and Environmental Protection
http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 6 (2007), p-55-70
Emisja ze zrekultywowanych zwałowisk stożkowych
Pikoń K., Bugla J.
Katedra Technologii i Urządzeń Zagospodarowania Odpadów, Politechnika Śląska, ul. Konarskiego 18, 44-100 Gliwice
tel. +48 32 237-26-89, fax +48 32 237 11 67, e-mail: krzysztof.pikon@.polsl.pl
Streszczenie
Zwałowiska stożkowe są miejscem składowania odpadów górniczych, które powstają w trakcie wydobycia węgla kamiennego. Mogą one stanowić poważne źródło zanieczyszczeń gazowych i pyłowych uwalnianych w trakcie ich eksploatacji i długim czasie po ich zamknięciu. Z tego względu coraz częściej podejmowane są próby ich rekultywacji. W artykule przedstawione zostały zagadnienia dotyczące rekultywacji składowisk odpadów górniczych – zwałowisk stożkowych. Porównana została emisja gazowa i pyłowa ze zwałowisk stożkowych przed pojęciem procesu ich rekultywacji, w trakcie jego trwania i po jego zakończeniu.
Abstract
Emission from restored coal dumping grounds
Hard coal dumping grounds are the places of disposal of coal mine industry waste. It could be treated as a important source of gas and ash emission released during exploitation and after its closure. Because of reasons quoted above – dumping grounds are frequently subject of restoration.
In the paper some facts about restoration of coal mine dumping grounds are discussed. Comparison of gas and ash emission from dumping grounds before, during and after its restoration has been presented.
1. Wstęp
Termin rekultywacja najogólniej rzecz biorąc oznacza rekonstrukcję aktywności biologicznej środowiska glebowego. Według słownika wyrazów obcych rekultywacja to doprowadzenie terenów poeksploatacyjnych i zwałowisk do stanu umożliwiającego ich ponowne wykorzystanie [1]. Z definicji tej wyraźnie wynika, że rekultywacja dotyczy powierzchni zdewastowanych poprzez nierolniczą i nieleśną działalność gospodarczą. Jako pierwszy definicję rekultywacji podał T. Skawina (1963). Sformułował on to pojęcie w
następujący sposób: „Przez rekultywację rozumie się kompleksową działalność mającą na celu przywrócenie w zakresie technicznie możliwym i ekonomicznie uzasadnionym, terenów zdewastowanych do gospodarczego użytkowania”[2]. Późniejsze definicje tego terminu są jedynie modyfikacjami wyżej cytowanej.
Rekultywacja zanieczyszczonej gleby lub ziemi jest to proces polegający na wykonaniu zabiegów mających na celu osiągnięcie zawartości określonych substancji do poziomu, który wynika ze standardów jakości gleby lub ziemi. Poziom zawartości substancji zanieczyszczających glebę lub ziemię zależy od kilku czynników:
• funkcji pełnionych przez powierzchnię ziemi • od wodoprzepuszczalności
• od głębokości gleby lub ziemi.
Funkcję, jaką pełni powierzchnia ziemi określa się na podstawie jej rzeczywistego zagospodarowania i wykorzystania gruntu chyba, że z Planu Zagospodarowania Przestrzennego wynika inna funkcja powierzchni ziemi. Rekultywacja terenu, którego naturalne ukształtowanie uległo przekształceniu w sposób niekorzystny, polega na jego przywróceniu do stanu, w jakim był przed przekształceniem. Jest to generalna zasada postępowania w takich przypadkach, lecz wydaje się, że w przypadku uwzględnienia funkcji, jakie pełni wymagająca rekultywacji powierzchnia ziemi oraz uwarunkowań, jakie wynikają z planu zagospodarowania przestrzennego, jest możliwość odstąpienia od niej. Podstawowym aktem prawnym, który reguluje problemy bezpośrednio związane z ochroną środowiska jest ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. –„Prawo ochrony środowiska” (Dz.U. Nr 62 poz. 627). W ustawie tej zawarte są generalne uwarunkowania w zakresie ochrony wszystkich składowych elementów środowiska, pozostawiając szczegółowy sposób ich ochrony a także tryb wykonywania obowiązków tym zakresie odrębnym przepisom szczególnym. Wynika z tego, że w działalności rekultywacyjnej nie należy stosować tylko ustawę – Prawo ochrony środowiska, ale także przepisy szczególne, takie jak:
• ustawa o ochronie gruntów rolnych i leśnych, • ustawa – Prawo geologiczne i górnicze, • ustawa o ochronie przyrody,
• ustawa o zagospodarowaniu przestrzennym, • ustawa – prawo wodne,
• ustawa o odpadach, • ustawa – prawo budowlane,
• ustawa o inspekcji Ochrony Środowiska
2. Wpływ zwałowisk stożkowych na środowisko naturalne
Jednym z najistotniejszych negatywnych skutków oddziaływania na środowisko ekologiczne związanych z eksploatacją złóż węgla kamiennego jest: wprowadzanie do środowiska przyrodniczego dużej ilości materiałów odpadowych, co oprócz zajmowania znacznej powierzchni terenów pod składowiska odpadów z przemysłu górniczego i związanego z tym przekształcenia krajobrazu. Proces ten powoduje także uciążliwości, które występują w postaci: pożarów endogenicznych, erozji jak również niekorzystnego oddziaływania na środowisko wodne.
W przeszłości deponowanie odpadów na zwałowiskach było niemal jedyną formą ich zagospodarowania. Nie stosowano przy tym jakiejkolwiek profilaktyki przeciwpożarowej. Przeważały zwałowiska nadpoziomowe, do których należą zwały w kształcie stożka. Kształty zwałowisk były w pewien sposób uzależnione od rodzaju stosowanego transportu. W większości transport materiału odbywał się przy wykorzystaniu transportu szynowego, taśmowego bądź kołowego i rozgarniana za pomocą spycharek. Z czego wynikało, że w większości przypadków zwałowisk pochodzących z początkowych okresów XX wieku, a także zwałowisk powstających latach późniejszych, lecz budowanych tą samą techniką deponowane odpady szczególnie w warstwie przypowierzchniowej były słabo zagęszczone, a co za tym idzie narażone na okresowe przemywania wodami z opadów atmosferycznych. W wyniku tego powstające odcieki migrują do wód gruntowych, oraz do okolicznych cieków powierzchniowych, powodując znaczne pogarszanie się ich jakości. Składowiska stożkowe odpadów z przemysłu górniczego narażone są również na dynamiczne napowietrzanie przez wiatr a także na wpływ zmian spowodowanych zmianami ciśnienia atmosferycznego. W przypadku dużych nadpoziomowych zwałowisk odpadów a do takich zaliczamy stożki. Rejestrowane dobowe zmiany ciśnienia są wstanie spowodować wymianę powietrza nawet do głębokości 2 metrów[3].
