Vědci z Permské polytechnické univerzity studovali, jak obnovit přirozené ekosystémy na místě úložiště odpadu z vrtů

Vrtné kaly se skladují ve speciálních skladech, kde vysoký obsah různých solí v odpadu negativně ovlivňuje půdu a vegetaci. Vědci z Perm National Research Polytechnic University studovali možnost přeměny kalových jímek na přírodní ekosystémy pomocí technologie fytoremediace šetrné k životnímu prostředí.

Názor autora se nemusí shodovat s názorem redakce

Rozvoj ropných a plynových polí má významný dopad na životní prostředí způsobený člověkem. Zvláště nebezpečné jsou vrtné úlomky, které vznikají při vrtání studní. Ve velkém se skladuje v kalových jímkách, které zabírají plochu až 2500 metrů čtverečních. Vysoký obsah různých solí v odpadech z výroby ropy vede k zasolování půd, povrchových a podzemních vod, což má následně negativní dopad na půdu a vegetaci. Dnes se aktivně studuje metoda obnovy půdy šetrná k životnímu prostředí pomocí fytoremediace. Je založena na extrakci znečišťujících látek z umělých půd pomocí speciálně vybraných rostlin. Vědci z Permské polytechnické univerzity zkoumali možnost využití této technologie k přeměně odkališť na přírodní ekosystémy.

Článek vyšel ve sborníku „Geoekologie a racionální využití podloží: od vědy k praxi“, 2024. Práce byly provedeny za finanční podpory Ministerstva školství a vědy Ruské federace (projekt FSNF-2020-0021).

Vrtné řízky jsou drcená hornina, která je kontaminována zbytky z chemického roztoku používaného při vrtání studní. Odpad se shromažďuje a ukládá v areálu těžby ropy ve speciálních kalových jímkách. Jejich objem závisí na počtu vrtů v oblasti, hloubce vrtů a délce vývoje pole. Takové struktury odstraňují významné plochy lesní půdy z oběhu a jsou stálými zdroji znečištění životního prostředí. Jejich nejnebezpečnějším dopadem je člověkem způsobené zasolování půdy, povrchových a podzemních vod v důsledku obsahu chloridů v odpadu.

Navzdory vysokému environmentálnímu riziku vrtného bahna vědecká komunita zvažuje otázku přeměny bahenních jam na přírodní ekosystémy. Nyní se široce používá například způsob jejich rekultivace vyrovnáním povrchu a zasypáním stodoly pískem nebo písčitou půdou. Tato metoda však neřeší problém obnovy krajiny a nevrací narušené pozemky do oběhu přírodních zdrojů.

Vědci z Permské polytechnické univerzity studovali možnost fytoremediace odkališť, kdy obnova ekosystému je založena na schopnosti rostlin absorbovat škodliviny z půdy. Speciálně vybrané druhy rostlin, které jsou odolné vůči toxickým vlivům prostředí, akumulují škodliviny v nadzemní části (kořeny, stonky, listy, květy, plody) prostřednictvím kořenového systému, který je následně likvidován. Proces lze opakovat, dokud není půda zcela vyčištěna a nevytvoří se stabilní fytocenóza (společenstvo rostlin).

— Pro fytotesty se obvykle používají luštěniny a obilniny. Zkoumali jsme toxicitu odebraných řízků a provedli jsme fytotesty v laboratoři pěstováním řeřichy a ovsa. Výsledky byly porovnány s písčitou půdou a vermikulitem, minerálním zemědělským materiálem. Růst testované kultury byl také studován pomocí kalu a písčité půdy společně, říká Anna Perevoshchikova, postgraduální studentka Oddělení ochrany životního prostředí PNRPU.

10. den laboratorního pokusu nenastalo klíčení semen řeřichy v nádobách s kalem, zatímco růst a vývoj testovací kultury byl zaznamenán na písčité půdě a vermikulitu. U ovsa vyklíčila semena do 5-7 cm v nádobách s kalem a písčitou půdou. To naznačuje, že obilnina (oves) je odolnější vůči toxickým vlivům prostředí než luskoviny (řeřicha). To znamená, že takové plodiny jsou perspektivnější pro fytoremediaci.

