image
image
image
image
image
image
image
image
Stručné shrnutí výsledků
dílčího projektu v rámci
projektu Vita-Min
Čistící postupy a ekonomické
vyhodnocení a selekce postupů
dobré praxe pro drenující kyselé
důlní vody (dílčí
projekt 1.8)
2019

image
image
image
image
image
image
Čistící postupy a ekonomické vyhodnocení a selekce postupů dobré praxe
pro drenující kyselé důlní vody (dílčí projekt 1.8)
Strana 1
Acid mine drainage, acid and metalliferous drainage (AMD)
nebo také
acid rock drainage (ARD):
jsou kyselé důlní vody
s vysokým obsahem iontů kovů, polokovů a síranů vytékající
z rudných a uhelných ložisek, důlních děl (štol) a odvalů po těžební
činnosti, obsahující minerály sulfidů, zvláště disulfidů.
Úvod, kontext
a vytčený cíl
Drenující kyselé důlní vody (angl.: Acid mine drainage AMD) v saských těžebních
revírech stále představují problém. Výskyt AMD zapříčiňuje zvětrávání pyritu,
markazitu nebo sfaleritu v souvislosti s provzdušněním sedimentů ve výsypkách
po těžbě hnědého uhlí resp. v odvalech po těžbě rud a černého uhlí a snížení
hladiny spodní vody.
Při zvětrávání pyritu se mimo jiné uvolňují železo, sírany a také vodíkové ionty.
Postupně, se snižováním hodnoty pH dochází k mobilizaci jinak stabilně
vázaných, zčásti toxických iontů kovů. Následky postihují stejnou měrou spodní i
povrchovou vodu. Ionty železa (II), síranů a kovů jsou transportovány proudem
vody. Železo ve vodních tocích a útvarech nejprve oxiduje, poté za opakovaného
vzniku kyseliny hydrolizuje na hydroxid železa (III) a ve formě kalu dochází
k jeho viditelnému vysrážení. Voda ve vodních útvarech se zakalí a kaly železa se
usazují na vodních rostlinách. Kaly železa mají negativní vliv na osídlení
bentosem (např. na raky, mušle, šneky, hmyz). Pro ryby je nebezpečná
především tvorba oxidů železa z rozpuštěného železa (II) v žábrách. Těžké kovy
ve vodě v závislosti na hodnotě pH mají značný vliv na živé organismy, například
negativně ovlivňují výskyt druhů citlivých na těžké kovy. Kyselé vody způsobují
poškození stavebních děl a nástrojů korozí a silně omezují využití jezer vzniklých
zatopením povrchových dolů.
Pomocí rozsáhlé a daným podmínkám přizpůsobené sanaci kyselých důlních vod
by bylo možné životní prostředí před popsanými negativními vlivy co možná
nejlépe chránit.
Cílem dílčího projektu bylo vybrat ze značného počtu sanačních metod ty pro
konkrétní podmínky regionu nejvhodnější a posoudit je z ekonomického hlediska.
Pozornost byla věnována úspěšně použitým metodám na národní a mezinárodní
úrovni, ale také novým vědeckým přístupům.

