Technologie čištění důlních vod

na uranových ložiscích Horní Slavkov a Příbram

Ing. Ladislav Kramář, DIAMO, státní podnik, odštěpný závod SUL Příbram, září 2004

Tento příspěvek by měl v krátkosti shrnout dosavadní zkušenosti s provozem čistící stanice důlních vod Horní Slavkov a pojednat o stavu realizace nové čistící stanice pro dekontaminaci důlních vod z ložiska Příbram.

Horní Slavkov

Po ukončení těžby uranové rudy v oblasti Horního Slavkova bylo v roce 1962 zastaveno odčerpávání důlní vody a doly byly postupně zatápěny. Po nastoupání vody na stanovenou úroveň byla hladina udržována odčerpáváním důlní vody do potoka Dlouhá Stoka. K úpravě důlní vody na kvalitu požadovanou pro vypouštění do povrchového toku byla na konci 90tých let vybudována čistící stanice důlních vod. Vzhledem k tomu, že podzemní dobývací prostory bývalých Jáchymovských dolů jsou propojeny s rudnými doly bývalého závodu Stannum, jsou v čistící stanici čištěny směsné důlní vody. Do podzemí jsou navíc zapouštěcím vrtem vypouštěny i odpadní vody z odkaliště závodu Stannum. Důlní vody z jámy Barbora, důlního pole Stannum a štoly Gaspara Pluga jsou do ČDV přiváděny hlavním přivaděčem v množství cca 190 l/s, dalším přivaděčem ze štoly č. 13 Nadlesí  je přiváděno cca 13 l/s.

Technologie čistící stanice slouží k odstranění radia, železa, manganu, nerozpuštěných a částečně i rozpuštěných látek z důlních vod. Kromě těchto hlavních složek jsou odstraňovány i těžké kovy a další radionuklidy. Kontaminanty odstraněné z důlní vody jsou zachyceny v kalu, který je po separaci a zahuštění jako produkt hornické činnosti odvážen a ukládán do propadlin Schnödova pně v Horním Slavkově.

Vzhledem k příznivému spádu hlavního přivaděče byla pro využití důlní vody k výrobě elektrické energie na vstupu do ČDV nainstalována malá vodní elektrárna. Tu se však kvůli chybnému návrhu bohužel nepodařilo uvést do provozu. Důlní voda z přivaděčů je proto přiváděna až do jímky pod malou vodní elektrárnou, kde je do ní dávkována suspenze Ca(OH)₂ připravená ve vápenném hospodářství čističky. Reakcí Ca(OH)₂ se železem a manganem v důlní vodě dochází ke známým reakcím vedoucím k vysrážení hydroxidů železnatého a manganatého:

                        Ca(OH)₂  +  Fe⁺²   →  Fe(OH)₂  +  Ca⁺²                                           (1)

                        Ca(OH)₂  +  Mn⁺²  →  Mn(OH)₂  +  Ca⁺²                                         (2)

Jako hydroxidy se sráží i některé další těžké kovy (TK) obsažené v důlní vodě (např. Pb, Cu, Zn)

                        Ca(OH)₂  +  TK⁺²  →  TK(OH)₂  +  Ca⁺²                                         (3)

Důlní voda s nadávkovaným Ca(OH)₂ postupuje z jímky pod malou vodní elektrárnou do dvou aeračních nádrží, ve kterých dochází vlivem vzdušného kyslíku ze vzduchu vháněného třemi dmychadly a vlivem vyššího pH k vysrážení zbytkového železa jako Fe(OH)₃ a k vysrážení zbytkového manganu v podobě  hydratovaného kysličníku manganičitého. Sorpčním záchytem na velkém povrchu právě vysrážených hydroxidů dochází k odstranění části radia, uranu a ostatních radionuklidů obsažených v důlní vodě.

Z aeračních nádrží postupuje důlní voda se suspenzí vysrážených hydroxidů do nádrže rychlého míchání, do které je dávkován roztok chloridu barnatého. Baryum reaguje se sírany z důlní vody za vzniku sraženiny síranu barnatého, přičemž zároveň se spolusráží i radium:

                        Ba⁺² (Ra⁺²)  +  SO₄^-2  →  Ba(Ra)SO₄                                    (4)

Pro usnadnění tvorby velkých a snadno sedimentovatelných vloček v následující nádrži pomalého míchání je zároveň s chloridem barnatým přidáván i roztok flokulantu Sokoflok.

K oddělení vloček kalu slouží čtyři paralelně zapojené lamelové usazováky. Vyčištěná důlní voda odtéká z usazováků přes měrný Parshallův žlab na výstupu z čistící stanice do potoka Stoka.

