Netradiční přístupy při řešení čištění důlních vod

Autoři : Ing.Jaroslav Kalous, Ing.Ervín Šima, Mgr.Antonín Kopřiva – SEPARA-EKO Brno

Ing.Pavel Koscielniak – DIAMO s.p., o.z.GEAM Dolní Rožínka

Úvod

V současnosti je známa řada případů, kdy se objeví naléhavá potřeba řešit určitou anomální situaci, vzniklou např.při odstraňování následků hornické a úpravárenské činnosti. Může docházet k „překvapujícímu zjištění“, že ze zatopeného dolu začnou vytékat vody s (vysokým) nadlimitním obsahem některých složek – zkrátka havárie. Příslušný vodohospodářský orgán většinou reaguje na tuto situaci vydáním rozhodnutí, ve kterém se ukládá ve velmi krátkém termínu situaci řešit – obvykle výstavbou čistírny důlních vod příslušného typu. A tady začíná kolotoč překotných rozhodnutí o nejvhodnější technologii, výběru zařízení a dodavatele a samozřejmě také zajišťování příslušného objemu financí, které se pohybují v řádu mnoha desítek milionů. Do akce se zapojuje MŽP ČR a další dotčené orgány, které celou situaci výrazně zdramatizují, zvyšuje se pozornost médií což vytvoří odpovídající chaotický rámec. Výše popsaná situace je zcela konkrétní a odehrála se nedaleko Brna před cca 6 lety.

Naše společnost tehdy přijala úkol vyřešit tuto anomální situaci a rozhodla se pro netradiční postup. Tým expertů v rámci „Studie hodnocení rizik dané situace na ŽP“ tento problém komplexně posoudil a prokázal, že systém dolu je po zatopení v prudkém dynamickém stavu, který se bude vyvíjet směrem ke stavu rovnovážnému tj. k výrazně nižším koncentracím sledovaných nadlimitních složek. Závěr studie doporučil změnit platné Rozhodnutí o výstavbě ČDV, navrhl systém dolu 5 let monitorovat a pak teprve přijmout odpovídající opatření. V tomto případě příslušný vodohospodářský orgán závěry studie přijal a své původní Rozhodnutí v tomto duchu změnil.

Výsledky pětiletého monitoringu závěry úvodní studie v plném rozsahu potvrdily. Dnes konstatujeme, že se systém dolu po zatopení dostal do stavu, kdy jsou obsahy sledovaných polutantů hluboko pod stanovenými limity pro vypouštění důlních vod do vod povrchových a žádnou investiční akci nebude třeba realizovat.

Za dobu rozšířeného monitorování dolu se podařilo jeho systém dostatečně poznat a popsat z hlediska určujících řídících vývojových faktorů, což dává do budoucna poměrně vysoké jistoty z hlediska možných následných stavů a situací.

Obecně lze konstatovat, že vliv důlní činnosti na životní prostředí se z dlouhodobého hlediska projevuje především na kvalitě povrchových vod a podle geomorfologické a tektonické situace i na kvalitě vod hlubšího oběhu. Celková mineralizace, obsah jednotlivých složek a jejich forma, kyselost (pH) a oxidačně-redukční potenciál (Eh) vod jsou určovány ustavením dynamického stacionárního stavu interakcí ve složitém systému, který tvoří vlastní horniny, jejich sedimentární a půdní pokryv, haldy, odvaly, přínos atmosférických srážek, podzemních vod a atmosféra (kyslík).

Při uzavření dolu dochází k radikální změně hydrologického režimu a výrazné změně v přístupu kyslíku k primárním minerálům. Poté, co podzemní vody vystoupají na úroveň dědičné štoly, se sice výrazně omezí přístup kyslíku a sníží rychlost oxidace primárních minerálů, na druhé straně však v sobě tyto vody koncentrují složky, které byly uvolněny v průběhu aktivní činnosti dolu oxidací některých minerálů (obvykle především pyritu). Protože se výrazně sníží promývání celé oblasti srážkovými vodami, které pórové vody ředily, dochází k prudkému nárůstu koncentrací železa, manganu, síranů a dalších složek, které výrazně zvyšují zdravotní a ekologická rizika těchto vod.

