Studium a využití mokřadních systémů čiště í důlních důl í h vod d pro čištění
Ing. Irena Šupíková
Obsah práce Téma - přírodní geochemické procesy a podmínky pro čištění kyselých DV (Fe, Mn, sírany) y - sanační pilotní systém - monitoring pilotního systému
zjištění nedostatků
Přírodní mokřad: 1. geologický průzkum 2. hydrogeologický průzkum 3. hydrochemický monitoring 4. souhrn výsledků čištění Fe, Mn, síranů v přírodním mokřadu
Aplikace v sanačním systému Výstavba pilotního systému 1. monitoring 2. souhrn výsledků z pilotního systému
Mokřad – alternativní způsob čištění DV pasivní / aktivní způsoby čištění (náklady na výstavbu, údržbu a el. energii) Mokřadní – pasivní dekontaminace vod (důlních M kř d í systémy té i í způsob ů bd k t i d (důl í h vod) d) Pasivní systémy čištění vod - pracují bez dotace chemikálií a elektrické energie - využívají přírodní materiály, gravitační energii - princip čištění: - oxidačně redukčních + biochemických reakcích - interakcích s organickou hmotou - výhodou - nízké provozní náklady, nejsou používány toxické látky - použití v odlehlých místech bez elektrické energie - v místech, kde je drané instalovat ČOV - téměř bezobslužný provoz - nevýhodou – omezená využitelnost: - při vysokých Q - při vysokých koncentracích kontaminantů
Proč výzkum pasivních systémů v ČR? Mokřadyy ve Velké Británii - hojně používané pro čištění důlní vody - systém PRB pro redukci síranů - oxidační aerační kaskády pro oxidaci Fe, Mn Při výstavbě čistících systémů jsou důležité praktické zkušenosti (situování nádrží, použité materiály, hydraulické parametry) Velká Británie / ČR : - klimatické podmínky – velmi důležité aby procesy probíhaly - nadmořská výška - budou v ČR fungovat chemické a biologické procesy? Pro výzkum výběr tří kontaminantů – Fe, Mn, sírany (primární pro DV) Zn Pb Cu As Ra U sekundárními kontaminanty - Zn,Pb,Cu,As,Ra,U,…
Přírodní mokřad + pilotní aplikace poznatků
•
lokalita Zlaté Hory (960 - 505 m n.m.)
•
těžba Au (od 13 st.) + polymetalických rud (1960 – 1990)
•
odkaliště ha)) – 1978-1990 dk liště 03 (22 h 1978 1990
•
ukládány flotační jemnozrnné písky + flotační činidla – p postupné p navyšování y hrází
•
samovolný vznik přírodního mokřadu
•
výsledky výzkumu přírodního mokřadu využity v pilotním systému
Přírodní mokřad - mírně teplá oblast s průměrnou teplotou 7 - 8 oC - sněhová pokrývka prosinec - březen - plocha mokřadu (30 m x 45 m) je porostlá rákosem, sítinou, přesličkou - zdroj vody - samovolné výrony DV pod patou odkaliště 03 - hlavními kontaminanty – Fe, Mn, sírany
