Studium a využití mokřadních systémů pro čištění ídůlních vod Ing. Irena Šupíková
Obsah práce Téma -přírodní geochemické procesy a podmínky pro čištění kyselých DV (Fe, Mn, sírany) - 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 systémy pasivní způsob ů bdekontaminace vod d(důlních vod) 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? Mokřady 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) 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 03 (22 ha) 1978-19901990 ukládány flotační jemnozrnné písky + flotační činidla postupné p navyšování hrází samovolný vznik přírodního mokřadu výsledky výzkumu přírodního mokřadu využity v pilotním systému
Přírodní mokřad -mírně teplá oblast s průměrnou teplotou 7-8 o C -sněhová pokrývka prosinec - březen -plochamokřadu (30 m x 45 m) je porostlá rákosem, sítinou, přesličkou - zdroj vody - samovolné výrony DV pod patou odkaliště 03 zdroj vody samovolné výrony DV pod patou odkaliště 03 - hlavními kontaminanty Fe, Mn, sírany
Geologické poměry v přírodním mokřadu -podrobné ověření geologické struktury (mělká sondáž) - 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 0,3 2,50. 10-5 0,2353 mírně propustné 05 0,5 08 0,8 339 3,39. 10-6 1370137 dosti slabě propustné 1,1 1,4 1,38. 10-7 005 slabě propustné HG výsledky Aktivní vrstva mokřadu: -jednotlivé sendvičové písčité vrstvy mají omezenou dotaci vstupních vod - s hloubkou klesá propustnost vrstev -tvoří mělký zavěšený kolektor -leží v terénní depresi nad hlubším e te é dep es ad ubš kolektorem svahových uloženin
Hydrochemický průzkum Přírodní mokřad porovnání účinností čištění(femnsírany) (Fe,Mn,sírany) ve4různých hloubkových úrovní 1. povrchová vrstva (profily Ha) 2. hloubkový horizont 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 - studium oxid./redukčních reakcí + účinnost 30 250 25,0 200 princip oxid./ redukční reakce: oxidace Fe 2+ + ¼O 2 + H + Fe 3+ + ½H 2 O hydrolýza Fe 3+ + 2H 2 O FeOOH(sus) + 3H + sedimentace oxohydroxidů FeOOH(sus) FeOOH(sed) koncentrace Fe (mg/l) 2 15,0 1 5,0 Fe ORP 150 100 50 (mv) hodnota ORP 0 vstup Fe - 28 mg/l, výstup Fe - 001 1 mg/l změna redukčních podmínek na oxidační nárůst ORP oranžové sedimenty přechází na červené výrazný ý pokles po 2m na trase 12 m - 99% účinnost odstranění železa Ha0-0m koncen ntrace Fe (mg/l) Ha1-1,7m Ha2-2m 4m Ha3-6m vzdálenost 8m 10m Ha6-12m 10 7,0 Fe ph 6,8 1 1,0 0,1 6,6 6,4 6,2 6,0 5,8 hod dnota ph 5,6 Ha0-0m Ha1-1,7m Ha2-2m 4m Ha3-6m vzdálenost 8m 10m Ha6-12m
5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 25 2,5 Pokles Fe v horizontu 0-0,3m - vstup Fe 9 mg/l, výstup Fe 1 01 mg/l, - nárůst ph, ORP -účinnost 99% na trase 42 m Fe 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 redox potenciál ph 6,9 6,7 6,5 6,3 6,1 5,9 5,7 Fe (mg/l) hodnoty ph redox potenciál (mv) 2,0 1,5 1,0 0,5 5,5 5,3 5,1 4,9 4,7 4,5 18,0 Závěr, HM1-22m HM3-28m HM4-42m P4 HM1-22m HM3-28m HM4-42m vzdálenost vzdálenost (m) 16,0 14,0 P4 HM2 HM1 HM3 HM4 Závěr Fe se nejlépe odstraňuje na povrchu 12,0 1 v připovrchové vrstvě (0-0,3m) účinnost klesá 8,0 6,0 k úplnému vyčištění je třeba delší trasa 4,0 2,0 18.05.05 18.09.05 18.01.06 18.05.06 18.09.06 18.01.07 18.05.07 18.09.07 18.01.08 18.05.08 18.09.08 18.01.09 18.05.09 18.09.09 18.01.10 18.05.10 18.09.10 18.01.11 18.05.11 18.09.11 P4 koncentrace koncentrace F Fe (mg/l)