Z hlediska odhadu dlouhodobého vývoje podmínek v důlních vodách a tomu odpovídajících opatření na snížení rizik ekologických dopadů jsou důležité následující faktory:

– od okamžiku zatopení dolu se rychlost interakcí mezi vodným prostředím a ložiskem pod úrovní dědičné štoly postupně snižuje až na svoji přirozenou úroveň, která po dosažení tohoto stavu obvykle nepředstavuje vážná ekologická rizika

– rychlost návratu podzemních vod k přirozenému stavu je dána celkovou dynamikou proudění podzemních vod a interakcí mezi jednotlivými složkami vodného a horninového prostředí. Ta je sice pro každý uzavřený důl specifická, dlouhodobý trend dynamiky změn, tj. časový vývoj koncentrací jednotlivých složek, dosažení maxim atd. lze podle našich zkušeností odhadnout z monitorování konkrétních důlních vod.

Výše uvedené skutečnosti byly získány z prací na lokalitě ložiska Olší, kde byla zahájena těžební činnost v roce 1958 a ukončena v roce 1989. Důlní prostory o objemu cca 1,6 mil. m³ byly zatopeny vodou z vlastních přirozených přítoků dolu.

V závěrečné fázi zatápění byly provedeny zkušební technologické testy. Vstupy uranu na dekontaminační stanici (DS) se pohybovaly v rozmezí 0,10 - 0,20 mg/l.

Plný provoz DS byl zahájen 8.1.1996. Dne 12.1.1996 bylo provozovatelem DS Drahonín zjištěno, že kvalita vod v parametru „U“ se neočekávaně zhoršila až na hodnotu 12,0 mg/l, v parametru Fe až 35,7 mg/l, a Mn až 8,7 mg/l. Inkriminovanou událostí byl postižen tok Hadůvky v délce 3 km od DS po ústí do Loučky, kde byla zjištěna koncentrace U 3,20 mg/l.

Primárním opatřením bylo zamezení nekontrolovaného úniku radionuklidů U, Ra do volného prostředí, kterého bylo dosaženo úpravou technologie DS. Pro řešení problematiky zvýšených obsahů Fe, Mn byl zvolen netradiční přístup, tj.nejprve ověřit rizika Fe a Mn na životní prostředí, hodnocení rizik projednat s orgány státní správy a teprve na základě výsledků rozhodnout o rozsahu nápravných opatření (stavba ČDV atp.). Tento přístup by ovšem nebylo možno prosadit bez vstřícného postoje příslušného vodohospodářského orgánu a ostatních dotčených orgánů státní správy.

V rámci následně zpracované Studie hodnocení rizik na ŽP způsobených vodami vytékajícími ze zatopeného dolu Olší, byly z vyhodnocení dostupných informací, podkladů a na základě vlastních experimentálních prací a měření vyvozeny tyto závěry :

1. Imisní limit pro vodoteč Hadůvka na výtoku z DS je v hlavních předepsaných imisních ukazatelích uran a radium dodržován. Problémem zůstávají dílčí, nahodilé vývěry a průsaky kontaminovaných vod podél toku Hadůvky, jako důsledek zvýšení hladiny podzemních vod po zatopení dolu. Limit pro veškeré železo a mangan je překračován zhruba o 10% u železa a zhruba o 60% u manganu. Navíc se negativně projevuje zabarvení vodoteče vysráženými hydroxidy železa.

2. Imisní limit po soutoku Hadůvky s Loučkou je bezpečně dodržován ve všech ukazatelích s tím, že železo je obsaženo ve větším množství v Loučce již nad soutokem s Hadůvkou. Nebylo prokázáno negativní ovlivnění toku Nedvědičky a následně řeky Svratky touto situací.