image
image
image
Čistící postupy a ekonomické vyhodnocení a selekce postupů dobré praxe
pro drenující kyselé důlní vody (dílčí projekt 1.8)
Strana 2
Metodika
Rešerše a hodnocení čistících metod v případě AMD spočívá na výsledcích zpráv v
projektu VODAMIN (dílčí projekty 04, 09 a 14). Tyto metody, se spektrem použití
v případě zbytkových jam po povrchové těžbě uhlí, ve vodních tocích a pro
spodní vodu, byly porovnány s aktuální mezinárodní literaturou s ohledem na
úplnost a aktuálnost a bylo ověřeno, zda je třeba zohlednit další metody.
V první fázi jsou přehledně představeny (nebiologické) čistící metody na úpravu
kyselé vody vytékající z důlních děl, posuzuje se také, zda se jedná o metody
aktivní, pasivní a in-situ. Pro stanovení vhodné metody pro čištění vody
vytékající z důlních děl, vody ve vodních tocích a v jezerech byly v závislosti na
vlastnostech dané lokality vytvořeny rozhodovací stromy. O čištění vody
vytékající z důlních děl pomocí (mikro-)biologických metod pojednává
samostatná studie (dílčí projekt 1.9) v rámci projektu Vita Min.
Kromě toho byly definovány modelové spodní vody, které se liší koncentracemi
iontů železa a síranů. Tyto sloužily jako základ výpočtů při stanovení investičních
a provozních nákladů pro čtyři postupy, které by bylo možné použít v saských
podmínkách, především pro značný transport železa a síranů.
Na základě poznatků získaných rešerší literatury byly shromážděny a detailně
popsány všechny postupy dobré praxe proti AMD. Pro každý postup bylo
vytvořeno shrnutí obsahující základní poznatky např. ohledně oblasti použití,
rámcových podmínek, aktuálních technických poznatků vědy a techniky,
technologického principu a způsobu účinku, stupně účinnosti a doby trvání a
ohledně trvalé udržitelnosti úspěchu postupu sanace, ekonomičnosti, nákladů,
možnosti získat povolení a příklady v celosvětovém měřítku a v Sasku.
Souhrnné porovnání a hodnocení ekonomické efektivnosti metod bylo provedeno
formou tabulek diferencovaně podle použití pro kyselé a také neutrální až
alkalické vody. Pozornost byla věnována především metodám použitým v Sasku
a tyto byly zaznamenány do mapy.
Jedna kapitola ve zprávě se věnuje postupům určeným pro ošetření kyselých vod
vytékajících ze saských povrchových dolů. Porovnávají se zde různé čistící
metody s variantou ponechání vody v jezerech přirozenému procesu zakyselení.
V rámci této zprávy se také uskutečnila laboratorní studie ohledně reakční
kinetiky oxidace železa, jejíž výsledky jsou významné pro ošetření kyselých vod.
Výsledky čistících metod zkoumaných v rámci tohoto i dalších dílčích projektů
v projektu Vita-Min budou široké veřejnosti zpřístupněny pomocí webové
aplikace. Za tím účelem byla vytvořena koncepce pro integraci čistících metod do
existující databáze ATRIUM organizace LfULG (Saský úřad ŽP, zemědělství a
ekologii) v souvislosti s její modernizací.

image
image
image
Čistící postupy a ekonomické vyhodnocení a selekce postupů dobré praxe
pro drenující kyselé důlní vody (dílčí projekt 1.8)
Strana 3
Výsledky a diskuse
Celosvětově byla popsána celá řada metod na úpravu vod znečištěných důlní
činností (viz obrázek 1). V praxi se ale používá jen několik málo z nich.
Odedávna se využívají například neutralizační metody přizpůsobené speciálně pro
konkrétní použití.
Obrázek 1: Kategorie technologií na úpravu vody – výběr postupů (INAP, 2014)
Neutralizace
Přidání
vápna/Vápence
Přidání zásad
na bázi
sodíku
Přidání
amonia
Mikrobiální Redukce
síranů
Výměna plynů
další technologie
Odstranění kovů
vysrážení hydroxidů
vysrážení uhličitanů
vysrážení sulfidů
(mikrobiálně
katalyzovaná)
oxidace
Filtrace koloidálně
vázaných látek
bioakumulace
další technologie
Odstranění solí
mikrobiální redukce
síranů
srážení ettringitu
membránová filtrace,
výměna
iontů/sorpce
další technologie
Specifické
ošetření
škodlivin
odstranění kyanidu
- (bio)chemická
oxidace
-
tvorba komplexů
odstranění
radionuklidů
-
vysrážení
-
výměna iontů
odstranění arzenu
- oxidace / redukce
-
vysrážení
- adsorpce
Odstranění
molybdenu
- adsorpce
železa
další technologie

