Characterising an ancient storage area of phosphogypsum by combining geophysical, geochemical and statistical techniques

Abstract

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Los fertilizantes fosfóricos han tenido un impacto positivo en la industria agrícola. Sin embargo, este tipo de fertilizante, además del fertilizante, genera una cantidad significativa de fosfoyeso como subproducto. Dependiendo del ácido utilizado en el proceso industrial del fertilizante se pueden producir hasta cinco toneladas de fosfoyeso. En la zona de estudio se empleó el proceso de ácido húmedo que consiste en atacar la roca fosfórica con un ácido fuerte, generalmente ácido sulfúrico. Las investigaciones previas de fosfoyeso lo han estudiado con la ayuda de análisis químicos y radiológicos, pero no con tomografía eléctrica. Por lo tanto, la tesis pretende caracterizar una antigua zona de fosfoyeso ubicada en la Región de Murcia, en el sureste de España, utilizando la tomografía eléctrica como principal herramienta para la caracterización y así, establecer una metodología eficiente para evaluar áreas de residuos. La presente tesis doctoral utiliza la modalidad de compendio de publicaciones. Tres publicaciones científicas componen este documento. Inicialmente, se caracteriza físicamente el área de estudio; calculando el volumen existente en los depósitos de residuos. En segundo lugar, se realiza una caracterización geoquímica; determinando que el cromo es el metal más presente en los residuos. Finalmente, se establece una metodología eficiente para identificar y clasificar el depósito más contaminado por metales pesados. La primera publicación utiliza LiDAR y tomografía de eléctrica para determinar con alta precisión el volumen de los depósitos en el área de estudio. Esta combinación no solo mejora la precisión del volumen, sino que también establece una metodología para calcular el volumen en este tipo de depósitos. El estudio presentado mejoró los resultados de estudios previos realizados algunos años antes por otra empresa. La segunda publicación determina la distribución espacial de los metales pesados presentes en los depósitos de fosfoyeso. La tomografía eléctrica y los datos geoquímicos se combinaron utilizando modelos de regresión no lineal; logrando un modelo predictivo confiable. La combinación de las técnicas geofísicas, geoquímicas y estadísticas arrojan resultados muy significativos. La última publicación evalúa el comportamiento de los metales pesados de los depósitos de fosfoyeso. La caracterización física y química reveló que los depósitos contienen un tipo diferente de residuo. Por lo tanto, se realizó un análisis de componentes principales y un análisis discriminante de mínimos cuadrados parciales para clasificar y discriminar ambas poblaciones. Por tanto, la investigación ha logrado con éxito los objetivos planteados. Los resultados mostraron que la combinación de tomografía eléctrica con análisis químico es adecuada y confiable para caracterizar depósitos de desechos. Adicionalmente, incorporar herramientas estadísticas han demostrado resultados satisfactorios y confirman matemáticamente los resultados obtenidos. Finalmente, esta tesis se estructura en capítulos de la siguiente manera: el capítulo uno presenta los objetivos, el capítulo dos analiza el estado del arte. Posteriormente, los capítulos tres, cuatro y cinco contienen las publicaciones científicas que componen esta tesis. Finalmente, el capítulo seis trata de las conclusiones de esta tesis doctoral.

[ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. Phosphoric fertilisers have impacted positively on the agricultural industry. Nevertheless, this type of fertiliser, apart from the fertiliser itself, also generates a significant quantity of phosphogypsum as a by-product. Per one ton of fertiliser, five tonnes of phosphogypsum are generated. This occurs due to the industrial process followed in the study area. The factory employed the wet acid process which consists in attacking the phosphoric rock with a strong acid, usually, sulphuric acid. Previously, phosphogypsum has not been studied with electrical resistivity tomography but rather radiological and chemical analysis. Therefore, the thesis intends to characterise an ancient phosphogypsum area located in the Murcia Region in the Southeast of Spain with ERT as the principal tool to set an efficient methodology to assess waste areas. The present doctoral thesis uses the compendium of publications mode. Three scientific publications compose this document. Initially, it assesses the whole area volumetrically with significant accuracy. Next, it evaluates geochemically one specific pond determining that chromium is the most present metal in the waste. Finally, an efficient methodology is established to identify and classify the deposit most contaminated by heavy metals. The first publication uses LiDAR and electrical resistivity tomography for determining the volume of the deposits in the study area accurately. Not only does this combination enhances the precision of the results, but it also sets a methodology for calculating the volume of the deposits. The presented study improved the results of previous studies carried out some years before by another company. The second publication determines the spatial distribution of the heavy metals presents within deposits of phosphogypsum. Electrical resistivity tomography and geochemical data were merged by using non-linear regression models, achieving a reliable predictive model. The combination of the geophysical, geochemical and statistical techniques yields significant results. The last publication assesses the behaviour of heavy metals of phosphogypsum deposits. Physical and chemical characterisation revealed that deposits hold a different type of waste. Therefore, it was performed principal component analysis and partial least squares discriminant analysis to classify and discriminating both populations. Consequently, the research has successfully achieved the objectives. Results showed that combining electrical resistivity tomography with chemical analysis is suitable and reliable to characterise waste deposits. Additionally, incorporating statistic tools have demonstrated satisfactory results and support the obtained results mathematically. Finally, this thesis is structured in chapters as follows: chapter one presents the objectives, chapter two analyse state of the art. Later, chapters three, four, and five holds the scientific publications that compose this thesis. Finally, chapter six deals with the conclusions of this doctoral thesis.