RNDr. Jiří Slovák, AQUATEST a. s.

Přírodní remediační procesy a jejich role při zahlazování následků hornické činnosti.

 

Abstrakt

Důlní vody, odvaly, odkaliště jsou typické pozůstatky hornické činnosti, které jsou nákladnými technickými a technologickými prostředky rekultivovány, čištěny s cílem eliminovat a minimalizovat dopady do životního prostředí. Přesto se mnohdy nedostavuje kýžený efekt těchto zásahů a důlní činností dotčená lokalita se jen pomalu vrací do přírodního vyváženého stavu.

V příspěvku jsou shrnuty hlavní příčiny tohoto stavu, tak jak jsou popisovány na důlní činností postižených lokalitách v České republice a ve světě stejně jako ve světě realizované výzkumy popisující a analyzující přírodní geochemické a především biochemické procesy, vedoucí jak k mobilizaci kontaminantů tak na druhé straně k jejich imobilizaci. Ve světě jsou také známé aplikace bioremediačních procesů k čištění důlních vod, stejně jako technické postupy eliminující oxidační procesy.

V závěru jsou shrnuty hlavní principy a postupy, které by měly být využity v procesu plánování sanačních a remediačních opatření a příležitosti pro realizaci výzkumných prací v této oblasti, vedoucích k vyššímu využití přírodních remediačních procesů při sanaci následků důlní činnosti v ČR.

 

 

1            Úvod

Dobývání nerostných surovin, především kovů a uhlí přináší na dotčených lokalitách nezanedbatelný vliv na životní prostředí a to jak při vlastní těžbě, tak i po dlouhou dobu po jejím ukončení. Hlavní dopady, které jsou často nákladným způsobem eliminovány, se soustřeďují do kvality podzemních a povrchových vod. Důlní vody přicházející do kontaktu s horninou v zatopeném podzemí či povrchových lomech nebo prosakující přes odvaly, haldy hlušiny a uložený rmut v odkalištích, jsou zasaženy jak hlavními kontaminanty pro které se ložisko dobývalo, tak především doprovodnými prvky jako Fe a Mn. Jsou to právě sirníky železa (pyrit, chalkopyrit),  které často doprovází těžbu nerostů a uhlí a které jsou v období těžby často nežádoucí příměsí a proto jsou spolu s okolními horninami vytěženy na odvaly nebo končí ve rmutu na odkalištích. V období těžby je jejich vliv na kvalitu důlních vod často zanedbatelný, hlavními kontaminanty jsou právě ty, pro které je ložisko dobýváno. Avšak jejich přítomnost se začne o to více projevovat po skončení dobývací činnosti, po zatopení vydobytých prostor a při vývěru důlních vod na povrch. Aby bylo zabráněno nežádoucím vlivům na životní prostředí jsou pak důlní vody nákladným způsobem čištěny a vypouštěny do vodotečí, přičemž tento proces může v některých případech probíhat i více než desetiletí.  Volné vypouštění takovýchto důlních vod není možné. Nemá za následek pouze obarvení toku, ale také zvýšení podílu jemných tokem volně unášených složek, který likviduje faunu a flóru  i v několikakilometrovém jeho úseku. Příkladem může být zahájení vypouštění důlních vod po zatopení ložiska Jasenice – Pucov, kdy došlo k ovlivnění toku Jasinka v úseku od dolu až po jeho ústí do řeky Oslavy. Ve světě jsou známy případy takovéhoto ovlivnění, které nebyly eliminovány a které byť po dlouhém čase vedly k vytvoření přírodní rovnováhy, respektive k přírodní revitalizaci a vytvoření jiných druhových společenstev. Takovým případem může být řeka Rio Tinto ve Španělsku po ukončení dobývání zlata z gosanů polymetalických porfyrických ložisek ve starověku (za vlády Říma).