Mając na uwadze własności składowanego materiału tj.(pojemność, przewodność cieplna oraz struktura ziarnowa materiału), nawet szybkie zmiany ciśnienia nie powodują chłodzenia warstwy przypowierzchniowej składowiska. Zmiany te powodują jednak zasilenia tejże warstwy w tlen niezbędny w procesach samoutleniania. Ponadto na zwałowiskach tych zachodzą procesy, które są związane bezpośrednio z właściwościami gromadzonych odpadów tj.: procesy termiczne, chemiczne, biochemiczne oraz gnilne, powodujące skażenia środowiska naturalnego i wywierające negatywny wpływ na zdrowie ludzi pracujących bezpośrednio przy obsłudze zwałowisk a także na mieszkańców okolicznych terenów. Natężenie oraz zasięg zagrożeń powodowanych przedmiotowymi procesami są zależne przede wszystkim od rodzaju jak również ilości składowanych odpadów, wymiarów geometrycznych i rodzaju składowiska oraz ukształtowania terenu i jakości podłoża (przepuszczalne, nieprzepuszczalne).
Składowiska odpadów górniczych są zwykle obiektami o znacznej aktywności termicznej, objawiającej się wysokimi temperaturami wnętrza i powierzchni oraz lokalnie pojawiającymi się szczelinami, z których wydobywają się dymy a nawet otwarty ogień. Zjawiska te powodują emisją do atmosfery trujących gazów, (CO,SO2, NOx, CxHy, itp.).
Poza wyżej wymienionymi negatywnymi skutkami, jakie powodują zwałowiska odpadów powęglowych wpływają one również jak już wiadomo na pogorszenie stanu wód
powierzchniowych i podziemnych znajdujących się na terenach bezpośrednio przyległych do składowiska.
2.1. Wpływ zwałowisk na glebę i wody
Poza tak oczywistym wpływem odpadów z przemysłu górniczego na glebę, jakim jest zajmowanie bardzo dużych terenów pod budowę zwałowisk oraz mechaniczne niszczenie powierzchni gleby oddziaływają również na obszary przyległe.
Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że zwałowiska nadpoziomowe a w szczególności zwałowiska stożkowe emitują największą ilość składników, które mają wpływ na poważny wzrost stopnia mineralizacji wód tzn. jonów magnezu i siarczanów ponad 70% a także chlorków 80% [4]. Stwierdzono również, inną ważną zależność spowodowaną przez zwałowiska odpadów, a mianowicie, że przewodność elektryczna wody w tych rejonach wzrasta nawet 10–krotnie, a ilość substancji rozpuszczalnych w wodzie będącej w kontakcie z odpadami powęglowymi wzrasta nawet 150-krotnie. Największe zagrożenia dla środowiska biorąc pod uwagę skażenia gleby i wód stanowią zdecydowanie centralne zwałowiska odpadów o bardzo dużej powierzchni, a co za tym idzie wysokim natężeniu odpływu wód infiltrujących.
Oceniając wielkość zanieczyszczeń emitowanych wodą do środowiska, którą określa się za pomocą podatności odpadów na wymywanie trzeba pamiętać, o tym, że proces wymywania przedmiotowych zanieczyszczeń nie ma swojego końca wraz z chwilą zaprzestania lokowania odpadów na zwałowisku, lecz trwa on jeszcze przez dłuższy czas.
2.2. Wpływ zwałowisk na powietrze atmosferyczne
Tereny składowisk odpadów powęglowych są narażone na działanie różnych czynników środowiskowych, spośród których poważne znaczenie odgrywają:
• słońce, będące czynnikiem wspomagającym procesy chemiczne oraz biochemiczne zachodzące w zwałowiskach i wysuszające ich powierzchnię, co powoduje zwiększenie pylenia.
• wiatr, powodujący unoszenie z powierzchni zwałowiska drobnych cząstek materiału odpadowego a także ich rozprzestrzenianie. Jest również czynnikiem powodującym zapylenie atmosfery.
• powietrze, jako podstawowy czynnik przemian chemicznych (utlenianie, pożary) i biochemicznych (zagniwanie).
Biorąc pod uwagę powyższe względy szczególnie uciążliwymi zwałowiskami są zwałowiska nadpoziomowe, a dokładnie o kształtach stożkowych. Spowodowane jest to dużą ekspozycją tych zwałów na działanie słońca, wiatru i powietrza.
Do podstawowych składników atmosfery wnętrza tych składowisk należą:
• tlen
• dwutlenek węgla
Gazy te stopniowo uwalniając się ze zwałowiska wydostają się na zewnątrz skażając powietrze atmosferyczne. Z badań wynika, że z około 10 ha odpadów zdeponowanych na zwałowiskach emisja, CO2 może wynosić kilka ton. Wraz z upływem lat ilość gazów, które
są uwalniane ze zwałowisk rośnie aż do uzyskania stałego poziomu emisji.
Kształt składowisk odpadów i ich lokalizacja, jeżeli są niedopasowane do naturalnych warunków terenu, a w większości dawno powstających składowisk, do których należą właśnie stożki tak było, oddziaływają na jego warunki mikroklimatyczne, które przejawiają się głownie w zakłóceniu naturalnego przepływu mas powietrza atmosferycznego. Powierzchnia zewnętrzna zwałowiska zwłaszcza, jeśli nie jest okryte roślinnością, charakteryzuje się tym, że jej temperatura może by wyższa od kilku do kilkunastu nawet stopni od temperatury otoczenia, co prowadzi do występowania ruchów konwekcyjnych powietrza.