Kal je z lamelových usazováků odčerpáván do zahušťovacích nádrží, ze kterých se odsazená voda vrací zpět do lamelových usazováků. Zahuštěný kal je odčerpáván do homogenizačních nádrží a z nich ke konečnému odvodnění na kalolis. Vylisovaný kal je z kalolisu vyprazdňován do natahovacího uzavíratelného kontejneru, kterým je po naplnění a namátkovém proměření povrchové aktivity odvážen jako produkt hornické činnosti k uložení do propadlin Schnödova pně.

V průběhu dosavadního provozu se kromě již zmíněného neuvedení do provozu malé vodní elektrárny projevily i některé další obtíže. Jedná se zejména o schopnost technologie udržet dávkováním vápenného mléka pH na úrovni kolem hodnoty 9, která je nezbytná pro srážení manganu. Odštěpný závod SUL proto připravuje náhradu dosavadního objemového měření dávkovaného množství vápenného hydrátu jeho vážením tenzometrickou váhou. Další provozní komplikací je poddimenzovaná velikost potrubních přivaděčů důlní vody, zejména přivaděče ze štoly č. 13 Nadlesí. Vlivem vysokého obsahu železa a síranů v důlní vodě dochází k zanášení potrubí, které musí být čištěno rázem vody. Na přivaděči za štoly Barbora se tato operace provádí 1x týdně, na přivaděči ze štoly č. 13 Nadlesí 1x ročně.

Účinnost čistící stanice je patrná z grafů, ve kterých jsou porovnány průměrné obsahy Fe, Mn a Ra²²⁶, tedy složek, pro jejichž odstraňování je technologie čistící stanice vybudována. Graf s porovnáním vstupních a výstupních koncentrací U²³⁸ je uveden jen pro informaci. Z porovnání vyplývá, že je dosahováno snížení obsahu železa o cca 84 %, manganu o 36 % a radia o 77 %. Koncentrace uranu na vstupu a výstupu čistící stanice je prakticky shodná a rozdíly jsou dány pouze přesností analytických stanovení. Při ročním průtoku cca 4 mil. m³ je v čistící stanici z důlní vody každý rok odstraněno až 15 tun železa, 3,7 tuny manganu a 1 500 MBq rádia. Pro udržení potřebné účinnosti je předepsáno dávkování 90 mg vápenného hydrátu, 10 mg chloridu barnatého a 0,3 mg flokulantu Sokoflok na jeden litr důlní vody.

Dosavadní provoz prokázal, že čistící stanice důlních vod v Horním Slavkově je schopna plnit limity pro vypouštění důlních vod do vod povrchových podle rozhodnutí vodoprávního úřadu i SÚJB. Kromě objektivně změřených ukazatelů znečištění svědčí o účinnosti čištění i vizuální stav potoka Stoka, který je velmi kladně hodnocen orgány místní samosprávy. Na základě žádosti státního podniku DIAMO, odštěpný závodu SUL Příbram, vydal Krajský úřad Karlovarského kraje v srpnu letošního roku nové rozhodnutí pro vypouštění důlních vod do potoka Stoka s platností do 31.12.2010. Shodnou platnost má i povolení SÚJB.

Příbram

Čistící stanice důlních vod Příbram bude sloužit k odstraňování kontaminantů z důlních vod ze zatopených důlních prostor příbramského ložiska tak, aby upravené důlní vody mohly být vypouštěny do toku Kocáby.

Technologie by měla zajistit:

-   sorpci uranu na ionexových filtrech

-   odstranění iontů železa oxidací

-   snížení koncentrace radia spolusrážením síranu radnatého se síranem barnatým

-   eliminaci případných zvýšených koncentrací ostatních iontů těžkých kovů přídavkem suspenze vápenného hydrátu

-   sedimentaci vznikajících sraženin v usazovacích nádržích s následnou filtrací na kalolisu

Podle projektu, jehož zpracovatelem je DIAMO, s.p., odštěpný závod GEAM Dolní Rožínka, bude důlní voda z jámy č. 19 čerpána ponornými čerpadly s regulovatelným výkonem do akumulační nádrže. Z nádrže je důlní voda dalšími čerpadly čerpána přes průtokoměry do ionexových sorpčních kolon, ve kterých je zachycován uran. K tomu slouží náplň silně basického anexu obsahujícího benzylpyridinové funkční skupiny, který je dodáván pod obchodní značkou AMP. Ionex se zachyceným uranem je ze sorpčních kolon odčerpáván, regenerován v samostatných elučních kolonách a opětovně používán k sorpci uranu. Roztok Na₂CO₃ a NaCl použitý k eluci uranu z ionexu je zpracováván v dalších technologických uzlech rozkyselením, srážením a filtrací. Produktem zpracování elučního roztoku je uranový koncentrát, který je speciální cisternou odvážen k dalšímu zpracování mimo čistící stanici.

