GÓRNICTWO I GEOLOGIA 2010 Tom 5 Zeszyt 4 Anna PASIECZNA, Aleksandra DUSZA-DOBEK, Wojciech MARKOWSKI Państwowy Instytut Geologiczny Państwowy Instytut Badawczy, Warszawa WPŁYW GÓRNICTWA WĘGLA KAMIENNEGO I HUTNICTWA METALI NA JAKOŚĆ WÓD BIAŁEJ PRZEMSZY I BOBRKA Streszczenie. Zanieczyszczenie wód Białej Przemszy i Bobrka wyraźnie wiąże się z działalnością różnych gałęzi przemysłu. Głównym źródłem metali ciężkich dostarczanych do wód Białej Przemszy są ścieki zrzucane przez hutę cynku oraz zakłady wydobycia i przetwórstwa rud Zn-Pb. Słone wody zrzucane przez kopalnie węgla kamiennego do Bobrka są powodem ich zwiększonej przewodności elektrycznej i powodują kontaminację przez bor, chlorki, potas, lit, stront, sód i siarczany. Inne ścieki przemysłowe dostarczają do wód obydwu rzek fosfor, arsen, kobalt, miedź, żelazo i nikiel. INFLUENCE OF HARD COAL MINING AND METAL SMELTING ON QUALITY OF BIAŁA PRZEMSZA AND BOBREK RIVERS WATER Summary. The Biała Przemsza and Bobrek rivers water geochemistry clearly reflects pollution from various industrial activities. Industrial sewage, discharged from zinc smelter, zinc-lead ores mine and processing plant is the major source of heavy metals of Biała Przemsza water. High electrical conductivity and enrichment in boron, chlorine, potassium, sodium, strontium and sulphates is related to hard coal mining and disposal of saline mine waters into Bobrek river. Wastewater discharge from other industrial plants determines arsenic, cobalt, copper, iron and nickel content in water of both rivers. 1. Wstęp Celem opracowania była ocena jakości wód Białej Przemszy i Bobrka na podstawie danych zebranych w trakcie realizacji Szczegółowej mapy geochemicznej Górnego Śląska w skali 1:25 000, na arkuszach: Sławków, Dąbrowa Górnicza, Strzemieszyce i Mysłowice [8, 9, 10, 11]. W opracowaniu zaprezentowano chemizm wód, ze szczególnym uwzględnieniem ich zanieczyszczenia metalami ciężkimi, chlorkami i siarczanami.
182 A. Pasieczna, A. Dusza-Dobek, W. Markowski Zlewnie Białej Przemszy oraz jej największego prawego dopływu Bobrka leżą na pograniczu Górnośląskiego Zagłębia Węglowego i monokliny śląsko-krakowskiej, w najbardziej uprzemysłowionym i zurbanizowanym rejonie kraju. Głównymi czynnikami wpływającymi na stan środowiska przyrodniczego ich zlewni jest budowa geologiczna i występowanie złóż węgla kamiennego oraz rud cynkowo-ołowiowych. Zanieczyszczenie tego obszaru związane jest zarówno z historyczną i współczesną eksploatacją oraz przeróbką tych złóż [5, 6, 7], jak i współczesnymi zrzutami ścieków przemysłowych i komunalnych. 2. Główne źródła zanieczyszczeń Zlewnia Białej Przemszy jest obszarem silnie przekształconym przez działalność człowieka. Jej sieć hydrograficzną tworzą naturalne dopływy, podlegające silnej antropopresji, oraz rowy i kanały. Reżim hydrogeologiczny zlewni został zaburzony na skutek odwadniania eksploatowanych złóż kopalin, a stan chemiczny wód nie odpowiada normom klas jakości [18]. Jedynie źródłowy odcinek rzeki, położony w centralnej części Jury Krakowsko-Częstochowskiej, charakteryzuje się wodami o wysokiej klasie czystości. Poniżej ujścia Białej i Sztoły, dostarczających wody dołowe z kopalni rud Zn-Pb Pomorzany, ścieki z Zakładów Górniczo-Hutniczych (ZGH) Bolesław w Bukownie i oczyszczalni ścieków w Olkuszu, wody Białej Przemszy ulegają poważnemu zanieczyszczeniu przez metale ciężkie i inne pierwiastki. W swoim dalszym biegu rzeka przyjmuje ścieki nieczynnej Kopalni Węgla Kamiennego Siersza, Elektrowni Siersza w Trzebini oraz licznych oczyszczalni ścieków komunalnych i przemysłowych. Źródła Bobrka znajdują się w rejonie wsi Groniec, w gminie Sławków. Jego zlewnia obejmuje zachodnią część Sławkowa oraz wschodnie dzielnice Dąbrowy Górniczej i Sosnowca, a większość dopływów to sztuczne cieki odprowadzające ścieki komunalne, wody dołowe z kopalń i innych zakładów przemysłowych oraz wody opadowe [12]. Bobrek od wielu lat odwadnia tereny przemysłowe Huty Katowice (Arcelor Mittal), Koksowni Przyjaźń, KWK Kazimierz-Juliusz oraz zamkniętej KWK Porąbka-Klimontów. W rejonie kopalń węgla jego wody zanieczyszczane są przez odcieki z hałd odpadów górniczych, które charakteryzują się kwaśnym odczynem, spowodowanym utlenianiem pirytu i powstawaniem kwasu siarkowego. Z kolei kwaśne środowisko sprzyja uruchomieniu wielu pierwiastków i ułatwia ich transport do wód.
