docWojciech KRZAKLEWSKI, Marcin PIETRZYKOWSKI Wstępne wyniki
download 
Reklamacja Transkrypt
Wojciech KRZAKLEWSKI, Marcin PIETRZYKOWSKI Wstępne wyniki
WARSZTATY z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie” ____________________________________________________________________________ Mat. Symp. str. 71 – 84 Wojciech KRZAKLEWSKI, Marcin PIETRZYKOWSKI Akademia Rolnicza, Kraków Wstępne wyniki badań nad nową metodą stabilizacji techniczno – biologicznej fitotoksycznych odpadów po flotacji rud metali nieżelaznych Streszczenie W pracy przedstawiono wstępne wyniki badań nad nową metodą stabilizacji technicznobiologicznej fitotoksycznych odpadów po flotacji rud cynku i ołowiu. Do tej pory nie opracowano w pełni skutecznych metod stabilizacji tego typu obiektów, które zaliczane są do grupy nieużytków o bardzo wysokim stopniu trudności rekultywacji biologicznej. Istotą proponowanej metody jest zastosowanie do wstępnej stabilizacji warstwy odpowiednio modyfikowanego roztworu hydrokrzemianu na powierzchnię osadnika, a następnie pokrycie tak przygotowanej powierzchni cienką warstwą ziemi mineralnej, na którą przy odpowiednim nawożeniu wprowadza się mieszankę nasion roślinności zadarniającej. Zastosowana metoda pozwoliła uzyskać na poletkach doświadczalnych zwartą pokrywę roślinną. Przeprowadzone badania wykazały w warstwie ziemi mineralnej pokrywającej osady poflotacyjne bardzo dynamiczne zmiany wybranych właściwości chemicznych. Pozytywny efekt zastosowanego rozwiązania ujawnił się w warstwie ziemi mineralnej szczególnie na końcu sezonu wegetacyjnego w postaci spadku kumulacji cynku, a następnie ołowiu. Zaletą metody jest znaczne ograniczenie robót ziemnych dzięki stosowaniu cienkiej warstwy ziemi mineralnej do pokrywania osadów. Ten sposób stabilizacji może znaleźć również zastosowanie w przypadku osadników po flotacji rud miedzi oraz wszelkiego rodzaju drobnoziarnistych, jałowych i fitotoksycznych odpadów poprzemysłowych. 1. Osadniki poflotacyjne jako problem dla środowiska naturalnego Przemysł metali nieżelaznych jako przemysł surowcowy cechuje się dużą ilością odpadów przeróbczych. Niewielka zawartość metali w wydobywanych rudach powoduje, że odpady z procesów wzbogacania rud wynoszą osiemdziesiąt do dziewięćdziesięciu kilku procent całości przerabianego materiału (Gabryś, Warchoł 1968; Greszta, Morawski 1972). Według Państwowej Inspekcji Środowiska odpady poflotacyjne rud cynku i ołowiu zaliczane są do IV grupy pod względem uciążliwości, do której zaliczane się również między innymi odpady górnicze z kopalń węgla kamiennego (Raport o stanie środowiska ....1997, 2000). Odpady w górnictwie metali nieżelaznych stanowią jednak znacznie większe źródło zanieczyszczenia środowiska, ponieważ są wzbogacone w szereg metali ciężkich. Są szczególnie uciążliwe w pobliżu osiedli ludzkich ze względu na zapylenie atmosfery w okresach posuchy (Mocek i in. 1997). Stały wpływ pylenia osadników poflotacyjnych powoduje również postępującą degradację siedlisk leśnych (Krzaklewski, Wójcik 1990; Krzaklewski i in. 2001). Dodatkowo wszelkiego rodzaju osadniki wpływają niekorzystnie na krajobraz (Krzaklewski i in. 2000). ____________________________________________________________________________ 71 W. KRZAKLEWSKI, M. PIETRZYKOWSKI – Wstępne wyniki badań nad nową metodą... ____________________________________________________________________________ 2. Problematyka zagospodarowania odpadów poflotacyjnych W klasyfikacji prof. Tadeusza Skawiny (Skawina, Trafas 1971), dotyczącej oceny przydatności rekultywacyjnej gruntów, omawiane utwory zalicza się do klasy E, tj. gruntów toksycznych, nieprzydatnych dla rekultywacji, wymagających neutralizacji bądź izolacji. Jednak w przypadku utworów powstałych w procesach przeróbczych (np. flotacja rud metali nieżelaznych) wymagane jest przeprowadzenie odrębnej ekspertyzy (Skawina i in. 1977). W klasyfikacji fitosocjologicznej, opartej na samorzutnym procesie zarastania roślinnością, zbiorniki odpadów poflotacyjnych należą do I grupy nieużytków, co oznacza bardzo duży stopień trudności rekultywacji biologicznej (Krzaklewski 1988). Zagadnienie rekultywacji odpadów przemysłu metali nieżelaznych, a w szczególności odpadów poflotacyjnych, pomimo wielu prób i badań (Gabryś, Warchoł 1968; Strzyszcz 1980; Trafas 1988; Krzaklewski i in. 2000; Krzaklewski, Pietrzykowski 2001a i b,; Pietrzykowski 2002), nie zostało dotychczas w pełni rozwiązane. Odpady z bieżącej produkcji zwałowane są wciąż w pobliżu zakładów przeróbczych, a opracowanie właściwej metody zagospodarowania i zabezpieczenia przeciw pyleniu osadników dodatkowo komplikuje fakt, że mogą one być w przyszłości traktowane jako potencjalne źródło metali nieżelaznych. Zachodzi więc konieczność pozostawienia tego rodzaju obiektów w dotychczasowych miejscach zwałowania, do czasu ich utylizacji, w miarę udoskonalania procesów technologicznych (Krzaklewski 1988). Biorąc pod uwagę powyższe kryteria przy doborze metody zagospodarowania optymalnym kierunkiem byłoby opracowanie skutecznych metod tymczasowej stabilizacji biologicznej (obudowy biologicznej) zbiorników po flotacji rud metali nieżelaznych. Polega ona, ujmując rzecz najogólniej, na przeprowadzeniu uproszczonych zabiegów, mających na celu szybkie i możliwie tanie zazielenienie terenów poprzemysłowych (Krzaklewski 1984). Głównym założeniem metody powinna być po pierwsze skuteczna konsolidacja i hermetyzacja powierzchniowej warstwy osadów, a następnie wprowadzenie roślinności zadarniającej. 