Polska ma istotne problemy ekologiczne związane z odprowadzaniem zasolonych wód dołowych do rzek. Wody kopalniane zawierające duże stężenia siarczanów i chlorków powodują, że rzeki stają się niezdatne do celów konsumpcyjnych i gospodarczych. Odprowadzanie zasolonych wód dołowych do rzek powoduje w nich degradację fauny i flory, warto więc zastanowić się nad możliwościami odsalania tych wód i wyeliminowania ich negatywnego wpływu na środowisko wodne.

Problem występowania zasolonych wód w wyrobiskach górniczych istnieje odkąd zaczęto wydobywać węgiel. Eksploatacja wyrobisk związana jest z koniecznością systematycznego odwadniania, czyli wypompowywania napływających wód na powierzchnię. Stopień mineralizacji zasolonych wód kopalnianych zależy głównie od warunków hydrogeologicznych poszczególnych kopalń, jak również od stopnia eksploatacji pokładów węgla. Wykorzystanie wód kopalnianych w zakładach górniczych jest nieznaczne ze względu na małe zapotrzebowanie własne kopalń, a także na bardzo złą i zróżnicowaną ich jakość. Ponieważ kopalnie nie mogą zagwarantować odpowiedniej ilości i jakości wody, jaką w danym czasie dysponują, dlatego sprzedaż wód kopalnianych jest ograniczona. Dodatkową trudnością są wysokie koszty przesyłu wód od kopalń do odbiorców. Na potrzeby własne wykorzystywane są wody pitne, natomiast reszta wód zrzucana jest do rzek, co stwarza zagrożenie dla środowiska. Odprowadzanie wód kopalnianych do cieków powierzchniowych powoduje ogromną degradację środowiska, dlatego naukowcy pracują nad skutecznymi i tanimi metodami ich oczyszczania. Do stosowanych obecnie metod można zaliczyć: wtłaczanie słonych wód do górotworu, ograniczenie ładunku soli w wodach, hydrotechniczna ochrona rzek przed zasoleniem, odsalanie oraz recyrkulacja wody.

Wtłaczanie wód do górotworu

Wtłaczanie wód do górotworu jest nieszkodliwym dla środowiska i jednym z najtańszych sposobów pozbywania się cieków. Polega na wtłaczaniu wody otworami wiertniczymi do warstw porowatych i przepuszczalnych, izolowanych od poziomów wodonośnych zawierających wody użytkowe. Rozróżnia się wtłaczanie bezpowrotne do głęboko zalegających, zamkniętych struktur geologicznych o odpowiedniej pojemności oraz, w przypadku wód kopalnianych, wtłaczanie recyrkulacyjne do warstw wodonośnych drenowanych przez wyrobiska górnicze. W Górnośląskim Zagłębiu Węglowym przeprowadzono ocenę możliwości zastosowania tej metody. W GZW wody powinny być wtłaczane na głębokość przekraczającą maksymalną głębokość robót górniczych. Optymalnym rozwiązaniem byłoby znalezienie serii chłonnej w utworach podścielających karbon produktywny (dolny karbon, dewon lub kambr). Wyniki badań laboratoryjnych nie są jednak w pełni reprezentatywne, gdyż próbki rdzenia pobierane do badań są na ogół wybiórcze, a badania nie obejmują drobnych spękań, rozwarstwień itp., które mogłyby zmienić w istotnym stopniu przepuszczalność warstwy. Dla lepszego rozpoznania własności hydrogeologicznych piaskowców karbońskich zalegających na dużych głębokościach, podjęto próbę interpretacji krzywych karotaży geofizycznych głębokich otworów usytuowanych na obszarach kopalń "Jaworzno", "Jan Kanty" i "Budryk". Wartości przepuszczalności i porowatości określone tą metodą są znacznie wyższe niż wartości tych parametrów określone metodami laboratoryjnymi. Potwierdzenie wyników wymaga przeprowadzenia próbnego wtłaczania.
Inną metodą zatłaczania jest metoda recyrkulacji zgłoszona do opatentowania
w GIG-u w 1988 r. Polega ona na odwierceniu bariery otworów tłocznych do drenowanych przez kopalnię utworów wodonośnych poza granicami obszaru górniczego i wtłaczaniu do tych utworów pod odpowiednim ciśnieniem słonych wód pompowanych z kopalń. Wtłaczanie wody do tych utworów powoduje zwiększenie dopływów do kopalń wskutek hydraulicznego współoddziaływania otworów tłocznych i wyrobisk górniczych. Wzrost ten jest tym mniejszy, im odległość pomiędzy otworami i wyrobiskami jest większa. Część wtłaczanej wody jest filtrowana w kierunku przeciwnym, wytwarzając w drenowanym kompleksie strefę podwyższonego ciśnienia stanowiącą barierę hydrauliczną, ograniczającą zasięg leja depresji i blokującą dopływy wód z partii peryferyjnych. W ten sposób część wód znajduje się w obiegu zamkniętym, dzięki czemu nie zachodzi konieczność odprowadzania ich na zewnątrz. W efekcie ilość słonych wód zrzucana do cieków powierzchniowych powinna być ograniczona.
W sąsiedztwie kopalni "Piast" przeprowadzono badania nad płytkim zatłaczaniem wody do utworów górnego karbonu (recyrkulacja), leżących na głębokości poniżej 200 m. Badania te potwierdziły chłonność tych utworów w granicach ok.
0,9-1,1 m³/min. Na południe od kopalni "Silesia" warstwami chłonnymi są klasyczne utwory miocenu oraz zalegające pod nimi utwory dewonu. Istnieją tam warunki do zatłaczania wód na głębokości powyżej 1200 m, niestety nie zostało to dokładnie zbadane.