3. Danou situací nebylo ohroženo plnění kriterií radiační ochrany. Při dodržení současných parametrů úpravy důlních vod je vytvořena z tohoto pohledu dostatečná rezerva.

4. Z ekotoxikologických testů a následného hodnocení vyplývá, že ekotop v posuzovaném území (údolí Hadůvky, Loučky, Nedvědičky) není obsahem zkoumaných polutantů v současných koncentračních úrovních významně ohrožen. Byla prokázána významná inhibice růstu biologických subjektů založených na produkci chlorofylu.

5. Byl definován soubor chemických polutantů (As, Cd, Co, Pb, Hg, Mn, U a PCB), které by mohly být ekotoxikologicky významnou zátěží toku Hadůvky a následně Loučky, Nedvědičky a Svratky. Studie prokázala, že ve sledovaných třech profilech je akutní aquatické riziko nevýznamné. Vliv manganu, amoniaku a zejména železa byl vyhodnocen jako málo významný.

6. I přes skutečnost, že půdní pokryv zájmového území je tvořen půdami silně náchylnými k antropogennímu zatížení, lze konstatovat, že nedochází k ovlivnění přilehlého půdního fondu kontaminovanými vodami z Hadůvky. Rovněž lze předpokládat minimální ovlivnitelnost bioty (lesní porosty, trvalé travní porosty). Zájmové území leží v hlubokém zářezu s rychlým odtokem vody a lesní porosty a rostliny jsou především zásobeny vláhou z atmosferických srážek.

7. Bylo prokázáno, že zátěž lidské populace žijící v posuzované lokalitě, v souvislosti se sledovanými polutanty, vyjádřené jako kancerogenní riziko, je v tomto prostředí nízké a celkové populační expoziční riziko je malé. Sumarizace toxické expozice v souhrnu asi o 50% překračují pozaďovou hodnotu. Na tomto překročení se hlavní měrou podílí expozice obyvatel pitnou vodou, radonem a dílčí orální a inhalační expozice beryliem z půdy, jehož koncentrace je v této oblasti relativně bohatá. Je skutečností, že lidská populace žije nad profilem Hadůvky, údolí Hadůvky je navštěvováno zřídka a účelově.

8. Z hlediska přenosu sledovaných kontaminantů do potravních řetězců bylo prokázáno, že u sledovaných prvků není jejich podíl na celkovém ovlivnění poživatin rozhodující.

Na základě oponentního řízení Studie hodnocení rizik vydal příslušný vodohospodářský orgán Rozhodnutí, kterým změnil své původní pravomocné rozhodnutí a uložil provádět monitorig po dobu 5 let. Na základě jeho vyhodnocení byl teprve zpracován návrh (studie) dalšího řešení problematiky s důrazem na kontaminanty Fe a Mn.

V rámci monitoringu byly řešeny tyto úkoly:

1. Ověřit celoroční trend vývoje vod z hlediska obsahu sledovaných složek a vytipovat krizová období roku.

2. Zjistit řídící proměnné, t zn. zejména množství srážek, teplota, pH, oxidačně-redukční potenciál, obsah CO₂ v atmosféře a další. To umožní navrhnout opatření k minimalizaci negativních vlivů řešením příčiny a omezením jejího vlivu (nikoliv tedy až následků, což bývá obvykle mnohem dražší).

3. Zjistit vazby sledovaných složek (U, Ra, Fe, Mn) ve dnových sedimentech a dynamiky jejich vývoje. To umožní stanovit, která část sedimentů přednostně váže sledované složky, kdy jsou sledované složky do dnových sedimentů převážně vázány a kdy jsou naopak z těchto sedimentů uvolňovány (důležité pro ovlivnění následných toků).

