Mat. Symp. str. 25 39 Zbigniew BZOWSKI*, Jan ZAWIŚLAK** *Główny Instytut Górnictwa, Katowice **Pomiar-GIG Sp. z o.o., Lublin Aspekt środowiskowy wietrzenia karbońskich odpadów górniczych wykorzystywanych do rekultywacji terenów pogórniczych w rejonie Bogdanki Streszczenie W pracy zaprezentowano wynik badań karbońskich odpadów powęglowych z kopalni Bogdanka, w różnym stopniu zwietrzałych, wykorzystanych do różnych zastosowań. Wykazano, że w czasie wietrzenia tych odpadów następuje dezintegracja ziarnowa, czego efektem jest naturalne zagęszczanie odpadów. Pod względem mineralogicznym zmiany wietrzeniowe zachodzą stosunkowo wolno. Zagęszczanie odpadów ogranicza powstawanie siarczanów na drodze wietrzenia (utleniania) siarczków żelaza, ale nie powoduje ograniczenia wymywania z nich chlorków i sodu. W pracy wykazano, że wietrzenie odpadów powęglowych prowadzi do wypłukiwania z nich w pierwszej kolejności chlorków i sodu, a następnie siarczanów i potasu, a zjawiska te mogą być uciążliwe dla środowiska. Ponadto określono zasady monitoringu odpadów i środowiska w miejscu ich gospodarczego wykorzystania. 1. Wstęp Prezentowane wyniki prowadzonego monitoringu właściwości mechanicznych i fizykochemicznych karbońskich odpadów powęglowych pochodzących z kopalni Bogdanka w Lubelskim Zagłębiu Węglowym wskazują na liczne możliwości ich gospodarczego wykorzystania (Gazda i in. 1988; Łyszczarz 1996; Zawiślak i Bzowski 1996; Bzowski i Zawiślak 2000; Prace zbiorowe 2000, 2002; Borys i in. 2002; Bzowski 2004). Odpady te zarówno pod względem mineralogicznym jak i fizykochemicznym stanowią materiał przydatny dla wykorzystania w szeroko rozumianej rekultywacji. Szczególnie iłowce i łupki ilaste łatwiej ulegające degradacji, równocześnie o dobrej zdolności buforowania środowiska, są dobrym materiałem dla wykorzystania w rekultywacji bezglebowej (Bzowski i Zawiślak 2000; Chaber i Bzowski 2002). Wszystko wskazuje na to, że zawartości metali ciężkich w odpadach powęglowych z kopalni Bogdanka nie stanowiły i nie stanowią zagrożenia dla środowiska naturalnego. Jednak w myśl bezpieczeństwa ekologicznego podjęto próbę oceny wykorzystywanych do rekultywacji terenów pogórniczych odpadów karbońskich kopalni Bogdanka z uwzględnieniem procesu wietrzenia. 25
Z. BZOWSKI, J. ZAWIŚLAK Aspekt środowiskowy wietrzenia karbońskich odpadów... 2. Charakterystyka pobranych próbek do badań Dla realizacji prezentowanej pracy dotyczącej oceny zmian właściwości fizykochemicznych odpadów powęglowych o różnym stopniu wietrzenia pobrano cztery próbki oznaczone B-0, B-1, B-2 i B-3. Próbka B-0 pochodziła bezpośrednio z kopalni Bogdanka i odpad ten traktowano jako świeży. Pozostałe próbki karbońskich odpadów powęglowych pochodziły z różnych miejsc wykorzystania tych odpadów w latach minionych. Poniżej przedstawiono krótką charakterystykę pobranych próbek. 1) Próbka B-0: miejsce pobrania: taśmociąg z kopalni Bogdanka do punktu załadunku na samochody, wiek: bezpośrednio z wydobycia (odpad świeży ), charakter (skład petrograficzny): mieszanina szarych iłowców o niewyraźnej łupliwości z jasnoszarymi mułowcami bez warstwowania, z ciemnoszarymi łupkami ilastymi laminowanymi substancją organiczną wraz z luźnym materiałem ilastym (gleby stigmariowe) oraz z brunatno-szarymi syderytami ilastymi, uziarnienie: brak frakcji gruboziarnistej powyżej 25 mm, a frakcji powyżej 16 mm jest 1,6%, dominuje fakcja w przedziale 8 4 mm, ale sumarycznie udział frakcji piaszczystej jest największy i stanowi 51,0%, frakcji najdrobniejszej poniżej 0,1 mm 0,5%. 2) Próbka B-1: miejsce pobrania: Puchaczów, droga lokalna przy kanale Wieprz Krzna, wiek: około 15 18 lat (informacja ustna mgr inż. Jerzego Zięby), charakter: mieszanina iłowców i mułowców spojonych materiałem ilastym, materiał zwięzły, zbity (zagęszczony), uziarnienie: dominuje frakcja gruba (powyżej 16 mm) 51,3%, frakcji najdrobniejszej poniżej 0,1 mm jest 2,5%. 