— Chemická analýza prokázala, že vrtné řízky obsahují velký soubor minerálních prvků, jako je vápník a hořčík, a proto se takový odpad s dodatečným přidáním sloučenin dusíku a fosforu může stát živným minerálním médiem pro rostliny, což je nezbytné ve vlhkých klimatických podmínkách v ekosystémech lesních bažin. Vysoký obsah chloridů a solí rozpuštěných ve vodě však přispívá ke zpomalení biologické aktivity půd a narušení procesu fotosyntézy rostlin, vysvětluje Larisa Rudáková, vedoucí katedry ochrany životního prostředí PNIPU, doktorka technických věd.

První výsledky výzkumu provedeného vědci PNRPU ukazují potenciál pro vývoj technologie fytoremediace odkališť a začlenění narušených oblastí do přírodní krajiny. K tomu je nutné vybrat rostlinné společenstvo odolné vůči škodlivinám z vrtných řízků, skládající se nejen ze zástupců bylinné vegetace, ale i keřů a dřevin. V současné době probíhají jak laboratorní, tak i rozsáhlé laboratorní testy, po kterých lze učinit závěry o efektivitě procesu a získat prvotní data pro provádění pilotních průmyslových testů tvorby fytocenózy v odkališti.

Vývoj horniny způsobuje tvorbu kalu – drobných prachových částic, které jsou vynášeny jako sediment. Tento vedlejší produkt vyžaduje další likvidaci, protože způsobuje nenapravitelné škody na přírodě, zvířatech a lidech.

Složení a druhy kalů

Sediment pevného kalu obsahuje mnoho látek, které zahrnují následující chemické prvky:

• měď;
• magnesium;
• zinek;
• vápník;
• hliník
• křemík;
• fosfor;
• železo.

Kal se skládá ze tří zón.

Podle zdroje tvorby je průmyslový kal:

• Kal z čištění nádrže;
• Kal z domén;
• Odpad z výroby oceli, vysokých pecí a otevřených nístějových pecí;
• Odpad z bunkrových pecí;
• Prach z dílen;
• Prach továren.

Proces a místa jeho vzniku

Zpracováním surovin při technologických procesech dochází ke vzniku kalů.

Hlavními místy vzniku jsou těžba a zpracování, rafinace ropy, chemické nebo hutní podniky.

. Kal se tvoří jedním z těchto způsobů:

1. Prášek se v roztoku usazuje při elektrolýze zinku, mědi a dalších kovů střední elektrochemické aktivity;
2. V parních kotlích zůstávají usazeniny připomínající kal, odstraňují se foukáním;
3. Obohacování rudy a uhlí, což má za následek tvorbu kalu;
4. Filtrace a usazování kapalin způsobuje vzhled odpadu ve formě malých částic;
5. Výroba křemenného písku zanechává pískový kal.

Většina odpadů v hutním průmyslu pochází z usazování prachových emisí. V ropných rafinériích množství prachu obvykle nepřesahuje jedno procento z celkového produktu.

Poškození životního prostředí

Odpad vznikající při vrtání, těžbě a zpracování rud představuje nebezpečí pro životní prostředí a člověka, protože prach má toxické vlastnosti. Tabulka ukazuje škody, které kal způsobuje životnímu prostředí, zvířatům a lidem.

A přestože lze vodu a půdu očistit od prachu, v boji proti částicím, které nejsou rozpustné ve vodě, to nepomáhá. Obnovení normálního složení bude trvat 30 až 50 let.

Kal je klasifikován jako třetí třída nebezpečnosti neboli „středně nebezpečný odpad“.

Oblasti použití kalů

Hlavní oblastí použití tohoto druhu odpadu je výroba stavebních materiálů. Používají se také k výrobě preventivních maziv. Oblast použití z větší části závisí na přímém složení kalu:

• při výrobě dekorativního skla se přidává kal;
• k vytvoření barev a laků odebírají sediment z elektrolýzy kovů se střední elektrochemickou aktivitou;
• příprava expandovaného jílu vyžaduje kal bohatý na železo;
• Výrobu obkladů a dlažeb provází přidávání sedimentů obsahujících jílové složky.