Ograniczenie ładunku soli w wodach

Górnicze metody ograniczania ładunku soli w wodach należą do najprostszych i nie wymagają wielkich nakładów, ale efekty uzyskiwane dzięki nim są ograniczone. Możliwości ich wdrażania zależą w głównej mierze od warunków hydrogeologiczno-górniczych, stopnia zaawansowania działalności górniczej na poszczególnych poziomach wydobywczych, a także układu przestrzennego wyrobisk górniczych. Metody te polegają na modyfikacji sposobu prowadzenia robót górniczych, które pozwolą zmniejszyć ładunek soli wprowadzanych do kopalń wraz z dopływającymi wodami. Osiąga się to poprzez: zmianę lokalizacji robót górniczych, zmianę technologii eksploatacji, izolowanie wyrobisk, likwidację otworów o znacznym dopływie słonych wód oraz zatrzymywanie słonych wód w wyrobiskach górniczych.

• Najskuteczniejszym sposobem jest zastosowanie podsadzki hydraulicznej, a w razie braku takiej możliwości - podsadzki suchej, ewentualnie eksploatacji pasami. Zmniejszenie odkształceń górotworu nad polem eksploatacji oraz ograniczenie pionowego zasięgu strefy spękań powoduje ograniczenie dopływu wody do wyrobiska i tym samym ograniczenie ładunku soli. W praktyce, niestety, nie we wszystkich kopalniach znajdują się urządzenia do stosowania podsadzki, a ponadto nie wszystkie wyrobiska mogą być podsadzane. Tak więc zakres stosowania tej metody obniżenia zrzutu soli jest bardzo ograniczony.
• Izolowanie wyrobisk oraz likwidacja otworów o znacznym dopływie słonych wód polega na budowaniu tam wodnych, odcinających pojedyncze wyrobiska o dużych dopływach wód słonych od reszty kopalni. Powinny to być tamy wodoszczelne pełne, usytuowane w wyrobiskach umożliwiających do nich dojście i bieżącą kontrolę. Możliwość zastosowania tej metody zależy ściśle od warunków hydrogeologicznych i geologiczno-górniczych i w każdym przypadku wymaga to indywidualnej analizy i rozwiązań dostosowanych do warunków danej kopalni.
• Zatrzymywanie słonych wód w wyrobiskach górniczych polega na wykorzystaniu wód w podsadzkach hydraulicznych, gdzie są one mieszane z różnego rodzaju popiołami lotnymi z elektrowni i elektrociepłowni. Ponadto są one wykorzystywane jako mieszaniny popiołowo-wodne stosowane do uszczelniania zrobów zawałowych, gdzie zatrzymywane są znaczne ilości wody, a tym samym znaczna część ładunku soli.