3) Próbka B-2: miejsce pobrania: wschodnia skarpa składowiska odpadów powęglowych w Bogdance, wiek: około 7 8 lat, charakter: zwietrzałe łupki ilaste i iłowce, zwarte mułowce i syderyty ilaste, mieszanina lekko ubita (zagęszczona), uziarnienie: frakcja gruba (powyżej 16 mm) 32,5% przy jednoczesnym udziale frakcji piaskowej w ilości 33% i żwirowej 22%; frakcji najdrobniejszej poniżej 0,1 mm 2,5%. 4) Próbka B-3: miejsce pobrania: zrekultywowane z wykorzystaniem karbońskich odpadów powęglowych wyrobisko odkrywkowe w Albertowie, wiek: około 6-7 lat, charakter: zwietrzałe łupki ilaste, iłowce w mieszaninie z twardymi mułowcami i syderytami ilastymi, uziarnienie: dominuje frakcja piaszczysta 50,0% z równomiernym udziałem frakcji grubej powyżej 16 mm 21,9% i żwirowej 25,1%; frakcji najdrobniejszej poniżej 0,1 mm jest 3,0%. 26
3. Metody badań Skład ziarnowy pobranych próbek karbońskich odpadów powęglowych oznaczono metodą sitową zgodnie z PN-91/B-06714.15. Poprzez kwartowanie wydzielono próbki jednostkowe. Badania mineralogiczne wykonano rentgenowską metodą dyfrakcyjną (XRD) używając dyfraktometru firmy Philips PW 3710. Stosowano metodę proszkową (DSH), promieniowanie CuK z monochromatorem grafitowym i program operacyjny X Pert for WIN (X Pert Plus 1999). Skład mineralny zidentyfikowano na podstawie danych z kartoteki ASTM. (Gaweł, Muszyński 1992). oraz z bazy International Centre for Diffraction Data (JCPDS 1997) sprzężonej z dyfraktometrem programem PCPDFWIN v.1.30. Badania wykonano w Pracowni Rentgenograficznej Zakładu Mineralogii Wydziału Nauk o Ziemi Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. Podstawowy skład chemiczny oraz zawartość pierwiastków śladowych w badanych odpadach oznaczono metodą spektrometrii fluorescencji rentgenowskiej (XRF). Wykorzystano sekwencyjny spektrometr typu PW 1404 firmy Philips. Oznaczenia wykonano w oparciu o opracowane metody w Zakładzie Monitoringu Środowiska GIG (Bojarska i Bzowski 1997, Bzowski i Bojarska 2003). Wyciągi wodne z badanych karbońskich odpadów powęglowych wykonano w proporcji 1:10. Metodyka taka jest zgodna z wytycznymi zawartymi w Rozporządzeniu Rady Ministrów z dnia 27.12.2000r. (Dz.U. Nr 120, poz. 1284) zalecanymi przez Państwową Inspekcję Ochrony Środowiska. Wyciąg wodny (test wymywalności) jest jedną z najlepszych metod określenia ilości zanieczyszczeń uruchamianych z odpadów do środowiska i preferowany jako metodyka badawcza odpadów w krajach Unii Europejskiej (Report 1994, Heasman 1997). Podstawowe składniki wyciągu wodnego: sód i potasu oznaczono fotometrycznie wg PN-ISO 9964-3:1994, azotany zmodyfikowaną metodą Kjeldahla (Ostrowska i in. 1991), chlorki metodą Mohr'a wg PN-ISO 9297:1994, a siarczany wagowo wg PN-74/C-04566.09. Zawartości metali ciężkich oznaczono metodą spektrometrii emisyjnej z plazmą wzbudzoną indukcyjnie (AES- ICP), wykorzystując spektrometr Optima 3000 DV Perkin Elmer. Oznaczenia fizykochemiczne wykonano w Laboratoriach: Pomiar-GIG Sp. z o.o. w Lublinie posiadającym wdrożony system jakości zgodny z PN-EN ISO/IEC 17025:2001 oraz w posiadającym Certyfikat Akredytacji PCA Laboratorium Analiz Odpadów Stałych Zakładu Monitoringu Środowiska GIG w Katowicach 4. Wyniki badań 4.1. Monitoring ilości karbońskich odpadów powęglowych Monitoring odpadów karbońskich skał płonnych składa się z podsystemu obejmującego badania, zbieranie i gromadzenie informacji dotyczących ich ilości i jakości oraz systemu oceny w tych elementach. Uzyskane informacje na temat monitoringu ilości karbońskich odpadów powęglowych wytwarzanych w kopalni węgla kamiennego Bogdanka wykazują, że w latach 1993 2003 powstawało rocznie od 1186,9 do 2043,4 tys. ton odpadów. Zarówno w 1993 jak i 2001 roku zagospodarowano ponad 98% odpadów a bardzo małe ilości (16,8 i 17,88 tys. ton) umieszczono na składowisku. Natomiast w latach 2002 i 2003 gospodarczo wykorzystano 100% odpadów (tab. 4.1). 27