2.1. Krótki przegląd dotychczasowych badań nad rekultywacją biologiczną odpadów po flotacji rud metali nieżelaznych Najbardziej skuteczne i trwałe zabezpieczenie powierzchni przed erozja eoliczną można uzyskać poprzez obudowę biologiczną odpowiednimi mieszankami gatunków roślinności zadarniającej. Pierwsze badania nad rekultywacją zbiorników osadowych po flotacji miedzi (zbiornik Lena i Konrad) prowadzone były w latach siedemdziesiątych przez Instytut Kształtowania i Ochrony Środowiska AGH i Cuprum Miedź. Stosowane wtedy doświadczalne metody polegały na wykorzystaniu różnych nadkładów, w tym bazaltu, piasku i odpadowej skały płonej. W IKiOŚ AGH opracowano na przełomie lat siedemdziesiątych i osiemdziesiątych metodę wprowadzania zrzezów bez stosowania nadkładu oraz dwuetapową metodę rekultywacji, również bez stosowania nadkładów organomineralnych. W etapie I po całym cyklu zabiegów agrotechnicznych wprowadzano nostrzyka białego (Melilotus albus), a w etapie drugim wysadzano roślinność drzewiastą (Krzaklewski 1984, 1986). Dotychczasowe doświadczenia wskazujące na możliwość wprowadzenia roślinności bezpośrednio na osady po flotacji rud metali nieżelaznych z zastosowaniem odpowiednio dobranego nawożenia mineralnego (szczególnie fosforowego) opierały się na założeniu, że ograniczenie negatywnych skutków skażenia metalami ciężkimi jest możliwe na drodze zmiany ich rozpuszczalności w wodzie (Begemann 1976; Krzaklewski 1984). W przypadku ____________________________________________________________________________ 72 WARSZTATY z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie” ____________________________________________________________________________ np. gleb zanieczyszczonych ołowiem stwierdzono, że fosfor wprowadzony do gleby zmniejsza ilość form Pb łatwo rozpuszczalnych oraz związanych z węglanami i tlenkami, powodując powstawanie między innymi pyromorfitu (Pb5Cl[PO4]3 (Hettiarachichi i in za Kabata-Pendias, Pendias 1999). W warunkach osadników po flotacji rud cynku i ołowiu, (szczególnie w przypadku obiektów o wybitnie niekorzystnych właściwościach fizykochemicznych, takich jak osadnik ZGH „Bolesław” w Bukownie, realizacja i utrzymanie obudowy biologicznej, pomimo spełnienia założeń zawartych we wcześniejszych opracowaniach dotyczących tego rodzaju obiektów (Strzyszcz 1980; Trafas 1988; Krzaklewski, Pietrzykowski 2001) oraz doświadczeń uzyskanych przy zagospodarowaniu biologicznym osadników po flotacji rud miedzi (Mizera i in. 1981; Krzaklewski 1984, 1986), okazała się nieskuteczna. Próby wprowadzania roślinności zadarniającej (wg założeń zawartych w cytowanej literaturze), bezpośrednio na osady poflotacyjne, przy zastosowaniu wysokiego nawożenia mineralnego, nie przyniosły zamierzonego efektu (Krzaklewski i in. 2000). Wprowadzona roślinność nie przetrwała jednego sezonu wegetacyjnego. Po 2 – 3 miesięcznym okresie wzrostu nastąpiło przekroczenie krytycznych kumulacji metali ciężkich i zamieranie roślinności (materiały Katedry Ekologii Lasu AR). Podobnie próby z wprowadzeniem zrzezów wierzby kaspijskiej (Salix acutifolia), gatunku o dużych zdolnościach adaptacyjnych i odporności na przesuszenia, w warunkach osadnika ZGH „Bolesław” nie przyniosły zadowalających efektów (materiały Katedry Ekologii Lasu AR). Na obiektach tego rodzaju stosowano również rozwiązanie z pokryciem osadów warstwą ziemi mineralnej miąższości kilkudziesięciu centymetrów, a następnie wysiewano mieszankę traw, przy stałym zraszaniu. Jest to rozwiązanie znane i zalecane w przypadku niektórych utworów fitotoksycznych. Według Olschowego (za Begemannem, Schiechtlem 1999) miąższość nawiezionej warstwy ziemi ornej przy gruntach silnie skażonych metalami ciężkimi powinna wynosić 1 m (w praktyce zwykle nawozi się 50 – 60 cm). Wiąże się to więc z dużym nakładem robót ziemnych. Dodatkowo w warunkach osadników poflotacyjnych w nawiezionej warstwie ziemi, przy ciągłym podsiąku kapilarnym, dochodzi szybko do przekroczenia kumulacji metali ciężkich toksycznych dla roślin. O małej skuteczności stosowanych dotychczas metod stabilizacji biologicznej osadników po flotacji rud cynku i ołowiu świadczy najlepiej brak pokrywy roślinnej, na przeważającej powierzchni obejmowanej tymi pracami. Zadowalające efekty w postaci zadarnienia osadów poflotacyjnych przy zawartości cynku do 900 ppm i ołowiu do 700 ppm dało zastosowanie w latach siedemdziesiątych w