Największe skażenie powietrza atmosferycznego w obrębie zwałowisk odpadów powęglowych spowodowane jest przez zjawisko samozagrzewania się i samozapalenia odpadów, które jest wynikiem reakcji zawartego w nich pirytu z tlenem z powietrza. Z przeprowadzonych przez Główny Instytut Górnictwa badań wynika, że szybkość reakcji utleniania się jest dość znaczna w świeżych usypiskach, a wraz z upływem czasu wydłuża się. Z pożarami zwałowisk odpadów powęglowych spotykaliśmy się od czasów powstawania górnictwa węgla kamiennego, czyli od czasu, kiedy rozpoczęto jego wydobywanie i proces przeróbki. Powstające przykopalniane hałdy o regularnym kształcie wysokich stożków w zasadzie zawsze palących się stanowiły w ubiegłym stuleciu powszechny element krajobrazu w każdym zagłębiu węglowym. Obecnie obiekty te są poddawane rekultywacji lub rozbiórce a przepalony materiał w coraz większym stopniu wykorzystuje się gospodarczo jako cenne kruszywo. Stare zwałowiska stożkowe były przeważnie przepalone w wyniku powstawania pożarów endogenicznych, jednakże w większości przypadków te stare zwałowiska wykazują jeszcze pewną aktywność termiczną. Pomimo ich przepalenia wewnątrz tych obiektów można napotkać się na temperatury około 300 a nawet 400ºC. Proces samoczynnego wystudzania takich obiektów może trwać nawet przez kilkadziesiąt lat. Pożary endogeniczne i ich powstawanie to dosyć skomplikowany problem, lecz jest bardzo ściśle związany ze zwałowaniem i lokowaniem odpadów pogórniczych na składowiskach. Głównym sprawcą powstawania takich pożarów jest bez wątpienia substancja węglowa (palna), która jest zawarta w odpadach górniczych trafiających na składowisko. Ilość węgla w odpadach jest bardzo różna i nie musi to by spowodowane mniej sprawnym wzbogacaniem węgla w zakładach mechanicznej przeróbki węgla. Ilaste skały karbońskie – przywęgłowe zawierają duże ilości substancji węglowej, która występuje w postaci drobnych wtrąceń, laminat czy przerostów. W wyniku przeprowadzonych badań laboratoryjnych określających zawartość części palnych w odpadach górniczych stwierdzono, że ilości te kształtują się w następujący granicach od 5% do około 17% a w szczególnych przypadkach odpadów bardzo drobnoziarnistych dochodzą nawet do 21%. Przy sprzyjających warunkach może dojść do procesu niskotemperaturowego utleniania się substancji węglowej, który połączony z wydzielaniem ciepła może doprowadzić do powstania pożaru endogenicznego. Proces ten jest bardzo złożony i jeszcze nie do końca rozpoznany, stwierdzono jednak, że wystąpienie pożaru
zwałowiska odpadów pochodzących z górnictwa w wyniku samozagrzewania jest możliwe tylko wtedy, gdy spełnione są równocześnie trzy podstawowe warunki:
• łatwy dostęp powietrza (tlenu) do wnętrza obiektu powstałego z odpadów powęglowych,
• występowanie w odpadach powęglowych dostatecznie dużej ilości substancji węglowej posiadającej odpowiednią aktywność chemiczną w stosunku do tlenu pochodzącego z powietrza,
• istnienie możliwości akumulacji ciepła w obiekcie, czyli ilość ciepła wytworzonego w zwałowisku musi być wyższa od ilości ciepła odprowadzanego na zewnątrz w tym samym czasie, [5].
Wyeliminowanie tylko jednego z tych ładunków doprowadzi do tego, że proces samozagrzewania nie nastąpi. W rzeczywistości okazało się, że ingerować można tylko w punkt 1 - czyli dostęp powietrza do wnętrza obiektu, natomiast punkty 2 i 3 nie są poddane żadnej ingerencji gdyż:
• ilość węgla w lokowanym materiale jest taka jaka jest i w zasadzie nie udało się określić jakiś bezpiecznych granic jego zawartości w materiale trafiającym na składowiska,
• warunki akumulacji ciepła w obiektach gdzie są lokowane ogromne ilości materiału w krótkim czasie są bardzo dobre,
Na podstawie doświadczeń stwierdzono, że proces samozagrzewania ma swój początek na bardziej stromych skarpach, na głębokości od 3 - 4 m od powierzchni skarpy. Z czego wynika, że przy słabo zagęszczonej lub w ogóle niezagęszczonej skarpie mogą powstać warunki dogodne do samozagrzewania, pomimo iż cały korpus badanego obiektu jest zbudowany prawidłowo. Wcześnie wykryte samozagrzeawnie obiektu da się szybko i łatwo zlikwidować, (jeżeli jest to tylko z technicznego punktu widzenia możliwe, poprzez wybranie koparką lub czasami nawet ręcznie zagrzanego miejsca oraz ponowne jego zasypanie z uszczelnieniem). Wczesne wykrycie zapożarowania jest podstawowym warunkiem szybkiego i łatwego jego zlikwidowania. Dopuszczając do nadmiernego rozwoju zapożarowania stwarza się poważne zagrożenia dla środowiska naturalnego jak również bardzo utrudnia wszelkie zabiegi interwencyjne. W wyniku pożarów zwałowisk do atmosfery emitowane są trujące dla organizmów żywych (ludzi, roślin, zwierząt) gazy. Są to: CO, SO2, związki azotu, itp. Ze względu na niebezpieczne działanie tych gazów
konieczny jest proces obserwowania obiektu czyli tzw. monitoring. W monitorowanych obiektach określa się przede wszystkim zawartość, CO, CO2, i O2 w % objętości[6].
Podstawowymi przyrządami do pomiarów pozostają rurki wskaźnikowe oraz ręczna pompka zasysająca i termometry dotykowe tyrystorowe a także pirometry w podczerwieni. Rurki wskaźnikowe charakteryzują się niezawodnością a ponadto uzyskiwaniem wystarczająco dokładnych pomiarów. Podstawowym celem przeglądów stanu termicznego zwałowisk jest prewencja pożarowa, czyli wykrywanie anomalii zanim one same ukażą się w sposób wyraźny na powierzchni. Powierzchniowy pomiar temperatury oraz obserwacje wizualne są tutaj ważnym wstępem do dalszych badań. Wykrycie choćby tylko śladowych ilości występowania tlenku węgla automatycznie wzmaga czujność badań, oraz wskazuje
na proces powolnego utleniania, (co jest zjawiskiem powszechnie występującym w przyrodzie), a w przypadku materiału skalnego, który zawiera węgiel może dać początek egzotermicznym reakcją połączonym z wydzielaniem, ciepła. Dobre warunki akumulacji tego ciepła przez zwałowiska mogą doprowadzić do pożaru. Pomiary, CO2 i O2 będą tutaj
pomocne w ocenianiu stanu zagrożenia.