Hydrotechniczna ochrona rzek

Metoda hydrotechniczna ograniczania zrzutu słonych wód kopalnianych do cieków powierzchniowych polega na czasowym gromadzeniu wód słonych w zbiornikach retencyjnych i kontrolowanym ich zrzucie do rzek lub na prowadzeniu słonych wód rurociągami wzdłuż rzeki na taką odległość, która zapewnia utrzymanie danej klasy czystości cieku powierzchniowego, do którego są one odprowadzane. Zakres zastosowania metody jest uwarunkowany tzw. "chłonnością" rzeki, czyli wielkością sumarycznego ładunku chlorków i siarczanów, jaki może być wprowadzany do rzeki. W konsekwencji metoda ta polega na wprowadzaniu słonych wód do rzeki w okresie zwiększonych przepływów wód, natomiast w przypadku niskich przepływów, zrzut jest wstrzymywany lub prowadzony w ograniczonym zakresie. Przykładem zastosowania tej metody jest kolektor "Olza" na zlewni Górnej Odry. Kolektorem tym odprowadzane są wody kopalń Jastrzębskiej Spółki Węglowej i Kompanii Węglowej S.A. Wody kopalniane po oczyszczeniu z radu i baru są włączane do systemu retencyjno-dozującego, obejmującego: osadniki powierzchniowe, pompownie wprowadzające wody z osadników do kolektora zbiorczego, zbiorniki retencyjne oraz instalację zrzutową. Całkowita długość systemu wraz z rurociągami dosyłowymi wynosi ponad 100 km.
System "Olza" kieruje się własną zasadą napełniania i opróżniania zbiorników w zależności od przepływów wody w Odrze, tak aby nie zostało przekroczone zasolenie poniżej 250 mg/dm3. W tym celu przy przepływie w Odrze do 40 m3/s zbiorniki retencyjne są napełniane w związku ze zbyt małą chłonnością rzeki, czyli ze zbyt dużym stężeniem w niej jonów chlorkowych. Przy przepływie powyżej 40 m³/s możliwe jest opróżnianie zbiorników. Retencyjność i dozowanie wód odbywa się z wykorzystaniem programu komputerowego "Olza - dyspozytor". Program ten pozwala na obliczenie optymalnego ruchu systemu w oparciu o: dotrzymanie I klasy czystości Odry z prawdopodobieństwem 90%, minimalne ciśnienie w rurociągach oraz minimalną energochłonność.
Odsalanie polega na całkowitym usunięciu soli z wody słonej i uzyskaniu z niej wody słodkiej. Zatężone sole uzyskane w tym procesie są usuwane do morza, słonych zbiorników lądowych, odparowywane w jeziorach lub też przeznaczone do produkcji soli i innych substancji chemicznych. Najczęściej proces ten stosuje się do odsalania wody morskiej w krajach ubogich w wodę słodką, tj. USA.
Odsalanie wód kopalnianych jest przeprowadzane tylko w Polsce, gdyż tylko nasz kraj ma tak ogromne problemy z zasolonymi wodami kopalnianymi. Na rysunku 1 przedstawiono schemat metod i technik odsalania wody.

Metoda termiczna

Metody termiczne polegają na ogrzaniu wody słonej i jej odparowaniu, a następnie kondensacji otrzymanej pary wodnej, dzięki czemu otrzymuje się wodę pozbawioną soli. Wodę tą poddaje się mineralizacji, aby była zdatna do picia. Najczęściej stosowane w praktyce metody termiczne to: wielostopniowe odparowanie równowagowe MSF i odparowanie wielokrotne MED. Destylacja MSF polega na ogrzaniu solanki w ogrzewaczu za pomocą pary wodnej, a następnie przejściu tej solanki przez szereg wyparek. Skondensowana para wodna spada na półkę, z której jest odbierana. Drobne kropelki solanki niesione przez parę wodną oddzielane są przez oddzielacz kropli. W procesie destylacji MED odparowanie solanki następuje w kolejnych wymiennikach ciepła pod wpływem pary wodnej dostarczanej do każdego z nich. Zatężona solanka podawana jest do kolejnych wyparek wraz z parą powstałą w wyparce poprzedniej. Proces wymrażania polega na oziębieniu solanki do temperatury ok. -5°C. Następnie lód wraz solanką przesyłany jest do kolumny myjącej, w której następuje oddzielenie soli od lodu. Po oczyszczeniu lód przesyłany jest do kotła, w którym ulega stopieniu, w wyniku czego otrzymuje się wodę odsoloną.

