17
Exploiting Natural Processes to Effectively Remediate Acidified Coastal Environments ARC Linkage Project LP110100480 Annual Progress Report for 2011 Richard Collins, Yliane Yvanes-Giuliani and Jackie Stroud April 2012

Exploiting Natural Processes to Effectively Remediate ... Cudgen Lake (Clothiers & Reserve Cks) is the coastal catchment immediately south of the Tweed River which has been the subject

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Exploiting Natural Processes to Effectively Remediate ... Cudgen Lake (Clothiers & Reserve Cks) is the coastal catchment immediately south of the Tweed River which has been the subject

Exploiting Natural Processes to Effectively Remediate Acidified Coastal Environments

ARC Linkage Project LP110100480

Annual Progress Report for 2011

Richard Collins, Yliane Yvanes-Giuliani and Jackie Stroud

April 2012

Page 2: Exploiting Natural Processes to Effectively Remediate ... Cudgen Lake (Clothiers & Reserve Cks) is the coastal catchment immediately south of the Tweed River which has been the subject

DOCUMENT STATUS RECORD

Project Title: Exploiting Natural Processes to Effectively Remediate Acidified Coastal Environments

Client: Tweed Shire Council, Sebastien Garcia-Cuenca Andrew Tickle and Robert Quirk, NSW Cane Growers Association Rick Beattie, NSW Sugar Milling Co-operative

Document Title: Exploiting Natural Processes to Effectively Remediate Acidified Coastal Environments. ARC Linkage Project LP110100480. Annual Progress Report for 2011

Document Number: 2012/1 File Name: LP110100480 APR for 2011

Issue No.

Date of Issue Description Signatures Authors Checked Approved

1 2nd April 2012 Annual Progress Report

RC RC RC

Notes

Disclaimer:

1. The Water Research Centre has taken all reasonable steps to ensure that the information contained within this report is accurate at the time of production. In some cases, we have relied upon the information supplied by the client.

2. This report has been prepared in accordance with good professional practice. No other warranty expressed or implied is made as to the professional advice given in this report.

3. The Water Research Centre maintains no responsibility for the misrepresentation of results due to incorrect usage of the information contained within this report.

4. This report should remain together and be read as a whole. 5. This report has been prepared solely for the benefit of the client(s) listed above. No liability is accepted by the

Water Research Centre with respect to the use of this report by third parties without prior written approval.

Contact Details: UNSW Water Research Centre School of Civil and Environmental Engineering University of New South Wales Physical: Building H22, Vallentine Annexe Botany Street Gate 11 Kensington. Postal: UNSW, Sydney, 2052 Telephone: (02) 9385 5017 Fax: (02) 9313 8624

Name: Richard Collins Email: [email protected]

© Water Research Centre

Page 3: Exploiting Natural Processes to Effectively Remediate ... Cudgen Lake (Clothiers & Reserve Cks) is the coastal catchment immediately south of the Tweed River which has been the subject

Commercial-in-confidence 3

TableofContents

EXECUTIVE SUMMARY .......................................................................................................................................... 4 

INTRODUCTION ........................................................................................................................................................ 5 

BACKGROUND ............................................................................................................................................................ 5 

UNSW PROJECT PERSONNEL ..................................................................................................................................... 7 

PROJECT METHODS ................................................................................................................................................ 7 

RESULTS ...................................................................................................................................................................... 8 

BLACKS DRAIN ........................................................................................................................................................... 8 

CHRISTIES CK ........................................................................................................................................................... 13 

ALUMINIUM SOLUBILITY IN ASS USED FOR SUGAR CANE CULTIVATION ................................................................... 15 

CONCLUSIONS ......................................................................................................................................................... 16 

ACKNOWLEDGEMENTS ....................................................................................................................................... 17 

REFERENCES ........................................................................................................................................................... 17 

 

 

 

 

 

 

Page 4: Exploiting Natural Processes to Effectively Remediate ... Cudgen Lake (Clothiers & Reserve Cks) is the coastal catchment immediately south of the Tweed River which has been the subject

Commercial-in-confidence 4

ExecutiveSummary

This  report  details  the  annual  progress  of  the  Australian  Research  Council  (ARC)  Linkage  project 