Niemczech kombinacji „Isotexu” (rodzaju opatentowanej, półprzepuszczalnej powłoki) z osadami pościekowymi i odpowiednim nawożeniem mineralnym. Zastosowana półprzepuszczalna warstwa izolacyjna miała w założeniu odizolować na drodze kapilarnej z podłoża substancje fitotoksyczne przy jednoczesnym kapilarnym zaopatrywaniu w wodę (Begemann 1976). Zastosowanie tej metody może być jednak znacznie ograniczone ze względów technicznych i ekonomicznych. W przypadku osadów poflotacyjnych zawierających ekstremalnie wysokie stężenia metali ciężkich, (znacznie wyższe od podawanych w opisie metody niemieckiej), skuteczna, stosunkowo prosta i możliwa do zastosowania może być proponowana przez autorów koncepcja. Polega ona na zastosowaniu układu dwu warstw tj.: hermetyzującej osady oraz odpowiednio nawożonej, cienkiej warstwy ziemi mineralnej, na którą następnie wprowadza się specjalnie dobraną mieszanką roślin zadarniających (Krzaklewski, Pietrzykowski 2001b). ____________________________________________________________________________ 73 W. KRZAKLEWSKI, M. PIETRZYKOWSKI – Wstępne wyniki badań nad nową metodą... ____________________________________________________________________________ 2.2. Ogólna charakterystyka wybranych właściwości fizycznych i chemicznych odpadów po flotacji rud metali nieżelaznych w aspekcie ich biologicznej rekultywacji Właściwości fizyczne i chemiczne odpadów po flotacji rud cynku i ołowiu oraz miedzi były szczegółowo przedstawiane w licznych publikacjach (Strzyszcz 1980; Trafas 1988; Krzaklewski 1984, 1986, 1988; Krzaklewski, Pietrzykowski 2001, 2002). Ogólnie odpady z flotacji rud metali nieżelaznych, pochodzące z różnych kopalń i składowane w rozmaitych osadnikach różnicuje wiele właściwości mineralogicznych, fizycznych i chemicznych, istotnych z punktu widzenia ich rekultywacji i stabilizacji biologicznej. W przypadku odpadów po flotacji rud miedzi są to głównie właściwości powietrzno-wodne (Mizera i in. 1981; Krzaklewski 1984). Duży wpływ na zmienność właściwości fizycznych i chemicznych odpadów w górnictwie metali nieżelaznych ma zróżnicowana zawartość minerałów węglanowych, ilastych a także kwarcu. Różnice występują też w zawartości pierwiastków mogących oddziaływać fitotoksycznie. Tabela.2.1. Wybrane właściwości fizyczne i chemiczne odpadów po flotacji rud Zn i Pb w Polsce (Trafas 1988, Krzaklewski, Pietrzykowski 2001) Table 2.1. Selected physico-chemical properties of zinc and lead ore tailing wastes in Poland (Trafas 1988, Krzaklewski, Pietrzykowski 2001) Nazwa obiektu skały budujące osadniki w tym skały rudonośne ZGH „Bolesław” w Bukownie osadnik poflotacyjny dolomity kruszconośne, wapienie, dolomity margliste wapienie margliste i dolomityczne środkowego triasu j.w. ZG „Trzebionka” osadnik poflotacyjny skład mech. wg PTG 1989 przew p. l dom. p.s.g. p.g.l. przew p.l. dom. p.l.py pHKCl wybrane właściwości utworów średnia zawartość średnia zawartość niektórych składników metali ciężkich przyswajalnych dla [mg/kg] roślin [mg/100g gleby] K2O Mg P2O5 Zn Cd Pb Cu CaCO3 MgCO3 [%] 7,2 – 8,3 1,3 3,3 śl. 13520 max. 36000 207,3 max. 371,5 5529 max. 19555 12 40 - 60 8,5 4,1 1,5 śl. 13515 91 2936 16 j.w W przypadku osadników po flotacji miedzi, głównie są to miedź, ołów i cynk, a w przypadku osadników po flotacji rud cynku i ołowiu : ołów, cynk, kadm, arsen i telur. Znaczne zróżnicowanie notuje się też w odniesieniu do zawartości niektórych składników pokarmowych w formach przyswajalnych dla roślin np. potasu, magnezu. W utworach tego typu występuje prawie zupełny brak przyswajalnych form fosforu (tab. 2.1., 2.2.) i azotu. Zawartość składników pokarmowych w tego rodzaju utworach, jest zwykle zależna od uziarnienia odpadów i rodzaju skał rudonośnych (Krzaklewski 1986). Odpady po flotacji rud ____________________________________________________________________________ 74 WARSZTATY z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie” ____________________________________________________________________________ cynku i ołowiu charakteryzują się skrajnie niekorzystnymi właściwościami fizykochemicznymi tj. uziarnieniem powodującym dużą podatność na erozję materiału zwałowanego, małą pojemnością wodną, wysoką zawartością związków Zn, Pb i Cd oraz wysokim stopniem zasolenia (Strzyszcz 1980; Trafas 1988; Krzaklewski, Pietrzykowski 2001, 2002). Wybrane właściwości fizyczne i chemiczne osadów po flotacji rud miedzi w Polsce (Krzaklewski 1984, 1986) Tabela 2.2. Table 2.2. Selected physico-chemical properties of copper ore tailing wastes in Poland (Krzaklewski, 1984, 1986) Nazwa obiektu skały budujące osadniki (w tym skały rudonośne) ZGM Konrad, zbiornik „Lena” i „Konrad”, stare zagłębie miedziowe osady cykltemu Z1: wapienie, warstwy marglisto wapienne i margle j.w. ZG „Polkowice, ZG „Rudna” zbiornik Gilów 3. skład mech. wg PTG 1989 pHKCl wybrane właściwości utworów średnia zawartość średnia zawartość niektórych składników metali ciężkich przyswajalnych dla [mg/kg] roślin [mg/100g ] K2O Mg P2O5 Zn Cd Pb Cu CaCO3, MgCO3 [%] py.il., ił. py p.l, p.l.py.. py.zw., py.il 7,9 – 8,1 18,8 17,9 śl max 7.4 48 n.o. 19 67 max. 120 n.o 7,7 – 8,1 0,07 1,35 55 śl. – 3,0 218 953 21 0,06 Nowa metoda stabilizacji techniczno biologicznej osadników poflotacyjnych 3.1. Ogólny opis technologii prac Istotą proponowanej metody jest zastosowanie odpowiednio modyfikowanego roztworu wodnego krzemianu sodowego Na2SiO3 , który jest rozprowadzany na powierzchni osadów. Uzyskana tą drogą trwała powłoka zabezpiecza przed erozją oraz „hermetyzuje” osady poflotacyjne. Tak przygotowaną powierzchnię pokrywa się warstwą ziemi mineralnej miąższości około 10 cm o odpowiednim składzie granulometrycznym. Następnie wykonuje się startowe nawożenie mineralne NPK oraz wysiewa się odpowiednią mieszankę nasion traw i motylkowatych w ilości 240 kg/ha. Jednocześnie wykonuje się zestaw zabiegów agrotechnicznych. Biorąc po uwagę niewielką miąższość warstwy ziemi mineralnej, która stanowi podłoże dla wzrostu wprowadzonej roślinności, nawożenie powtarza się 3 – 4-krotnie w ciągu sezonu wegetacyjnego w odpowiednich dawkach. Z czasem dochodzi do przerośnięcia wierzchniej, kilku centymetrowej warstwy osadów poflotacyjnych systemami korzeniowymi roślin. W ten sposób powstaje darń stabilizująca powierzchnię osadnika. ____________________________________________________________________________ 75 W. KRZAKLEWSKI, M. PIETRZYKOWSKI – Wstępne wyniki badań nad nową metodą... ____________________________________________________________________________ 3.2. Metodyka doświadczeń polowych i badań laboratoryjnych Doświadczenie przeprowadzono na wierzchowinie osadnika nr 4 ZGH „Bolesław” w Bukownie. Wiosną 2001 roku na poletkach badawczych (po fazie doświadczeń wstępnych w warunkach laboratoryjnych) wypróbowano przedmiotową metodę w dwóch wariantach różniących się stężeniem substancji konsolidującej, przy jednakowej technologii prac. Na poletku porównawczym zastosowano jedynie nadkład ziemi mineralnej bezpośrednio na osady poflotacyjne. Pobrano również próbki gruntów nawiezionych przed kilkunastu laty warstwą miąższości ok. 60 cm na wierzchowinę osadnika. W sezonie wegetacyjnym pobrano czterokrotnie próbki mieszane gruntów z poszczególnych wariantów doświadczenia. Próbki mieszane roślin wprowadzonych na poletka pobrano na koniec sezonu wegetacyjnego. W laboratorium oznaczono wg ogólnie znanych metod (Lityński i in. 1972; Ostrowska i in. 1991): skład mechaniczny użytej do nadkładu ziemi mineralnej, pH w H 2O i KCl, przewodnictwo elektryczne właściwe (PEW) badanych utworów, zawartość przyswajalnych dla roślin form potasu, magnezu i wapnia, zawartość całkowitą cynku, kadmu i ołowiu. W materiale roślinnym oznaczono zawartość niektórych metali, w tym makroelementów: sodu, potasu, wapnia, magnezu i niektórych pierwiastków śladowych: cynku, kadmu i ołowiu. 3.3. Omówienie wyników badań Przeprowadzone w pierwszym sezonie wegetacyjnym badania zmian niektórych właściwości chemicznych w warstwie ziemi mineralnej pokrywającej osady poflotacyjne (poddane uprzednio w etapie pierwszym konsolidacji hydrokrzemianem) wykazały, że układ ten znajduje się obecnie w bardzo dynamicznej fazie wstępnej. W pierwszej fazie doświadczenia we wszystkich przypadkach zanotowano 3 – 5 krotny wzrost przewodności elektrycznej właściwej w stosunku do wartości początkowej dla gleby użytej do doświadczenia (68 µS/cm, tab. 3.1.). PEW nie przekroczyła jednak wartości uznawanych za toksyczne dla roślin. Pod koniec sezonu wegetacyjnego najniższe wartości PEW wystąpiły w wariancie I (158 µS/cm, tab. 3), co wskazuje na korzystny wpływ zastosowanej warstwy hydrokrzemianu. Dla porównania PEW w glebie nawiezionej kilkanaście lat wcześniej wahało się od około 1200 do około 1500 µS/cm, przy notowanym wzroście w głąb profilu. Wskazuje to wyraźnie na proces zasolenia gleby użytej do pokrycia osadów w wyniku swobodnego podsiąku kapilarnego. Zawartość składników pokarmowych podlegała wahaniom zależnym od terminu wykonania zabiegów nawożeniowych. Posługując się liczbami granicznymi (Lityński i in. 1972) ogólnie należy stwierdzić, że zawartość magnezu w warstwie gleby mineralnej była wysoka, potasu niska do średniej, a fosforu bardzo niska (wyjątkowo średnia) (tab. 3.2.). Ze względu na niewielką miąższość biogennej warstwy gleby mineralnej zastosowanej do pokrycia jałowych osadów poflotacyjnych, konieczne jest prowadzenie w pierwszych latach wzrostu roślin kilkukrotnego nawożenia mineralnego. Wpływ na obniżenie wartości pH, w stosunku do danych wyjściowych, we wszystkich przypadkach miało prawdopodobnie wprowadzenie nawozów mineralnych, przy czym pomiędzy zastosowanymi kombinacjami i powierzchnią porównawczą nie stwierdzono wyraźnych różnic. Osady poflotacyjne o dużym udziale węglanów posiadają odczyn obojętny do zasadowego co zwykle wpływa na odczyn warstw nawiezionej gleby mineralnej. Podkreślić należy jednak, że w utworach tego