Geologické poměry v přírodním mokřadu - podrobné d b é ověření ěř í geologické l i ké struktury t kt (mělká ( ělká sondáž) dáž) - aktivní vrstva mokřadu: - vznikla dlouhodobou cyklickou sedimentací jemného materiálu - tvořena laminárně uloženými vrstvami jemných písků a prachovitých (jílovitých) sedimentů, které se cyklicky střídají - omezená komunikace jednotlivých vrstev mezi sebou - vrchní vrstva - organická hmota (kořeny, detrit) - mocnost aktivní vrstvy 0 - 1,5 m
Hydrogeologické poměry – přírodní mokřad výzkum - směru proudění vody mokřadem - hydraulických vlastností aktivní vrstvy mokřadu metody: Termometrie - 5 dílčích průsaků Hydrodynamické zkoušky – koeficient filtrace pro 3 různé hloubky hloubka (m)
koef. filtrace (m/s)
průtočnost (l/s)
propustnost
0,0 – 0,3
2,50 . 10-5
0,2353
mírně propustné
0 5 – 0,8 0,5 08
3 39 . 10-66 3,39
0 0137 0,0137
d ti slabě dosti l bě propustné t é
1,1 – 1,4
1,38 . 10-7
0,0005
slabě propustné
HG výsledky Aktivní vrstva mokřadu: -jednotlivé jednotlivé sendvičové písčité vrstvy mají omezenou dotaci vstupních vod - s hloubkou klesá propustnost vrstev - tvoří mělký zavěšený kolektor e v te terénní é dep depresi es nad ad hlubším ubš - leží kolektorem svahových uloženin
Hydrochemický průzkum Přírodní mokřad – porovnání účinností čištění (Fe (Fe,Mn,sírany) Mn sírany) ve 4 různých hloubkových úrovní 1. povrchová vrstva (profily Ha) 2. hloubkový horizont 0,0 – 0,3m (sondy HM1-HM4) 3. hloubkový horizont 0,5 – 0,8m (2 trojice sond P21-P23, P26-P28) 4. hloubkový horizont 1,1 – 1,4m (2 trojice sond P21-P23, P26-P28) Pilotní systém
Pokles Fe na povrchu mokřadu 30 0 30,0
Fe2+
H+
Fe3+
oxidace + ¼O2 + → + ½H2O hydrolýza Fe3+ + 2H2O → FeOOH(sus) + 3H+ sedimentace oxohydroxidů y FeOOH(sus) ( ) → FeOOH(sed) ( )
200
20,0 150 15,0 100 10,0 Fe 5,0
50
ORP
6-
12 m
10 m
8m
3-
Ha
Ha
Ha
Ha
vzdálenost
t Fe F - 28 mg/l, /l výstup ý t F 0 01 mg/l /l vstup Fe - 0,01 změna redukčních podmínek na oxidační – nárůst ORP oranžové sedimenty přechází na červené 100,0 výrazný ý ýp pokles p po 2m na trase 12 m - 99% účinnost odstranění železa 10,0
7,0
Fe pH
6,8 6,6 6,4
1,0 6,2 , 6,0
0,1
5,8
vzdálenost
12 m 6Ha
1 0m
8m
6m Ha
3-
4m
2m 2Ha
1-
1,7 m
5,6
Ha
0-
0m
0,0
Ha
koncenntrace Fe (mg/l)
6m
2m 2-
1,7 m 1-
0Ha
4m
0
0m
0,0
• • • • •
hodnota ORP (mV)
princip oxid./ oxid / redukční reakce:
koncentrace Fee (mg/l)
•
25,0
hoddnota pH
- studium oxid./redukčních reakcí + účinnost
250
Pokles Fe v horizontu 0 - 0,3m vstup Fe 9 mg/l, mg/l výstup Fe 0,01 0 01 mg/l, mg/l - nárůst pH, ORP - účinnost 99% na trase 42 m -
4,5
6,9
500
6,7 6,5
450 redox pottenciál (mV)
4,0 Fe
3,5 3,0 25 2,5 2,0 1,5
6,3
redox potenciál
400
6,1
pH
350
5,9
300
5,7 ,
250
5,5 5,3
200
5,1
1,0
150
0,5
100
4,7