Tam gdzie stwierdzono duży wzrost temperatury wnętrza np. około 100ºC na głębokości od 0,8 – 0,9 m, można równoznacznie stwierdzić, że występują również wysokie zawartości CO, CO2, a także brak tlenu. Czasami stwierdzenie podwyższonej a nawet wysokiej
temperatury wnętrza składowiska nie muszą wskazywać na występowanie pożaru gdyż, przy jednoczesnym braku CO, średniej (ok. 6 – 10%) wartości CO2 oraz zawartości tlenu
do 10% stwierdza się stan popożarowy, który prowadzi do wystudzania ulokowanego materiału[7].
2.3. Wpływ na krajobraz
Jest jeszcze jeden negatywny czynnik, jakie powodują zwałowiska stożkowe jest to mianowicie ich negatywne oddziaływanie na walory krajobrazowe danego terenu. Ten problem jednakże może stać się walorem, ponieważ istnieje wiele koncepcji na zagospodarowanie tego typu terenów. Przykładem tego może być urządzenie na terenach poprzemysłowych Górnego Śląska (biedaszyby, zwałowiska i składowiska odpadów) o powierzchni 620 ha Wojewódzkiego Parku Kultury i Wypoczynku im. Generała Jerzego Ziętka. W celu ukształtowania terenu pod przyszły park rozplantowano 3,5mln m3 ziemi a dla jej użyźnienia nawieziono 500000 m3[8] gleby pochodzącej z terenów przeznaczonych pod budowę obiektów przemysłowych. Oprócz rezerwatu leśnego powstał tam ogród zoologiczny (50ha), Śląskie Wesołe Miasteczko – jedyny stacjonarny lunapark w Polsce (40ha), kąpielisko – basen sportowy i szkoleniowy, najstarsze w Polsce planetarium, Stadion Śląski i wiele innych obiektów kulturalnych i rekreacyjnych.
Przedstawiona w niniejszej pracy analiza została przeprowadzona dla istniejącego obiektu - składowiska „Skalny”.
3. Rekultywacja zwałowisk stożkowych
Rekultywacja jest to proces polegający na wykonywaniu robót technicznych oraz zabiegów biologicznych w celu przywrócenia terenom zdegradowanym zdolności użytkowej lub produkcyjnej, które następnie umożliwią właściwe ich zagospodarowanie.
Zagospodarowanie określa się jako dalszy etap prac obejmujących wykonywanie zabiegów mających umożliwić wykorzystanie gruntów do różnych celów min. gospodarki leśnej, rolnej, wodnej, komunalnej czy też innej.
Działalność rekultywacyjna terenów zdegradowanych składa się z trzech faz:
• rekultywacja przygotowawcza,
• rekultywacja biologiczna – specjalna lub szczegółowa.
Rekultywacja przygotowawcza polega na opracowaniu dokumentacji techniczno -kosztorysowej. Ma to na celu szczegółowe rozpoznanie nieużytków (powierzchnia, położenie, budowa geologiczna, rzeźba terenu itp.) i ustalenie przyszłego kierunku prac rekultywacyjnych i zagospodarowania. Obejmuje również koszty związane z kolejnymi zakresami planowanych prac.
Rekultywacja techniczna polega na wykonywaniu następujących prac:
• odbudowa sieci niezbędnych dróg dojazdowych • uregulowanie stosunków wodnych,
• właściwe ukształtowanie rzeźby terenu,
• odtworzenie gleb za pomocą metod technicznych Rekultywacja biologiczna obejmuje następujące prace:
• regulację lokalnych stosunków wodnych poprzez budowę niezbędnych urządzeń melioracyjnych, oraz przez ochronę wód przed zanieczyszczeniem,
• obudowę biologiczną zboczy zwałów oraz skarp wyrobisk mającą na celu zabezpieczenie ich stateczności i zapobieganie procesom erozji,
• odtworzenie gleb za pomocą metod agrotechnicznych.
Po skończeniu rekultywacji biologicznej następują dalsze prace mające na celu przywrócenie terenom zdolności użytkowej, czyli zagospodarowanie biologiczne.
Wybór odpowiedniego kierunku zagospodarowania uzależniony jest od wyników przeprowadzonych badań geologicznych i hydrogeologicznych, oraz od wielu innych czynników tj.: przyrodniczych, technicznych, ekonomicznych i społecznych..
Pierwszy etap zagospodarowania składa się z dwóch faz:
1. Zagospodarowanie przedplonowe, będące przedłużeniem rekultywacji biologicznej, która obejmuje w zależności od kierunku zagospodarowania, zalesienie lub zadrzewienie przedplonowe lub realizację płodozmianu rekultywacyjnego dla zintensyfikowania procesów glebotwórczych i wytwarzania gleby. W tym etapie stosuje się także niezbędne zabiegi agrotechniczne (przeważnie nawożenie), wodnomelioracyjne oraz pielęgnacyjne. Poza tym wykonuje się również prace hydrotechniczne, na przykład mające na celu utworzenie zbiornika wodnego, albo przeprowadza się odpowiednie zabiegi, których celem jest wykorzystanie terenu na: parki, tereny zielone, boiska, tereny wypoczynkowe, tory saneczkowe itp.
2. Zagospodarowanie docelowe jest przejściem do pełnej produkcji roślinnej a w zależności od wybranego kierunku zagospodarowania przeprowadza się przebudowę drzewostanów na docelowe na terenach leśnych bądź też stosuje odpowiedni płodozmian rekultywacyjny na terenach rolniczych. Inne tereny ostateczne ukształtowanie mają zgodne z przyjętym kierunkiem.