rodzaju wysokie pH, przy braku materii organicznej i słabym kompleksie sorpcyjnym nie jest oznaką silnego zbuforowania układu. Przy uziarnieniu piasków luźnych wysoka zawartość węglanów jest wręcz czynnikiem utrudnia____________________________________________________________________________ 76 WARSZTATY z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie” ____________________________________________________________________________ jącym rekultywację biologiczną odpadów poflotacyjnych (Strzyszcz 1980; Krzaklewski Pietrzykowski 2001). W przypadku gleby nawiezionej przed kilkunastu laty pH H2O nie spadło poniżej 7,0 (tab. 3.1.). Tabela 3.1. Zmiany pH i przewodnictwa elektrycznego właściwego (PEW) w warstwie zimie mineralnej zalegającej nad osadem poflotacyjnym w różnych wariantach metody izolacji z hydrokrzemianem (sezon wegetacyjny 2001 r.) Table 3.1. Changes of pH and electric conductivity in a mineral soil layer over tailing wastes in different variants of the hydro-silicate insulation method (2001 growing season) wariant pH H2O pHKCl PEW [µS/cm] termin poboru próbek IV VI VII X IV VI VII X IV VI VII X I 7,8 7,8 7,8 6,5 7,2 7,2 7,1 6,4 68 282,0 241,0 158 II 7,8 7,8 7,7 7,0 7,2 7,2 7,2 6,7 68 368,0 354,0 368 kontrola 7,8 7,8 7,5 7,0 7,2 7,2 7,2 6,7 68 227,0 246 277 nadkład ziemi mineralnej bez izolacji po kilkunastu latach 0 – 30 cm 7,0 6,9 1224 30 – 50 cm 7,1 7,0 1497 osad po flotacji 7,7 7,6 1883 Tabela 3.2. Zmiany zawartości składników pokarmowych dla roślin w warstwie ziemi mineralnej zalegającej nad osadem poflotacyjnym w różnych wariantach metody izolacji z hydrokrzemianem (sezon wegetacyjny 2001 r.) Table 3.2. Changes in the content of nutrient in a mineral soil layer over tailing wastes in different variants of hydro-silicate insulation method (2001 growing season) wariant Mg K2O P2O5 termin poboru próbek IV VI VII X IV VI VII X IV VI VII X I 15,74 18,0 18,5 19,7 4,76 5,5 7,7 4,7 0,6 1,3 2,6 1,9 II 15,74 17,0 20,3 17,6 4,76 11,9 6,3 4,5 0,6 10,5 0,6 1,5 kontrola 15,74 14,3 19,5 14,3 4,76 5,8 11,7 6,2 0,6 1,0 2,4 6 Konieczna jest również stała kontrola substratu pod względem zasobności w składniki pokarmowe, przy czym szczególną uwagę należy zwrócić na fosfor, który w tych warunkach (wysokie pH) ulega uwstecznieniu przechodząc w formy trudno rozpuszczalne. Dzięki odpowiedniemu zaopatrzeniu roślin w składniki pokarmowe możliwe jest podniesienie ich odporności na negatywne skutki skażenia środowiska glebowego. W przypadku kumulacji kadmu, cynku i ołowiu w warstwie gleby mineralnej obserwowano w ciągu pierwszego sezonu wegetacyjnego bardzo dynamiczne zmiany. ____________________________________________________________________________ 77 W. KRZAKLEWSKI, M. PIETRZYKOWSKI – Wstępne wyniki badań nad nową metodą... ____________________________________________________________________________ Tabela 3.3. Zmiany zawartości makroelementów (Na, K, Ca, Mg) w nadziemnych częściach roślin wysianych na ziemię mineralną w różnych wariantach metody z hydrokrzemianem (sezon wegetacyjny 2001 r.) Table 3.3. Changes in the content of microelements (Na, K, Ca, Mg) in plant tops, sown on a mineral soil layer in different variants of hydro-silicate insulation method (2001 growing season) wariant Na K Ca Mg [%] termin poboru próbek VII IX X VII IX X VII IX X VII IX X I 0,06 0,16 0,18 2,63 1,3 1,27 0,87 1,0 0,80 0,33 0,5 0,37 II 0,08 0,18 0,19 2,6 1,3 1,15 0,94 0,93 0,91 0,31 0,53 0,40 kontrola 0,02 0,02 0,01 3,41 1,83 1,33 0,69 0,85 0,94 0,3 0,45 0,37 Wyraźnie pozytywny skutek działania zastosowanego rozwiązania z warstwą izolacyjną z hydrokrzemianu ujawnił się w przypadku cynku (rys. 3.1.). Zn [mg/kg] 1100 Wariant I 1000 900 800 Wariant II 700 600 Kontrola 500 400 zawart. szkodliwa dla mikrobiol. gleby* 300 200 zawart. dop. dla gleb rolniczych * 100 0 IV VI VII termin poboru próbek X cytowane wartości graniczne zawartości pierwiastków metali ciężkich (Zn, Pb i Cd) w większości dotyczą gleb użytkowanych rolniczo, przy niebezpieczeństwie włączenia do łańcucha żywieniowego. W przypadku tego rodzaju utworów najważniejsza jest kondycja fizjologiczna roślinności pełniącej rolę ochronną Rys. 3.1. Zmiany zawartości cynku w warstwie ziemi mineralnej zalegającej na osadach poflotacyjnych w różnych wariantach metody izolacji ze szkłem wodnym Fig. 3.1. Changes in the content of zinc in a mineral soil layer over tailing wastes in different variants of the hydro-silicate insulation method ____________________________________________________________________________ 78 WARSZTATY z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie” ____________________________________________________________________________ Pb [mg/kg] 600 Wariant I 500 Wariant II 400 Kontrola 300 najczęściej zalec. zaw. graniczna* 200 max. dop. zaw. dla gleb rolniczych* 100 0 IV VI VII X termin poboru próbek Rys. 3.2. Zmiany zawartości ołowiu w warstwie ziemi mineralnej zalegającej na osadach poflotacyjnych w