Wpływ górnictwa węgla kamiennego i hutnictwa... 183 Ze zrzucanymi ściekami komunalnymi i przemysłowymi oraz ze spływami obszarowymi do wód powierzchniowych dostają się związki fosforu i związki organiczne, powodujące ich eutrofizację. 3. Metodyka i zakres badań Obiektem badań były wody dolnych biegów Białej Przemszy i Bobrka, pobrane z ich brzegów co 250 m. Położenie miejsc pobierania próbek (rys. 1 i 2) określono techniką GPS. Przewodność elektryczną właściwą i odczyn nieprzesączonych próbek pomierzono w terenie. Wody przefiltrowane przez filtry Millipore 0,45 μm zakwaszano kwasem azotowym i umieszczano w polietylenowych butelkach o pojemności 30 ml. W próbkach oznaczano zawartości B, Ba, Ca, Cr, Fe, K, Mg, Mn, Na, P, SiO 2, SO 4, Sr, Ti i Zn metodą ICP-AES oraz Al, As, Cd, Cl, Co, Cu, Li, Mo, Ni, Pb, Rb, Sb, Tl i U metodą ICP-MS w laboratorium Państwowego Instytutu Geologicznego-Państwowego Instytutu Badawczego w Warszawie. 4. Wyniki badań Badania wykazały, że w swoich dolnych biegach Biała Przemsza i Bobrek prowadzą wody nieodpowiadające normom, ujawniając jednocześnie znaczne różnice zawartości poszczególnych składników w obu rzekach. Wody Białej Przemszy obciążone są głównie metalami, zaś w składzie wód Bobrka przeważają chlorki i siarczany (tabl. 1). Odczyn wód Białej Przemszy mieści się w granicach 7,5 8,1, a wartości EC wahają się 0,64 1,46 ms/cm (tabl. 1), wskazując na nieznaczną mineralizację. Przeciętne zawartości wapnia, manganu i siarczanów wynoszą odpowiednio 106,4 mg/dm 3, 160 μg /dm 3 i 199 mg/dm 3, co kwalifikuje wody do III klasy jakości (tabl. 1), a ilości kadmu i magnezu są charakterystyczne dla klasy II [14]. Identyczną zawartość wapnia, siarczanów i magnezu wykazały badania monitoringowe [19].