Z. BZOWSKI, J. ZAWIŚLAK Aspekt środowiskowy wietrzenia karbońskich odpadów... Monitoring ilości karbońskich odpadów powęglowych z kopalni Bogdanka Quantity Monitoring of wastes from Coal Mine Bogdanka Rok ODPADY KARBOŃSKIE ogółem na składowisku w tonach w tonach udział w % 1993 1 186 900 16 800 1,42 1994 1 534 000 1 107 700 72,21 1995 1 669 677 1 097 713 65,74 1996 1 769 820 1 181 279 66,75 1997 1 909 873 1 218 549 63,80 1998 1 924 101 933 023 48,49 1999 1 824 440 373 950 20,50 2000 2 043 399 494 091 24,18 2001 1 672 113 17 880 1,07 2002 1 808 447 0 0 2003 2 035 718 0 0 2004* 1 445 939 41 886 2,90 * dotyczy danych za 9 miesięcy 2004 roku (styczeń-wrzesień). Tabela 4.1 Table 4.1 4.2. Odpady powęglowe z kopalni Bogdanka po różnym czasie wietrzenia W realizacji niniejszej pracy ujęto ocenę własności fizykochemicznych odpadów powęglowych pochodzących bezpośrednio z kopalni Bogdanka (B-0) oraz pochodzących z różnych czasowych etapów wietrzenia: B-1 (15 18 lat), B-2 (7 8 lat) i B-3 (6 7 lat). 4.2.1. Zmiany w składzie mineralnym Dominującymi minerałami w badanej próbce świeżych (B-0) karbońskich odpadów powęglowych z kopalni Bogdanka są minerały ilaste, których udział waha się od 60 do 65%. Wśród nich wyróżnić należy zawartości kaolinitu (35 40%) i illitu (20 25%) oraz znacznie mniejsze ilości minerałów mieszanopakietowych. Dopełnienie składu mineralnego stanowi kwarc (20 25%), syderyt, skalenie, piryt i substancja organiczna. Graficznie wyniki badań prezentuje rysunek 4.1. Różnice występujące w składzie mineralnym odpadów powęglowych przekształcających się pod wpływem wietrzenia uwidaczniają się w ilościach oznaczonych minerałów ilastych: kaolinitu, chlorytów i smektytu oraz innych: kwarcu i syderytu. Zmienne ilości poszczególnych minerałów ilastych mogą wynikać również z występowania tych minerałów w strukturach mieszano-pakietowych podlegających rozpadowi na skutek wietrzenia. Natomiast zmienne ilości syderytu związane są z miejscowym występowaniem oolitowej formy tego minerału w tzw. glebach stigmariowych często ułożonych w stropach i spągach pokładów węgla (Cichoń 1977). 28
Rys. 4.1. Dyfraktogram próbki odpadów powęglowych z kopalni Bogdanka ( świeże ) Objaśnienia: I illit; K kaolinit; P piryt; S syderyt; Sk skaleń; Q kwarc Fig. 4.1. Diffraction pattern of wastes from Coal Mine Bogdanka ( fresh ) 1) Próbka B-1. Puchaczów, droga lokalna przy kanale Wieprz-Krzna (ok. 15 18 lat), W składzie mineralnym próbki dominują minerały ilaste tj. kaolinit, illit i chloryt. Kwarc jest uzupełnieniem składu, podobnie, ale w mniejszych ilościach skalenie i syderyt. W próbce występuje również substancja organiczna o czym świadczy podwyższone tło na dyfraktogramie (rys. 4.2). Efektem długotrwałego wietrzenia jest wzrost zawartości chlorytu po przeobrażeniu skaleni, i illitu, który może być produktem przeobrażenia mik obecnych w odpadach. Rys. 4.2. Dyfraktogram próbki odpadów powęglowych z kopalni Bogdanka pobranych w Puchaczowie na drodze lokalnej przy kanale Wieprz Krzna, Objaśnienia: Ch chloryt, I illit, K kaolinit, S syderyt, Sk skaleń, Q kwarc Fig. 4.2. Diffraction pattern of wastes from Coal Mine Bogdanka taken in Puchaczow from local road near Wieprz Krzna canal 29
Z. BZOWSKI, J. ZAWIŚLAK Aspekt środowiskowy wietrzenia karbońskich odpadów... 2) Próbka B-2. Wschodnia skarpa składowiska odpadów w Bogdance (ok. 7 8 lat). W składzie mineralnym tej próbki dominują minerały ilaste tj. kaolinit, illit i chloryt. Kwarc jest uzupełnieniem składu, podobnie, ale w mniejszych ilościach syderyt i skalenie. W próbce występuje również substancja organiczna o czym świadczy podwyższone tło na dyfraktogramie (rys. 4.3). Pod względem mineralnym, odpad powęglowy zwałowany na składowisku nie różni się od tego samego odpadu wykorzystanego do budowy drogi przy kanale (B-1). Efekt wietrzeniowy wydaje się być podobny pomimo różnego wieku, co prawdopodobnie jest rezultatem słabszego zagęszczenia. Rys. 4.3. Dyfraktogram próbki odpadów powęglowych z kopalni Bogdanka pobranych na składowisku w Bogdance (część wschodnia skarpy składowiska) Objaśnienia: Ch chloryt, I illit, K kaolinit, S syderyt, Sk skaleń, Q kwarc Fig. 4.3. Diffraction pattern of wastes from Coal Mine Bogdanka taken from the dump in Bogdanka (eastern part of dump slope) 