LP110100480  ‘Exploiting  Natural  Processes  to  Effectively  Remediate  Acidified  Coastal  Environments’ 

which  commenced  in  2011  with  industry  partners  the  Tweed  Shire  Council,  NSW  Cane  Growers 

Association and NSW Sugar Milling Co‐operative. The main aims of the project are to undertake: 

 

1) Research which identifies acid sulfate soil (ASS) hotspots within 3 catchments in the Tweed Shire 

and then the most suitable remediation strategies to reduce ASS discharge on a catchment scale; 

2) On‐ground remedial works identified in (1) above; and 

3) Field measurements to determine the efficacy of the remedial works in reducing the discharge of 

problematic contaminants (particularly iron and aluminium) from the 3 catchments. 

 

The major  field  research  undertakings  in  2011  focused  on  two  catchments,  namely Blacks Drain  and 

Christies Ck.  In the former catchment, research was aimed at determining how effective remedial works 

conducted in 2009 have been in reducing the discharge of iron and aluminium from the upper catchment 

area.    In  the  latter catchment, previous  research was utilised with  limited  further sampling  to  identify 

problematic ASS areas and potential techniques to improve water quality from this catchment.  Some of 

the key findings are summarised in point form below:  

 

Examination  of  comparable  (i.e.  wet  season)  individual  rainfall  events  prior  to  and  after  the 

remediation was carried out at Blacks Drain  in 2009  indicates  that  the discharge of  iron  from  this 

catchment has decreased by approximately 20‐fold.  Data interpretation is continuing to identify the 

processes responsible for such a dramatic response to remediation; 

Based  on  a  number  of  previous  field  studies,  a  hydraulically  isolated  sugar  cane  block  in  the 

downstream portion of Christies Ck was selected as an area of priority for remediation.   Remedial 

works proposed for this area included a) optimisation of the drain pumping regime discharging into 

Christies Ck, and b) drain shallowing of the 2 major drains at  least to the  invert of the field drains.  

Actual remedial works undertaken  in August/September 2011  included  limited drain shallowing  in 

one  of  the  major  drains,  improvements  to  the  drain  batters  and  a  liming  trial  at  1  and  2 

tonne(s)/acre  (to  increase  soil pH).   Wet weather has  so  far precluded  field measurements, post‐

remediation, at this site. 

Laboratory  studies  on  ASS,  all  of  which  are  used  for  sugar  cane  cultivation,  taken  from  the 

catchments  of  Blacks  Drain, McLeods  Ck  and  Christies  Ck  have  shown  that  aluminium  solubility 

actually  increases above pH 5  in ASS that contain high % concentrations of organic carbon (i.e. the 

organic  soil  surface  horizon).    Based  on  these  results,  it  is  recommended  that  current  best 

management  practices  used  in  the NSW  Sugar  Industry  for ASS  in  regards  to  optimal  pH  be  re‐

evaluated when considering environmental impact. 

 

This project was awarded  funding  for a  three year period and  similar annual progress  reports will be 

issued soon after the conclusion of 2012 and 2013.

Page 5: Exploiting Natural Processes to Effectively Remediate ... Cudgen Lake (Clothiers & Reserve Cks) is the coastal catchment immediately south of the Tweed River which has been the subject

Commercial‐in‐confidence 5

Introduction

Background

In November 2010  it was announced by the Australian Research Council (ARC) that the Linkage project 

LP110100480 ‘Exploiting Natural Processes to Effectively Remediate Acidified Coastal Environments’ was 

awarded  funding  for  3  years  for  collaborative  research  between  the University  of New  South Wales 

(UNSW), the Tweed Shire Council, NSW Cane Growers Association and NSW Sugar Milling Co‐operative.  

The project commenced  in  January 2011 and the  first meeting between stakeholders was held on 28th 

January 2011  in  the Buchannan Room at  the Council Depot.   The  results outlined  in  this  report were 

presented  to all stakeholders on  the 27th March 2012 at  the  first annual meeting of  the project which 

was also held at the Council Depot. 

