Řízení sanace horninového prostředí po chemické těžbě uranu na ložisku Stráž

 

 

Jiří Mužák, Jan Novák & Pavel Kolář

DIAMO s. p., o. z. TÚU, Středisko matematického modelování, Stráž pod Ralskem

 

Úvod

Problematika útlumu uranového průmyslu představuje velmi komplikovaný soubor problémů. Při zahlazování následků činností tohoto odvětví je nutno v současnosti řešit řadu ekonomických, technických, ekologických a sociálních otázek. Nejsložitějším problémem je likvidace následků chemické těžby uranu ve Stráži pod Ralskem.

 

Ložisko Stráž se nachází ve Strážském bloku České křídové tabule. Území je tvořeno svrchnokřídovými sedimenty, které jsou významně porušeny vulkanickými pochody. V místě těžby jsou vyvinuty dva zvodněné kolektory, oddělené poloizolační vrstvou spodního turonu. Ve spodním cenomanském kolektoru se nacházejí uranová ložiska a cenomanské vody nebyly nikdy vodohospodářsky využívány pro přirozený vysoký obsah radioaktivních znečišťujících látek. Naopak vody svrchního turonského kolektoru představují jeden z nejvýznačnějších zdrojů pitné vody v ČR a jsou vodohospodářsky využívané. Severočeská křída byla nařízením vlády ČR č. 85/1981 Sb. stanovena chráněnou oblastí přirozené akumulace vod.

 

V průběhu chemické těžby se ukázalo, že původní předpoklady o minimálním dopadu na životní prostředí, byly mylné. Byly přeceněny technologické vlastnosti loužených rud a podceněny podmínky v horninovém prostředí, a to zejména existence rizikových prvků geologické stavby (zlomy, žíly neovulkanitů, puklinové systémy a diatrémy). Chemická těžba byla provozována v nadbilanci roztoků, což spolu s vlivem depresního kuželu vytvořeného hlubinným dolem, vedlo k rozptylu technologických roztoků mimo areál chemické těžby. Hlavními směry rozptylu jsou hlubinný důl a jihozápad, který je základním směrem přirozeného proudění podzemních vod.

 

Za dobu chemické těžby uranu (cca 32 let) bylo do podzemí vtlačeno téměř 5 mil. t kyseliny sírové a dalších chemikálií. Jejich rozhodující část (cca 99,5 %) se nachází v cenomanské zvodni, kde je takto kontaminováno 186 mil. m3 vod na ploše cca 24 km².

 

Ve směru přirozeného proudění vod byl proveden rozsáhlý geologický i hydrogeologický průzkum, který lokalizoval nejméně dvě rizikové oblasti s možností přestupu cenomanských vod do turonských. Přirozený přestup však nebyl v těchto místech prozatím prokázán. Také geologická stavba přímo v zájmovém území chemické těžby vykazuje přirozenou predispozici pro kolektorové přetoky, zvýrazněnou ještě oslabením izolační schopnosti vrstvy spodního turonu vlivem existence cca 10 tis. vrtů.

 

Vzhledem k výše uvedeným skutečnostem by bez sanace horninového prostředí došlo k znehodnocení využívaných vodních zdrojů v oblasti Mimoně za 50 let a docházelo by k dalšímu rozšiřování kontaminace bez možnosti efektivního sanačního zásahu.

1.     Postup a cíle likvidace chemické těžby

Cílem likvidace chemické těžby je:

 

-           uvést horninové prostředí do stavu který zaručí zachování využitelnosti turonských vod severočeské křídy jako zásobárny pitné vody,

-           provést likvidaci vrtů a povrchových zařízení,

-           začlenit povrch vyluhovacích polí do ekosystémů s respektováním územních systémů ekologické stability a územních plánů.

 

Likvidace chemické těžby zahrnuje především následující činnosti:

 

-           sanaci horninového prostředí a to cenomanské i turonské zvodně,

-           likvidaci vrtů,

-           likvidaci povrchových objektů a zařízení,

-           revitalizaci krajiny,

-           řízení likvidace chemické těžby.