Obowiązek rekultywacji terenu spoczywa na jednostce, która jest odpowiedzialna za utratę wartości użytkowej owych gruntów, natomiast zagospodarowaniem zajmuje się jednostka - prawna lub fizyczna, której zostaną przekazane grunty zrekultywowane. Jeśli natomiast przekształcenia dokonało kilka przedsiębiorstw, to obowiązek rekultywacji spoczywa na każdej z tych jednostek, przy czym urząd wojewódzki jako koordynator, ma prawo wyznaczyć jednostkę odpowiedzialną za całość lub za określoną cześć prac. Jak już wyżej wspomniano obowiązujący w Polsce system prawa górniczego nakazuje przedsiębiorstwom górniczym planowanie prac rekultywacyjnych już podczas opracowywania dokumentacji projektowo – kosztorysowo – naukowej. Prawidłowo przeprowadzona działalność rekultywacyjna powinna zacząć się już w trakcie tworzenia poszczególnych rodzajów nieużytków, przygotowania ich do zagospodarowania lub stopniowego likwidowania. Składowiska odpadów górniczych są poddawane pracom rekultywacyjnym mającym na celu:
• gaszenie pożarów i dużych ognisk pożarowych oraz ograniczenie aktywności termicznej zwałowiska,
• rekultywację techniczną, dotyczącą wykonania dróg komunikacyjnych i półek technologicznych, formowania skarp, dostawy i wbudowania materiału ziemnego do budowy nasypów rekultywacyjnych,
• wykonanie systemu odwodnienia bryły zwałowiska oraz gospodarki wodami opadowymi, spływającymi ze skarp oraz napływającymi z terenów u podnóża obiektu,
• rekultywację szczegółową terenu, w tym przejściowego i ostatecznego wprowadzenia roślinności.
Rekultywacja biologiczna jest ostatnim etapem prac mających na celu doprowadzenie składowiska do ponownej użyteczności do celów przemysłowych bądź innych. Jest to proces najmniej zanieczyszczający środowisko.
Niniejsza analiza jest oparta na przykładzie składowiska „Skalny”. W trakcie prac rekultywacyjnych wykonano między innymi 53 rowy chłonne o łącznej długości ponad 8 kilometrów, 20 otworów iniekcyjnych na wybranym poletku długości po 6m każdy, co daje łącznie 120 m [9], do których wtłoczono mieszaninę popiołowo – wodną. Wykonano także prace z docelowym ukształtowaniem zwałowiska tj. przebudowę głównej drogi technologicznej, budowę półek technologicznych i retencyjnych na skarpach składowiska a także wiele innych prac mających na celu zmniejszenie uciążliwości, jakie powoduje składowisko. Wydanie tak olbrzymiej kwoty na rekultywację ma doprowadzić do tego, aby w przyszłości składowisko nie tylko nie zanieczyszczało w żaden sposób środowiska naturalnego, ale spełniało rolę terenu rekreacyjno sportowego bądź historycznego. Porównanie składowiska stożkowego przed procesem rekultywacji i po procesie jest dosyć powierzchowne, ponieważ po zakończeniu długotrwałego procesu rekultywacji składowisko nie będzie emitowało żadnych zanieczyszczeń a wręcz przeciwnie gdyż będzie na nim posadzone kilkanaście tysięcy drzew i różne mieszanki traw. Jednakże biorąc pod uwagę cały proces rekultywacji nie tylko jej ostateczny rezultat porównanie to wygląda dosyć ciekawie.
4. Emisje zanieczyszczeń gazowych i pyłowych emitowanych do atmosfery
przez składowisko
Celem analizy jest określenie stopnia szkodliwości na środowisko naturalne zwałowisk stożkowych, na których składowane są odpady pogórnicze i porównanie wielkości ich ujemnego wpływu na środowisko przed i po procesie rekultywacji. Obiektem, na którym została oparta analiza jest należące do kopalni węgla kamiennego KWK „Bolesław Śmiały” zwałowisko stożkowe „Skalny”. Zwałowisko to jest typowym „przedstawicielem” hałd o regularnym kształcie stożka. „Skalny” jak większość dawniej usypywanych zwałowisk jest w znacznej części zapożarowany, co wiąże się z emisją do atmosfery trujących gazów, a także z koniecznością prowadzenia na nim prac rekultywacyjnych mających całkowicie ograniczyć wszelkie szkodliwe czynniki powodowane przez hałdę. Biorąc pod uwagę zanieczyszczenia jakie powoduje „Skalny” a także konieczność prowadzenia na nim prac rekultywacyjnych jest to idealny obiekt do przeprowadzenia na jego podstawie analizy. Etapy cyklu życia eksploatacji i rekultywacji składowiska – które zostały uwzględnione w analizie są przedstawione na rys. 4.1.
W dalszej części pracy przedstawiono emisje gazowe i pyłowe przed procesem i rekultywacji, w trakcie jego trwania oraz po jego zakończeniu.
Rys. 4.1. Model LCA dla systemu składowania odpadów na składowiskach stożkowych
4.1 Emisja przed procesem rekultywacji
Zanieczyszczenia lotne emitowane do atmosfery przez zwałowiska stożkowe przed procesem rekultywacji to przede wszystkim zanieczyszczenia z samego składowiska (ogniska endogeniczne, pyły), ale także zanieczyszczenia z samochodów transportujące na składowisko odpady jak również zanieczyszczenia z urządzeń pracujących przy rozładunku odpadów.
Danymi wejściowymi w fazie składowania odpadów z przemysłu górniczego na składowisku jest energia (paliwo), potrzebna do rozładunku odpadów na terenie składowiska, a także do ich rozgarnięcia i utwardzenia. Najważniejszym elementem wejściowym w tej fazie są ogromne ilości odpadów, które są składowane na zwałowisku. W obliczeniach została pominięta amortyzacja samochodów. Elementami wyjścia w fazie składowania odpadów są przede wszystkim: zajęcie dużych powierzchni terenu i lokalnego
niszczenie krajobrazu. Ponadto do danych wyjściowych zaliczamy emisję z samochodów i maszyn rozładowujących odpady po terenie składowiska jak również zanieczyszczenia wód powierzchniowych i podziemnych spowodowanych odciekami ze zwałowiska. Składowanie odpadów jest również przyczyną erozji zboczy hałd.
Wyniki analizy przedstawione zostały w tabeli 4.1.
Tabela 4.1. Emisja zanieczyszczeń lotnych ze składowiska przed procesem rekultywacji [10].