3) Próbka B-3. Zrekultywowane wyrobisko odkrywkowe w Albertowie (ok. 6 7 lat). W składzie mineralnym próbki odpadów powęglowych pobranej w Albertowie dominują minerały ilaste: kaolinit i illit. Możliwa jest również obecność minerałów o strukturach mieszanopakietowych. Kwarc jest uzupełnieniem składu, podobnie, ale w mniejszych ilościach syderyt i skalenie (rys. 4.4). Prawdopodobnie skalenie nie ulegają chorytyzacji (brak chorytu). Badana próbka wykazuje niewielkie efekty wietrzenia, ponieważ odpady karbońskie pochodzące z kopalni Bogdanka zostały wykorzystane do rekultywacji wyrobiska w Albertowie z okryciem glebowym. W porównaniu z poprzednio badanymi próbkami wynika, że wykonane okrycie glebowe (gliniasto piaszczyste) uwałowanej masy badanych odpadów powęglowych znacznie ogranicza ich wietrzenie. 30
Rys. 4.4. Dyfraktogram próbki odpadów powęglowych z kopalni Bogdanka pobranych na zrekultywowanym wyrobisku odkrywkowym w Albertowie Objaśnienia: I illit, K kaolinit, S syderyt, Sk skaleń, Q kwarc Fig. 4.4. Diffraction pattern of wastes from Coal Mine Bogdanka taken from the reclamated open cast in Albertow (eastern part of dump slope) 4.2.2. Zmiany w składzie chemicznym Podstawowy skład chemiczny badanych próbek karbońskich odpadów powęglowych pochodzących z kopalni Bogdanka na różnych etapach wietrzenia jest odzwierciedleniem ich składu mineralnego. Jak wcześniej stwierdzono, próbki oznaczone B-1, B-2 i B-3 wykazują charakter ilasty, co obrazuje ponad 22% zawartość Al 2O 3. Wśród nich próbka B-3 pochodząca z terenu rekultywacji w Albertowie, najbardziej ilasta, charakteryzuje się najwyższą zawartością glinu przy najniższej ilości SiO 2 (tab. 4.2). Tabela 4.2. Wyniki badań składu chemicznego karbońskich odpadów powęglowych z kopalni Bogdanka na różnych etapach wietrzenia w % Table 4.2. Research results of chemical composition of wastes from Coal Mine Bogdanka on different weathering stages Składnik B-0 B-1 B-2 B-3 SiO 2 44,03 52,54 46,93 42,71 TiO 2 1,08 1,09 1,08 1,05 Al 2O 3 25,42 22,32 22,79 23,40 Fe 2O 3 3,65 4,39 5,37 4,70 CaO 0,32 0,37 0,20 0,24 MgO 1,19 1,33 1,21 1,09 Na 2O 0,24 0,20 0,14 0,16 K 2O 2,45 2,33 2,36 2,29 P 2O 5 0,12 0,14 0,11 0,11 SO 3 0,35 0,39 0,37 0,31 Str. prażenia 20,82 14,50 19,10 23,53 Suma 99,67 99,60 99,66 99,58 31
Z. BZOWSKI, J. ZAWIŚLAK Aspekt środowiskowy wietrzenia karbońskich odpadów... 4.2.3. Aspekt środowiskowy wietrzenia zawartości metali ciężkich Uzupełnieniem składu chemicznego badanych odpadów powęglowych z kopalni Bogdanka wykorzystywanych dla wielu sposobów zagospodarowania i na różnych etapach wietrzenia są oznaczone ilości metali ciężkich. Według obowiązującego prawa dopuszczalne zawartości zanieczyszczeń pierwiastków śladowych w odpadach zależą od miejsca ich wykorzystania. Możliwe jest wykorzystanie odpadów powęglowych na terenach grupy B grunty użytków rolnych z wyłączeniem gruntów pod stawami i gruntów pod rowami, grunty leśne oraz zadrzewione i zakrzewione, nieużytki, a także grunty zabudowane i zurbanizowane z wyłączeniem terenów przemysłowych, użytków kopalnianych oraz terenów komunikacyjnych oraz terenów zaliczonych do grupy C tereny przemysłowe, użytki kopalniane, tereny komunikacyjne. Zgodnie z takim podziałem próbki B-1 i B-2 pobrano na terenach należących do grupy C z głębokości nie większej od 2 m. Porównanie wyników badań zawartości zanieczyszczeń pierwiastkami śladowymi w tych próbkach odnieść należy do wartości dopuszczalnych w gruntach terenów grupy C. Próbkę B-3 pobrano w Albertowie na terenie rekultywacji leśnej sąsiadującym z obszarami użytków rolnych i miejsce tego pobrania należy zaliczyć do terenów grupy B. W tym przypadku wyniki badań zawartości zanieczyszczeń pierwiastkami śladowymi porównać należy do dopuszczalnych wartości gleb terenów B. Porównanie w prezentowanym układzie przedstawia tabela 4.3. Tabela 4.3. Porównanie wartości dopuszczalnych zanieczyszczeń w glebie i ilości w karbońskich odpadach powęglowych z kopalni Bogdanka na różnych etapach wietrzenia w mg/kg (ppm) Table 4.3. Comparison