 

Sanace cenomanské zvodně bude prováděna jediným možným technologickým způsobem, a to odčerpáváním roztoků a jejich odsolením na povrchu. Větší část vyčištěné vody bude vypouštěna do vodoteče a část případně vtláčena zpět do podzemí. Vypouštění do vodoteče bude splňovat limity stanovené orgány státní správy. Vlastní postup sanace se bude odvíjet od požadované limitní koncentrace v cenomanské zvodni po ukončení sanace.

 

Vzhledem k časové, technické a ekonomické náročnosti sanace je celý proces rozdělen do pěti na sebe navazujících etap. Tento postup umožní verifikovat jednotlivé kroky a korigovat postup v následující etapě tak, aby bylo dosaženo ekologického a ekonomického optima.

 

První etapu lze charakterizovat jako období, ve kterém bude postupně zvyšováno vyvádění solí z ložiska v souladu s realizací výstavby technologií SLKR II na přepracování kamence.

V této etapě bude vyváděna pouze část kamence obsaženého v roztocích procházejících odparkou.

 

Po dokončení výstavby technologické jednotky přepracování 90 000 t kamence za rok na hydratovaný oxid hlinitý a ukončení zkušebního provozu bude vyváděno maximální možné množství kamence, tj. cca 180 000 t ročně. Zbytek po krystalizaci (matečný louh ML1) bude po naředění provozními roztoky vtláčen do vyluhovacích polí.

 

Druhá etapa je charakterizována plným provozem technologických jednotek na přepracování cca 180 000 t za rok kamence. Cílem této etapy je vyvedení maximálního množství kamence z roztoků. Čerpání bude řízeno s ohledem na obsah Al ve vstupním roztoku na odparku tak, aby byl dlouhodobě zajištěn plný výkon krystalizace. Matečné louhy (ML1 a později ML2) budou po naředění vtláčeny do nejmladších vyluhovacích polí při západním okraji komplexu, kde je v důsledku kratší doby kontaktu s technologickými roztoky vyšší zbytková neutralizační kapacita hornin.

 

V tomto období bude postupně realizována výstavba technologických jednotek na přepracování matečných louhů ML1 a ML2. V matečném louhu ML1 zůstává ještě určité množství kamence, odpovídající jeho rozpustnosti. Po zahuštění ML1 v separátní odparce lze většinu tohoto kamence (až 30 tisíc t za rok) získat. Celková roční produkce kamence tak dosáhne 210000 t. Zbývající matečný louh ML2, obsahující cca 20 - 25 % solí procházejících odparkou, bude ve 2. etapě ještě vracen do podzemí.

 

Třetí etapa zajišťuje plné vyvádění solí. V průběhu této etapy již nebudou zpět do podzemí vtláčeny žádné látky, obsažené v kyselých roztocích vstupujících na odparku. Matečný louh ML2 bude přepracován na materiál vhodný k uložení na stávajícím odkališti Stráž. To umožní snížit celkové čerpání, protože odpadne potřeba ředících roztoků. Čerpání bude zpočátku řízeno podobně jako ve druhé etapě s cílem zajistit optimální složení vstupních roztoků pro odparku.

 

Slabší roztoky o koncentraci okolo 10g/l TDS budou likvidovány neutralizací v neutralizační dekontaminační stanici (NDS) o předpokládané kapacitě 6m³ /min.

Koncentrace látek v podzemí i v čerpaných objemech budou postupně klesat. Proto budou později vyváděny roztoky s maximální solností a obsahem Al. Udržet maximální produkci kamence bez předřazeného zahušťování roztoků bude možno po dobu 10-12 let. Pak třetí etapa skončí.

 

Čtvrtá etapa je charakterizována nasazením membránových technologií (MT) pro zpracování cenomanských roztoků. Pokud je v podzemí zásoba dostatečně silných roztoků, je rychlost sanace určena kapacitními limity odparky. Při poklesu čerpaných koncentrací pod 50 g/l TDS by odparkou prošlo méně látek, než odpovídá jejím možnostem. Proto bude nutno roztoky zahustit pomocí membránových technologií. Membránové technologie pro zpracování roztoků o solnosti 8 - 20 g/l bude nutno technologicky dořešit a ověřit.