Metoda termiczno-mechaniczna

Do metod termiczno-mechanicznych odsalania wody zalicza się destylację membranową. Proces ten polega na odparowaniu wody z wody surowej przez membranę rozdzielającą dwa roztwory o różnej temperaturze. Warunkiem koniecznym do przebiegu procesu jest hydrofobowy charakter membrany, czyli zachowanie fazy gazowej w porach membrany. Modułem napędowym procesu jest różnica prędkości par wynikająca z różnicy temperatur. Dużą wadą tego procesu są wysokie koszty, gdyż w procesie tym zużywa się znaczne ilości energii. Koszty otrzymania wody silnie zależą od dostarczonej energii i temperatury prowadzenia procesu odsalania.

Metoda mechaniczna

Przykładem metody membranowej jest zastosowanie do odsalania wody zjawiska odwróconej osmozy. Jest to proces membranowy, za pomocą którego oddziela się cząstki rozpuszczone od rozpuszczalnika przy zastosowaniu ciśnienia przewyższającego ciśnienie osmotyczne danego roztworu. Dzięki temu roztwór przepływa przez membranę od roztworu zatężonego do rozcieńczonego. Membrany te są przepuszczalne tylko dla rozpuszczalnika. Odsalanie wody za pomocą tej metody wymaga dodatkowych operacji, tj. wstępnego oczyszczania wody surowej i końcowego uzdatniania wody oczyszczonej. Pierwszy z tych procesów jest niezbędny dla odpowiedniego działania membran i ma na celu usunięcie z solanki substancji, które mogłyby osadzać się na membranach i uniemożliwiać ich pracę. Końcowe uzdatnianie wody ma na celu doprowadzenie wody odsolonej do wymogów, jakie powinna spełniać woda pitna.

Metoda elektryczna

Do metod elektrycznych można zaliczyć elektrodializę, która polega na przenikaniu poszczególnych składników roztworu przez błony półprzepuszczalne pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. Na ogół stosuje się naprzemianległe błony jonitowe, w wyniku czego w komorach pomiędzy błonami znajdują się roztwory zawierające kationy i aniony roztworu poddanego procesowi. W elektrolicie umieszczonym w polu elektrycznym na skutek gradientu potencjału elektrycznego kationy i aniony poruszają się do odpowiednich elektrod. Daje to w efekcie przepływ prądu elektrycznego. Prędkość poruszania się jonów jest proporcjonalna do ruchliwości jonowej i ładunku jonów. Elektrodializę stosuje się do odsalania wód o stężeniu 1000-5000 mg/l substancji rozpuszczonych. W celu prawidłowego działania procesu usuwa się z wody substancje nieulegające jonizacji: krzemionkę, bakterie i rozpuszczone związki organiczne. Aby sole nie odkładały się w stosie membran, do wody dodaje się kwasy lub polifosforany. Zaletami tej metody są: małe zużycie energii elektrycznej i niskie koszty. Wadami natomiast wymagane wstępne oczyszczanie wody, utrudniona kontrola procesu oraz utrzymanie optymalnych parametrów pracy, brak możliwości usuwania związków organicznych oraz koloidów i krzemionki.