Oba tyto případy jsou příkladem působení obdobných přírodních geochemických a biochemických procesů, první mobilizujících Fe a ostatní kontaminanty a druhý nemediační vedoucí k nastolení nové přírodní rovnováhy.

 

V následujících třech příkladech je znázorněn vývoj koncentrací Fe a Mn v důlních vodách před jejich technologickým čištěním na vybraných lokalitách (v tomto případě ve správě s. p. DIAMO[1]) v České republice po ukončení důlní činnosti do současnosti. Z grafů vyplývá, že i po deseti letech koncentrace Fe i Mn neumožňuje jejich volné vypouštění do vodotečí aniž by nebyly překročeny zákonné limity –daných NV č. 61/2003 Sb.[2]. Koncentrace Fe i Mn po prvních letech vypouštění důlních vod se významnou měrou snížily, ale  následuje jejich jen pozvolný pokles, který signalizuje, že proces řízeného vypouštění bude muset na lokalitě zůstat funkční ještě dlouhou těžko odhadnutelnou dobu.

 

Lokalita Pucov (DIAMO, s. p.)

 

Lokalita Drahonín (DIAMO, s. p.)

 

Lokalita Licoměřice (DIAMO, s. p.)

 

 

Významným rizikem budoucího ukončení čerpání s následným samovolným vypouštěním důlních vod přitom je změna směru transportu kontaminantů od jejich zdroje k místu přirozeného přetoku do vodoteče, pokud není toto místo identické se stávajícím jímáním a čerpáním. V tomto případě změna hydrogeologického režimu na lokalitě, kde byly stabilizovány probíhající geochemických procesy (nad i pod úrovní hladiny důlních vod),  může vést k jejich změně a tím i riziku pro následné samovolné vypouštění důlních vod. Záložní varianta zpětného návratu k existující technologii a k doposud používanému režimu čerpání a čištění pro případ nedosažení potřebné kvality samovolně vypouštěných důlních vod může vést v krajním případě až k destabilizaci geochemických režimů a tím i potřebě dalšího čerpání a čištění.

 

Pro odhad dosažení konečných limitů sanace je třeba se zabývat příčinami a podmínkami probíhajících geochemických procesů a stanovit logistiku jejich vlivu na kvalitu důlních vod v průběhu sanace.  V literatuře je popisováno[3] a je i dostatečně obecně známo, že řídícím procesem mobilizace kontaminace je proces oxidace pyritu a chalkopyritu probíhající ve třech krocích:

                FeS2 + 7/2O2 + H2O  → Fe2+  + 2SO42- + 2H+                                       (1 ) – oxidace pyritu

                Fe2+ + 1/4O2 + H+  →   Fe3+ + 1/2H2O                                                       (2 ) – oxidace Fe2+

       FeS2 + 14 Fe3+ + 8H2O       →       15 Fe2+ + 2SO42- + 16H+                                              (3)  – hydrolýza pyritu

 

Rovnice (1) popisuje úvodní fázi oxidace pyritu za přítomnosti atmosférického kyslíku. Tato oxidace obzvláště při nízkém pH je za příznivých klimatických podmínek akcelerována mikrobiálním rozkladem (2), přičemž reakční rychlost se prudce zvyšuje při nižším pH probíhajícími mikrobiálními procesy (reprezentovanými např. Acidithiobacillus ferrooxidans). Popsaný proces za přítomnosti bakteriálních procesů nabývá na až několikanásobné intenzitě a rychlosti[4].

Trojmocné železo Fe3+ je pak  primárním oxydantem pyritu (3). Důsledek oxidace pyritu, případně chalkopyritu, je nejen mobilizace iontů železa (se všemi důsledky na kvalitu důlních vod jak v procesu dobývání, tak i následně v období sanace) ale především v produkci kyselých průsakových vod, které způsobují rozklad dalších přítomných minerálů a mobilizaci ostatních kovů do důlních vod. V této souvislosti se hovoří o kyselých důlních průsakových vodách (Acid Mine Drainage – AMD), v případě oxidačních procesů v odvalech a v sedimentech odkališť o kyselých průsakových vodách (Acid Drainage Waters ADW). Jde tedy o procesy typické nejen pro vlastní narušené geologické prostředí v přímé souvislosti s těžební činností, ale i o procesy probíhající v hlušinových odvalech, odvalech nebilanční rudniny nebo sedimentech rekultivovaných odkališť.