image
image
image
image
image
image
Čistící postupy a ekonomické vyhodnocení a selekce postupů dobré praxe
pro drenující kyselé důlní vody (dílčí projekt 1.8)
Strana 4
Pasivní ošetření
pro zlepšení kvality vody používá výhradně
„přírodní“ energii jako polohovou energii (výškový rozdíl), sluneční
energii (teplo, fotosyntézu) nebo biologickou energii (baktérie)
(Wolkersdorfer, 2017).
Podle specifických regionálních podmínek jsou na úpravu vody kladeny různé
požadavky. Např. v uhelných regionech v jihozápadní Anglii se upravuje voda jen
v množství několika málo m³/h, zatímco v uhelném revíru Lužice a ve Středním
Německu nachází uplatnění především aktivní metody k ošetření velkého
množství vody v objemu m³/s.
Zohlednit je potřeba také to, jaký význam má zpětné získání cenných látek,
např. využití kalů hydroxidu železa. Zvlášť úprava vody vytékající z důlních děl
po ukončené těžbě rud v Krušných horách vyžaduje speciálně přizpůsobené
technologie, neboť tato obsahuje široké spektrum těžkých kovů.
Čistící metody pro ošetření důlní vody je možné rozdělit do tří základních
kategorií na – aktivní, pasivní a in-situ.
Výsledek čištění dosažený využitím pouze pasivních metod se hodnotí jako
nedostatečný. Uspokojivého výsledku čištění je možné dosáhnout kombinací
několika pasivních metod (Wieber & Streb, 2010). Také kombinace s aktivními
metodami je možná.
Ve světě i v Německu nachází uplatnění především optimalizované aktivní
postupy, které je s ohledem na rozsah, čistící schopnosti, efektivitu a náklady
možné plánovat. Sestavit žebříček těchto postupů na základě prostého propočtu
nákladů a dosaženého efektu prakticky není možné, neboť hlavní úlohu ve
výběru metod vždy hrají podmínky v konkrétní lokalitě. Hodnocení se tedy
uskutečnilo s vazbou na konkrétní lokalitu a pro výběr jednotlivých metod byly
vytvořeny různé rozhodovací stromy. Principiálně při ošetření kyselé důlní vody
(AMD) dochází v první fázi k vytvoření alkalinity doprovázené neutralizací
kyseliny a zvýšením hodnoty pH. Poté dochází k odloučení kovů. V případě
důlních vod v Sasku spočívá hlavní cíl odloučení kovů v přeměně železa(II) na
železo(III) s cílem usnadnit odstranění železa ve formě hydroxidu železitého
(Fe(OH)
3
).
Byly vytvořeny rozhodovací stromy pro čtyři různé oblasti použití proti AMD:
aktivní ošetření vody vytékající z důlních děl
pasivní ošetření vody vytékající z důlních děl
ošetření vody ve vodních tocích ovlivněných důlní činností
ošetření vody ve vodních útvarech (jezerech) ovlivněných důlní činností

image
image
image
image
image
image
image
image
image
Čistící postupy a ekonomické vyhodnocení a selekce postupů dobré praxe
pro drenující kyselé důlní vody (dílčí projekt 1.8)
Strana 5
Aktivní ošetření
v souvislosti s čištěním důlní vody znamená, že
ošetření vyžaduje vynaložení energie, chemikálií a kontinuální
kontrolu čistícího procesu (Wolkersdorfer, 2017).
Ošetření in-situ
je technický zásah, který zamezuje vznik
znečištění, snižuje je nebo znečištěnou vodu čistí v místě vzniku
znečištění (PIRAMID Consortium, 2003).
Příkladem je rozhodovací strom pro výběr čistící metody pro aktivní ošetření vody
vytékající z důlních děl na obrázku 2, přičemž obdélníky znázorňují jednotlivé
komponenty ošetření. Algoritmus obsahuje také odkazy na kapitoly (červenou
barvou) pro detailní popis metody ve zprávě. Čím víc komponentů ošetření
obsahuje, tím je finančně nákladnější. Modrou barvou je označena metoda
nejčastěji používaná v hnědouhelných regionech v Sasku.