 

Celková kapacita membránových jednotek se předpokládá v rozmezí 10 - 15 m³/min v závislosti na technologických a ekonomických parametrech membrán, efektivnosti neutralizace a možnostech imobilizace. Důležitou roli budou hrát ekonomické faktory, které rozhodnou o proporcionálním zastoupení jednotlivých technologií. Silnější roztoky o solnosti nad 25 g/l budou i ve čtvrté etapě dodávány na odparku přímo. Jejich podíl bude postupně klesat.

 

Koncentrát z membránových jednotek bude zpracován na odparce. Zde bude nutno vyřešit problematiku čištění odparek od sádrovcových inkrustů, jelikož koncentrát z MT má podstatně vyšší obsah Ca než roztoky čerpané z podzemí.

Vyčištěná voda (diluát) se bude vtláčet zpět do podzemí. Čtvrtá etapa skončí při dosažení předběžného cílového parametru sanace.

 

Pátá etapa zahrnuje období od dosažení koncentrace kontaminantů 8 g/l TDS do dosažení definitivního cílového parametru (bude-li odlišný od předběžného). Zpočátku bude postup podobný jako v posledních letech čtvrté etapy. Protože odpařování slabého koncentrátu z MT by bylo příliš nákladné, bude třeba později odparku nahradit jiným zařízením (patrně neutralizační stanicí).

 

Plánovaný experiment imobilizace kontaminantů v podzemí prokáže potenciální možnost využití tohoto postupu pro převedení části kontaminantů na pevné fáze a zabránění jejich migraci v horninovém prostředí.

2.     Řízení procesu sanace a likvidace - aplikace optimalizačního systému

Cílem matematického modelování je jednak upřesňování cílových parametrů, jednak optimalizace postupu sanace obou zvodní. Modely jsou kalibrovány podle nově zjišťovaných hydrogeologických údajů, laboratorních testů, výsledků ověřovacích prací a zejména podle výsledků monitoringu a činnosti povrchových technologických zařízení. Ekonomická část je pravidelně aktualizována podle účetních uzávěrek, vývoje cen, předpisů, výše dotací apod.

 

Optimalizační systém Cen_2000 je podrobně popsán v přednášce [Čermáková 2001]. Praxi odpovídajícími modelovými nástroji řízení procesu jsou

-         scénář technologické koncepce sanace

-         volba režimu technologických zařízení

-         volba režimu vyluhovacích polí

-         volba optimalizační strategie

Prezentovaná varianta (jedna z mnoha vypočtených) je charakterizována v následujícím textu:

2.1       Scénář technologické koncepce sanace

Scénář technologické koncepce sanace vychází z aktuálních údajů, znalostí a zkušeností z provozu existujících technologických zařízení a harmonogramu výstavby dalších technologických celků. Celková technologická koncepce sanace je znázorněna na obr. č. 1. Scénář lze shrnout do následující tabulky, kde ODP znamená odparka, KAM kamenec, ML matečný louh, MT membránové technologie a NDS neutralizační dekontaminační stanice.

 

Tabulka 1: Scénář technologické koncepce sanace

 

 

 

Obr č. 1: Celková technologická koncepce sanace

2.2       Volba režimu technologických zařízení

Pro prezentovanou simulovanou variantu sanace byly do modelu zadávány následné časové posloupnosti technologických parametrů (stechiometrický poměr NH₄: Al v koncentrátu odparky před krystalizací - SP, objem koncentrátu odparky - V_konc., koncentrace TDS v koncentrátu odparky - C_ODP, koncentrace TDS v nátoku na NDS - C_NDS, koncentrace TDS v nátoku na membránové technologie- C_MT).

 

Tabulka 2: Režim technologických zařízení

2.3       Volba režimu vyluhovacích polí

Řízením režimu vyluhovacích polí je třeba zajistit, aby nedocházelo k míchání silných roztoků se vtláčenými vyčištěnými vodami, které by způsobilo rychlé snižování zásoby roztoků použitelných pro produkci kamence. Volba režimu vyluhovacích polí v různých etapách sanace je naznačena na obr. č. 2. Při dodržení určitých zásad se režim změní i v rámci jednotlivých etap.

