METODY ODHADU VZNIKU AMD

ODHAD VZNIKU AMD METODY ODHADU VZNIKU AMD vznik AMD v podzemních i povrchových vodách má obvykle za následek finančně nákladnou dekontaminaci a sanaci je důležité znát potenciál vzniku AMD sulfidického odpadu 1)geologický model 2)geologický, geochemický a mineralogický popis 3)statické a dynamické geochemické testy 4)matematické modelování transportu kyslíku a geochemických procesů ODHAD VZNIKU AMD 1. GEOLOGICKÝ MODEL ODHAD VZNIKU AMD 1. GEOLOGICKÝ MODEL 1. GEOLOGICKÝ MODEL LOŽISKA základní přístup k odhadu potenciálu vzniku AMD využívá klasifikace ložisek a následné dedukce vzniku AMD metoda má velké limity: předpokládá stejné faktory ovlivňující uvolnění kyselosti pro každý typ ložiska (stejná rudní mineralogie a okolní litologie) úspěšně může být využita zejména pro stratigraficky shodná ložiska uhlí nebo rudní ložiska vulkanosedimentárních formací ODHAD VZNIKU AMD 2. POPIS 2. GEOLOGICKÝ, GEOCHEMICKÝ A MINERALOGICKÝ POPIS již během průzkumu ložiska se získávají informace o: lithologiích na ložisku strukturách na ložisku mineralogie a textuře rudy a jaloviny zrnitosti hloubce oxidační zóny chemickém složení hornin spolu se statickým loužícím testem mohou být použity ke vzniku trojrozměrného blokového modelu ložiska rozlišující bloky podle různého potenciálu vzniku AMD ODHAD VZNIKU AMD 2. POPIS 2. GEOLOGICKÝ, GEOCHEMICKÝ A MINERALOGICKÝ POPIS sulfidické odpadů se studují různými mineralogickými a geochemickými metodami za účelem zjištění: velikost a tvar zrn, velikost povrchů, krystalinita, distribuce a stupeň oxidace sulfidů, minerály jaloviny, sekundární minerály (XRD, optická mikroskopie, skenovací elektronová mikroskopie + EDS/WDS) množství kovů a metaloidů v minerálech, které mohou být potenciálně uvolněny během oxidace sulfidů (mikrosonda) vazba, bioavailabilita a potenciální mobilita kovů (jednoduché nebo sekvenční extrakce) 1

ODHAD VZNIKU AMD PROBLEMATIKA ODBĚRU VZORKŮ distribuce kyselinotvorných minerálů a minerálů pufrujících nízké ph je heterogenní v mikro- i makroměřítku problém získání reprezentativního vzorku horniny (obvykle z vrtů) pro studium stanovení potenciálu vzniku AMD: zejména polymetalické a mezotermální žilná ložiska smíšený vzorek z vrtů vede spíše k podcenění vzniku AMD při odběru sulfidických odpadů (obvykle jen z historická těžby) pro stanovení potenciálu vzniku AMD obvykle stačí smíšený vzorek z 15-30 vzorků 3. STATICKÝ LOUŽÍCÍ TEST (VSÁDKOVÝ) není standardizován, existuje celá řada přístupů, doporučení a návodů :-( a. Měření ph a vodivosti v suspenzi reprezentativní rozdrcený vzorek je saturovaný destilovanou vodou na 12-24 hodin pokud je ph suspenze < 4, pak vzorek uvolňuje kyselost pokud je EC suspenze > 20 μs/cm, pak dochází vysokému uvolnění látek do roztoku b. Stanovení kyselin a bází (Acid Base Accounting, ABA) 1. produkce kyseliny: stanovuje maximum H 2 SO 4 potenciálně uvolněné z haldy na základě celkového obsahu síry ve vzorku (MPA Maximum Potential Acidity nebo APP Acid Production Potential v kg H 2 SO 4 /t = wt.% S 30,625 nebo AP Acid Potential v kg CaCO 3 /t = wt.% S 31,25 ) 2. spotřeba kyseliny: určuje pufrační kapacitu pomocí titrace okyseleného vzorku (ANC Acid Neutralizing Capacity nebo AC Acid Consumption v kg H 2 SO 4 /t nebo NP Neutralization Potential v kg CaCO 3 /t) b. Stanovení kyselin a bází (Acid Base Accounting, ABA) 3a.Výpočet NAPP Net Acid Production Potential : rozdíl mezi MPA a ANC (NAPP = MPA ANC) => tzn. pozitivní NAPP indikuje možnost vzniku AMD a negativní NAPP vyšší pufrační potenciál 3b.Výpočet NNP Net Neutralization Potential : rozdíl mezi NP a AP (NNP = NP - AP); odpady s NNP > 0 kg CaCO 3 /t teoreticky nemají potenciál ke vzniku AMD, prakticky to platí pro materiály s NNP > +20 nebo +30 kg CaCO 3 /t b. Stanovení kyselin a bází (Acid Base Accounting, ABA) 3c.Výpočet NPR Neutralization Potential Ratio : poměr mezi NP a AP nebo MPA (NP/AP nebo NP/MPA) => tzn. teoreticky při NPR > 1 nebude vznikat AMD, při NPR < 1 indikuje vznik AMD; prakticky však bezpečná hodnota poměru je vyšší než 2, 3,4 c. Celková produkce kyselin (Net Acid Generation, NAG) přímo stanovuje množství vzniklé H 2 SO 4 ve vzorku odpadu do vzorku se přidává silné oxidační činidlo (peroxid vodíku), které urychluje oxidaci sulfidů a po 24 hodinách následuje měření ph a obsahu S pokud je výsledné NAG ph > 4,5, vzorek není kyselinotvorný při NAG ph < 4,5 vzorek uvolňuje přemíru kyselosti 2