0,0
50
4,5
P4
P4
HM
1-
m 22
HM
3-
m 28
HM
4-
m 42
4,9
HM
1-
2 2m
HM
3-
2 8m
HM
4-
4 2m
vzdálenost
vz dále nost (m)
Závěr
18,0 16,0
koncentrace F Fe (mg/l)
14,0
P4 HM2 HM1 HM3 HM4
12,0 10,0
• Fe se nejlépe odstraňuje na povrchu • v připovrchové vrstvě (0-0,3m) účinnost klesá
8,0 6,0 4,0 2,0 ,0 0,0
18 .0 5. 18 05 .0 9. 05 18 .0 1. 0 18 6 .0 5. 06 18 .0 9. 18 06 .0 1. 18 07 .0 5. 07 18 .0 9. 0 7 18 .0 1. 18 08 .0 5. 18 08 .0 9. 18 08 .0 1. 18 09 .0 5. 18 09 .0 9. 18 09 .0 1. 18 10 .0 5. 18 10 .0 9. 18 10 .0 1. 18 11 .0 5. 18 11 .0 9. 11
koncentrace Fe (mg/l)
550
• k úplnému vyčištění je třeba delší trasa
hodnooty pH
5,0
Hydrochemie - pokles Mn na povrchu mokřadu - studium oxid./redukčních reakcí + účinnost princip oxid./ redukční reakce: Mn2+ + ½ O2 + 2H+ → Mn4+ + H2O
hydrolýza
Mn4+ + 2H2O → MnO2 + 4H+ koncentrrace Mn (mg/l) a hoddnoty pH
oxidace
ideální pH>8, katalyzováno - mikroorganismy - bakteriemi
12,0
250
10,0
200
8,0
150
6,0 100
4,0
50
2,0
Mn
pH
ORP
0,0 0Ha
0
0m
1Ha
1,7
m
2Ha
2m
4m
3Ha
6m
8m
vstup Mn - 10 mg/l, výstup Mn - 0,18 mg/l změna redukčních podmínek na oxidační – nárůst ORP 0-12m na trase 0 12m – oživení biocenózy • na trase 22 m - 98% účinnost odstranění Mn • • •
10m - 12m 6 Ha vzdálenost
14m
16m
18m
20m - 22m 7 Ha
hodnoty ORP (mV)
•
Pokles Mn v horizontu 0 - 0,3m - vstup 12 mg/l, výstup 0,07 mg/l, nárůst pH, ORP - účinnost 98% na trase 42 m 16,0
Mn redox potenciáll (mV)
8,0 6,0 4,0
400
H
M1
m 22
vzdálenost
H
M3
m 28 H
350
6,1 5,9
300
5,7
250
5,5 5,3
200
5,1 4,9 4,7
M4
m 42
4 4,5
P4 HM
1-
m 22
HM
3-
m 28
HM
4-
P4 HM2 HM1 HM3 HM4
14,0 12 0 12,0
vzdálenost (m)
• Mn se nejlépe odstraňuje na povrchu 0,3m) účinnost klesá • v připovrchové vrstvě (0 (0-0,3m)
10,0 8,0 6,0 4,0 20 2,0
05 .0 9 18 .05 .0 1 18 .06 .0 5 18 .06 .0 9 18 .06 .0 1 18 .07 .0 5 18 .07 .0 9. 18 07 .0 1 18 .08 .0 5 18 .08 .0 9 18 .08 .0 1 18 .09 .0 5 18 .09 .0 9 18 .09 .0 1 18 .10 .0 5 18 .10 .0 9. 18 10 .0 1 18 .11 .0 5 18 .11 .0 9. 11
0,0
18
m 42
Zá ě Závěr
22,0
.0 5.
6,3
pH
500
P4
koncentrace Mn (mg/l)
6,5
redox potenciál
100
0,0
16,0
6,7
150
2,0
18,0
6,9
500 450
10,0
20,0
550
hodnoty pH H
12,0
18
koncentrace Mnn (mg/l)
14,0
• k úplnému vyčištění je třeba delší trasa
Hydrochemie – vývoj síranů na povrchu mokřadu - studium oxid./redukčních reakcí + účinnost • princip redukce za přítomnosti SRB: SO42- + 2 CH2O → H2S(g) + 2 HCO3•
podmínky: - neutrální - mírně alkalické pH
6,50 6,30
450
6 10 6,10
400
5,90
350
5,70
300
5,50
250
5,30
200
5 10 5,10
150
4,90
100
sírany
50
0 Ha
-0
m 2m ,7 m -1 2a 1 H Ha
vstup síranů - 471 mg/l, výstup síranů - 548 mg/l • nárůst ORP ((60 mV na 225 mV)) • nárůst síranů díky oxidačním podmínkám • účinnost 0% •