Důlní voda zbavená uranu odtéká ze sorpčních kolon přes scezovací baterie a záchytný žlab ionexu do tří aeračních reaktorů. V aeračních reaktorech dochází k oxidaci iontů Fe, Mn a Mg přítomných v důlní vodě a vytěsnění volného oxidu uhličitého tlakovým vzduchem přiváděným od dmychadel do jemnobublinných aeračních systémů umístěných ve spodní části jednotlivých reaktorů. Vlastní aerační systém je tvořen trubkovým rozvodem, na kterém jsou umístěny aerační elementy s perforovanou membránou.

Pro odstranění rádia je do rozdělovače před aeračními reaktory dávkován roztok chloridu barnatého a pro odstranění iontů kovů suspenze vápenného hydrátu. Pro zlepšení sedimentačních vlastností vznikající sraženiny je do potrubí za aeračními reaktory dávkován roztok flokulantu.

Předupravená důlní voda teče z aeračních reaktorů přes rozdělovač nátoku do dvojice zahušťovačů kalu, které jsou umístěny mimo budovu čistící stanice. Vyčeřená voda přepadá přes hranu zahušťovačů do předlohy čerpadel, kterými je čerpána do tlakových pískových filtrů. Po průchodu pískovými filtry natéká přefiltrovaná voda do retenční nádrže, z ní potrubním přivaděčem do potrubí umístěného v jámě šachty č. 19 a dále potrubím do Kocáby.

Zahuštěný kal je ze zahušťovačů odčerpáván do zásobní nádrže kalu a z ní tlakovými čerpadly k odvodnění na komorovém kalolisu. Filtrát odtéká z kalolisu do retenční nádrže. Filtrační koláč separovaných kalů vypadává do přistaveného natahovacího kontejneru, který je po naplnění odvážen do úložiště kalu na odkališti Bytíz 1.

Čistící stanice důlních vod je projektována na úpravu cca 1 mil. m³ důlní vody za rok při průměrném průtoku 35 l/s. Výstupem technologie bude kromě upravené důlní vody cca 1 000 t kalů se sušinou 30 až 40 % a  130 t uranového koncentrátu se sušinou 35 % za rok. Provoz bude ovládán průmyslovým řídícím systémem. Celkové náklady na realizaci čistící stanice by měly dosáhnout 140 mil. Kč, z toho cca 80 mil. Kč jsou náklady na technologii.

Realizaci stavební části zajišťuje firma SMP CONSTRUCTION, a.s. Praha, která byla vybrána formou veřejné obchodní soutěže. Technologii dodává a montuje DIAMO, s.p., odštěpný závod GEAM Dolní Rožínka. Staveniště bylo předáno dodavateli stavební části v průběhu měsíce srpna.

V březnu letošního roku byl firmou SEPARA-EKO, s.r.o. Brno v jámě č. 19 proveden zonální odběr důlních vod, jehož cílem bylo získání znalostí o vertikální a horizontální geochemické zonálnosti důlních vod a rysech jejího vývoje. Byly odebrány vzorky z hladiny důlní vody, která byla zastižena v hloubce 230 m pod ohlubní, a dále vzorky v intervalu 10 metrů do hloubky 120 metrů, z hloubky odpovídající 9., 15., 20., 22., 24., 25. a 28. patru, tj. až do hloubky 1 110 m pod hladinou důlní vody. Výsledky rozboru odebraných vzorků ukazují na rozhraní mezi mělkou málo koncentrovanou zvodní a koncentrovanými důlními vodami. Zjištěné hodnoty se pohybují v následujícím rozmezí:

pH	7,1 až 7,4
sírany	1 700 až 2 300	mg/l
železo	10 až 12	mg/l
uran 238	5,5 až 9,6	mg/l
radium 226	0,22 až 1,1	Bq/l
nerozpuštěné látky	6 až 35	mg/l
chloridy	110 až 140	mg/l
hydrogenuhličitany	440 až 660	mg/l
vápník	370 až 660	mg/l
hořčík	78 až 110	mg/l
mangan	1,8 až 6,2	mg/l

Pro získání aktuálních dat se předpokládá další podobný odběr vzorků v prvním čtvrtletí příštího roku.

