIII. RECOMMENDATION FOR FUTURE STUDYoo•••••••••••••••73 BIBLIOGRAPHY •••• • • ••••••••• • •. •. • ••• o ••• • •• • •••• 74 VITA. • •••••••• • ••••••••••••• • •••••••••••• • • ••••• 77 Vi LIST OF FIGURES Figure Page 1. Location of the Lead Belt and New Lead Belt in Southeast Missouri ••••••••••••••••••••••••• 2 2. Undesirable Growths of Bacteria and Blue- Green Algae. Oscillatoria, in Bee Fork Creek ••••••• 6 ). Schematic Diagram of the Fletcher Plant ••••••••••• 10 4. Subsurface Water Flowing into the Fletcher Mine•••••••••••••••••••••••••••••••••••••12 5. One of Two 12-Inch Subsurface Shaft Water Discharge Pipes ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 12 6. Schematic Diagram of the Ore Concentrating Process at the Fletcher Mill•••••••••••••e••••••••1J 7. Water and Flotation Reagents Being Added to the Ore Before Going to the Ball Mill •••••••••• 14 B. View of Ore Concentrating Mill Showing the Ball and Rod Mill in the Foreground and the Flotation Machines in the Background. Note Control Room in the Upper Right Hand Corner••••••••••••••••••••14 9. Froth Containing Lead and Copper Minerals Spilling Over the Weir of the Flotation Machines••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••17 10. The Copper Concentrate Thickener••••••••••••••••••19 11. Surface Weir of the Zinc Concentrate Thickener •••• 19 12. Lead and Zinc Thickener Effluent. Note Subsurface Shaft Water Discharged in Foreground ••• 20 1). Thickened Concentrate Being Vacuum Filtered ••••••• 20 14. Road Fill Constructed of Compacted Tailings ••••••• 22 15. Effluent Pipe. Tailings Pond III••••••••••••••••••22 16. Location of the Sampling Stations on Bee Fork Creek •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 23 vii 17. Laboratory Growth Chambers Inside the Plantari urn . .•.........••.•..••..•.•.•...•....•..... 42 18. Growth of Bacteria Using Sodium Isopropyl Xanthate as Food Source {4) •••••••••••••••••••••••• 48 19. Plank Baffle in the Effluent Channel of Tailings Pond II ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 49 20. Plank Baffle in the Effluent Channel of rrailings Pond III •••••••••••••••••••••••••••••••••• 49 21. Hanging Baffle Supported by a Cable and Oil Drums Just Outside the Entrance to Effluent Channel of Tailings Pond II •••••••••••••••••••••••• 51 22. Titration Curves for Sodium Isopropyl Xanthate Solutions of 1, 5, and 10 mg/1 with 0.001 N Silver Nitrate. Note the Proportional Relationship of the Curves at a Meter Reading of 100 •••••••••••• 57 23. Photomicrograph of the Blue-Green Algae, Oscillatoria, Contained in the Algal Growths Causing Problems. 400 x ••••••••••••••••••••••••••• 58 24. Photomicrograph