 

For reference, the main aims of this ARC Linkage project are reiterated below: 

 

1) Undertake research which  identifies acid sulfate soil  (ASS) hotspots within 3 catchments  in the 

Tweed  Shire  and  then  the most  suitable  remediation  strategies  to  reduce ASS discharge on a 

catchment scale; 

2) Conduct on‐ground remedial works identified in (1) above; and 

3) Obtain  field measurements  to  determine  the  efficacy  of  the  remedial works  in  reducing  the 

discharge of problematic contaminants (particularly iron and aluminium) from the 3 catchments. 

 

The  3  catchments  in  the  Tweed  Shire  identified  as  acid  sulfate  ‘hotspots’  to  be  investigated were  in 

various stages of remediation prior to the commencement of this project (Figure 1). 

 

Blacks  Drain,  a  highly‐modified  tributary  of  the  Tweed  River,  was  remediated  in  2009/2010  as  an 

outcome of the research  findings  from a previous ARC Linkage project LP0455697  (Collins et al. 2009).  

Major remediation work was conducted by the Tweed Shire Council in collaboration with landholders Jim 

and Les Dickinson within the pasture section (Figure 1) of the catchment (drain  infilling, drain widening 

and  shallowing,  drain  bank  revegetation,  acid  scald  capping  and  liming,  stock  exclusion,  and  the 

construction  of  packed‐bed  limestone  channels)  whilst  only  minor  adjustments  to  the  downstream 

sugarcane section were made on the Stainlay’s property (drain bank revegetation).  We have significant 

pre‐remediation data on this catchment from research activities conducted in LP0455697. 

 

Christies Creek  is  a  coastal  catchment dominated by  sugar  cane  cultivation  and pasture  in  the upper 

catchment and native  forest and  residential areas  in  the  lower  catchment.   Over  the  last 3 years  this 

catchment has come  to  the attention of  the Tweed Shire Council owing  to  the occurrence of  fish kills, 

heavy  iron  flocs  and, more  recently,  arsenic  concentrations  exceeding  ANZECC  (2000)  water  quality 

guidelines (Kinsela et al. 2009a).  The source of the arsenic and indeed other contaminants identified in 

the catchment (iron and aluminium) is the underlying ASS.  No remediation work at Christies Ck had been 

carried out prior to 2011, although a limited‐scale monitoring program was established in this catchment 

in 2009/2010 with the collaboration of landholders Ross Hardy, Ray Dooley, Craig King and Mr and Mrs 

Colin Love. 

 

Page 6: Exploiting Natural Processes to Effectively Remediate ... Cudgen Lake (Clothiers & Reserve Cks) is the coastal catchment immediately south of the Tweed River which has been the subject

Commercial‐in‐confidence 6

 

Figure  1:  Aerial  view  of  the  three  catchments  in  northern  NSW  to  be  investigated  in  this  project.  

Previous remedial work undertaken in Blacks Drain and Clothiers Ck/Reserve Ck are detailed.  Catchment 

boundaries are denoted by the dot‐dash lines. 

 

Cudgen Lake  (Clothiers & Reserve Cks)  is the coastal catchment  immediately south of the Tweed River 

which  has  been  the  subject  of  previous  research  and  remediation  studies  (e.g.  LP0219475  &  NSW 

Environmental Trust ASS Hot Spot Remediation Program 2000‐2004).   Cudgen Lake has been subjected 

to poor water quality over many years, due to the construction of an adjacent golf course and residential 

development  that was  abandoned before  its  completion. This  resulted  in major  fish  kills  in 1991  and 

1998, and an overall degradation of aquatic life. Research from LP0219475 has shown that the problem 

is mainly due  to rain‐induced discharges  from oxidising ASS  in  the catchment  (Macdonald et al. 2004).  

The Hot Spot Remediation Program resulted  in approximately 6 km of drains being filled (Figure 1) and 

almost 11,000 m2 of severely degraded ‘acid scald’ being remediated.  Despite these measures, large fish 

kills continue to occur within Cudgen Lake and adjoining waterways (Perkins 2010). 

 

The ultimate objective of this project is to sustainably engineer problematic agricultural acid sulfate soils 

on  the  east  coast  of  Australia  into  areas  that  are  both  environmentally  benign  and  economically 

profitable. 