of contaminants limit values in soils and the amounts of contaminants in wastes from Coal Mine Bogdanka on different weathering stages in mg/kg (ppm) Zanieczyszczenie Dopuszczalne ilości* B-0 B-1 B-2 B-3 B 0-0,3m C 0-2,0m Arsen (As) 20 60 8 < 2 < 2 < 2 Bar (Ba) 200 1000 457 488 680 659 Chrom (Cr) 150 500 112 150 104 97 Cyna (Sn) 20 350 < 2 < 2 < 2 < 2 Cynk (Zn) 300 1000 93 203 184 121 Kadm (Cd) 4 15 < 2 < 2 < 2 < 2 Kobalt (Co) 20 200 27 75 39 33 Miedź (Cu) 150 600 59 37 69 31 Molibden (Mo) 10 250 < 2 < 2 < 2 < 2 Nikiel (Ni) 100 300 65 49 12 24 Ołów (Pb) 100 600 26 55 55 43 Rtęć (Hg) 2 30 < 1 < 1 < 1 < 1 * - wg Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 9 września 2002r. w sprawie standardów jakości gleby oraz standardów jakości ziemi (Dz.U.Nr 165, poz.1359) - grupa B głębokość 0 0,3m. - grupa C głębokość 0 2,0m. Objaśnienia: B-0 odpad świeży z kopalni Bogdanka, B-1 z Puchaczowa, droga lokalna przy kanale Wieprz-Krzna (ok. 15 18 lat), B-2 ze wschodniej skarpy składowiska odpadów powęglowych w Bogdance (ok. 7 8 lat), B-3 ze zrekultywowanego wyrobiska odkrywkowego w Albertowie (ok. 6 7 lat). 32
Z zestawienia w tabeli 4.3 wynika, że zawartości zanieczyszczeń w postaci normowanych ilości pierwiastków śladowych w próbkach B-1 i B-2 są niższe od wartości dopuszczalnych (grunt przypowierzchniowy terenów C). Jednak podwyższone zawartości chromu, kobaltu i cynku w próbkach odpadów B-1, B-2 i B-3 wynikają prawdopodobnie z procesu wietrzenia (tab. 4.3). Próbka B-3 pobrana z rekultywowanego terenu w Albertowie (B-3) poza oznaczonymi ilościami baru i kobaltu zawiera mniej zanieczyszczeń w postaci pierwiastków śladowych w porównaniu do dopuszczalnych wartości gleb terenów B (tab. 4.3). W przypadku stwierdzonych ilości baru i kobaltu w badanych odpadach powęglowych z Albertowa, podobnie jak w prezentowanej interpretacji wyników monitoringu zawartości tych pierwiastków w świeżych odpadach powęglowych z kopalni Bogdanka zastosowanie ma 1. ust. 4 - Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 9 września 2002r. w sprawie standardów jakości gleby oraz standardów jakości ziemi (Dz.U.Nr 165, poz. 1359). Zgodnie z cytowanym Rozporządzeniem, w porównaniu do gleb zaliczanych do terenów grupy B, badane odpady powęglowe pochodzące z kopalni Bogdanka i pobrane na terenie rekultywacji w Albertowie (B-3) wykazują podwyższone, ale naturalne zawartości baru i kobaltu, co nie należy traktować jako przekroczenia ilości dopuszczalnych. 4.2.4. Aspekt środowiskowy wietrzenia składniki wyciągów wodnych Badania stężeń składników podstawowych w wyciągach wodnym i aspekcie środowiskowym wykonano w celu uzyskaniu informacji czy i w jaki sposób możliwe jest zagrożenia środowiska wodnego miejsc wykorzystania badanych odpadów. Otrzymane wyniki badań wyciągów wodnych z próbek B-0, B-1, B-2 i B-3 prezentują rysunki 4.5, 4.6, 4.7, 4.8 i 4.9. Rys. 4.5. Stężenia siarczanów w wyciągach wodnych z odpadów powęglowych kopalni Bogdanka na różnych etapach wietrzenia Fig. 4.5. Concentration of sulfates in water eluates from Coal Mine Bogdanka wastes on different weathering stages 33
Z. BZOWSKI, J. ZAWIŚLAK Aspekt środowiskowy wietrzenia karbońskich odpadów... Rys. 4.6. Stężenia chlorków w wyciągach wodnych z odpadów powęglowych kopalni Bogdanka na różnych etapach wietrzenia Fig. 4.6. Concentration of chlorides in water eluates from Coal Mine Bogdanka wastes on different weathering stages Rys. 4.7. Stężenia sodu w wyciągach wodnych z odpadów powęglowych kopalni Bogdanka na różnych etapach wietrzenia Fig. 4.7. Concentration of sodium in water eluates from Coal Mine Bogdanka wastes on different weathering stages Stężenia siarczanów w wyciągu wodnym z odpadów powęglowych występujących w powierzchniowej części składowiska w Bogdance (B-1) są prawie dwukrotnie wyższe od stwierdzonych ilości w świeżych odpadach powęglowych z kopalni Bogdanka (B-0). 34