3. STATICKÝ LOUŽÍCÍ TEST (VSÁDKOVÝ) a : vzorky s odlišnými NAG a NAPP výsledky musí být charakterizovány mineralogickým studiem a dynamickým testem výhodou statického testu je jednoduchost, rychlost, malé finanční náklady nevýhodou je nepřesnost (mnoho předpokladů): vzorky jsou drcené a mleté což vede ke zvětšení povrchu měřený celkový obsah síry obvykle nereprezentuje AP nebo MPA, protože kromě sulfidické síry jsou obsaženy sírany a elementární síra předpokládá že všechny minerály produkující a neutralizující kyselost budou reagovat; nepředpokládá vznik povlaků sekundárních minerálů oxidace organické hmoty během NAG testu může ovlivnit ph ODHAD VZNIKU AMD - 4. DYNAMICKÝ TEST ODHAD VZNIKU AMD - 4. DYNAMICKÝ TEST 4. DYNAMICKÝ LOUŽÍCÍ TEST (KOLONOVÝ) simulace zvětrávání a oxidace v sulfidickém odpadu interakce materiálu se vzduchem a vodou po několik měsíců až 3 roky (urychluje se vstupem většího množství vody) experiment probíhá s dobře charakterizovaným materiálem o navážce od 1 kg po několik tun, průběžně se měří ph, EC, rozpuštěné sírany, kovy a metaloidy hlavní výhoda je ve zjišťování časové posloupnosti procesů (začátek oxidace, zpomalení oxidace, etc.), měření výstupu kovů a metaloidů metodika není standardizovaná (laboratorní testy vs. testy v terénu) testy v terénu jsou výhodnější, neboť zaručují stejné klimatické podmínky, a obvykle i možnost testování většího množství materiálu ODHAD VZNIKU AMD - 4. DYNAMICKÝ TEST ODHAD VZNIKU AMD - 4. DYNAMICKÝ TEST 3