Uvedené složení důlní vody předznamenává okruh problémů, které bude nutno řešit po zprovoznění čistící stanice. Zejména obsah síranů může vést až vytěsňování chloridů z ionexu, přechodu chloridové formy ionexu do síranové formy a tím i ke snížení účinnosti ionexu při záchytu uranu. Rovněž vypadávání železa z vody s alkalickou reakcí a obsah nerozpuštěných látek může způsobovat zanášení ionexu v sorpčních kolonách zařazených na vstupu důlní vody do čistící stanice. Protože technologie nebyla dosud provozně odzkoušena v konfiguraci podle schváleného projektu, bude zkušební provoz vyžadovat důkladnou přípravu.

Na počátku dubna letošního roku byly v předstihu zahájeny práce na realizaci podzemního a povrchového přivaděče vyčištěných důlních vod do toku Kocáby. Pokládka potrubí povrchového přivaděče včetně terénních úprav a stavba výtokového objektu do koryta Kocáby byly dokončeny v září. Pokračují práce na 340 m dlouhé části přiváděče, která je ražena hornickým způsobem zároveň ze strany od Drásovského potoka a z jámy č. 19. V jámě č. 19 byla do hloubky 30 m dokončena likvidace výstroje jámy a v hloubce 26 m byla vybetonována zátka s potřebnými průchody.

V srpnu bylo po zdlouhavém vodoprávním řízení vydáno krajským úřadem rozhodnutí o způsobu a podmínkách pro vypouštění důlních vod. Řízení bylo zahájeno v závěru loňského roku Městským úřadem Příbram a po přechodu kompetencí vyplývajících z novelizace vodního zákona dále vedeno odborem životního prostředí Krajského úřadu Středočeského kraje. Pro potřebu vodoprávního úřadu bylo nutno zpracovat posudek o vlivu vypouštění důlních vod na tok Kocába a blízká vodní díla,  posudek o vlivu vypouštěných důlních vod na rybářské revíry a řešit připomínky majitelů rybniční soustavy, která je vybudována na toku Kocáby několik set metrů po proudu od výtokového objektu vyčištěné důlní vody. Právě vlastníci a provozovatelé rybníků se však proti rozhodnutí krajského úřadu odvolali. Podstatou odvolání je vyčíslení škod, které by podle názoru majitelů rybníků mohla čistící stanice způsobit na budoucí produkci ryb. Odvolací řízení v současné době probíhá.

Pro zajištění budoucího provozu bylo dále zadáno zpracování studie ukládání kalů z ČDV do kalojemu Bytíz a byl doplněn program monitoringu o další body pro monitorování pracovního prostředí, vstupu a výstupu důlní vody z jámy č. 19 a vlivu vypouštěné důlní vody na povodí Kocáby. Doplněný program je v současné době posuzován SÚJB.

Do konce letošního roku by měla být dokončena hrubá stavba hlavní provozní budovy (t.j. ocelový skelet a střecha) a namontovány nejrozměrnější aparáty. Vzhledem k ne zcela předvídatelnému vývoji v rychlosti zatápění ložiska (v měsíci září byla hladina důlní vody na kótě 284 m, t.j. 150 m pod úrovní předpokládanou pro provoz čistící stanice, při nárůstu hladiny 6 až 9 m za měsíc) a dále vzhledem k předpokládané náročnosti na realizaci stavby a uvádění čistící stanice do provozu bude nutno na dokončení výstavby v termínu do konce roku 2005 vynaložit značné úsilí.

 

 

 

Literatura:
1.	Přibáň V., Vyhodnocení zkušebního provozu čistící stanice důlních vod Horní Slavkov, červen 2002, Liberec
2.	DIAMO, s.p., o.z. SUL Příbram, Manipulační a provozní řád pro čistírnu důlních vod Horní Slavkov, dokument systému jakosti SI-SUL-09-03-01-12, červenec 2003, Příbram
3.	Projekt „Dekontaminační stanice – ČDV Příbram“, zpracovatel DIAMO, s.p., o.z. GEAM Dolní Rožínka, červen 2004, Dolní Rožínka
4.	Výsledky analýz vzorků odebraných dle monitoringu DIAMO, s.p., o.z. SUL Příbram – rok 2001, 2002, 2003, 2004
5.	SEPARA-EKO, s.r.o., Brno, Výsledky zonálního monitoringu na lokalitě Příbram – jáma 19, závěrečná zpráva, duben 2004, Brno