Natomiast niskie stężenia siarczanów stwierdzono w wyciągu wodnym z odpadów wykorzystanych przy kanale Wieprz Krzna (rys. 4.5). W przypadku badań stężeń potasu w wyciągach wodnych z odpadów powęglowych kopalni Bogdanka pobranych w różnych etapach wietrzenia, w porównaniu do wyników badań wyciągów wodnych z odpadów świeżych, stwierdzono sytuację odwrotną do obserwowanej dla stężeń siarczanów (rys. 4.5 i 4.8). Rys. 4.8. Stężenia potasu w wyciągach wodnych z odpadów powęglowych kopalni Bogdanka na różnych etapach wietrzenia Fig. 4.8. Concentration of potassium in water eluates from Coal Mine Bogdanka wastes on different weathering stages W przypadku stężeń w wyciągach wodnych siarczanów i potasu odwrotna sytuacja ilościowa spowodowana jest tym samym procesem zagęszczaniem. Stwierdzone największe stężenia wymywanego potasu w odpadach wynikają z braku dostatecznego kontaktu woda minerały ilaste. Ogranicza to uwalnianie potasu w środowisku, a wymywa się ten pierwiastek dopiero w warunkach badań laboratoryjnych. Zjawisko to tłumaczyć może również sposób uruchamiania w wodzie występujących azotanów w badanych odpadach powęglowych (rys. 4.9). W badanych wyciągach wodnych rozkład stężeń potasu i azotanów uwalnianych z odpadów powęglowych jest bardzo podobny (rys. 4.8 i 4.9). Gdy odpady powęglowe są przemywane wodami opadowymi w środowisku ich wykorzystania w wyciągach wodnych próbek pobranych z tych miejsc obserwuje się niskie stężenia potasu i azotanów. Przypuszczać można, że niskie stężenia potasu i azotanów w wyciągu wodnym wykonanym z próbki odpadów użytych do rekultywacji w Albertowie (B-3) wynikają również z wykorzystania tych składników przez rośliny wprowadzone w ramach rekultywacji biologicznej. 35
Z. BZOWSKI, J. ZAWIŚLAK Aspekt środowiskowy wietrzenia karbońskich odpadów... Rys. 4.9. Stężenia azotanów w wyciągach wodnych z odpadów powęglowych kopalni Bogdanka na różnych etapach wietrzenia Fig. 4.9. Concentration of nitrates in water eluates from Coal Mine Bogdanka wastes on different weathering stages 4.3. Wietrzenie karbońskich odpadów powęglowych a środowisko wodne Oddziaływanie wietrzejących karbońskich odpadów powęglowych na wody podziemne i powierzchniowe jest udokumentowane (Twardowska 1981; Twardowska i in. 1988; Smuszkiewicz 1995; Bzowski i Zawiślak 2000). Jednym ze sposobów oceny takiego oddziaływania są wyniki analiz wyciągów wodnych z odpadów powęglowych. Takie oceny kontrastują z wynikami badań terenowych. Jednym z miejsc gdzie monitorowane są wody odciekowe z karbońskich odpadów powęglowych kopalni Bogdanka jest wyrobisko Wesołówka. Miejsce to poddano rekultywacji, podobnie jak wyrobisko Albertów, z udziałem odpadów powęglowych kopalni Bogdanka. Po zakończeniu rekultywacji, ze zbiornika obok wyrobiska pobierano wodę do badań (monitoring) dla oceny wpływu tej działalności na środowisko. Wynik monitoringu w latach 1999 2004 wskazują, że wody odciekowe przy spadającym odczynie do wartości 6,3 wykazywały coraz większe stężenia sodu, potasu i siarczanów. Stężenia chlorków i azotanów wraz z upływającym czasem były coraz mniejsze (tab. 4.4). Uzyskane wyniki empiryczne odcieków z wyrobiska w Wesołówce potwierdzają obserwacje dotyczące stężeń w wyciągach wodnych z odpadów powęglowych na różnych etapach wietrzenia. Potwierdza się opinia, że zarówno zagęszczanie odpadów jak i ich uziarnienie w stosowanych aplikacjach mają znaczący wpływ na szybkość wietrzenia odpadów i równocześnie na różnorodny wpływ na środowisko wodno gruntowe. 36
Tabela 4.4. Wielkość ph i skład chemiczny wód w zbiorniku obok rekultywowanego wyrobiska w Wesołówce Table 4.4. ph values and waters chemical composition in water of the reservoir near reclamated excavation in Wesolowca Parametr Data badania 5.05.99. 27.10.99. 28.09.00. 13.05.03. 