Hydrochemie - pokles Mn na povrchu mokřadu - studium oxid./redukčních reakcí + účinnost princip oxid./ redukční reakce: oxidace Mn 2+ + ½ O 2 + 2H + Mn 4+ + H 2 O ideální ph>8, katalyzováno - mikroorganismy -bakteriemi hydrolýza Mn 4+ + 2H 2 O MnO 2 + 4H + 12,0 250 koncentr race Mn (mg/l) a hod dnoty ph 1 8,0 6,0 4,0 2,0 Mn ph ORP 200 150 100 50 0 hodnoty ORP (mv) Ha0-0m Ha1-1,7m Ha2-2m 4m Ha3-6m 8m 10m Ha6-12m vzdálenost 14m 16m 18m 20m Ha7-22m vstup Mn - 10 mg/l, výstup Mn - 0,18 mg/l změna redukčních podmínek na oxidační nárůst ORP na trase 0-12m oživení biocenózy na trase 22 m - 98% účinnost odstranění Mn
16,0 14,0 12,0 1 Pokles Mn v horizontu 0-0,3m - vstup 12 mg/l, výstup 7 mg/l, nárůst ph, ORP -účinnost 98% na trase 42 m 550 500 Mn 450 400 350 300 250 200 150 100 redox potenciál ph 6,9 6,7 6,5 6,3 6,1 5,9 5,7 5,5 5,3 5,1 4,9 4,7 n (mg/l) redox potenciál (mv) hodnoty ph 8,0 6,0 4,0 2,0 50 4,5 HM1-22m HM3-28m HM4-42m P4 HM1-22m HM3-28m HM4-42m vzdálenost vzdálenost (m) Závěr ě P4 22,0 2 18,0 16,0 14,0 12,0 1 8,0 6,0 4,0 20 2,0 P4 HM2 HM1 HM3 HM4 Mn se nejlépe odstraňuje na povrchu v připovrchové vrstvě (0-0,3m) 0,3m) účinnost klesá k úplnému vyčištění je třeba delší trasa 18.09.05 18.01.06 18.05.06 18.09.06 18.01.07 18.05.07 18.09.07 18.01.08 18.05.08 18.09.08 18.01.09 18.05.09 18.09.09 18.01.10 18.05.10 18.09.10 18.01.11 18.05.11 18.09.11 18.05.05 koncentrace Mn koncentrace M n (mg/l)
Hydrochemie vývoj síranů na povrchu mokřadu - studium oxid./redukčních reakcí + účinnost princip redukce za přítomnosti SRB: SO 2- +2CHO 4 2 H 2 S(g) + 2 HCO - 3 podmínky: - neutrální - mírně alkalické ph - anoxické prostředí + přebytek ř organické hmoty -bez přítomnosti Fe 550 - koncentrace síranů >100 mg/l 500 6,50 6,30 síran any (mg/l), ORP (mv V) 450 400 350 300 250 200 150 610 6,10 5,90 5,70 5,50 5,30 510 5,10 4,90 hodnoty ph 100 50 sírany ORP ph 4,70 4,50 Ha0-0m Ha1-1,7m Ha2-2m 4m Ha3-6m 8m 10m Ha6-12m vzdálenost 14m 16m 18m 20m Ha7-22m vstup síranů - 471 mg/l, výstup síranů - 548 mg/l nárůst ORP (60 mv na 225 mv) nárůst síranů díky oxidačním podmínkám účinnost 0%
) Pokles koncentrace síranů v horizontu 0,5 až 1,4m - pokles síranů ve 3 hloubkových úrovních (0,5; 0,8; 1,4m) - vstup síranů 950 mg/l, výstup 25 mg/l - 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) 900 800 hodnota ph 7,5 7,3 7,1 6,9 6,7 6,5 6,3 6,1 5,9 5,7 5,5 P4 P23 (0,5m) P22 (0,8m) P21 (1,4m) P26 (0,5m) P28 (1,4m) P27 (0,8m) ph ORP HM2 (0,8) 300 250 200 150 100 50 0 ORP (mv) 700 600 (mg/l) sírany 500 400 300 1100 1050 1000 950 900 850 P4 P21 P22 P23 P28 P27 P26 HM2 200 800 750 100 0 P4 P23 (0,5m) P22 (0,8m) P21 (1,4m) P26 (0,5m) P28 (1,4m) P27 (0,8m) HM2 (0,8) koncentrace síranů (mg/l) 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 1.4.10 1.6.10 1.8.10 1.10.10 1.12.10 1.2.11 1.4.11 1.6.11 1.8.11 1.10.11