4. Zjištěné hodnoty umožní rozdělit vývoj ve složení vod a dnových sedimentů na dva trendy : sezónní, který určuje složení v průběhu jednotlivých ročních období a je důležitý z hlediska okamžitých opatření a dlouhodobý, který je důležitý z hlediska opatření v měřítku let a desetiletí.

Trend vývoje důlních vod zatopeného dolu Olší

Více než šestileté období, které uplynulo od zatopení dolu Olší a nastoupání důlních vod na úroveň dědičné štoly a jejich pravidelný monitoring umožnil vyhodnocení dlouhodobého vývoje parametrů důlních vod a odhad dalších trendů.

Okamžité koncentrace jednotlivých látek, které jsou rozpuštěné v důlních vodách vykazují velkou variabilitu a závislost na celé řadě vnějších podmínek (množství srážek, pH srážkových vod, okamžitá koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře atd.). Pro zajištění spolehlivosti dat a reprezentativnosti vyhodnocení byly testovány nejrůznější způsoby vyhodnocení a porovnávány výsledné charakteristiky. Vynesení přímých dat (několik hodnot denně) bylo porovnáno s denními, týdenními a měsíčními aritmetickými průměry, pro zpracování bylo využito i klouzavých průměrů s intervaly od 7 do 60 dnů). Ukázalo se, že při šestileté řadě dat jsou výsledky denních, týdenních, měsíčních a klouzavých průměrů naprosto srovnatelné a poskytují z hlediska trendů stejné výsledky.

V sezónním trendu můžeme u všech sledovaných složek (pH, rozpuštěné látky, sírany, železo, mangan, uran radium) pozorovat stejné chování. V průběhu roku jsou hodnoty koncentrací srovnatelné, v březnu a v období říjen–listopad dochází vždy k jejich výraznému poklesu. Sezónní trend hodnot pH je opačný.

Interpretace tohoto chování není snadná a souvisí s komplexním chováním dotace podzemních vod srážkovými vodami. Měsíce březen a říjen–listopad jsou v dané oblasti charakteristické nejnižšími srážkami a dobře korelují s nízkými hodnotami koncentrací látek v důlní vodě. To by mohlo být způsobeno tím, že srážkové vody, které se tlačí z nesaturované do saturované zóny vytlačují do důlních vod větší množství pórových vod s vysokými koncentracemi rozpuštěných látek. Pro tento mechanismus by svědčily i vysoké koncentrace rozpuštěných látek v důlních vodách v polovině roku, kdy jsou v dané oblasti nejvyšší srážky. Při dotaci saturované zóny množstvím vody, které výrazně překračuje obvyklé poměry může dojít i k anomálnímu zředění pórových vod, které se pak projeví poklesem koncentrace složek v důlní vodě. Ke stejnému chování může dojít i v důsledku rychlého tání sněhu v jarních měsících.

Přes tyto značné sezónní výkyvy je již možné vysledovat i dlouhodobé trendy. V principu se projevují tři typy chování. Hodnoty pH jsou od roku 1999 charakteristické ustálenou hodnotou kolem 7,1. U rozpuštěných látek, síranů, manganu a uranu docházelo po skokovém nárůstu jejich obsahů v lednu 1996 ještě dále k pomalému růstu. Od počátku do poloviny roku 1997 bylo dosaženo maxima koncentrací a od této doby dochází k postupnému poklesu, který měl setrvalý trend. U radia docházelo k výraznému poklesu již od roku 1996.

Ve složení surových důlních vod vstupujících na dekontaminační stanici bylo v průběhu roku 2001 dosaženo u všech sledovaných složek stacionárního stavu nebo se složení surových důlních vod k tomuto stavu blíží. U celkového množství rozpuštěných látek se pokles zastavil na hodnotách kolem 2800 mg/l, u koncentrací železa kolem14 mg/l, u manganu kolem 3,5 mg/l a u aktivity radia kolem 1200 mBq/l. Jen u uranu se současnými hodnotami kolem 8,5 mg/l lze očekávat další pokles.