 

2            Hlavní vlivy na průběh oxidačních procesů s vlivem na kvalitu důlních, podzemních a povrchových vod

 

Vznik a průběh oxidačních procesů s následnou mobilizací kontaminantů do důlních vod je závislý od několika hlavních podmínek. Jsou to:

·         Geologie ložiska

·         Technologie těžby ložiska

·         Způsob sanace (uzavření) ložiska

·         Klimatické podmínky na lokalitě

·         Mikrobiologické procesy

 

2.1              Geologická predispozice

Jak už bylo výše uvedeno, hlavní příčinou kontaminace důlních vod jsou oxidační procesy pyritu a chalkopyritu na lokalitě dotčené těžbou. Geologické prostředí má z hlediska probíhajících oxidačních procesů a jejich následného rozvoje dva základní parametry:

Kyselotvorný potenciál (zastoupení pyritu a chalkopyritu rudnině a v okolních horninách) – rozhodující o vzniku chemických reakcí (1), (2), (3) snižujících pH průsakových vod a neutralizační potenciál, působící proti jejich rozvoji, mobilizující kontaminanty a daný především obsahem karbonátů a některých silikátů.

Oxidační procesy probíhají v otevřených atmosférickému kyslíku přístupných podzemních prostorách ve všech partiích ložiska s pyritickou a chalkopyritickou mineralizací. Kromě existence vlastní pyritické mineralizace na průběh oxidačních procesů má dále vliv strukturní charakteristiky geologického prostředí – puklinatost a otevřenost puklinových systémů a tedy i vyšší přístupnost mineralizace k oxidačním procesům. Důležitým faktorem je také lokální hydrogeologie umožňující volné průsaky povrchových srážkových vod do podzemních prostor dolu a tedy transport oxidačními procesy mobilizované kontaminace do vod důlních.

 

2.2              Technologie těžby ložiska  - rozsah a průběh důlní činnosti

 V tomto případě technologie těžby podporuje, nebo znemožňuje rozvoj oxidačních procesů. Dobývání sestupné na zával dlouhodobě vytváří dobré podmínky pro rozvoj těchto procesů včetně jejich rozšíření do značné vzdálenosti (nadloží) od vlastního dobývaného rudního těla. Obdobně ponechávání nebilančních částí ložiska s vysokým obsahem kritické sulfidické mineralizace v základkách v nezatopené části ložiska vytváří velice dobrý předpoklad pro rozvoj oxidačních procesů a produkce kyselých průsaků. Naopak v případě, kdy by ložisko bylo dobýváno od nejnižších partií, s postupným zatopením vydobytých prostor, by rozvoj oxidačních procesů mohl být značně eliminován. Rozhodující pro rozvoj oxidačních procesů je doba otevření ložiska a přístup atmosférického kyslíku ke kritické sulfidické mineralizaci.

 

2.3              Způsob sanace (uzavření) ložiska - eliminace oxidačních procesů v průběhu a po skončení sanace

Mezi tyto vlivy lze především počítat zatopení ložiska přirozenými přítoky podzemních vod, kdy dochází k postupnému vyčerpání jejich oxidačního potenciálu a v případě zamezení hlubokého oběhu vod i k vytvoření situace rychlého ukončení oxidačních procesů na kritických sulfidech. Sanace podzemí dolu v tomto případě může být velice účinná pokud bude plně zatopena veškerá oxidačními procesy dotčená část horninového prostředí a pokud skutečně bude zamezeno hlubokému oběhu důlních vod a pokud nedojde k masivní komunikaci důlních vod s okolními vodami podzemními (například v vysoce propustných zvodnělých sedimentárních komplexech).