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 pokles koncentrace Fe - vstup Fe 28 mg/l, výstup 2,4 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 2 19,0 18,0 17,0 16,0 15,0 14,0 13,0 12,0 11,0 9,0 1 Fe ph 7,40 7,20 7,00 6,80 48,0 46,0 44,0 42,0 4 38,0, duben 11 červen 11 srpen 11 říjen 11 koncentrace (mg/l) 36,0 34,0 32,0 3 28,0 26,0 24,0 22,0 2 0 entrace Fe (mg/l) 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 10 1,0 6,60 6,40 18,0 16,0 konce 6,20 14,0 12,0 vstup-50 RAPS-50 1 8,0 sedimentace-50 mokřad-50 6,0 4,0 2,0 únor 07 duben 07 červen 07 srpen 07 říjen 07 prosinec 07 únor 08 duben 08 červen 08 srpen 08 říjen 08 prosinec 08 únor 09 duben 09 červen 09 srpen 09 říjen 09 prosinec 09 únor 10 duben 10 červen 10 srpen 10 říjen 10 prosinec 10 únor 11 vstup do pilot. systému výstup RAPS výstup sedim. výstup z mokřadu
1 duben 11 1 červen 11 1 srpen 11 1 říjen 11 1 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 1 7,40 9,0 8,0 7,20 7,0 7,00 60 6,0 5,0 6,80 4,0 6,60 3,0 Mn 13,0 12,0 11,0 1 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 koncentrace (mg/l) koncentrace Mn (mg/l) 2,0 ph 1,0 6,40 6,20 vstup-50 RAPS-50 sedimentace-50 mokřad-50 1,0 únor 07 duben 07 červen 07 srpen 07 říjen 07 prosinec 07 únor 08 duben 08 červen 08 srpen 08 říjen 08 prosinec 08 únor 09 duben 09 červen 09 srpen 09 říjen 09 prosinec 09 únor 10 duben 10 červen 10 srpen 10 říjen 10 prosinec 10 únor 11 v stup do pilot. sy stému v ýstup RAPS v ýstup sedim. výstup z mokřadu
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 30 375,0 374,0 25 373,0 372,0 20 371,0 15 0 37 369,0 10 368,0 367,0 366,0 (SO4)2- U 5 52 50 48 46 44 42 vstup-50 RAPS-50 sedimentace-50 mokřad-50 40 38 36 34 32 koncentrace (mg/l) koncentrace síranů (mg/l) 30 28 26 24, únor 11 duben 11 červen 11 srpen 11 říjen 11 únor 07 duben 07 červen 07 srpen 07 říjen 07 prosinec 07 únor 08 duben 08 červen 08 srpen 08 říjen 08 prosinec 08 únor 09 duben 09 červen 09 srpen 09 říjen 09 prosinec 09 únor 10 duben 10 červen 10 srpen 10 říjen 10 prosinec 10 v stup do pilot. sy stému výstup z RAPS výstup z sedim. výstup z mokřadu
Přínosy a nedostatky Přínosy - přírodní procesy probíhají v horských oblastech - v oblasti s nízkými průměrnými teplotami (7-8 o C) - v 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 - v pilotním systému nebyly yy dosaženy účinnosti z přírodního 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 - formulování podmínek (Q, doby zdržení, mocnosti aktivních vrstev) - zobecnění poznatků z přírodního i pilotního mokřadu
Ing. Irena Šupíková