184 A. Pasieczna, A. Dusza-Dobek, W. Markowski Tablica 1 Parametry statystyczne przewodnictwa elektrycznego właściwego, odczynu oraz pierwiastków i związków chemicznych w wodach Biała Przemsza n=30 Bobrek n=37 Min. Max. Śr. arytm. Śr. geom. Mediana Klasa [14] Min. Max. Śr. arytm. Śr. geom. Mediana Klasa [14] ph 7,5 8,1 7,9 7,9 7,9 I 7,3 8,5 7,7 7,7 7,7 I EC ms/cm 0,64 1,46 0,81 0,79 0,81 II 1,64 3,92 2,46 2,42 2,32 V Al μg/dm 3 152, I I 11,1 37,6 19,0 18,5 19,0 4,8 8 12,1 7,7 6,5 As μg/dm 3 3 4 3 3 3 I <2 14 5 5 5 I B μg/dm 3 73 230 115 107 105 I 157 750 445 434 431 I Ba μg/dm 3 87 114 96 96 96 I 71 219 126 125 124 III Ca mg/dm 3 99,4 115, III III 106,3 106,2 106,4 91,2 141,9 122,9 122,7 121,6 4 Cd μg/dm 3 0,2 1,3 0,9 0,8 0,9 II <0,2 0,7 <0,2 <0,2 <0,2 I Cl mg/dm 3 21 156 42 37 37 I 31 5201 665 387 612 V Co μg/dm 3 1,0 1,4 1,2 1,2 1,2 <0,2 1,7 1,0 0,9 1,1 Cr μg/dm 3 <3 <3 <3 <3 <3 I <3 4 <3 <3 <3 I Cu μg/dm 3 1,0 2,7 1,3 1,2 1,1 I 1,5 4,5 2,2 2,2 2,2 I Fe mg/dm 3 0,02 0,46 0,06 0,05 0,05 I 0,01 0,03 0,03 0,03 0,03 I K mg/dm 3 2,6 15,9 4,3 3,8 3,4 35,6 69,7 47,8 47,0 43,7 Li μg/dm 3 2,6 15,5 4,9 4,5 3,8 29,0 74,6 52,7 52,4 53,3 Mg mg/dm 3 31,2 67,3 33,9 33,5 32,5 II 18,2 57,0 44,3 43,6 46,6 II Mn μg/dm 3 120 199 155 154 160 III 130 333 242 229 287 III Mo μg/dm 3 1,99 3,83 2,41 2,38 2,44 6,74 26,40 9,86 9,27 8,61 Na mg/dm 3 14,3 112, 217, 24,6 20,6 16,3 7 5 618,2 334,7 328,8 318,5 Ni μg/dm 3 4 5 5 5 5 I 6 10 8 8 9 I <0,0 I II P mg/dm 3 0,20 <0,05 <0,05 <0,05 0,20 0,81 0,42 0,39 0,34 5 Pb μg/dm 3 19,6 55,5 35,1 34,2 34,3 IV 0,1 0,9 0,3 0,2 0,3 I Rb μg/dm 3 6,8 222, 332, 23,0 11,4 9,1 8 4 876,2 568,4 538,6 456,8 Sb μg/dm 3 0,52 0,68 0,60 0,60 0,58 0,51 1,20 0,69 0,68 0,64 Si O 2 mg/dm 3 7,8 9,2 8,1 8,1 8,1 6,2 9,2 7,6 7,5 7,6 SO III IV mg/dm 3 181 222 203 202 199 147 272 248 247 253 4 Sr μg/dm 3 183 475 212 206 194 375 4732 1258 1187 1225 Ti μg/dm 3 <2 9 <2 <2 <2 <2 <2 <2 <2 <2 Tl μg/dm 3 8,73 17,8 9 14,31 14,00 13,65 0,44 1,20 0,68 0,65 0,59 U μg/dm 3 0,57 0,75 0,65 0,65 0,67 0,56 0,94 0,81 0,80 0,82 Zn μg/dm 3 315 622 514 506 485 II 11 46 25 23 21 I n liczba próbek
Wpływ górnictwa węgla kamiennego i hutnictwa... 185 Badane wody zawierają anomalne ilości ołowiu (19,6 55,5 μg/dm 3 ) i cynku (315 622 μg/dm 3 ). Są też wzbogacone w tal, arsen, kadm, molibden, antymon, a w mniejszym stopniu w siarczany i krzemionkę. Naturalna zawartość ołowiu w wodach powierzchniowych jest mała, ponieważ jego związki są trudno rozpuszczalne w warunkach ph zbliżonych do obojętnych. Przeciętna zawartość tego pierwiastka w wodach rzecznych wynosi 0,2 μg/dm 3 [3]. Stwierdzone zawartości ołowiu, najczęściej w granicach 25,0 50,0 μg/dm 3 (rys. 1), kwalifikują wody Białej Przemszy do IV klasy jakości. Korzystnym zjawiskiem jest zmniejszenie się zawartości tego pierwiastka w ciągu ostatnich kilkunastu lat. Przeciętna zawartość