różnych wariantach metody izolacji ze szkłem wodnym Fig. 3.2. Changes in the content of lead in a mineral soil layer over tailing wastes in different variants of hydro-silicate insulation method We wszystkich zastosowanych przypadkach kumulacje Zn przekroczyły wartości dopuszczalne dla gleb użytkowanych rolniczo (300 mg/kg gleby), jednak tylko w przypadku powierzchni porównawczej została przekroczona wyraźnie kumulacja 1000 mg/kg uznana za szkodliwą dla większości glebowych procesów mikrobiologicznych (Kabata –Pendias, Pendias 1999). Widoczna jest również tendencja spadkowa zawartości Zn w kombinacjach z warstwą hydrokrzemianu na koniec sezonu wegetacyjnego (rys. 3.1.). Kumulacja ołowiu (rys. 3.2.) w żadnym przypadku nie przekroczyła maksymalnych wartości granicznych przyjętych dla gleb rolniczych na poziomie 500 mg/kg (Kabata –Pendias, Pendias 1999). Podawana wartość dotyczy jednak gleb w których zachodzi niebezpieczeństwo włączenia do łańcucha żywieniowego i zwykle jest przekraczana w większości gleb zanieczyszczonych. Na Górnym Śląsku np. lokalnie całkowite zawartości ołowiu dochodzą do 6000 – 8000 mg/kg (Kabata –Pendias, Pendias 1999). Można uznać więc, że w warunkach doświadczenia ołów obecnie nie wpływa na ograniczenie rozwoju roślin. Tendencja spadkowa zawartości ołowiu na końcu sezonu wegetacyjnego w wariancie I i II (podobnie jak w przypadku cynku) wskazuje na pozytywne oddziaływanie zastosowanej warstwy hydrokrzemianu. W przypadku kadmu dopuszczalną zawartość w glebach użytkowanych rolniczo ustalono na poziomie do 5 mg/kg (Kabata-Pendias, Pendias 1999). Wartości te zostały wyraźnie przekroczone we wszystkich przypadkach i maksymalnie dochodziły do ponad 17mg/kg (rys. 3.3.). W odniesieniu do kadmu wykazującego dużą mobilność w glebach, nie stwierdzono wyraźnego efektu oddziaływania zastosowanych kombinacji w wariantach doświadczenia. Dynamiczne zmiany zawartości Cd w warstwie ziemi mineralnej w sezonie wegetacyjnym 2001 uwidoczniły się we wszystkich zastosowanych wariantach. ____________________________________________________________________________ 79 W. KRZAKLEWSKI, M. PIETRZYKOWSKI – Wstępne wyniki badań nad nową metodą... ____________________________________________________________________________ Cd [mg/kg] 20 18 Wariant I 16 14 Wariant II 12 10 Kont rola 8 6 max. dop. zawart . dla gleb rolniczych* 4 2 0 IV VI VII X t ermin poboru próbek Rys. 3.3. Zmiany zawartości kadmu w warstwie ziemi mineralnej zalegającej na osadach poflotacyjnych w różnych wariantach metody izolacji ze szkłem wodnym Fig. 3.3. Changes in the content of cadmium in a mineral soil layer on tailing wastes in different variants of the hydro-silicate insulation method Jak wynika z literatury trudno jest jednoznacznie ustalić toksyczne i szkodliwe kumulacje metali ciężkich w roślinach. Najczęściej proponowane krytyczne stężenie ołowiu dla roślin mieszczą się w zakresie 300 – 400 mg/kg s.m. W przypadku kadmu objawy toksyczności występują na ogół przy zawartości 5 – 30 mg/kg (Kabata-Pendias, Pendias 1999). Jak wynika z badań przeprowadzonych po pierwszym sezonie wegetacyjnym, cytowane zawartości cynku, kadmu i ołowiu w nadziemnych częściach roślin wprowadzonych na izolacyjną warstwę gleby we wszystkich przypadkach zostały przekroczone (rys. 3.4., 3.5., 3.6.). 1600 1400 Zn mg/kg s. m. 1200 1000 800 600 400 200 0 Wariant I Wariant II Kontrola zaw. szkodliwa* Rys. 3.4. Zawartość cynku w nadziemnych częściach roślin wysianych na warstwę ziemi mineralnej zalegającej na osadach poflotacyjnych w różnych wariantach metody izolacji ze szkłem wodnym Fig. 3.4. Content of zinc in plant tops, sown on a mineral soil layer in different variants of the hydrosilicate insulation method ____________________________________________________________________________ 80 Pb mg/kg s. m. WARSZTATY z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie” ____________________________________________________________________________ 320 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Wariant I Wariant II Kontrola dolny zakres stężeń toksycznych* górny zakres stężeń toksycznych* Cd mg/kg s. m. Rys. 3.5. Zawartość ołowiu w nadziemnych częściach roślin wysianych na warstwę ziemi mineralnej zalegającej na osadach poflotacyjnych w różnych wariantach metody izolacji ze szkłem wodnym (koniec sezonu wegetacyjnego 2001) Fig. 3.5. Content of lead in plant tops, sown on a mineral soil layer in different variants of the hydrosilicate insulation method 15,0 14,0 13,0 12,0 11,0 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 Wariant I Wariant II Kontrola zaw. szkodliwa* zaw. toksyczna* Wariant I Wariant II Kontrola zaw. szkodliwa* zaw. toksyczna* Rys. 3.6. Zawartość kadmu w nadziemnych częściach roślin wysianych na warstwę ziemi mineralnej zalegającej na osadach poflotacyjnych w różnych wariantach metody izolacji ze szkłem wodnym (koniec sezonu wegetacyjnego 2001) Fig. 3.6. Content of cadmium in plant tops, sown