25.03.04. ph 7,65 6,95 7,30 6,53 6,30 mg/dm 3 Na + 69,20 151,04 102,30 103,45 157,50 K + 7,50 13,12 10,00 15,20 19,80 - NO 3 0,50 0,21 0,14 0,21 < 0,01 Cl - 56,74 92,20 62,06 28,37 35,46 2- SO 4 147,32 186,61 160,48 286,40 483,51 4.4. Wykorzystanie odpadów powęglowych do rekultywacji terenów pogórniczych monitoring środowiska Gospodarcze wykorzystanie odpadów powęglowych oraz/lub ich składowanie wymaga monitoringu na każdym etapie, zarówno samych odpadów jak i stanu środowiska w miejscach zastosowania (Bojarska i Bzowski 1997; Bzowski 2000; Bzowski i Bojarska 2003). Monitoring związany z wykorzystaniem powinien obejmować, właściwości fizykochemiczne odpadów powęglowych, w szczególności zawartości substancji organicznej, siarczków i węglanów. Natomiast miejsca wykorzystania powinny być objęte monitoringiem zanieczyszczeń wód podziemnych i powierzchniowych. W przypadku składowania odpadów karbońskich koniecznie jest prowadzenie monitoringu zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Środowiska z dnia 9 grudnia 2002 roku w sprawie zakresu, czasu, sposobu oraz warunków prowadzenia monitoringu składowisk odpadów (Dz.U. Nr 220, poz. 1858). 5. Wnioski Badania karbońskich odpadów powęglowych z kopalni Bogdanka wykorzystanych do różnych zastosowań na wielu etapach wietrzenia wykazały że: w czasie wietrzenia tych odpadów następuje dezintegracja ziarnowa, czego efektem jest wzrost ilości frakcji ziarnowych poniżej 4 mm, a proces ten powoduje naturalne zagęszczanie odpadów, wzrost ich gęstości nasypowej oraz prawdopodobnie zmniejszenie przepuszczalności wody. pod względem mineralogicznym zmiany wietrzeniowe zachodzą stosunkowo wolno i obserwuje się wzrost ilości chlorytów, illitu i niekiedy kaolinitu, a spadek zawartości skaleni oraz minerałów mieszanopakietowych, zagęszczanie tych odpadów ogranicza powstawanie siarczanów na drodze wietrzenia (utleniania) siarczków żelaza, ale nie powoduje ograniczenia wymywania z nich chlorków i sodu, w wyciągach wodnych z odpadów o różnym czasie wietrzenia, spadek wartości ph oraz wzrost stężenia siarczanów potwierdza fakt chemicznego, a być może i biologicznego utleniania pirytu, 37
Z. BZOWSKI, J. ZAWIŚLAK Aspekt środowiskowy wietrzenia karbońskich odpadów... efekt wietrzenia odpadów powęglowych może powodować wymywanie z nich, w pierwszej kolejności chlorków i sodu, a następnie siarczanów oraz potasu, proces ten może być niekiedy uciążliwy dla środowiska. W przypadku wykorzystania karbońskich odpadów powęglowych z kopalni Bogdanka do prac niwelacyjno technicznych i rekultywacyjnych lub ich składowania konieczne jest śledzenie zawartości substancji organicznej w tych odpadach oraz stosowanie prewencji pożarowej przez zagęszczanie. Ponadto w aspekcie procesu wietrzenia tych odpadów i efektu oddziaływania tego procesu na środowisko konieczny jest monitoring stanu środowiska miejsca zastosowań w zakresie zanieczyszczeń wód podziemnych oraz powierzchniowych. Podziękowania Autorzy składają serdeczne podziękowania za pomoc w realizacji badań pracownikom Laboratorium Analiz Odpadów Stałych Zakładu Monitoringu Środowiska GIG i Laboratorium Pomiar-GIG oraz dr Grażynie Bzowskiej z Zakładu Mineralogii Wydziału Nauk o Ziemi Uniwersytetu Śląskiego. Dziękujemy również za pomoc w realizacji pracy mgr inż. Laurze Łyszczarz, mgr Andrzejowi Dawidowskiemu oraz mgr inż. Jerzemu Ziębie. Literatura [1] Bojarska K., Bzowski Z. 1997: Monitoring analysis of major and trace elements in hard coal waste by XRF and ICP methods. In Proc.6th Inter. Symp. on Mine Planning & Equipment Selection, Ostrava, Czechy, 835 838. [2] Borys i in. 2002: Wytyczne stosowania odpadów pogórniczych z kopalni Bogdanka do budowy wałów przeciwpowodziowych i innych budowli hydrotechnicznych. Wyd. IMUZ Falenty k/warszawy. [3] Bzowski Z. 1993: Kryteria oceny skał karbońskich Górnośląskiego Zagłębia Węglowego dla potrzeb rekultywacji biologicznej zwałowisk. Rozprawa doktorska. Instytut Podstaw Inżynierii Środowiska PAN Zabrze. [4] Bzowski Z. 2000: Monitoring środowiska narzędziem oceny rekultywacji zwałowisk odpadów górniczych. Wiadomości Górnicze nr 9, 380 385. [5] Bzowski Z. 2004: Wpływ na środowisko stosowania mieszanin osadu ściekowego z odpadami mineralnymi na składowiskach odpadów komunalnych. Prace Naukowe GIG nr 857. [6] Bzowski Z., Bojarska K. 2003: XRD-XRF-ICP-GC/MS Analytical system in ecochemical assessment for utilisation of carboniferous wastes