ołowiu (wartość mediany) wynosi 34,3 μg/dm 3, podczas gdy w latach ubiegłych zawierała się w granicach 60 180 µg/dm 3 [3, 8], a w wodach jej dopływu rzeki Białej, stwierdzano wartości ołowiu przekraczające 1000 μg/dm 3 [16]. Cynk występuje w wodach rzecznych w bardzo zróżnicowanych ilościach, zależnie od składu chemicznego podłoża lub zanieczyszczeń antropogenicznych. W wodach strumieniowych Europy jego przeciętna zawartość wynosi 2,68 μg/dm 3 [2], a tło geochemiczne wód Polski i Górnego Śląska określono odpowiednio na 33 μg/dm 3 i 86 μg/dm 3 [5, 6]. Zdolność koncentracji biologicznej cynku sprawia, że jego zwiększone zawartości mogą być szkodliwe dla niektórych organizmów wodnych. Stwierdzone stężenia cynku wahają się nieznacznie w badanych próbkach, a zawartość przeciętna (485 μg/dm 3 ) kwalifikuje wody badanej części Białej Przemszy do klasy II. Poważne zagrożenie dla żywych organizmów stwarzają koncentracje talu (8,73 17,89 μg/dm 3 ). W wodach rejonu śląsko-krakowskiego zawartości talu są zwykle podwyższone, wahając się w granicach 0,16 3,24 µg/dm 3 [13], podczas gdy tło geochemiczne w wodach powierzchniowych Polski wynosi 0,006 µg/dm 3 [15]. Tal i wiele jego związków, a zwłaszcza siarczany, zostały zaliczone do substancji bardzo toksycznych, których koncentracjew środowisku są szczególnie niebezpieczne dla organizmów żywych. Zanieczyszczenie wód stwierdzono na całym analizowanym odcinku rzeki. Głównym źródłem metali są zrzuty ścieków z ZGH Bolesław i rejonu kopalń rud Zn-Pb Olkusz i Pomorzany. Eksploatacja rud metodą podziemną powoduje konieczność odpompowywania dużej ilości wód kopalnianych, które zanieczyszczają metalami wody powierzchniowe i aluwia. Ścieki odprowadzane są do Białej Przemszy przez Kanał Roznos, rzekę Białą i Sztołę [4], do których spływają również wody poprodukcyjne z wydziałów przeróbki mechanicznej i hutniczej ZGH Bolesław, po oczyszczeniu sedymentacyjnym w stawach osadowych lub w oczyszczalniach mechaniczno-biologicznych [8].
186 A. Pasieczna, A. Dusza-Dobek, W. Markowski Rys. 1. Zawartość ołowiu w wodach powierzchniowych Fig. 1. Lead concentration in surface water Na jakość wód Białej Przemszy znacząco wpływają również odcieki ze składowiska odpadów zlokalizowanego w wyrobisku kopalni piasku Maczki-Bór. Zawierają one podwyższone ilości boru, baru, chlorków, litu, żelaza, magnezu, manganu, niklu i sodu. W wodach cieków bez nazwy, odwadniających teren składowiska, stwierdzono 200 300 µg/dm 3 baru, 15 60 µg/dm 3 kobaltu, 10 40 µg/dm 3 niklu, 1 3 mg/dm 3 żelaza i 5 16 µg/dm 3 litu. Zanieczyszczenia wiążą się z drenażem składowiska, na którym gromadzone są odpady przeróbcze ze wzbogacania węgla, z flotacji węgla, żużle, popioły lotne z węgla brunatnego, odpady z wapniowych metod odsiarczania spalin, mieszanki popiołowo-żużlowe odpadów paleniskowych i skruszone skały [1].