image
image
image
image
image
Čistící postupy a ekonomické vyhodnocení a selekce postupů dobré praxe
pro drenující kyselé důlní vody (dílčí projekt 1.8)
Strana 6
Obrázek 2: Schéma pro výběr možné metody pro aktivní úpravu vody vytékající z důlních
děl. Modrou barvou je označena metoda nejčastěji používaná v hnědouhelných regionech
v Sasku.
Na základě tří definovaných modelových vod s hodnotou pH = 5,7, které se liší
koncentrací železa (112 mg/l; 224 mg/l; 336 mg/l), byl proveden odhad nákladů
pro čtyři metody čištění. Jejich použití by v saských podmínkách bylo možné jako
samostatné zařízení resp. stupňovité zařízení a z hlediska ekonomických aspektů
bez přiřazení pro konkrétní lokalitu se odhadují jako smysluplné.
Na výsledky propočtů je tedy třeba pohlížet jako na orientační hodnoty, které
byly zjištěny za určitých rámcových podmínek:
1) Aktivní odlučování železa prostřednictvím neutralizace a oxidace
Objemový průtok: 1 m³/s
Náklady podle vody v modelu se pohybují mezi 0,13 a 0,17 €/m³
resp. včetně uložení kalu na skládku mezi 0,19 a 0,33 €/m³
2) Pasivní odlučování železa prostřednictvím provzdušňování (kaskáda),
OLC/OLD (otevřené uhličitanové koryto/oxidační uhličitanový kanál) a
sedimentační žlab
Objemový průtok: 10 l/s
Náklady podle vody v modelu se pohybují mezi 0,008 a 0,014 €/m³
resp. včetně uložení kalu na skládku mezi 0,02 a 0,04 €/m³

image
image
image
image
image
image
Čistící postupy a ekonomické vyhodnocení a selekce postupů dobré praxe
pro drenující kyselé důlní vody (dílčí projekt 1.8)
Strana 7
Postupy na úpravu řídkého a zahuštěného kalu
jsou konvenční
aktivní metody na čištění vody vytékající z důlních děl
prostřednictvím procesu neutralizace a oxidace a následné
sedimentace. V případě úpravy zahuštěného kalu se z hlediska
techniky procesů jedná o optimalizaci, při které dochází ke
zpětnému přivádění části kalu do reakčního koryta, kde dochází
k opětovnému využití nespotřebovaného na kaly navázaného
neutralizačního prostředku.
3) Pasivní odlučování železa prostřednictvím ALD (anoxický uhličitanový
kanál) a sedimentační žlab
Objemový průtok: 10 l/s
Náklady podle vody v modelu se pohybují mezi 0,013 a 0,015 €/m³
resp. včetně uložení kalu na skládku mezi 0,038 a 0,046 €/m³
Koncentrace železa v místě odtoku není < 2 mg/l
4) Pasivní odlučování železa prostřednictvím vertikálního průtokového
reaktoru (velký povrchový filtr)
Objemový průtok: 10 l/min (velmi nízký v porovnání s 1) - 3))
Náklady podle vody v modelu se pohybují mezi 0,013 a 0,015 €/m³
resp. včetně uložení kalu na skládku mezi 0,038 a 0,046 €/m³
Koncentrace železa v místě odtoku není < 2 mg/l
V současné době se v Sasku pro úpravu kyselých důlních vod používají
především zařízení v oblasti úpravy řídkého a zahuštěného kalu, zčásti také
dodatečně s využitím filtrace (např. AAF Königstein, WBA Pöhla). Tyto metody
odpovídají současným technickým poznatkům a mají schopnost úspěšně ošetřit
(upravit) vyskytující se velký objem vody. Příklady zařízení na úpravu vody
vytékající z důlních děl jsou zakresleny v mapě na obrázku 3.
Sedimentační nádrže, případně s přídavkem vápence pro zvýšení hodnoty pH,
představují vhodnou metodu pro potřeby snižování transportu železa v malých
vodních tocích. Používají se ale také pro usazování látek vysrážených v rámci
malých říčních čistíren vod a zakládají se v blízkosti vodních toků. Kromě toho se
využívají pro optimalizaci metod úpravy zahuštěného kalu nebo pro stupňovitou
neutralizaci a nachází se na konci řetězce úpravy vody za účelem odloučení
pevných částic vzniklých v reakční jímce.