Obr.č.1 : Porovnání složení důlních vod na ložisku Olší v průběhu aktivní činnosti dolu, zatápění, těsně před (listopad 1995) a těsně po zatopení dolu (konec ledna 1996) s vývojem v letech 1996–2001. Celkové množství rozpuštěných látek je uvedeno jako TDS.

Obr.č.2 : Stejné porovnání jako na obr.č.1 pro koncentraci Fe, Mn, U a hodnoty pH.

Závěrečná doporučení a návrh opatření

Z výsledků provedeného hodnocení rizik pro životní prostředí, způsobených vodami vytékajícími ze zatopeného dolu Olší vyplývají následující doporučení :

· pokračovat v čištění důlních vod dosavadní technologií

· lokalitu Olší-Drahonín přeřadit ze zvláštního plánu sledování do standardního systému monitorování

· při stávajícím způsobu technologie čištění důlních vod není třeba přijímat žádná další opatření

Závěr

Na základě provedené aktualizace hodnocení rizik pro životní prostředí způsobených vodami vytékajícími ze zatopeného dolu Olší bylo možno formulovat následující závěry :

V surových důlních vodách dolu Olší bylo dosaženo stabilního stacionárního stavu, pouze u koncentrací uranu je možné očekávat další mírný pokles. Dosavadní trendy poklesu koncentrací rizikových složek v surových důlních vodách – u uranu a manganu kolem 0,7 mg/l/rok, u železa kolem 4 mg/l/rok a radia kolem 200 mBq/l/rok – ukazují, že bude nutné ve stávajícím způsobu čištění důlních vod pokračovat po dobu nejméně deseti let.

Ovlivnění vod Hadůvky vypouštěním čištěných důlních vod se s výjimkou celkové koncentrace rozpuštěných látek a mírně zvýšených koncentrací manganu již neprojevuje. Vliv zaústění Hadůvky na vody Loučky není patrný s výjimkou celkového množství rozpuštěných látek (mírné zvýšení o zhruba 20 mg/l).

Z hlediska biologického oživení toku je část toku Hadůvka ještě mírně ovlivněna vypouštěnými vodami z dekontaminační stanice. Ovlivnění je ale výrazně nižší než v předchozích letech a projevuje se v současné době již jen změnou biotopu dna – inkrustace a znemožnění funkce hyporealu. Na dalších profilech se situace zlepšila a blíží se původnímu stavu.

Celkové riziko pro člověka a ekosystémy se na lokalitě Olší-Drahonín pohybuje na úrovni přirozeného pozaďového rizika celé oblasti.

Aktualizace hodnocení rizik pro životní prostředí způsobených vodami vytékajícími ze zatopeného dolu Olší, která byla provedena na základě monitorování zájmové lokality a jejího okolí v letech 1997-2001 ve svých výsledcích prokázala, že stav na lokalitě Olší-Drahonín nepředstavuje pro člověka ani ekosystémy zvýšené radiační ani žádné jiné riziko a z toho důvodu není nutné přijímat žádná nápravná opatření.

Volba výše popsaného netradičního přístupu při řešení zvýšených koncentrací Fe a Mn v důlních vodách měla ve svém důsledku řadu pozitivních výstupů. V prvé řadě došlo k výrazné úspoře investičních i provozních prostředků tím, že nebylo nutno instalovat a provozovat technologii pro odstraňování Fe a Mn z důlních vod. Za druhé je zvolený přístup výrazně šetrnější k ŽP, protože na rozdíl od klasických separačních postupů nevznikají kaly, se kterými by bylo nutno dále nakládat. Jak už bylo dříve řečeno, tento netradiční přístup by nebylo možno realizovat bez pochopení a vstřícného postoje zainteresovaných orgánů státní správy, které v tomto případě projevili značnou dávku „zdravého selského rozumu“.