Značně problematický je tento způsob sanace pokud zůstane část oxidačními procesy zasaženého podzemí nad volnou hladinou důlních vod. V tomto případě budou svrchní partie důlních vod nadále dotovány mobilizovanými kontaminanty do úplného ukončení oxidačních procesů produkujících kyselé průsakové vody. Toto je velice častým jevem na ložiscích s rudními tělesy probíhajícími až k zemskému povrchu. V tomto případě se dá očekávat jen pozvolný pokles kontaminace v důlních vodách. Mobilizace kontaminace je dána především poměrem objemu průsakových vod ve volných nezatopených důlních prostorách a narušeném okolním horninovém prostředí s probíhajícími oxidačními procesy ku celkovému objemu důlních vod v přípovrchovém oběhu (definováno cestou průsakových vod k místu jejich opuštění důlních prostor a spojení s povrchovými nebo podzemními vodami).

Zvláštní pozornost by jistě zasluhovala situace, kdy čerpáním nebo i samovolným vypouštěním důlních vod dochází k jejich hlubokému oběhu (případ odvodnění ložiska pomocí vrtu nebo důlního díla z hlubokých částí dolu přímo na povrch).  Časový vývoj kontaminace důlních vod je dán v tomto případě mnoha faktory ovlivňující chování jednotlivých kontaminantů transportovaných z oxidační zóny ložiska přes redukční podmínky v hlubokých částech důlních vod zatopeného dolu.

 

Druhou možností jak eliminovat vlivy oxidačních procesů a produkce kyselých průsakových vod na kvalitu důlních vod je podpořit jejich neutralizační potenciál vhodným výplňovým materiálem uloženým v dole po jeho vydobytí. Mohou to být jak neutralizační kaly z úpravárenského procesu, nebo různé v dole přímo vybudované neutralizační bariéry.

 

2.4              Klimatické podmínky na lokalitě

Klimatické vlivy na konkrétní lokalitě vyznanou měrou ovlivňují oxidační procesy a jejich dopad na důlní, podzemní a povrchové vody. Přirozeně v případě aridního prostředí není problematika oxidačních procesů z hlediska důlních vod zásadním problémem. Jiná situace je  ve středoevropských  podmínkách, kdy oxidační procesy a produkce kyselých průsakových vod vykazují sezónní výkyvy dané především okrajovými podmínkami rozvoje biologických bakteriálních procesů a kdy je významný oběh vod na lokalitě.

 

2.5              Mikrobiální procesy

Z hlediska produkce kyselých průsakových vod jsou velice dobře známy bakteriální procesy podporující oxidaci pyritu  chemotrofními bakteriemi jako Leptospirillum ferrooxidans  a Acidithiobacillus ferrooxidans.  Tyto bakterie několikabásobně urychlují proces oxidace pyritu. Tyto bakterie jsou typické pro aerobní prostředí. Ale stejně tak byly v kyselých průsakových vodách izolovány heterotrofní mikroorganismy žijící v anaerobním prostředí rodu Acidiphilium sp. Tyto mikroorganismy katalyzují procesy zpětné redukce Fe3+  a obdobně redukci síranového iontu na sulfátový[5].  Právě bakteriální procesy tak mohou být nejen mobilizujícím faktorem vyloužení Fe z pyritu, ale za jistých okolností i podporou procesů redukčních vedoucích jak k imobilizaci některých kontaminantů - kovů tak i k redukci koncentrace síranových iontů.