from Silesian Coal Basin (Poland). In Proc.12th Inter. Symp. Mine Planning & Equipment Selection, Kalgoorie WA, Australia, 497 500. [7] Bzowski Z., Zawiślak J. 2000: Ocena wykorzystania karbońskich skał płonnych kopalni Bogdanka SA do rekultywacji bezglebowej. Wiadomości Górnicze nr 12, 541 552. [8] Chaber M., Bzowski Z. 2002: Rekultywacja składowisk odpadów powęglowych jako element właściwej gospodarki odpadami. Wiadomości Górnicze nr 3, 107 111. [9] Cichoń G. 1977: Charakterystyka mineralogiczno-petrogradiczna karbońskh gleb stigmariowych z Dorohuczy. Zesz. Nauk. AGH Geologia t.3; z.3. ic [10] Gaweł A., Muszyński M. 1992: Tablice do identyfikacji minerałów metodą rentgenograficzną. Wyd. AGH Kraków. [11] Gazda i in. 1988: Charakterystyka mineralogiczno-chemiczna oraz analiza możliwości wykorzystania przeróbczych odpadów przywęglowych w kopalni w Bogdance. Przegl.Górn. nr 11 12, 16 18. [12] Heasman L. 1997: Leaching Testes to Assess the Environmental Impact of Waste. Proc. 6 th Inter. Landfill Symposium, Environmental Sanitary Engineering Centre Cagliari Sardinia, Italy; s.293 298. [13] JCPDS 1997. International Centre for Diffraction Data (ICDD) for PCPDFWIN v.1.30. [14] Łyszczarz L. 1996: Wykorzystanie odpadów powęglowych w aspekcie działalności górniczej na Lubelszczyźnie. Ekoinżnieria nr 8, 14 17. [15] Ostrowska i in. 1991: Metody analizy i oceny właściwości gleb i roślin. IOŚ Warszawa. 38
[16] Praca zbiorowa 2000: pod red. Z. Bzowskiego: Badania właściwości fizyko-chemicznych skał karbońskich lokowanych na składowisku w Bogdance i ocena ich przydatności do rekultywacji. Lubelski Węgiel Bogdanka S.A. w Bogdance, arch. Pomiar-GIG Sp. z o.o. Lublin, (niepublikowana). [17] Praca zbiorowa 2002: Pod kier. J. Zawiślaka: Badania własności fizyko-chemicznych odpadowych skał karbońskich z kopalni węgla kamiennego w Bogdance. Lubelski Węgiel Bogdanka S.A./Pomiar-GIG, Lublin (niepublikowana). [18] Report 1994. Characterisation of Wastes in Europe. State of the Art Report for Working Group 6 CEN/TC/292, STB/94/28, Brukssels. [19] Rozporządzeniem Ministra Środowiska z dnia 9 grudnia 2002 roku w sprawie zakresu, czasu, sposobu oraz warunków prowadzenia monitoringu składowisk odpadów Dz.U. Nr 220, poz. 1858. [20] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 9 września 2002r. w sprawie standardów jakości gleby oraz standardów jakości ziemi Dz.U.Nr 165, poz.1359. [21] Smuszkiewicz A. 1995: Wpływ składowiska skał płonnych KWK Bogdanka na wody podziemne i powierzchniowe. Ekoinżynieria nr 2, 25 30. [22] Twardowska I. 1981: Mechanizm i dynamika ługowania odpadów karbońskich na zwałowiskach. Prace i Studia nr 25; IPIŚ PAN Zabrze. [23] Twardowska I.,Szczepańska I.,Witczak S. 1988: Wpływ odpadów górnictwa węgla kamiennego na środowisko wodne. Prace i Studia nr 35, Zabrze, IPIŚ PAN. [24] X Pert Plus 1999: Quick Start Guide. Philips Analytical, The Netherlands. [25] Zawiślak J., Bzowski Z. 1996: Możliwości zagospodarowania osadów i innych materiałów na składowiskach odpadów komunalnych. Mat. I Forum Inżynierii Ekologicznej, Nałęczów-Lublin, 179 182. Environmental aspect of weathering of carboniferous mine wastes used for reclamation of postmine areas in Bogdanka region Research results of carboniferous wastes from Coal Mine Bogdanka being on a few stages of weathering are presented in the paper. It was shown that during the process of weathering the grain disintegration takes place. Natural waste consolidation results from it. The weathering causes very slow mineralogical changes. The waste consolidation limits the iron sulfides oxidation and the formation of sulfates but it doesn t limit the leaching of sodium and chlorides. It was proved in the work that mine wastes weathering causes first of all the leaching of chlorides and sodium and then sulfates and potassium. These processes may be burdensome for the environment. Moreover the rules of waste and environmental monitoring in the place of wastes utilization were also determined. Przekazano: 30 marca 2005 r. 39