image
image
image
Čistící postupy a ekonomické vyhodnocení a selekce postupů dobré praxe
pro drenující kyselé důlní vody (dílčí projekt 1.8)
Strana 8
Sanace vodních útvarů vzniklých po těžbě hnědého uhlí v Sasku se provádí
přidáváním
neutralizačních
prostředků
a/nebo
CO
2
(pro
vytvoření
hydrogenuhličitanového pufru) pomocí metod přizpůsobených dané lokalitě.
Principiálně se používají postupy nazývané neutralizace In-Lake s pomocí
vhodného plavidla nebo stacionárního zařízení a také ošetření vody na odtoku. I
zde ovlivňují výběr vhodné metody podmínky v konkrétní lokalitě a nařízení ze
strany příslušných úředních institucí. Na příkladu čtyř jezer v hnědouhelném
revíru Lužice byly porovnány náklady za neutralizaci vody v jezerech s náklady
za ošetření na odtoku. Z porovnání vyplynulo, že náklady se zvyšujícím se
objemem vody ošetřené na odtoku měřeno podle celkového objemu vody
v jezerech rychle pozitivně posouvají ve prospěch úpravy In-Lake. Je ale nutné
brát v úvahu, že se hodnocení nákladů vztahuje pouze na období jednoho roku a
například investiční náklady nebyly zohledněny vůbec.
Nejčastějším kritériem pro vyloučení pasivních metod na odstraňování kovů je
velké množství transportovaného železa ve vodách z důlních děl v Sasku. Kromě
toho se pasivní metody pro úpravu velkých objemových průtoků (> 10 l/s) hodí
jen
těžko a proto se v Sasku aktuálně nepoužívají. Ale v případě malých
objemových průtoků vykazují pasivní metody pro úpravu vody s obsahem
těžkých kovů a arzenu, především v Krušnohoří, potenciál. Dočasně byla
v provozu jen pilotní zařízení. V létě roku 2019 bylo zprovozněno mokřadní
zařízení (Wetland) pro potřeby čištění spodní vody, které upravuje
kontaminovanou spodní vodu z bývalého švelovacího závodu (karbonizace uhlí).
Škodliviny nebyly jmenovitě uvedeny).

image
image
image
image
Čistící postupy a ekonomické vyhodnocení a selekce postupů dobré praxe
pro drenující kyselé důlní vody (dílčí projekt 1.8)
Strana 9
Obrázek 3: Mapa s vyznačenými zařízeními na úpravu vody v Lužici a v hnědouhelném
revíru ve Středním Německu a také po těžbě rud a černého uhlí
Shrnutí a výhled
V rámci tohoto dílčího projektu byla provedena rešerše celé řady čistících
postupů proti kyselé vodě vytékající z důlních děl (Acid-Mine-Drainage), která se
ve světě používají resp. testují. Tyto metody byly rozděleny podle toho, zda se
jedná o metody aktivní, pasivní a In-situ a byly detailně popsány. Podle možností
při tom byly popsány výhody a nevýhody jednotlivých součástí těchto zařízení a
také jejich finanční náročnost. Formou přehledu jsou znázorněny všechny
metody z hlediska spektra jejich použití, předpokladů/náročnosti, efektivity
neutralizace a snížení koncentrace látek a také ekonomických aspektů. 14
nejrelevantnějších čistících metod je znázorněno také formou stručných popisů.
Favorita mezi různými možnostmi úpravy kyselých vod z důlních děl (AMD) není
možné odvodit, neboť pro konkrétní lokalitu přichází v úvahu vždy jedna metoda.
V nejlepším případě je možné přizpůsobit stupně čištění resp. optimalizovat
technické detaily. Potenciál pro využití jednotlivých metod v saských
hnědouhelných regionech v první řadě vyplývá z parametrů objemu vody, který
je třeba ošetřit, a z koncentrace železa. Na základě mezinárodní rešerše dat ale
byly pro výběr postupů na saském území vytvořeny rozhodovací stromy.