ODHAD VZNIKU AMD - 4. DYNAMICKÝ TEST ODHAD VZNIKU AMD - 5. MODELOVÁNÍ 5. MATEMATICKÉ MODELOVÁNÍ OXIDACE jednoduché modely, které nepředpokládají vliv mnoha faktorů; využívá jen malého množství proměnných složitější geochemické modely (software); kvantifikuje se fyzikální mechanismus, který nejvíce ovlivňuje oxidaci; využívá parametrů ph, teploty, Fe 3+ koncentrace, zrnitostní distribuce, velikosti povrchu, bakteriální populace, složení sulfidů, krystalinity sulfidů, etc. modely jsou obvykle stále zatím více efektní nežli efektivní MONITORING SULFIDICKÝCH ODPADŮ MONITORING SULFIDICKÝCH ODPADŮ TERÉNNÍ INDIKÁTORY SULFIDICKÉ OXIDACE charakteristické zbarvení horniny a sraženin ve vodě vlivem vzniku sekundárních Fe oxidů a hydroxidů pach po síře neúspěšná vegetace na důlních odpadech časté výkvěty sekundárních minerálů uvnitř odpadů a na jejich povrchu zvýšená magnetická susceptibilita způsobená vysokým množstvím magnetických Fe oxidů a karbonátů MONITORING SULFIDICKÝCH ODPADŮ MONITORING SULFIDICKÝCH ODPADŮ TERÉNNÍ INDIKÁTORY SULFIDICKÉ OXIDACE zvýšená teplota v odpadu vlivem oxidace sulfidů snížený obsah kyslíku v pórovém plynu snížené ph, zvýšené EC, sírany, kovy (Cu, Zn, etc.) a hlavní kationty (Na, K, Ca, Mg) v interagujících vodách poslední tři zmíněné indikátory se obvykle využívají k monitoringu sulfidických odpadů, abychom (1) znali začátek vzniku AMD, vývoj v produkci AMD případně (2) určili efektivitu sanace / rekultivace OBVYKLÉ PARAMETRY MONITORINGU rozpuštěné koncentrace kontaminantů a jejich toky ve vodě teplotní profily sulfidickými odpady: (a) dálkové snímkovaní teploty teplotní infraredovou spektrometrií je vhodné pro určování oxidace na povrchu (lomy), (b) in situ, uvnitř těles důlních odpadů umístěním termistorů nebo termočlánků koncentrace kyslíku v pórovém plynu: profil koncentrace kyslíku důlním odpadem obvykle ukazuje pokles koncentrace s hloubkou; oblasti s aktivní oxidací se projevují ostrým gradientem parciálního tlaku kyslíku v profilu 4

DOPADY NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ eroze důlních odpadů chudá nebo žádná vegetace vysoký obsah solí, kyselost, nízký obsah půdních živin (N, P) a organické hmoty zamezuje rozšíření vegetace nedostatek vegetačního pokryvu vede ke zvýšení eroze nerekultivovaná tělesa důlních odpadů se velmi pomalu postupně zatravňují a zalesňují sama adaptovanou flórou Eolická eroze jemnozrnného materiálu Ni-Cu odkaliště Výkvěty Ni, Cu a Fe síranů na povrchu odkaliště vlivem intenzivní evaporace 5

PREVENCE OXIDACE SULFIDŮ cílem je minimalizovat interakci sulfidického odpadu s reaktanty oxidace: voda kyslík úprava ph zamezení vzniku Fe 3+ zamezení bakteriální činnosti odstranění nebo izolace sulfidů tvorba bariéry (mokré nebo suché), selektivní nakládání a izolace sulfidických odpadů, mísení s jinými anorganickými materiály a organickými odpady, bakteriální inhibice, vznik krust MOKRÉ BARIÉRY principem je zatopení sulfidického odpadu a snížení koncentrace a transportu kyslíku navíc se tím snižuje míra eroze a podporuje růst bakterií redukující síran (fixace kovů do novotvořených sulfidů) vhodné jen pro důlní odpady s vysokým obsahem sulfidů (oxidační produkty se mohou ve vodě rozpouštět) musí být trvale zachováno stagnující anoxické prostředí: hloubka vodního sloupce musí být dostatečná, aby nedocházelo ke zvýšenému přísunu kyslíku vlnami srážky převažují nad evaporací (nikoli semi-aridní oblasti) 6