6m 4m 3a H
8m
m 2m 10 -1 6 Ha vzdálenost
m 14
ORP m 16
m 18
pH m 2m 20 -2 7 Ha
4,70 4,50
hodnoty pH
síran any (mg/l), ORP (mV V)
- anoxické i ké prostředí tř dí + přebytek ř b t k organické i ké h hmoty t - bez přítomnosti Fe 550 - koncentrace síranů > 100 mg/l 500
Pokles koncentrace síranů v horizontu 0,5 až 1,4m 7,5
(0,5; 0,8; 1,4m)
250
7,1 6,9 hodnota pH
- na trase 25m - účinnost 90% v hloubce 0,5 m - účinnost 92% v hloubce 0,5 - 0,8 m - účinnost 86% v hloubce 0,8 - 1,4 m - pokles ORP ( z +190mV na +109 mV), nárůst pH (6,2 – 7,1)
200
6,7 150
6,5 6,3
100
6,1 5,9
50
pH
5,7
ORP
) 0,8
) H
M
2(
m P2 7
(0 ,8
(1 ,4 m
)
) P2 8
P2 1
P2 6
(1 ,4
(0 ,5
m
m
)
) (0 ,8 m P2 2
P2 3
800
0 (0 ,5 m
P4
900
)
5,5
700
500 1100
400
1050
P4
P21
P22
P23
P28
P27
P26
HM2
1000 950
300
900 850 800
200
750 700 koncentrace síranů (mg/l))
100
) (0 ,8 M 2 H
(0 ,8 m ) P2 7
(1 ,4 m ) P2 8
(0 ,5 m ) P2 6
(1 ,4 m ) P2 1
(0 ,8 m ) P2 2
P2 3
(0 ,5 m )
0
P4
sírany (mg/l)
600
650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 1.4.1
0 1.6.1
0 1.8.1
0 1.10.1
0 1.12.1
1 1.2.1
1 1.4.1
1 1.6.1
1 1.8.1
1 1.10.1
ORP (mV)
- pokles síranů ve 3 hloubkových úrovních - vstup síranů 950 mg/l, výstup 25 mg/l
300
7,3
Souhrn výsledků z přírodního mokřadu Fe nejlépe je odstraňováno: • na povrchu mokřadu s účinností až 99%, trasa 12m • v aerobním prostředí (nárůst ORP) • při nižších Q Mn nejlépe je odstraňován: • na povrchu mokřadu s účinností až 98%, trasa 22m • připovrchová vrstva 0-0,3 m s účinností 98% na trase 42m • v aerobním prostředí (nárůst ORP) • při nižších Q • za přítomnosti kořenů rostlin • mírně kyselé – neutrální prostředí (pH 6,2-7,1) Sírany jsou nejlépe odstraňovány: • v hloubce 0,5 – 0,8 m p.t., na trase 25m • s účinnosti 92% • v redukčním anaerobním prostředí • za přítomnosti SRB a organické hmoty • při nárůstu hodnot pH (6,2 – 7,1) • za poklesu ORP ( z +190mV na +109 mV)
Pilotní systém
RAPS (redukčně alkalizační nádrž)
sedimentace
mokřad
Pilotní systém y –p pokles koncentrace Fe vstup Fe 28 mg/l mg/l, výstup 2 2,4 4 mg/l prvních 6 měsíců – zaběhnutí technologie čištění účinnost odstranění Fe - 94% nejvíce Fe bylo odstraněno v první nádrži RAPS 25,0 24,0 23,0 22,0 21,0 , 20,0 19,0 18,0 17,0 16,0 15,0 14,0 13,0 12,0 11 0 11,0 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 10 1,0 0,0
7,40
7,20
7,00
Fe 48,0
pH
46,0
6,80
44,0 42,0 40,0 38,0
6,60
36,0
28,0 26,0 24,0 22,0 20 0 20,0 18,0 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 11 en říj
ec
v ýstup z mokřadu
ún or 11 du be n 11 če rv en 11 sr pe n 11
říj
sin
pr o
en
10
10
10
10 en
pe n sr
če rv
0
10
ún or 1
v ýstup sedim.