 

1 0 km

R  ‐‐  Residential  F  ‐‐  Forest

Pacific Ocean

P

P F

F

R

R

R

C  ‐‐  Cane P  ‐‐  Pasture

C

C

P

Christies Creek Catchment

1 0 km

Clothiers & Reserve Creek Floodplain

Clothiers Ck 

Modified  or  in‐filled drain

Cudgen Lake 

Reserve Ck 

P

P P

P

Main drain shallowed & widened

Drains  in‐filled

Downstream export to Tweed River

10

km

0.50

km

Tweed River

Blacks Drain Catchment

P P

P

C

C

Page 7: Exploiting Natural Processes to Effectively Remediate ... Cudgen Lake (Clothiers & Reserve Cks) is the coastal catchment immediately south of the Tweed River which has been the subject

Commercial‐in‐confidence 7

UNSWProjectPersonnel

During 2011, Miss Yliane Yvanes‐Giuliani  (March) and Dr  Jackie Stroud  (August) were  recruited  to  the 

project to undertake, respectively, PhD studies and post‐doctoral research in the research areas specified 

in the Introduction.  Both positions are fully‐funded by the project. 

 

Dr Jackie Stroud has a PhD in soil science from Lancaster University, UK and was working at Rothamsted 

Research  prior  to  commencing  working  on  the  project  in  August  2011.    She  has  a  strong  research 

background in trace element mobility and bioavailability in soils. 

 

Miss Yliane Yvanes‐Giuliani obtained her Honours degree in environmental science from the University of 

Plymouth, UK and  started her PhD at UNSW  in March 2011.   She  is undertaking her PhD  studies  into 

aluminium  geochemistry  in  ASS  as  a  co‐tutelle  program  between  UNSW  and  the  University  Aix‐

Marseilles, France.  She also obtained an Australian Nuclear Science and Engineering top‐up scholarship 

in July 2011 which will facilitate her use of certain scientific instruments at the Australian Nuclear Science 

and Technology Organisation (ANSTO). 

 

Dr Richard Collins was responsible for the day‐to‐day management of the previous ARC Linkage project 

(LP0455697) with  the  Tweed  Shire  Council  and NSW  Cane Growers Association  and  has  developed  a 

strong  rapport  with  both  Council  staff  and  local  landholders.  He  leads  this  research  project  and 

contributes to both laboratory and field research activities of Jackie and Yliane. His role (at 0.2 Full Time 

Equivalent) in the project is not remunerated from project funding. 

 

ProjectMethods

During  2011,  continuous water  quality monitoring  (i.e.  pH,  redox,  dissolved  oxygen,  conductivity  and 

water  temperature) was undertaken  in  all 3  catchments.   As  significant metal  contaminant discharge 

from ASS catchments has been  linked to rainfall events, automatic water samplers were also deployed 

along  Blacks Drain  in October  and November  after  two  rainfall  events  that  exceeded  >100 mm/day.  

These auto‐samplers collected water  samples at approximately 3 hr  intervals  for periods up  to 6 days 

after  rainfall with pH and  redox measurements being conducted  in  the  field.   All water  samples were 

filtered (0.22 µm) and subsequently acidified (70% HNO3) in the field. They were stored in the dark until 

they  could  be  refrigerated  and  then  transported  to  UNSW  for  analysis.  Elemental  analyses  were 

performed  by  Inductively  Coupled  Plasma  (Optical  Emission  Spectrometry  or Mass  Spectrometry)  at 

UNSW. Appropriate quality controls included analysis of blanks, frequent recalibration and the recovery 

of spiked blanks, ensuring meaningful data were extracted. 

 

Samples  from  the  auto‐samplers were  complemented  by water  velocity measurements made  during 

water  sample  collection  /  deployment.  The measurements  of water  velocity  (Vt) were made  using  a 

Pygmy  Ott meter, which when  combined with  drain  dimensions  (At)  can  be  used  to  calculate  drain 

discharge  (Qt),  viz.  Equation  1.  Furthermore, when  the  contaminant  concentration  (Ct)  is  known,  an 

elemental export (or flux, Ft) can be extrapolated from the data according to Equation 2.  

 

Qt = Vt × At              [1] 

Ft = Qt × Ct               [2] 

 

Page 8: Exploiting Natural Processes to Effectively Remediate ... Cudgen Lake (Clothiers & Reserve Cks) is the coastal catchment immediately south of the Tweed River which has been the subject

Commercial‐in‐confidence 8

In addition, transects across Blacks Drain were established that facilitated continuous measurements of 

groundwater  and  drainwater  levels  (Odyssey  capacitance  probes)  and  spot  sampling  of  groundwater 

samples  for  elemental  analyses.    These  data  are  still  being  compiled  and  interpreted  and  are  not 

reported here. 