principem je překrytí sulfidického odpadu vrstvou pevného materiálu a snížit transport kyslíku a vody pro překryv se používá materiál s nízkou hydraulickou konduktivitou: nesulfidické důlní odpady, oxidované odpady, jílové půdy, půdy, organické odpady a neutralizační materiál (vápenec, vápno, dolomit, brucit) nejjednodušeji se používá jílu zhutnělého na cca 1 m tlustou vrstvu často se používá i komplexní, kombinované bariéry kombinovaná suchá bariéra může vypadat takto (od povrchu směrem dolů): vrstva půdy a horniny- zadržuje vlhkost, je substrátem pro vegetaci a zabraňuje erozi vrstva hrubozrnného materiálu- odvádí infiltrovanou vodu vrstva stlačeného jílu (> 30 cm)- malé vzdušné póry, snižuje propustnost bariéry a snižuje rychlost difůze kyslíku vrstva hrubozrnného materiálu- zabraňuje kontaktu salinních důlních vod s vrstvou jílu vrstva stlačeného neutralizačního materiálů- snižuje reaktivitu důlního odpadu a iniciuje vznik chemické zátky (krusty) PROBLÉMY eroze, subsidence, degradace na svazích konstrukce efektivní suché bariéry souvisí na klimatu oblasti 1. Nesaturovaná bariéra: používá se v (semi)-aridních oblastech, kde převažuje evaporace nad srážkami musí rychle odvádět srážkovou vodu po povrchu a zabraňovat infiltraci a difůzi kyslíku tenká svrchní vrstva půdy zabraňuje zakořenění stromů konstrukce efektivní suché bariéry souvisí na klimatu oblasti 2. Saturovaná bariéra: používá se v humidních oblastech vrstvy zůstávají po celý rok saturované vodou (pomalá difůze kyslíku) kvalitní saturovaná bariéra odvádí srážkovou vodu a zároveň je vrstva písčitých jílovců nasycená vodou při vysušení mohou vzniknout trhliny v jílové vrstvě odtok AMD 7

konstrukce efektivní suché bariéry souvisí na klimatu oblasti Rum Jungle uranium mine: trhliny v jílové vrstvě vedly k odtékání AMD 3. Sací sponge bariéra: používá se v oblastech s výraznými sezónními dešti vrchní propustná vrstva se během dešťů nasytí vodou, která zabraňuje přístupu kyslíku vstup vody do sulfidických vrstev je limitován silnou evapotranspirací vliv vegetace je významný ZAPOUZDŘENÍ SULF. ODPADŮ, UKLÁDÁNÍ DO LOMŮ principem je obklopení sulfidických odpadů s vysokým potenciálem vzniku AMD benigním odpadem (oxidační odpady, neutralizační látky) zapouzdření na haldách encapsulation method ukládání do vytěžených prostor lomu in-pit disposal method SPOLUUKLÁDÁNÍ ODPADŮ S RŮZNOU ZRNITOSTÍ principem je míšení a ukládání hrubozrnné hlušiny s jemnozrnným úpravárenským odpadem mění se hydraulické vlastnosti, které vedou k větší saturaci a zadržení vody transport kyslíku je pomalý MÍŠENÍ S NEUTRALIZAČNÍMI MATERIÁLEM přidává se alkalický materiál, který zvyšuje neutralizační potenciál (vápenec, vápno) cílem je (a) minimalizovat vznik AMD a (b) fixovat potenciálně rozpustné kovy a metaloidy (oxidy, hydroxidy, karbonáty, sírany) míšení musí probíhat před ukládáním odpadů; povrchová aplikace alkalického materiálu není úspěšná nevýhodou je probíhající oxidace sulfidů; dochází k fixaci Fe, Al, Cu, a Pb, nicméně As, Cd, Mo a Zn mohou být mobilní MÍŠENÍ S ORGANICKÝMI MATERIÁLEM je buď podpovrchovou součástí suchých bariér nebo tvoří reaktivní, málo propustnou povrchovou vrstvu používá se splaškový kal, štěpka, piliny, mrva, rašelina, papírenské odpady, komunální odpady mechanismy inhibice oxidace sulfidů jsou: pufruje ph a tvoří redukční podmínky, které vedou k redukci síranu na sulfid a fixaci kovů do sulfidů rozpuštěné organické látky tvoří se železem stabilní organické komplexy nebo i sekundární fáze organické látky se sorbují na povrchy sulfidů a zpomalují tak jejich oxidaci 8

POUŽITÍ ANTIBAKTERIÁLNÍCH LÁTEK BAKTERICIDŮ některé anionogenní detergenty, organické kyseliny a potravinářské konzervanty se chovají jako selektivní baktericidy (laurylsíran sodný, alkylbenzensulfonát) nevýhody baktericidů jsou v možných dopadech na životní prostředí: toxicita na jiná společenstva organismů vznik rezistivity vůči baktericidům komplikace při zajištění homogenní aplikace baktericidu v důlním odpadu jsou rozpustné ve vodě mohou odtéct musí se opakovaně aplikovat při vzniku nových populací bakterií 9