Odvodňování kalů

Díky vysokému obsahu užitečných látek se kal stává cennou surovinou, ale k tomu je třeba nejprve odvodnit.

Samotný proces se provádí ve třech fázích.

Prvním krokem je zahuštění zbytku. To je nutné pro zvýšení hmotnosti částic a hustoty samotného kalu, čehož je dosaženo pomocí zahušťovače, jehož činnost je založena na gravitační nebo odstředivé síle. Zbývající kapalina je někdy znovu použita ve výrobě.

Ve druhém stupni se provádí filtrace. Koncentrát se filtruje, protože kal v polotekutém stavu není vhodný k použití. Po tomto procesu se obsah kapalné fáze sníží na osm až deset procent.

Ve třetí fázi se zbytek suší a poté může být použit pro sekundární použití.

Způsoby jeho likvidace a recyklace

Z důvodu značného poškození životního prostředí je nutné kal zlikvidovat. V evropských zemích se do průmyslu a těžby stále více zavádějí tyto metody:

• Vypouštění do vodních ploch nebo skladovacích zařízení. Průmyslová voda a kapalná fáze kalu jsou vypouštěny do vnějších vodních útvarů a zbytky jsou odesílány k těžbě uhlovodíků z ropných produktů. Nevýhodou této metody je změna ekosystému a znečištění životního prostředí;
• Tepelné zpracování. Kaly jsou často podrobeny tepelnému zpracování v pecích a stodolách za účelem dehydratace zbytku a získání živičných zbytků;
• Chemická metoda. K eliminaci negativních účinků kalů se používají chemické metody a procesy. Například neutralizace, kalení organickými přísadami, extrakce a tak dále;
• Fyzikálně-chemická metoda. Kromě čistě chemických metod lze pro efektivní likvidaci kalů použít i metody smíšené. V zahraničí se aktivně rozvíjejí technologické metody na pomezí fyziky a chemie. Například fyzikální a chemické vlastnosti kalu se mění v důsledku reakcí nebo zpracování na speciálním zařízení;
• Mikrobiologický a biotermický rozklad. Jednou z málo prozkoumaných a perspektivních metod je biotermický rozklad mikroorganismy: bakteriemi, jednobuněčnými organismy, houbami. Mohou zpracovávat kaly s uvolňováním metanu;
• Procesy se separací jednotlivých prvků. Kal je směs, takže před likvidací lze ze zbytků shromáždit složky pro různé účely, například se izolují uhlovodíky a použijí se jako palivo. Tímto způsobem lze odsát kovový prach.

Postup při likvidaci určitých druhů kalů

Vzhledem k extrémně negativnímu vlivu na životní prostředí je nutné aktivity výroby s kaly bedlivě sledovat. Problémem je bezpečné skladování tohoto odpadu, stejně jako způsoby likvidace kalů z aluminového, ropného a chemického průmyslu. Jedním z možných řešení je organizace skladovacích zařízení a pohřebišť. Na takových místech by měly být protiprosakovací zástěny. Další možností je sekundární spotřeba kalu po zpracování a dezinfekci.

Skladování musí být takové, aby do vodních útvarů, zejména podzemních, nemohly unikat nebezpečné látky.

Aby toho bylo dosaženo, musí být skládky vybaveny speciálními polymerovými síty. Důležité je, aby byly zcela utěsněné, mechanicky pevné, odolné vůči agresivnímu prostředí a abrazivním látkám a mrazuvzdorné. Za podobný materiál lze považovat geomembránu, která splňuje uvedené požadavky a má schopnost vytvořit potřebnou bariéru zabraňující pronikání kalů do přírody. Navíc je netoxický a může si po dlouhou dobu zachovat své pracovní vlastnosti.