Rodzaje substancji lotnych emitowanych do atmosfery [Mg/Mg odpadów]
CO SO2 Pyły NOx WWA CO2 CxHy
Emisja zanieczyszczeń ze
składowiska
5,41E-09 3,39E-08 4,64E-06 0 0 2,21E-06 5E-08
Transport odpadów na składowisko
1,1E-06 4,51E-07 9,23E-09 1,7E-06 3,48E-07 5,23E-05 0
Składowanie odpadów na składowisku
1,75E-05 3,40E-06 0 1,2E-05 4,0E-06 2,16E-04 0
Suma 1,86E-05 3,88E-06 4,65E-06 1,37E-05 4,35E-06 2,71E-04 5,0E-08
4.2. Emisja zanieczyszczeń lotnych ze składowiska w trakcie procesu rekultywacji W fazie rekultywacji technicznej danymi wejściowymi procesu są energia (paliwo), zużywane przez spycharkę i walec wibracyjny. Odpady powęglowe stosowane przede wszystkim do ograniczenia dostępu tlenu do miejsc występowania pożarów, a także do oddzielenia terenów zapożarowanych z terenami, na których podwyższone temperatury nie występują. Nie są brane pod uwagę takie parametry jak: eksploatacja maszyn i urządzeń pracujących przy rekultywacji. Danymi wyjściowymi w tej fazie jest: zapylenie występujące podczas prac rekultywacyjnych (rozgarnianie i utwardzanie), półki retencyjne i drogi dojazdowe budowane w celu ułatwienia poruszania się samochodów odpadami po terenie składowiska. Głównym elementem wyjścia w fazie rekultywacji technicznej jest gaszenie pożarów endogenicznych powstałych często w wyniku niewłaściwego składowania odpadów, a także odwodnienie terenu składowiska mające na celu polepszenie jakości wód powierzchniowych i podziemnych zanieczyszczanych odciekami ze składowiska. Podczas tego typu prac istnieje duże prawdopodobieństwo wypadków jednak ze względu na poufność danych o wypadkach podczas prowadzenia prac rekultywacyjnych zwykle nie są one brane pod uwagę.
Elementami wejściowymi w fazie rekultywacji biologicznej zwałowisk stożkowych są mieszanki traw siewnych i drzewa, a także woda, która zużywana jest do podlewania i nawadniania terenów, jednak względu na brak danych na temat ilości jej zużycia nie została wzięta po uwagę w dalszych obliczeniach. Danymi wyjściowymi w tej fazie są: ograniczenie zjawiska wtórnej emisji zapylenia poprzez nasadzenie roślinności na powierzchni składowiska, umocnienie skarp brył poprzez nadbudowę szczelnych nasypów,
poprawienie bilansu wodnego dla całości obiektu poprzez zagęszczanie zwałowanego materiału oraz poprzez zasadzenie najpierw mieszanek traw a w późniejszym czasie pełnej roślinności. Zasadzenie drzew spowoduje dodatkowo emisję tlenu do otoczenia. Ostatnim elementem wyjściowym jest nadanie zdegradowanemu terenowi walorów krajobrazowych w takim stopniu by później mógł on zostać wykorzystany do różnego rodzaju celów (rekreacyjne, przemysłowe, gospodarcze).
Emisja zanieczyszczeń podczas prac rekultywacyjnych to przede wszystkim niezorganizowana emisja pyły, a także emisja zanieczyszczeń lotnych pochodzących ze spalania oleju napędowego w urządzeniach wykonujących prace rekultywacyjne. Bardzo ważnym elementem, jeśli chodzi o emisję szkodliwych substancji do środowiska podczas procesu rekultywacji jest czas. Prace rekultywacyjne trwają od kilku do kilkunastu lat natomiast emisja zanieczyszczeń ze składowiska może trwać nawet kilkadziesiąt lat. Po zakończeniu rekultywacji emisja ze składowiska powinna by zerowa a dodatkowo składowisko będzie „produkowało” tlen i pochłaniało CO2 co jest efektem posadzenia na
nim drzew.
Wyniki analizy przedstawione zostały w tabeli 4.2.
Tabela 4.2. Emisja zanieczyszczeń lotnych ze składowiska w trakcie procesu rekultywacji [10]
Rodzaje substancjo lotnych emitowanych do atmosfery [Mg/Mg odpadów]
CO SO2 Pyły NOx WWA CO2 CxHy
Emisja zanieczyszczeń 1,7E-05 3,4E-06 3,38E-08 1,2E-05 4,0E-06 2,16E-04 0
4.3. Emisja zanieczyszczeń lotnych ze składowiska po zakończeniu procesu rekultywacji
Emisja zanieczyszczeń ze składowiska po zakończeniu na nim prac rekultywacyjnych powinna być zerowa albo bardzo zbliżona do zerowej. Dodatkowo w wyniku posadzenia na składowisku roślinności w pierwszym etapie roślinności niskiej (mieszanki traw) a następnie roślinności wysokiej (drzewa) hałda powinna pochłaniać CO2 z powietrza
atmosferycznego a także być „producentem” tlenu.
Tabela 4.3. Emisja zanieczyszczeń lotnych ze składowiska po zakończeniu prac rekultywacyjnych [10]
Rodzaje substancjo lotnych emitowanych do atmosfery [Mg/Mg odpadów]
Poszczególne fazy cyklu życia zwałowiska
stożkowego
CO SO2 Pyły NOx WWA CO2 CxHy 02
Emisja zanieczyszczeń ze składowiska 0 0 0 0 0 -1,95E-05 Bd. 2,76E-03
Wyniki zawarte w tabeli 4.3. wskazują, że hałda nie będzie w żaden niekorzystny sposób oddziaływała na środowisko naturalne a ponadto będzie je wzbogacała w tlen, którego „producentem” będą posadzone tam drzewa. Będą one także pochłaniały CO2 z atmosfery.
4.4. Porównanie emisji zanieczyszczeń lotnych ze składowiska przed procesem rekultywacji w trakcie procesu i po jego zakończeniu
Porównanie wszystkich emisji zanieczyszczeń lotnych ze składowiska stożkowego pozwoli na obiektywną oceną, co do słuszności prowadzenia prac rekultywacyjnych na składowisku. Będzie można stwierdzić czy prace rekultywacyjne są opłacalne dla środowiska naturalnego, czy też lepszym pomysłem byłoby pozostawienie zwałowisk stożkowych w takiej formie, jakiej są i czekać aż w końcu same przestaną zanieczyszczać środowisko.