 

A campaign was also undertaken in April to collect soil samples from the three catchments.  As access to 

Clothiers and Reserve Ck was  restricted at  this  time, samples  from McLeods Ck were obtained  in  lieu.  

These samples were used to examine the geochemistry of aluminium in ASS. 

Results

BlacksDrain

Research undertaken at Blacks Drain  in the ARC Linkage project LP0455697  (2005‐2008)  indicated  that 

the upper catchment area, i.e. beyond the area used for sugar cane cultivation, contributed the most to 

contaminant discharge  (Collins et al. 2009a).   This was evidenced by continuous acidic pH  readings of 

drainwater at the upper catchment site indicated in Figure 2 and also comparable or larger quantities of 

iron  (Fe) exported  from  this  site,  than  that  from other downstream  sites, during a wet  season  rainfall 

event monitored in January 2008 (Figure 3).  This rainfall event is designated a ‘wet‐season’ event as we 

have noted that Fe  is typically of higher concentrations  in drainage waters during the summer/autumn 

wet  season  whereas  aluminium  (Al)  is  the  major  acid‐generating  contaminant  of  concern  during 

winter/spring dry season rainfall events (Collins et al. 2009a). 

 

Continuous drainwater monitoring after remediation has  indicated an  improvement  in water quality at 

the site designated  ‘upper catchment’  in Figure 2  in  that pH was consistently higher during 2010  than 

when compared to 2007 (Figure 4).  Due to a number of technical and maintenance issues with the water 

quality measurement stations, only limited data was collected in 2011.  However, the results are largely 

in line with that obtained in 2010 (data not shown).  If the average pH values are compared between the 

two years a value of pH 4.8  is obtained  in 2010, which  is significantly higher than the pH 3.7 obtained 

during 2007. 

 

In 2011 drainwater  and  groundwater  samples were  also  collected during  two  rainfall  events  so  as  to 

compare the quantity of iron and aluminium discharged from the upper catchment area before and after 

remediation.   The results between 2008 and 2011 are compared  in Figure 5.    It  is  immediately obvious 

from Figure 5 that there is a dramatic decrease in the quantity of iron being exported from the pasture 

site during the rainfall event measured in November 2011 (aluminium concentrations in the drainwaters 

were  negligible  during  both  rainfall  events).    To  be  able  to  compare  these  values  on  a  somewhat 

normalised basis, the total quantity of iron exported during the two events was calculated based on the 

total volume of water exported during the measurement frame (i.e. 9 days in 2008 and 6 days in 2011).  

These calculations indicated that prior to remediation 55 tonnes of iron were exported per gigalitre from 

this area whereas it was only 2.5 tonnes of iron per gigalitre during the 2011 event.  Despite some of the 

uncertainties  inherent  in these types of calculations, such a difference would suggest that the remedial 

work carried out  in  late 2009 has made a dramatic  improvement to the quality of water draining from 

the site in Blacks Drain. 

Page 9: Exploiting Natural Processes to Effectively Remediate ... Cudgen Lake (Clothiers & Reserve Cks) is the coastal catchment immediately south of the Tweed River which has been the subject

Commercial‐in‐confidence 9

Figure 2: (Upper) Aerial photograph of the Black’s Drain catchment (catchment boundary shown in red).  

Sites on Black’s Drain where the continuous water quality monitoring stations were located in 2007 have 

been circled and are colour designated as  such  in  the graph  (Lower) which  represents hourly pH  (and 

daily rainfall) measurements during 2007.  The black lines on the aerial photograph represent the major 

drainage lines of the catchment. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

TVW

Upper Catchment

Weather Station

Airport

TVW

Upper Catchment

Weather Station

Airport

Page 10: Exploiting Natural Processes to Effectively Remediate ... Cudgen Lake (Clothiers & Reserve Cks) is the coastal catchment immediately south of the Tweed River which has been the subject

Commercial‐in‐confidence 10

Figure 3: (Upper) Aerial photograph of the Black’s Drain catchment (catchment boundary shown in red).  