on a mineral soil layer in different variants of the hydrosilicate insulation method W wariancie I kumulacje wspomnianych pierwiastków były najniższe. Można zatem przypuszczać, że jest to pozytywny efekt zastosowanej metody. Należy również uwzględnić fakt, że wysoka zawartość metali ciężkich w roślinach często łączy się bardziej z oddziaływaniem warunków środowiska naturalnego niż gleby (Kabata-Pendias, Pendias 1999). W warunkach osadnika drobnoziarniste pyły wzbogacone w metale ciężkie przyczyniają się do wzrostu kumulacji Zn, Cd i Pb w nadziemnych częściach roślin ____________________________________________________________________________ 81 W. KRZAKLEWSKI, M. PIETRZYKOWSKI – Wstępne wyniki badań nad nową metodą... ____________________________________________________________________________ (Krzaklewski, Pietrzykowski 2002). Objawami nadmiernych ilości metali ciężkich w roślinach są zazwyczaj zmiany chlorotyczne i nekrotyczne na liściach oraz ograniczenie wzrostu roślin. Na badanych powierzchniach w pierwszym sezonie wegetacyjnym nie stwierdzono takich zmian, co może świadczyć o skuteczności zastosowanej metody. 4. Podsumowanie Wstępne wyniki badań, wykonane w pierwszym sezonie wegetacyjnym, wskazują na bardzo dynamiczne zmiany badanych właściwości chemicznych substratu stanowiącego medium biogenne w zastosowanej metodzie. Jej pozytywny efekt ujawnił się szczególnie na końcu sezonu wegetacyjnego, najwyraźniej w przypadku kumulacji cynku, a następnie ołowiu. Zastosowana nowa metoda stabilizacji techniczno – biologicznej fitotoksycznych odpadów po flotacji rud metali nieżelaznych pozwoliła utrzymać w dobrym stanie zdrowotnym roślinność zadarniającą przez cały sezon wegetacyjny. Planowane dalsze badania wiosną 2002 roku pozwolą ocenić stan roślinności po przezimowaniu. Na przetrwanie roślinności w skrajnie niekorzystnych warunkach środowiska niewątpliwie miał wpływ cały kompleks wzajemnie powiązanych czynników. Jak się wydaje głównymi elementami w omawianym przypadku były: powłoka izolacyjna i konsolidująca utworzona z odpowiednio modyfikowanego hydrokrzemianu, prawidłowo dobrane nawożenie mineralne oraz skład gatunkowy mieszanki roślin zadarniąjcych. Uzasadniona jest potrzeba prowadzenia dalszych badań, przynajmniej przez 2 – 3 sezony wegetacyjne. Jak wynika ze zdobytych doświadczeń, korzystnym byłoby wykonanie stabilizacji biologicznej na większych powierzchniach osadnika, w celu eliminacji czynnika silnej erozji eolicznej i wodnej. W perspektywie opracowana metoda pozwoli stosunkowo szybko i skutecznie wprowadzić na przedmiotowym osadniku trwałą pokrywę roślinną, pełniącą rolę przeciwerozyjną, sanitarną i estetyczną. Jej dodatkową zaletą jest znaczne ograniczenie robót ziemnych poprzez użycie cienkiej warstwy ziemi do pokrywania osadów. Dodatkowo w wariancie uproszczonym z zastosowaniem jedynie powłoki z hydrokrzemianu (konsolidującej drobnoziarniste odpady) sposób może być zastosowany na „plażach” osadników poflotacyjnych w celu tymczasowego zabezpieczenia przeciwerozyjnego. Proponowana metoda może również znaleźć zastosowanie w przypadku osadników po flotacji rud miedzi oraz wszelkiego rodzaju drobnoziarnistych, jałowych i fitotoksycznych odpadów poprzemysłowych. Literatura [1] Begemann W. 1976: Bemerkungen zur Rekultivierung schwermetallsalzbelasteter Böden. Erzmetall Bd. 29, 215 – 218. [2] Begemann W., Schiechtl H. M. 1999: Inżynieria Ekologiczna w budownictwie wodnym i ziemnym, Wydawnictwo Arkady. [3] Gabryś J., Warchoł B. 1968: Możliwości rekultywacji i zagospodarowania hałd przemysłu metali nieżelaznych na terenie niecki bytomskiej. Ochrona Terenów Górniczych nr 5, 12 – 20. [4] Greszta J., Morawski S. 1972. Rekultywacja nieużytków poprzemysłowych. PWRiL, Warszawa. [5] Kabata-Pendias A., Pendias H. 1999: Biogeochemia pierwiastków śladowych. PWN. Warszawa. [6] Krzaklewski W. 1984: Prosty sposób biologicznej rekultywacji powierzchni zbiornika odpadów z flotacji rud miedzi. Ochrona Terenów Górniczych nr 69, 39 – 43. [7] Krzaklewski W. 1986: Sposób biologicznej obudowy powierzchni zbiornika odpadów z flotacji rud miedzi z możliwością zastosowania techniki lotniczej. Ochrona Terenów Górniczych nr 77, 44 – 48. [8] Krzaklewski W. 1988: Leśna rekultywacja i biologiczne zagospodarowanie nieużytków poprzemysłowych. Skrypt dla szkół wyższych, AR Kraków. ____________________________________________________________________________ 82 WARSZTATY z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie” ____________________________________________________________________________ [9] Krzaklewski W., Wójcik J. 1990: Wpływ zanieczyszczeń przemysłowych na wybrane komponenty zbiorowisk leśnych rejonu olkuskiego. Zesz. Nauk. AGH, 1368. Sozologia i Sozotechnika, 32, 201 – 216. [10] Krzaklewski W., Fijał J, Myczkowksi Z., Pietrzykowski M., Gajda M. 2000: Program redukcji pylenia (erozji eolicznej) oraz wytyczne sposobu zadarnienia stawów osadowych ZGH „Bolesław” w