Wpływ górnictwa węgla kamiennego i hutnictwa... 187 Analizowane wody Bobrka charakteryzują się odczynem w granicach 7,3 8,5 oraz przewodnością elektryczną właściwą w granicach 1,64 3,92 ms/cm, wskazującą na zanieczyszczenie [17]. W składzie chemicznym wód Bobrka najwyraźniej zaznacza się obecność pierwiastków związanych z zasolonymi wodami pochodzącymi z KWK Kazimierz- Juliusz i Porąbka-Klimontów. Zła jakość tych wód spowodowana jest przede wszystkim koncentracją chlorków i siarczanów. Wartość EC oraz stężenie chlorków (do 5201 mg/dm 3 ) kwalifikują wody do klasy V, a ilość siarczanów (do 272 mg/dm 3 ) do klasy IV (tabl. 1). Najnowsze badania monitoringowe [19] potwierdzają zanieczyszczenie wód Bobrka siarczanami (przeciętnie 288 mg/dm 3 ) i wskazują na znaczący spadek zawartości chlorków (do 749 mg/dm 3 ). Rys. 2. Zawartość potasu w wodach powierzchniowych Fig. 2. Lead concentration in surface water
188 A. Pasieczna, A. Dusza-Dobek, W. Markowski Wody Bobrka są też zanieczyszczone innymi pierwiastkami zawartymi w wodach kopalnianych, o medianach stężeń wynoszących odpowiednio: bor (431 µg/dm 3 ), potas (43,7 mg/dm 3 ), lit (53,3 µg/dm 3 ), molibden (8,61 µg/dm 3 ), sód (318,5 mg/dm 3 ), rubid (456,8 µg/dm 3 ), stront (1225 µg/dm 3 ) i tal (0,59 µg/dm 3 ). Koncentracja tych pierwiastków pozostaje na zbliżonym poziomie w całym analizowanym odcinku Bobrka, aż do jego ujścia, rozkładając się podobnie jak przytoczone zawartości potasu (rys. 2). Poniżej ujścia Bobrka do Białej Przemszy następuje gwałtowny spadek zawartości wielu pierwiastków na skutek mieszania się wód. Wody Bobrka zawierają podwyższone ilości arsenu, baru, kobaltu, miedzi, niklu, fosforu i antymonu, których dostarczają prawdopodobnie jego prawobrzeżne dopływy, obciążane ściekami komunalnymi oraz ściekami przemysłowymi z mikrohuty w Dąbrowie Górniczej i zakładów Enmech w Sosnowcu. Z tymi źródłami zanieczyszczeń związana jest przypuszczalnie znacząca koncentracja molibdenu (do 26,40 µg/dm 3 ). W porównaniu do jego ilości w wodach rzecznych Europy (<0,01 10,1 µg/dm 3 ) [2], wzbogacenie wód Bobrka w ten pierwiastek zasługuje na szczególną uwagę. 5. Podsumowanie Zanieczyszczenie analizowanych wód ma charakter antropogeniczny, a jego źródłem są zrzuty wód dołowych czynnych i nieczynnych kopalń węgla kamiennego, ścieków przemysłowych i komunalnych oraz drenaż hałd odpadów. Wody Białej Przemszy i Bobrka charakteryzują się odmiennym składem chemicznym, odczynem i przewodnością elektryczną właściwą. Pierwiastkami zanieczyszczającymi wody Białej Przemszy są przede wszystkim ołów i cynk, a w mniejszym stopniu arsen, kadm i tal. Wody te są również obciążone przez wapń i mangan. Wody Bobrka zawierają anomalne ilości chlorków i siarczanów oraz boru, potasu, litu, molibdenu, sodu, rubidu, strontu i talu. Rozkład przestrzenny oraz zawartości badanych pierwiastków w wodach powierzchniowych prawdopodobnie będą w przyszłości ulegać korzystnym zmianom na skutek planów zamykania i likwidacji kopalń oraz zakładów przemysłowych.