W tabeli 4.4. widać, że emisja zanieczyszczeń lotnych pochodząca z prac rekultywacyjnych jest bardzo zbliżona do emisji zanieczyszczeń jakie wydobywają się ze składowiska. Dodatkowo po zakończeniu prac, rekultywacyjne, czyli po zatrawieniu i zasadzeniu drzew na składowisku będzie ono „produkowało” tlen a także będzie pochłaniało dwutlenek węgla, którego dotychczas było producentem. Można, zatem jednoznacznie stwierdzić, że podejmowanie prac rekultywacyjnych jest jak najbardziej słuszną decyzją, gdyż nie tylko zlikwidują one zanieczyszczenia, jakie powodują zwałowiska, ale także będą korzystnie wpływały na środowisko naturalne emitując do niego tlen. Należy jeszcze dodać, że prace rekultywacyjne będą trwały około 5 lat a zwałowiska stożkowe mogą palić się nawet kilkadziesiąt lat.
W tabeli 4.4. porównano emisję z poszczególnych etapów, czyli emisję przed procesem rekultywacji w trakcie procesu i po jego zakończeniu. Porównanie ma za zadanie przekonać nas o słuszności prowadzenia prac rekultywacyjnych. Założono wielkość emisji substancji lotnych, jakie emitowałoby składowisko w ciągu 30 lat eksploatacji bez podejmowania jakichkolwiek prac mających na celu ograniczyć jego szkodliwy wpływ na środowisko. Emisję szkodliwych substancji, jakie emituje hałda w ciągu 30 lat porównano z emisją szkodliwych zanieczyszczeń substancji lotnych, jakie spowoduje prowadzenie prac rekultywacyjnych na owej hałdzie w ciągu 5 lat gdyż założono, że w przeciągu tego okresu prace zostaną wykonane. Do porównania wzięto także emisję, jaką będzie powodowało składowisko po zakończeniu na nim wszelkich prac rekultywacyjnych.
Tabela 4.4. Porównanie emisji gazowej i pyłowej ze składowiska przed i po zakończeniu prac rekultywacyjnych. [10]
Rodzaje substancjo lotnych emitowanych do atmosfery [Mg/Mg odpadów]
CO SO2 Pyły NOx WWA CO2 CxHy 02
Przed rekultywacją 1,86E-05 3,88E-06 4,65E-06 1,37E-05 4,35E-06 2,71E-04 5,0E-08 0
W trakcie rekultywacji 1,7E-05 3,4E-06 3,38E-08 1,2E-05 4,0E-06 2,16E-04 0 0
Na podstawie tabeli 4.4. można jednoznacznie stwierdzić, że proces rekultywacji składowiska jest procesem jak najbardziej słusznym i pożądanym. Fakt, że prace rekultywacyjne trwają ok. 5 lat a składowisko, na którym nie są one prowadzone może emitować zanieczyszczenia do atmosfery nawet przez kilkadziesiąt lat (nawet do 50 lat) spowodowane jest to głównie zapożarowaniem tych składowisk dodatkowo przemawia za tym żeby owe prace na składowiskach prowadzić. Zanieczyszczenia, jakie emituje hałda w ciągu tych 30 lat są kilkukrotnie większe od tych, jakie wystąpią podczas prac rekultywacyjnych. Jeszcze jednym ważnym elementem przemawiającym za słusznością prowadzenia rekultywacji jest to że po jej zakończeniu (co widać na wykresie) składowisko będzie pochłaniało CO2 z atmosfery a także będzie „producentem” tlenu.
5. Wnioski
Produkcja węgla wiąże się z wieloma ujemnymi skutkami. Największym problemem jest zagospodarowanie olbrzymiej ilości odpadów. Warto podkreślić, że węgiel kamienny nadal będzie podstawowym paliwem energetycznym w naszym kraju a co się z tym wiąże ilość odpadów nadal będzie rosła. Należy jednak pamiętać, że w przeciwieństwie do innych gałęzi przemysłu, przemysł wydobywczy ma znacznie ograniczone możliwości zmniejszenia ilości powstających odpadów. Tak duża ilość odpadów spowodowana jest w dużej mierze przez warunki zalegania wydobywanego surowca. Zwałowiska odpadów pochodzących z przemysłu górniczego wpływają negatywnie na stan powietrza głównie poprzez emisję niezorganizowanych zanieczyszczeń pyłowych. Znajdujące się na składowisku odpady pogórnicze są narażone na działanie zjawisk atmosferycznych, co w konsekwencji może doprowadzić do procesów wietrzenia i erozji. Na składowiskach zachodzą także procesy będące bezpośrednio związane z właściwościami gromadzonych tam odpadów. Należą do nich procesy termiczne (mają negatywny wpływ na zdrowie ludzi pracujących przy obsłudze składowisk, a także na mieszkańców pobliskich terenów), chemiczne i biochemiczne. Występujące na składowiskach ogniska termiczne powodują emisję szkodliwych substancji gazowych, co jest wynikiem rozkładu związków palnych, które są zawarte w odpadach powęglowych. Substancje te to przede wszystkim CO, SO2,
NO2, CH4, i węglowodory. Na większości składowisk pogórniczych stężenie szkodliwych
substancji lotnych znacznie przekraczają wszelkie dopuszczalne normy. Przebywanie w pobliżu takich miejsc jest bardzo niebezpieczne. Zwałowiska stożkowe mają także ujemny wpływ na wody powierzchniowe i podziemne. Spowodowane to jest głównie wymywaniem substancji zawartych w odpadach pogórniczych. Substancje, które w zasadniczy sposób wpływają na skażenie wód, to przede wszystkim związki mineralne tj. chlorki, siarczany a także metale toksyczne (Pb, Cd) Charakterystycznym zagadnieniem dla zwałowisk stożkowych jest emisja zanieczyszczeń pyłowych, biorąc pod uwagę wpływ na otaczające tereny. Wielkość zapylenia, jaka jest emitowana przez składowiska w dużej mierze zależy od warunków atmosferycznych. W większości przypadków zapylenie pochodzące ze zwałowisk jest bardzo duże. Jest to uciążliwe przede wszystkim dla ludzi zamieszkujących tereny bezpośrednio graniczące z hałdami. Głównymi celami prac rekultywacyjnych jest przebudowa istniejących zwałowiska odpadów, w taki sposób, aby jak najbardziej zminimalizować występujące zagrożenia. Z uwagi na podstawowy obowiązek, jakim jest ochrona środowiska naturalnego, a także przywrócenie walorów krajobrazowych terenom miast, na których znajdują się składowiska odpadów pogórniczych konieczne jest
uwzględnienie celów i zadań, jakie należy wykonać, aby tereny te mogły być ponownie wykorzystane. W pracy oparto się na zadaniach, jakie należy wykonać na składowisku odpadów pogórniczych „Skalny” gdyż zwałowisko to jest typowym zwałowiskiem stożkowym a prace jakie są na nim prowadzone są typowymi dla tego rodzaju hałd. Chcąc w sposób rzetelny i prawidłowy wykonać prace rekultywacyjne konieczne jest uwzględnienie następujących propozycji:
• sposobu likwidacji zapożarowania hałdy uwzględniającego gaszenie palącego się materiału z wykorzystaniem pulpy wodno – popiołowo – wapiennej. Jej wykorzystanie to nie tylko działania w ramach likwidacji pożarów, ale również zabiegi w konsekwencji ograniczające emisję do atmosfery zanieczyszczeń – głównie pyły,
• odpowiedniej technologii formowania bryły obiektu przy pomocy specjalistycznego sprzętu umożliwiającego wysokie zagęszczenie w wbudowywanego materiału,
• najkorzystniejszego dla ochrony wód powierzchniowych sposobu odwodnienia obiektu zakładającego maksymalna retencję wód na rekultywowanym składowisku,
• wykonania systemu odwodnienia, dającego gwarancję odprowadzenia wód w przypadku przedłużających się nawalnych deszczy,
• wykonania rekultywacji biologicznej, pierwotnie w formie zatrawienia, następnie poprzez nasadzenia roślinności wysokiej.