Bukownie – maszynopis. [11] Krzaklewski W., Pietrzykowski M., Małek S., Barszcz J. 2001: Ocena stopnia skażenia gleb w oddziale leśnym 228, obręb leśny Rabsztyn w Nadleśnictwie Olkusz, przyległym do stawu osadowego ZGH „Bolesław”, sprawozdanie z tematu badawczego, Katedra Ekologii Lasu AR – maszynopis. [12] Krzaklewski W., Pietrzykowski M. 2001a.: Problemy oraz możliwości biologicznej stabilizacji osadników odpadów po flotacji rud cynku i ołowiu, Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w górnictwie WUG nr 3(79), 10 – 16. [13] Krzaklewski W. Pietrzykowski M. 2001b: Sposób wykonania obudowy biologicznej pylistych terenów poprzemysłowych, zwłaszcza jałowych i fitotoksycznych składowisk odpadów po flotacji rud metali nieżelaznych. Zgłoszenie patentowe P 350838, z dnia 28 11 2001 r. [14] Krzaklewski W., Pietrzykowski M. 2002: Selected physico-chemical properties of zinc and lead ore tailings and their biological stabilisation. Water, Soil and Air Pollution – w druku. [15] Lityński T., Jurkowska H., Gorlach E. 1972: Analiza chemiczno-rolnicza. Warszawa. PWRiL. [16] Mizera A., Piasecki J., Skiba E., Szecówka Z. 1981: Sposób efektywnej rekultywacji zbiorników osadowych w przemyśle miedziowym. . Ochrona Terenów Górniczych nr 58. [17] Mocek A., Owczarek W., Tyksiński W. 1997: Wpływ zbiornika osadów poflotacyjnych „Żelazny Most” na zawartość metali ciężkich w glebach i roślinach ogródków przydomowych wsi Tarnówek. Rocz. AR Poz. 294, Melior. Inż. Środ. 19,2: 297 – 307. [18] Ostrowska, S. Gawliński, Z. Szczubiałka 1991: Metody analizy i oceny właściwości gleb i roślin, Katalog, Instytut Ochrony Środowiska, Warszawa. [19] Raport o stanie środowiska w województwie małopolskim w 1999 roku. Praca zbiorowa pod red. Turzańskiego K.P i Wertza J. Biblioteka Monitoringu Środowiska. Kraków 2000. [20] Raport o stanie Środowiska w województwie katowickim w latach 1995 – 1996, praca zbiorowa pod red. Jarzębskiego L. Biblioteka Monitoringu Środowiska. Katowice 1997. [21] Skawina T., Trafas M. 1971: Zakres wykorzystania i sposób interpretacji wyników badań geologicznych dla potrzeb rekultywacji. Ochrona Terenów Górniczych nr 16, 3 – 10. [22] Skawina, T., Trafas M., Krzaklewski W. 1977: Instrukcja sporządzania dokumentacji technicznokosztorysowej w zakresie rekultywacji i zagospodarowania leśnego terenów poprzemysłowych i obiektów leśnych w strefach izolacyjnych zakładów poprzemysłowych. Archiwum AGH Kraków – maszynopis. [23] Strzyszcz Z. 1980. Właściwości fizyczne, fizykochemiczne i chemiczne odpadów poflotacyjnych rud cynku i ołowiu w aspekcie i biologicznej rekultywacji. Archiwum Ochrony Środowiska, 3 – 4, 19 – 50. [24] Trafas M. 1988: Problemy i efekty rekultywacji osadników odpadów poflotacyjnych rud Zn i Pb na przykładzie osadnika ZG Trzebionka. Zesz. Nauk. AGH, 1222. Sozologia i Sozotechnika, 26, 185 – 199. [25] Trafas M., Gruszczyński S., Gruszczyńska J., Zawodny Z. 1990: Zmiany właściwości gleb wywołane wpływami przemysłu w rejonie olkuskim. Zesz. Nauk. AGH, 1368. Sozologia i Sozotechnika, 32, 143 – 16. Preliminary results in research on the new technico-biological method for stabilization of (non-ferrous metals ore tailing ponds) Preliminary results of the investigation on a new method of technical and biological stabilization of phytotoxic tailing wastes from processed ores of zinc and lead are presented. No fully efficient method has been developed yet to stabilize objects classified in the group of wasteland characterized by a very high degree of difficulty in the biological reclamation. The ____________________________________________________________________________ 83 W. KRZAKLEWSKI, M. PIETRZYKOWSKI – Wstępne wyniki badań nad nową metodą... ____________________________________________________________________________ idea of the proposed method is that the preliminary stabilization is carried out using a layer of the modified solution of hydro-silicate applied to the surface of a tailing pond. The next step is to cover the prepared surface with a thin layer of mineral soil. After the application of fertilizers a seed mixture of turf plants is introduced. The method described above permitted the growth of a compact plant cover on the experimental plots. The investigation showed dynamic changes of selected chemical properties in the layer of mineral soil covering the tailing wastes. In the layer of mineral soil the positive effect of the applied method was manifested by a decrease in zinc and later in lead accumulation towards the end of the vegetation season. The advantage of the method also is a considerable reduction of earthworks because a thin layer of mineral soil is only used for covering the tailing wastes. The method can also be used in tailing ponds for copper ore tailing and all kinds of fine-grained, barren or phytotoxic industrial wastes. Przekazano: 25 marca 2002 ____________________________________________________________________________ 84