Sites on Black’s Drain where drainwater  samples were collected every 3 hours over a 9 day period  in 

January 2008  (after a  rainfall event) have been circled and are colour designated as such  in  the graph 

(Lower) which represents the quantity of iron (Fe) exported on an hourly basis.   

 

 

  

Further rainfall

Pasture

Page 11: Exploiting Natural Processes to Effectively Remediate ... Cudgen Lake (Clothiers & Reserve Cks) is the coastal catchment immediately south of the Tweed River which has been the subject

Commercial‐in‐confidence 11

Figure 4: Comparison of drainwater pH, with  associated daily  rainfall,  at  the upper  catchment  site  in 

Blacks Drain designated in Figure 2.  The data shown for 2007 is the same as that shown in Figure 2.   

  

  

Page 12: Exploiting Natural Processes to Effectively Remediate ... Cudgen Lake (Clothiers & Reserve Cks) is the coastal catchment immediately south of the Tweed River which has been the subject

Commercial‐in‐confidence 12

Figure 5: Comparison of the quantity of (dissolved) iron exported from Blacks Drain, after a rainfall event, 

at the drainwater pasture site indicated in Figure 3 in 2008 (9 days of measurements) and 2011 (6 days of 

measurements).  Note the dramatic decrease in the load of Fe exported (kg/hr) during 2011.   

 

 

Page 13: Exploiting Natural Processes to Effectively Remediate ... Cudgen Lake (Clothiers & Reserve Cks) is the coastal catchment immediately south of the Tweed River which has been the subject

Commercial‐in‐confidence 13

 

ChristiesCk

Based on a number of studies undertaken within the Christies Ck catchment (e.g. Kinsela et al. 2009b), it 

was  identified  that  a  hydrologically  isolated  cane  farm  (noted  as  site  6  in  Figure  6)  was  a  major 

contributor  of  Al  to  the  lower  reaches  of  Christies  Creek  (Table  1), with  internal  drainage  networks 

(Figure 7) and pumping regimes identified as being below best‐management‐practices. 

 

Figure 6: Location of Christies Creek major drainage lines and the subcatchments (designated as sites on 

the Figure) monitored for the export of iron and aluminium (Kinsela and Collins, 2011). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Table  1:  Export  of  aluminium  from  Christies  Creek  across  a  6‐month  sampling  period  (Kinsela  et  al. 2009b).  The cane farm is site 6 and the Christies Ck data is a site just upstream from site 6. 

Scenario  Analyte Representation within 6‐month study (days)1 

Outflow volume (L) in 

study2 

Analyte concentration 

(mg/L) 

6‐monthly export total

(kg) 

Christies Creek Baseline Flow 

Al  147  7.62 × 109  0.05  381 

Christies Creek Rain Event Flow 

Al  34  1.44 × 1010  0.2  2 880 

Cane farm Baseline Flow 

Al  147  1.32 × 108 3 395

Cane farm Rain Event Flow 

Al  34  2.64 × 108 15 3960

 

CC South.

Site 6.

Site 3.Site 2. 

 Site 1.  

 Reserve Ck. 

 Site 4. 

Site 5.

Page 14: Exploiting Natural Processes to Effectively Remediate ... Cudgen Lake (Clothiers & Reserve Cks) is the coastal catchment immediately south of the Tweed River which has been the subject

Commercial‐in‐confidence 14

Figure 7: Photos of one of the major drains within site 6 (Kinsela and Collins, 2011). 

 

 

 

 

 

 

 

During an on‐site meeting in August 2011 with Sebastian Garcia‐Cuenca, Richard Collins, Ross Hardy and 

Robert Quirk, it was agreed that the following suitable remediation work at Site 6 would be undertaken 

(refer to Figure 8):  

 

‐ Cap  and  lime  (2  tonnes/acre)  the western  headland  of  the  north‐south  drain  to  reduce  sub‐

surface drainage from the cane block into the drain; 

‐ Drain shallowing of the major east‐west and north‐south running drains with additional liming at 

5 tonnes/acre, and;  

‐ Trail the of liming cane blocks and field drains at 1 or 2 tonnes/acre. 