Wszystkie te działania mają na celu doprowadzenie składowisk odpadów powęglowych do takiej postaci, aby mogły być one ponownie wykorzystane niekoniecznie do celów przemysłowych. Po przeanalizowaniu wszystkich aspektów (dodatnich i ujemnych) rekultywacji można jednoznacznie stwierdzić, że decyzja o rozpoczęciu prac rekultywacyjnych jest jak najbardziej słuszna. Zanieczyszczenia powstające podczas prac są kilkunastokrotnie mniejsze niż zanieczyszczenia, jakie powodowałoby składowisko pozostawione w takim stanie, jakim obecnie się znajduje (zapożarowania, odcieki). Jest to spowodowane tym, że prace, rekultywacyjne trwają przeważnie od kilka do kilkunastu lat natomiast składowisko może palić się nawet kilkadziesiąt lat i emitować przez ten czas do środowiska szkodliwe substancje. Dodatkowym faktem przemawiającym za podjęciem rekultywacji jest fakt, że po jej zakończeniu hałda zamiast szkodliwych substancji będzie produkować tlen do atmosfery, a także pochłaniać dwutlenek węgla, w wyniku docelowego zatrawienia i zalesienia obiektu. Największym problemem, z jakim napotykamy się podczas rekultywacji hałd to z tym duże koszty. Dla przykładu na prace rekultywacyjne na składowisku „Skalny” zostało wydane ok. 19mln złotych, a to jeszcze nie koniec wydatków. Są to olbrzymie kwoty jednakże warto je wydać żeby móc żyć w czystym środowisku. Wydaje się, że po zastosowaniu wyżej wymienionych propozycji problem szkodliwości zwałowisk odpadów pogórniczych, jakie produkują kopalnie węgla kamiennego zostanie ograniczony do minimum. Docelowo zrekultywowane obiekty mają pełnić funkcje terenów przemysłowych, krajobrazowych, klimatycznych bądź innych (zależy od inicjatywy osób odpowiadających za zdegradowane tereny). Hałda „Skalny”, (o której mowa w pracy) reprezentująca grupę składowisk stożkowych będzie pełniła funkcje klimatyczne i krajobrazowe nawiązując swoja formą do sąsiadujących terenów zielonych.
Literatura
[1]Tokarski J., Słownik wyrazów obcych PWN
[2] Tokarska – Guzik B.: Rekultywacja czy denaturalizacja? „Kształtowanie krajobrazu terenów poeksploatacyjnych w górnictwie”., AGH, Politechnika Krakowska, Oddział PAN w Krakowie, Kraków 2003 r.
[3] Korski J., Henslok P.,Friede R.: „Uwagi o przyczynach powstawania pożarów składowisk odpadów górniczych, zwalczaniu pożarów i profilaktyce przeciwpożarowej”. Referat wygłoszony na seminarium Instytutu Mechaniki Górotworu Polskiej Akademii Nauk, Kraków 3 lutego 2005.
[4] Konior J., „Możliwości ograniczenia niekorzystnego wpływu zwałowiska odpadów górniczych na otaczające środowisko”. Zeszyty naukowe Politechniki Śląskiej. Katedra Geomechaniki, Budownictwa Podziemnego i Zarządzania Ochroną Powierzchni. Politechnika Śląska. s71
[5] Barosz S., Tabor A.,., „Nowe sposoby ograniczania pożarów w zwałowiskach odpadów górniczych na przykładzie doświadczeń z obiektów „Anna”, „Marklowice”, „Rydułtowy”, „Chwałowice”,. „Barosz Gwimet”S.p. z.o.o., Marklowice 2001
[6] Tabor A., „ Monitoring zwałowisk odpadów powęglowych, obiektów rekultywacyjnych i innych miejsc lokowania karbońskiej skały płonnej w świetle wieloletnich doświadczeń. Sosnowiec 1998
[7] Tabor A., „Składowanie odpadów powęglowych jako problem techniczny i ekologiczny”. Wiadomości Górnicze 1995, nr 6.
[8] Cichy K., „Odnowa środowiska w regionie Górnego Śląska”, urząd miasta, Wodzisław Śląski Wodzisław 2003 r.
[9] Jabłońska M., Biuletyn Górniczy Nr 1-2 (115-116) Styczeń - Luty 2005 r. zaczerpnięte ze strony internetowej http://www.giph.com.pl
[10] Bugla J., Uciążliwość ekologiczna zwałowisk stożkowych i ich rekultywacji, Praca dyplomowa magisterska pod kierunkiem K. Pikonia, Politechnika Śląska 2007.