Vrtné řízky

Na vrtné bahno se vztahují zvláštní požadavky na likvidaci. Proces recyklace probíhá v pěti fázích:

1. Nejprve je nutné odstranit olejový film z povrchu;
2. Poté se kapalná část kalu oddělí od ropy a jejích derivátů;
3. kapalná fáze je zcela vyčištěna (jak to bude realizováno do značné míry závisí na dalších cílech nakládání s odpady);
4. vrtné bahno prochází procesem dehydratace a voda je poté buď vypuštěna nebo odeslána k opětovnému použití ve výrobě;
5. Vrtné bahno se neutralizuje a zpracovává.

Olejový kal

Ropný kal se proto objevuje během procesu skladování, přepravy nebo jiných činností s ropou. Složení odpadu může zahrnovat ropu, různé uhlovodíky (alkany, alkeny, cykloalkany, dienové uhlovodíky), organické sloučeniny obsahující kyslík (aldehydy, ketony, alkoholy, fenoly), sloučeniny obsahující síru, dusík, stejně jako oxidy kovů, jíl, písek atd.

Složky ropných kalů se nerozpouštějí ve vodě a nepodléhají biologickému rozkladu. Tím se zabrání tomu, aby se ekosystém čistil od odpadu.

Uvedené látky mají navíc negativní dopad na živé organismy, rostliny a biosystém jako celek.

Byly vyvinuty technologické metody, které oddělují ropu a její složky od odpadu na stavbách: tato směs se pak kalcinuje v pecích a používá se jako přísada do materiálů pro stavbu silnic. Tím je zachována šetrnost k životnímu prostředí a výroba zlevňuje.

Galvanický kal

Galvanické kaly se od běžných liší tím, že obsahují těžké kovy ve formě kationtů. Vystavení těmto solím může způsobit vážná onemocnění. Kovy se v kalech vyskytují ve formě sloučenin, proto je pro další použití nutné tyto prvky izolovat ve formě jednoduchých látek. Recyklace vyžaduje spoustu energie a peněz, takže je možná pouze pro vysoký obsah barevných kovů. Ale obvykle jsou v galvanickém kalu neželezné kovy přítomny ve velmi malých množstvích. V takových podmínkách je lepší posílat odpad na stavební a silniční materiály jako přísadu.

Pro takové použití kalu je nutné nejprve provést hygienickou a hygienickou kontrolu samotného kalu a poté hotového výrobku.

Metody získávání kovů z kalů

Hmotnostní obsah kovových částic může v některých případech dosáhnout osmdesáti procent. Z tohoto důvodu zůstává pro podniky stále aktuální otázka technologie získávání kovů z kalů.

Acidobazická sekrece

Sediment, který se má extrahovat, se zpracuje kyselinou sírovou, aby se kal přeměnil na kapalnou formu. Dochází k oxidační reakci, kationty kovů se vážou se síranovými anionty za vzniku soli. Po dokončení reakce se roztok filtruje, aby se odstranil písek a jíl z reakční koule. Změří se pH a poté se kyselost média upraví na požadovanou hodnotu, v důsledku čehož se kov začne usazovat. Poté se sediment filtruje a dezinfikuje.

Extrakce pomocí organických látek

Extrakce se provádí k izolaci barevných a drahých kovů, k procesu se používají nehořlavé látky. Tato reakce nemůže být vyvolána těkavými rozpouštědly.

Někdy se extrakce provádí pomocí taveniny organické hmoty. Po samotném procesu se produkt ochladí v nádobě, vznikne poměrně hustá hmota, kterou lze snadno oddělit od kapalné fáze. Tato hmota má dlouhou trvanlivost a je vhodná pro přepravu.

Možnosti získávání druhotných surovin

Ekonomicky výhodným způsobem využití kalů je produkce druhotných surovin, které se využívají v různých výrobních oblastech.

V důsledku recyklace kalů lze získat následující druhy surovin:

• energetické palivo pro tepelné elektrárny;
• stavební materiály;
• silniční materiály;
• plniva do betonu;
• recyklovaná voda, lze ji znovu použít.

Technologie pro zpracování kalů na druhotné suroviny jsou v Rusku stále špatně implementovány pro široké použití. Někdy se jako složka vsázky používá kal.