du be n
09
09 ec
en říj
pr o
sin
09
09 pe n
en
v ýstup RAPS
sr
če rv
9
09
du be n
08
ún or 0
ec sin
říj
v stup do pilot. sy stému
pr o
en
08
08
08 en
pe n sr
če rv
8
08
ún or 0
ec
du be n
říj
sin
pr o
en
07
07
07
07 en
pe n sr
07
du be n
7
0,0 če rv
-5 0 m ok řa d
50 ce se di m en ta
RA PS -5 0
tu p50
6,20
32,0 30,0
ún or 0
6,40
konce entrace Fe (mg/l)
34,0
vs
konce entrace (mg/l)
-
Pilotní systém – pokles koncentrace Mn -
vstup Mn 8 mg/l, výstup 5,4 mg/l prvních 6 měsíců – zaběhnutí technologie čištění účinnost odstranění Mn - 30% nejvíce Mn 28% bylo odstraněno ve třetí nádrži – aerobní mokřad
10,0
7,40
9,0 7,20
8,0
7,00
60 6,0 5,0
6,80
4,0
13,0
3,0
Mn
6,60
12,0 11,0 10,0
6,40
7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0
v ýstup RAPS
v ýstup sedim.
v ýstup z mokřadu
11 en říj
ún or 11 du be n 11 če rv en 11 sr pe n 11
10
10 en říj
sin ec
pr o
ún or 10 du be n 10 če rv en 10 sr pe n 10
09 říj
en
pr o
sin ec
09
09
09 en
pe n sr
9
09 če rv
ún or 0
du be n
08 en říj
sin ec
pr o
v stup do pilot. sy stému
08
08
08 en
pe n sr
če rv
8
08
ún or 0
du be n
říj
en
pr o
sin ec
07
07
07
07 en
pe n sr
7
0,0 07
-5 0 m ok řa d
50 ce se di m en ta
RA PS -5 0
6,20
8,0
du be n
0,0
9,0
če rv
1,0
konce entrace Mn (mg/l)
pH
ún or 0
2,0
vs tu p50
koncentrace (m mg/l)
7,0
Pilotní systém – pokles koncentrace síranů vstup síranů 375 mg/l, výstup 354 mg/l prvních 6 měsíců – zaběhnutí technologie čištění účinnost odstranění síranů - 6% nejvíce síranů 5% bylo odstraněno v první nádrži - RAPS
376,0
300,0
375,0 250,0
373,0
200,0
372,0 371 0 371,0
150 0 150,0
370,0 100,0
369,0 368,0
50,0
U
520,0 500,0
ad -5 0
480,0 460,0 440,0 420,0 400,0 , 380,0 360,0 340,0 320,0 300,0 280,0 260,0
v ýstup z RAPS
v ýstup z sedim.
v ýstup z mokřadu
11 en říj
08
08 ec
en
říj
v stup do pilot. sy stému
ún or 09 du be n 09 če rv en 09 sr pe n 09 říj en 09 pr os in ec 09 ún or 10 du be n 10 če rv en 10 sr pe n 10 říj en 10 pr os in ec 10 ún or 11 du be n 11 če rv en 11 sr pe n 11
240,0 sin
koncentrace síra anů (mg/l)
ok ř m
se di m en ta ce -5 0
-5 0 RA PS
p50
0,0
pr o
(SO4)2(SO4)2
366,0
ún or 07 du be n 07 če rv en 07 sr pe n 07 říj en 07 pr os in ec 07 ún or 08 du be n 08 če rv en 08 sr pe n 08
367,0
vs tu
koncentra ace (mg/l)
374,0
Přínosy a nedostatky Přínosy Pří přírodní procesy probíhají v horských oblastech v oblasti s nízkými průměrnými teplotami (7-8 oC) v oblasti oblasti, kde je cca 4 měsíce sněhová pokrývka (prosinec – březen) -
průzkumem přírodního mokřadu byly materiálové složení aktivní vrstvy mokřadu hydraulické parametry (průtoky) pro pilotní systém zjištěny vysoké účinnosti čištění Fe, Mn (98-99%) a síranů (92%) zjištění podmínek pro čištění Fe, Mn, síranů
Nedostatky vp pilotním systému y nebyly y y dosaženy y účinnosti z přírodního p mokřadu důvodem byly konstrukční a technologické problémy (použité materiály, relativně vysoké průtoky, hydraulické problémy v systému) Doporučení dalších prací formulování sezónních vlivů dopracování hydrochemických procesů f l á í podmínek d í k (Q, (Q doby d b zdržení, d ž í mocnosti ti aktivních kti í h vrstev) t ) formulování zobecnění poznatků z přírodního i pilotního mokřadu
Ing Irena Šupíková Ing.