image
image
image
Čistící postupy a ekonomické vyhodnocení a selekce postupů dobré praxe
pro drenující kyselé důlní vody (dílčí projekt 1.8)
Strana 10
Také v oblasti posouzení ekonomické efektivnosti se podařilo odvodit orientační
hodnoty (v € za upravený m³ důlních vod) pro čtyři v Sasku použitelné postupy.
Studie také ukázala, že obzvláště aktivní postupy na úpravu AMD je možné
s úspěchem použít, v oblasti použití pasivních čistících postupů je potřeba
dosáhnout optimalizaci jejich efektivity.
Literatura
INAP. (2014).
Global Acid Rock Drainage Guide (GARD Guide).
The International Network for Acid
Prevention. Von
http://www.gardguide.com
abgerufen
PIRAMID Consortium. (2003).
Engineering guidelines for the passive remediation of acidic and/or
metalliferous mine drainage and similar wastewaters.
European Commission 5th Framework RTD
Project no. EVK1-CT-1999-000021 "Passive in-situ remediation of acidic mine / industrial drainage"
(PIRAMID), University of Newcastle Upon Tyne, Newcastle Upon Tyne, UK.
Wieber, G., & Streb, C. (2010).
Geowärme Bad Ems - Minimierung des Schadstoffaustrages.
Institut für geothermisches Ressourcenmanagement; ITB - Institut für Innovation, Transfer und
Beratung gemeinnützige GmbH. Bingen am Rhein: Ministerium für Umwelt, Forsten und
Verbraucherschutz Rheinland-Pfalz.
Wolkersdorfer, C. (2017).
Reinigungsverfahren für Grubenwässer - Bewertung und Beschreibung
von Verfahren.
South African Research Chair for Acid Mine Drainage Treatment, Tshwane
University of Technology, Pretoria, SA; Finnish Distinguished Professor for Mine Water
Management, Lappeenranta University of Technology, Mikkeli, Finnland.

Impressum
Vydavatel:
Tento dokument byl vytvořen v rámci realizace projektu Vita-Min.
Projekt Vita-Min byl podpořen z prostředků evropského Fondu pro
regionální rozvoj v rámci Programu spolupráce SN-CZ 2014-2020.
Partnery projektu jsou Sächsisches Landesamt für Umwelt,
Landwirtschaft und Geologie / Saský úřad ŽP, zemědělství a ekologii
(Leadpartner), město Oelsnitz/Erzgeb. a Ústecký kraj.
Všechny dílčí projekty LfULG jsou přínosem projektu „Pro čistou vodu
v Sasku“ (Für saubere Gewässer in Sachsen).
V případě otázek a informací k tomuto dílčímu projektu kontaktujte:
Kontaktní osoba
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
Kontaktní osoba: Kathleen Lünich
Telefon: + 49 351 89284420
E-Mail: kathleen.luenich@smul.sachsen.de
Zpracovatel:
Výsledky tohoto dílčího projektu zpracovali v rámci zakázky LfULG
subjekty FIB Forschungsinstitut für Bergbaufolgelandschaften e. V.;
GFI Grundwasser-Consulting-Institut GmbH Dresden; VisDat
geodatentechnologie GmbH.
Fotografie na titulní straně:
LfULG (2019): Vincenzgraben (Oßling), hnědouhelný revír Lužice
(střední naměřené hodnoty 2018: pH 3,2; železo 18,8 mg/l; sírany 905
mg/l)
Redakční uzávěrka:
20.12.2019
Další informace najdete na
www.vitamin-projekt.eu