 

V 1. a 2. etapě je čerpání zaměřeno na západní okraj komplexu VP. Látky vracené zpět do podzemí ve zředěném matečném louhu po krystalizaci kamence se přemisťují do centrálních vyluhovacích polí. Vtláčení I představuje silnější roztok než vtláčení II. Tímto postupem se zmenšuje kontaminovaná oblast a v okrajových partiích zůstávají roztoky vhodné pro neutralizaci. To je patrné v období 3. etapy, kdy se čerpání na odparku i na NDS posunuje blíže ke středu. Od okrajových polí postupuje vtláčení slivu z NDS.

 

Ve 4. etapě již zbývá jen málo roztoků pro odparku ve středových polích. V severní a západní části se čerpá na NDS, na jihu pak na membránové technologii. Diulát z membránových jednotek se vtláčí na východním okraji. Vtláčení vyčištěných vod na okrajích komplexu vytlačuje silnější roztoky ke středu, což má příznivý dopad na produkci kamence v pozdějších fázích sanace.

2.4       Volba optimalizační strategie

Zvolená strategie vychází z předpokládaného předběžného cílového parametru sanace 8g/l TDS, což představuje průměrnou hodnotu koncentrace TDS v referenční oblasti, v níž před zahájením sanace byla koncentrace TDS vyšší než uvedených 8g/l.

 

Po celou dobu simulace byl důsledně dodržován požadavek minimalizace vyvádění Al. Tím byla zajištěna plynulost a stabilita činnosti technologických zařízení a produkce kamence po maximální možnou dobu.

 

Kapacita membránových technologií byla omezena na 3 jednotky po 5 m³ /min.

3.     Celkový efekt sanace

Simulační výpočty ukazují, že vyčištění oblasti na požadovanou úroveň lze při dodržení harmonogramu výstavby technologických zařízení dosáhnout okolo roku 2030. Z podzemí je nutno vyvést 305 mil. t rozpuštěných látek. Z nich bude vyrobeno téměř 5 mil. t kamence.

 

Postup vyvádění kontaminujících látek z podzemí ukazují grafy na obr. č. 3. Většina vyvedených kontaminantů představují síranové ionty. Jako nejrizikovější majoritní složka se jeví amonný iont NH_4, který představuje největší potenciální nebezpečí zdroje pitných vod v oblasti. Tohoto kontaminantu bude vyvedeno okolo 80 tis. t.

 

 

 

 

 

vtláčení ML II

vtláčení ML I

 

 Obr. č. 2: Volba režimu vyluhovacích polí v různých etapách sanace

 

 

 

 

Obr. č. 3: Postup vyvádění kontaminujících látek z podzemí

 

 

Závěr

Likvidace chemické těžby a sanace podzemí ložiska Stráž představuje komplexní multidisciplinární problém. Jeho řešení se skládá z mnoha dílčích úkolů, na jejichž základě probíhá průběžné upřesňování cílů i postupů.

Monitoring životního prostředí i situace v podzemí umožňuje porovnávat reálný vývoj s prognózami a specifikovat odchylky, vyžadující zásahy do sanačního režimu.

Pro potřeby řízení sanačního procesu s využitím numerických modelů byl v s. p. DIAMO sestaven optimalizační model Cen 2000 a jeho současná verze Cen 2001_v1. Modelový systém zahrnuje hydrogeologické a transportní modely, geochemické modely, optimalizační a ekonomické nadstavby. Komplexní systém umožňuje průběžně sledovat a řídit sanační proces v celém předpokládaném období sanace.

Literatura

Čermáková H. (2001): Systém optimalizace sanace cenomanské zvodně. Přednáška na konferenci Hornická Příbram, 2001.

DIAMO (2001): Sanace horninového a životního prostředí po chemické těžbě na ložisku Stráž. Zpráva o výsledcích vývojových a ověřovacích prací k UV ČR č.170/1996 za rok 2000, VZ-670, archiv s.p.DIAMO. Stráž p.R., 2001.