 

These  on‐ground works  either  comply with  the NSW  Sugar  Industry’s  best management  practices  or 

were suggested in Kinsela and Collins (2011).  Shallowing of the major east‐west and north‐south drains 

should reduce the cyclical oxidation and acidification of exposed sulfidic sediments within the drains and, 

as such, the generation of aluminium. These changes should, therefore, result in the decreased discharge 

of aluminium to downstream environments, whilst not causing water‐logging to the sugarcane crop.  It is 

suggested that the western most point of the east‐west drain should be shallowed to the  invert of the 

field drains with a fall of approximately 0.5 m to the junction with the north‐south drain.  It is, therefore, 

expected that the depth of the north‐south drain will not greatly exceed the maximum depth of the east‐

west drain.   Recognising  that  this drainage system may still allow groundwater  transport  to  the major 

drains (i.e. via field drains), the liming of cane blocks was trialled so that sub‐surface pH be raised to at 

least pH 4. 

 

In September/October 2011 the majority of these works were carried out, however,  it should be noted 

that drain  shallowing of  the major east‐west and north‐south  running drains was  restricted  to only a 

Page 15: Exploiting Natural Processes to Effectively Remediate ... Cudgen Lake (Clothiers & Reserve Cks) is the coastal catchment immediately south of the Tweed River which has been the subject

Commercial‐in‐confidence 15

portion  of  the western  end  of  the major  east‐west  drain.    It  is  recommended  that  the  full‐suite  of 

remedial works be undertaken to completion at the site. 

 

Soil sampling and monitoring of the site since the works have been undertaken has so far been  limited 

due to wet weather.  As such, these studies will continue into 2012. 

 

Figure 8: Locations of agreed on‐ground works and liming rates at site 6 (as at 5th August 2011). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

AluminiumsolubilityinASSusedforsugarcanecultivation

In previous studies we have observed, surprisingly, that soluble Al concentrations in organic surface soil 

horizons from acid sulfate soils  in the Tweed Shire used for sugar cane cultivation  increase above pH 5 

(Collins et al. 2009b).   This  result  is  surprising because  it would normally be expected  that  soluble Al 

concentrations  decrease  due  to  the  metal’s  propensity  to  precipitate  with  increasing  pH  values.  

However, analyses of a large range of organic surface soils collected in 2011 across the Tweed Shire have 

confirmed these previous results (Figure 9). 

 

While we are  still  investigating  the nature of  this phenomenon, we currently hypothesise  that natural 

organic matter becomes more  soluble  as pH  increases  and  that  this  soluble organic matter  can  form 

soluble complexes with Al – hence  increasing soluble Al concentrations.   Nevertheless,  it  is clear  from 

Blocks & field drains limed at 1t/ acre Blocks & field drains limed at 2t/ acre E/ W drain shallowed and limed at 5t/ acre N/ S drain shallowed and limed at 5t/acre

Page 16: Exploiting Natural Processes to Effectively Remediate ... Cudgen Lake (Clothiers & Reserve Cks) is the coastal catchment immediately south of the Tweed River which has been the subject

Commercial‐in‐confidence 16

these results that increasing the pH (e.g. via liming) of these acid sulfate soils above pH 5.5 will actually 

lead to an increase in the discharge of Al from these sites.  In light of these findings, it is suggested that 

current  best management  practices  in  regards  to  both  optimum  soil  pH  and  discharge  waters  (for 

environmental benefits) be revisited in the near future. 

 

Figure 9:  Soluble aluminium concentrations in soils collected from around the Tweed Shire that are used 

for sugar cane cultivation.  Concentrations were determined on 1:5 soil:solution extractions in Millipore 

(ultra‐pure) water and have been normalised in the graph to a soil:solution ratio of 1:1 

 

 

Conclusions

Whilst still  in the early stages of the project, significant progress has been made towards the project’s 

objectives  and  a number of promising  findings have been obtained  in  regards  to  the  efficacy of  the 

remediation work carried out at Blacks Drain in 2009.  More specifically, the data obtained in 2011 has 

shown  that  the  discharge  of  iron  from  Blacks Drain  has  decreased  by  approximately  20‐fold  during 

comparable rainfall events.   Data  interpretation  is continuing to  identify the processes responsible for 

such a dramatic response to remediation.  