 

3            Bioremediace

Probíhající výzkumy na různých pracovištích ve světě jsou směřovány k využití bakteriálních procesů známých v kyselých průsakových vodách k bioremediačním účelům. Vedou k tomu především dva hlavní důvody:

a.       Snaha nahradit ekologicky nevyhovující neutralizační technologie

b.       Využít přírodních procesů k ekonomicky přijatelné alternativě – náhradě provozně drahých průmyslových technologií

 

Mikrobiální loužící technologie jsou obecně známé a v některých případech (bilologické loužení na haldách) ve světě používané. Přitom nejde o nic jiného než o řízený přírodní proces, který stejně jako při loužení mobilizuje příslušné látky (kovy) v tomto případě by mohl být využíván k enviromentálním účelům pro redukci kontaminace v důlních vodách. Pasivní bioremediační technologie je pilotně provozována  například ve Velké Británii pro čištění důlních vod na bývalém cínovém dolu Wheel Jane v Cornwallu[6]. Systém je reprezentován za sebou  zařazenými komponentami – aerobními a anaerobními bioreaktory zajišťujícími redukci Fe a síranového iontu na úroveň umožňující vypouštění důlních vod do vodoteče.

Případy existence obdobných procesů redukujících Fe i síranové ionty a snižující jejich koncentrace ve vodách jsou známé i v České republice. Procesy  přitom probíhají naprosto neřízeně, samovolně.  Pro jejich využití k řízenému vypouštění důlních vod je třeba stanovit jejich kritické podmínky jejich rozvoje a vyřešit jejich plnou funkčnost po celé období roku, neboť zásadním problémem těchto technologií je jejich nízká účinnost v zimním období, kdy vlivem nízkých teplot může dojít k úplnému zastavení bakteriálních procesů. Je třeba ještě výzkumu, aby mohly být tyto technologie využity k remediačním účelům.  Jejich nasazení se dá předpokládat především v závěrečných fází čištění důlních vod, při nižších koncentracích kontaminantů, kdy existující technologie ztrácejí na účinnosti a představují dlouhodobě vysoké náklady na provoz, neúměrné dosaženým výsledkům.

 

Závěr

Geochemické podmínky v důlních vodách se průběžně mění v závislosti na expozici sulfidických minerálů atmosférickým kyslíkem.  Sulfidická oxidace je především kontrolována oxidačním prostředím a odtokem vod, typem sulfidických minerálů, neutralizačním potenciálem okolního horninového prostředí stejně jako masy důlních vod a mobilizující i nemobilizující funkcí mikrobiálních procesů.  Znalost těchto procesů a jejich rozvoj na konkrétní lokalitě umožňuje zvolit nejvhodnější postup sanace i optimalizovat náklady na čištění důlních vod. Velkým potenciálem právě v oblasti optimalizace nákladů na čištění důlních vod, především v závěrečné fázi opouštění lokality mohou být bioremediační procesy, založené na imobilizačních procesech redukce železa a síranového iontu na sirníky. Tyto procesy v přírodě fungují, přesto pro jejich praktické využití schází jejich důkladné poznání, včetně podmínek jejich optimálního rozvoje a vyřešení řízeného technologického režimu.


[1] Jiří Jež a kolektiv, Monitoring složek životního prostředí, zpráva za rok 2002, DIAMO s. p., OZ Dolní Rožínka, 2003

[2] Koncentrační limit pro Fe  ve vypouštěných důlních vodách po těžbě rud je 5 mg/l.

[3] Ritcey, G.M. (1989): Tailings management. Elsevier Science Publ, New York, str.  969.

 

[4] B. Dold, Basic Concepts of Environmental Geochemistry of Sulfide Mine-Waste, Short Course

Geochemistry and Geomicrobiology of Mine Water Formation, Lisbon, Portugal, 27 - 29. June 2003

 

 

 

 

[5] B. Johnoson, M. Dziurla, A. Kolmert, K. Hallberg: The mikrobiology of acid mine dreinage: genesis ans biotreatment, South Afričan Journal of Science 98, May/June 2002

[6] B. Johnson, K, Hallberg: Pitfalls of passive mine water treatment, Re/Views in Environmental Science and BioTechnology 1, 2002