Wpływ górnictwa węgla kamiennego i hutnictwa... 189 BIBLIOGRAFIA 1. CTL Maczki-Bór, http://www.ctl.pl/ctlmaczkibor/ 2008. 2. De Vos W., Tarvainen T., (ed.), Salminen R., Reeder S., De Vivo B., Demetriades A., Pirc S., Batista M., J., Marsina K., Ottesen R.T., O Connor P.J., Bidovec M., Lima A., Siewers U., Smith B., Taylor H., Shaw R., Salpeteur I., Gregorauskiene V., Halamic J., Slaninka I., Lax K., Gravesen P., Birke M., Breward N., Ander E.L., Jordan G., Duris M., Klein P., Locutura J., Bel-Lan A., Pasieczna A., Lis J., Mazreku A., Gilucis A., Heitzmann P., Klaver G., Petersell V.: Geochemical atlas of Europe. Part 2. Geological Survey of Finland, Espoo 2006. 3. Kabata-Pendias A., Pendias H.: Biogeochemia pierwiastków śladowych. PWN. Warszawa 1999. 4. Labus K.: Stopień zanieczyszczenia i identyfikacja ognisk zanieczyszczeń kadmem, ołowiem i cynkiem wód powierzchniowych i podziemnych zlewni Białej Przemszy. Pr. Geol. Inst. Geol. Sur. i Ener. PAN, Kraków 1999. 5. Lis J., Pasieczna A.: Atlas geochemiczny Polski 1:2 500 000. Państw. Inst. Geol., Warszawa 1995. 6. Lis J., Pasieczna A.: Atlas geochemiczny Górnego Śląska 1:200 000. Państw. Inst. Geol., Warszawa 1995. 7. Lis J., Pasieczna A.: Anomalie geochemiczne Pb-Zn-Cd w glebach na Górnym Śląsku. Prz. Geol. 2, Warszawa 1997, s. 182-189. 8. Lis J., Pasieczna A.: Szczegółowa mapa geochemiczna Górnego Śląska 1:25 000 ark. Sławków. Państw. Inst. Geol., Warszawa 1999. 9. Pasieczna A., Dusza-Dobek A.: Szczegółowa mapa geochemiczna Górnego Śląska 1:25 000 ark. Dąbrowa Górnicza. Państw. Inst. Geol., Warszawa 2008a. 10. Pasieczna A., Dusza-Dobek A.: Szczegółowa mapa geochemiczna Górnego Śląska 1:25 000 ark. Strzemieszyce. Państw. Inst. Geol., Warszawa 2008b. 11. Pasieczna A., Markowski W.: Szczegółowe zdjęcie geochemiczne Górnego Śląska 1:25 000 ark. Mysłowice. Państw. Inst. Geol., Warszawa 2010. 12. Oleś W.: Potok Bobrek jako ważny czynnik kształtowania krajobrazu obszaru przemysłowego, [w]: Szczypek T., Rzętała M., (red.): Człowiek i woda. Polskie Towarzystwo Geograficzne Odział Katowicki, Sosnowiec 2003. 13. Paulo A., Lis J., Pasieczna A.: Tal pod koniec XX wieku. Prz. Geol. 5, Warszawa 2002, s. 403 407. 14. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 11 lutego 2004 r. w sprawie klasyfikacji dla prezentowania stanu wód powierzchniowych i podziemnych, sposobu prowadzenia monitoringu oraz interpretacji wyników i prezentacji stanu tych wód. DzU nr 32, poz. 284. 15. Salminen R. (ed.), Batista M.J., Bidovec M., Demetriades A., De Vivo B., De Vos W., Duris M., Gilucis A., Gregorauskiene V., Halamic J., Heitzmann P., Lima A., Jordan G., Klaver G., Klein P., Lis J., Locutura J., Marsina K., Mazreku A., O connor P.J. Olsson S.A., Ottesen R.T., Petersell V., Plant J.A., Reeder S., Salpeteur I., Sandrtrom H., Siewers U., Steenfelt A., Tarvainen T.: Geochemical Atlas of Europe. Part 1. Geological Survey of Finland. Espoo 2005. 16. Sroczyński W.: Wpływ eksploatacji i przeróbki rud cynku i ołowiu na środowisko przyrodnicze, [w]: Surowce mineralne Polski. Wyd. CPPGSMiE PAN, Kraków 1996-1997.
190 A. Pasieczna, A. Dusza-Dobek, W. Markowski 17. Witczak S., Adamczyk A.: Katalog wybranych fizycznych i chemicznych wskaźników zanieczyszczeń wód podziemnych i metod ich oznaczania. Tom 1. Biblioteka Monitoringu Środowiska, Warszawa 1994. 18. Zanieczyszczenie wód powierzchniowych, http//www.silesia-region.pl/2010. 19. WIOŚ Katowice: Stężenia średnioroczne, maksymalne i minimalne wskaźników i substancji w punktach pomiarowych w 2009 roku w zlewni Wisły, http://www. katowice.pios.pl/ 2010. Recenzent: Dr hab. Krzystof Labus, prof. nzw. w Pol. Śl.