 

Remedial  work  has  been  undertaken  at  a  site  within  the  Christies  Ck  catchment  with  a  view  to 

minimising aluminium discharge in drainwaters.  Wet weather has so far precluded field measurements, 

post‐remediation, at this site to assess any changes induced by the on‐ground works.  These studies are 

continuing in 2012. 

 

Page 17: Exploiting Natural Processes to Effectively Remediate ... Cudgen Lake (Clothiers & Reserve Cks) is the coastal catchment immediately south of the Tweed River which has been the subject

Commercial‐in‐confidence 17

Laboratory  studies on organic  soil  surface horizons  taken  from  three  catchments  in  the Tweed  Shire 

have shown that in these types of soils aluminium solubility actually increases above pH 5.5.  While we 

have  initially  speculated  that  this  results  from  the  formation  of  soluble  aluminium‐natural  organic 

matter complexes,  these  results nonetheless  indicate  that  the optimal soil pH  to minimise aluminium 

discharge is pH 4.5 – 5.  As such, current best management practices in regards to the pH of acid sulfate 

soils and discharge waters requires further consideration when assessing environmental impact. 

 

Acknowledgements

The  assistance  of  Sebastien Garcia‐Cuenca  (Tweed  Shire  Council)  and  the  landowners who  have  also 

assisted  in  the work detailed  in  this  report  and who have  also  allowed us  to  conduct  environmental 

monitoring on  their properties  is gratefully acknowledged. This  includes  special  thanks  to  Jim and Les 

Dickinson, Nicola Stainlay, Robert Quirk, Ross Hardy, Harry Boyd and Ian and Rhonda Taggett. 

 

References

ANZECC  (2000). Australian and New Zealand guidelines  for  fresh and marine water quality. Volume 2: 

Aquatic  Ecosystems.  Australian  and  New  Zealand  Environment  and  Conservation  Council, 

Agriculture and Resource Management Council of Australia and New Zealand, Canberra, Australia. 

Collins R, A  Jones, MD Melville and TD Waite  (2009a). Suggested  remedial works  for  the Black’s Drain 

catchment of the Tweed River floodplain.  Findings from the ARC Linkage Project LP0455697 (2005 

to 2008). Report 2008/17, version 1, Centre  for Water and Waste Technology, The University of 

New South Wales, Sydney, NSW 2052, Australia. p. 16. 

Collins  RN,  D  Fink,  C  Mifsud,  TE  Payne  and  TD  Waite  (2009b)  The  use  of  26Al  Accelerator  Mass 

Spectrometry to investigate aluminium chemistry in coastal lowland acid sulfate soils.  Proceedings 

of 16th AINSE Conference on Nuclear and Complementary Techniques of Analysis, Lucas Heights, 

Australia,  November  2009.  http://www.ainse.edu.au/__data/assets/pdf_file/0004/48685/NCTA‐

15_Collins‐revised1.pdf. 

Kinsela A and R Collins (2011). Suggested remedial works for Christies Creek to reduce the discharge of 

aluminium and iron from acid sulfate soils. Final Report, version 2. UNSW Water Research Centre 

publication 2011/10, The University of New South Wales, Sydney, NSW 2052, Australia. p.25 

Kinsela  A,  R  Collins  and  TD Waite  (2009a).  Sources,  concentrations  and  bioavailability  of  arsenic  in 

sediments: Christies Creek, north east NSW.   UNSW Water Research Centre publication 2009/15, 

The University of New South Wales, Sydney, NSW 2052, Australia. p.27. 

Kinsela  A, Waite  D,  Collins  R  (2009b).  Stream  and  groundwater  quality  relating  to  acid  sulfate  soils 

discharge:  Christies  Creek,  north  east  NSW.  Final  Report.    UNSW  Water  Research  Centre 

publication 2009/23, The University of New South Wales, Sydney, NSW 2052, Australia. p.31. 

Macdonald  BCT,  J  Smith,  AF  Keene, M  Tunks,  A  Kinsela  and  I White  (2004).  Impacts  of  runoff  from 

sulfuric  soils  on  sediment  chemistry  in  an  estuarine  lake.    Science  of  the  Total  Environment 

329:115‐130. 

Perkins J (2010). Fish kill occurs in Cudgen Creek. Tweed Daily News (12th April 2010).