Metoda chemiczna

Wymiana jonitowa zaliczana jest do metod chemicznych. Jest to proces wymiany ruchliwych jonów na inne jony tego samego znaku, który zachodzi na wymieniaczu jonowym (inaczej zwanym jonitem) zawierającym odpowiednie grupy funkcyjne. Jonity ze względu na rodzaj grup jonowymiennych dzielimy na kationowe o charakterze kwasu lub soli (wymieniają one z roztworem kationy) oraz anionitowe o charakterze zasad lub soli (wymieniają one z roztworem aniony). Proces wymiany jonowej jest odwracalny i prowadzony w kolumnie jonitowej, zwanej również wymiennikiem jonitowym. Jest on reakcją chemiczną zachodzącą zarówno w warunkach statycznych, jak i dynamicznych w wyniku kontaktu fazy stałej (jonitu) z roztworem podlegającym temu procesowi. Kationity i anionity w postaci małych ziaren o średnicy 1 mm umieszczone są w osobnych złożach połączonych szeregowo. Wodę surową doprowadza się do każdego ze zbiorników. Woda ta przepływając przez jonity oddaje jony Na+ i Cl-. Wymiana jonowa zachodzi najpierw na górze złoża, następnie strefa wymiany przesuwa się ku dołowi w miarę jak kationit nasyca się jonami Na+, a anionit - jonami Cl-. Regenerację jonitów przeprowadza się za pomocą HCl i NaOH. Koszty tych dwóch roztworów stanowią większą część ogólnych kosztów całego procesu. Koszt odsalania jest proporcjonalny do stężenia soli. Jest to najtańsza metoda otrzymywania wody o stężeniu soli poniżej 100 ppm. W nowo opracowanych procesach regenerację prowadzi się w sposób ciągły przez działanie wodą. W procesach tych wykorzystuje się przeciwprądowy przepływ jonitu ku dołowi i słonej wody ku górze, dzięki temu zwiększa się zakres stosowania wymiany jonowej do wody słonej, o stężeniu soli poniżej 2000 ppm.
Dla zilustrowania opisanych powyżej metod odsalania wody w tablicy 1 przedstawiono porównanie wybranych częściej stosowanych metod na skalę przemysłową.
W praktyce stosowane są tylko niektóre z wymienionych metod, przy czym nie są one stosowane pojedynczo, a łączone ze sobą. Dzięki połączeniu kilku metod uzyskuje się mniejsze zużycie energii, większą wydajność, mniejsze koszty produkcji wody odsolonej, a także, w przypadku procesów membranowych, mniejsze zużycie membran. Najczęściej stosuje się:

• połączenie odwróconej osmozy z metodami termicznymi oraz destylacją membranową,
• zastąpienie metod konwencjonalnych wstępnego oczyszczania wody przez ultrafiltrację lub mikrofiltrację,
• zastosowanie nanofiltracji do zmiękczenia wody do destylacji lub odwróconej osmozy.

Pierwsza instalacja odsalania wód kopalnianych opracowana przez naukowców z GIG rozpoczęła działalność w 1975 roku przy kopalni "Dębieńsko". Wówczas wytwarzano dzięki niej ok. 120 Mg soli na dobę. W roku 1994 w zakładzie odsalającym wody kopalni "Budryk" i "Dębieńsko" uruchomiona została część termiczna nowej instalacji odsalania. W roku 1995 uruchomiono instalację do wstępnego oczyszczania, a także odwróconej osmozy. Proces technologiczny pilotowej instalacji odsalania wody składał się z 5 etapów: wstępnego oczyszczania wody, odwróconej osmozy, zatężania termicznego w wyparkach, krystalizacji soli i utylizacji ługów pokrystalicznych. Instalacja w zakładzie "Dębieńsko" ma zdolność produkcyjną 108 kg soli na rok o czystości ok. 99,8%. Instalacja ta przy pracy wszystkich elementów zużywa ok. 180 MJ/m3 doprowadzanej solanki. W procesie RO zużywane jest ok. 18 MJ/m3 przerabianej wody, w procesie wstępnego oczyszczania ok. 1,5 MJ/m3 solanki zasilającej, natomiast pozostałe 3 procesy zużywają ok. 576 MJ/m3 solanki. Oszacowano, że przy całkowitym zbycie wszystkich produktów z instalacji, a także biorąc pod uwagę koszty za zrzut wody do rzek, okres zwrotu z inwestycji będzie wynosił 10 lat. W chwili obecnej w ZOWD odsalane są tylko wody kopalni "Budryk", gdyż kopalnia "Dębieńsko" została zamknięta, a wody odpompowywane z nieczynnych szybów kierowane są do rzeki Bierawki. Instalacja do utylizacji ługów jest wyłączona ze względu na duże koszty obsługi, a także problemy ze zbytem produktów w niej powstających. Ponadto w chwili obecnej z ruchu wyłączona jest instalacja odwróconej osmozy, a proces odsalania przeprowadzany jest za pomocą dwóch wyparek ciśnieniowych i krystalizatora.
Spośród metod, które są możliwe do wykorzystania, zastosowanie znalazła głównie metoda odwróconej osmozy ze względu na niski koszt odsalanej wody, uzyskanie dużego stopnia czystości wody, a także łatwość kontrolowania procesu. Niestety, w Polsce istnieje tylko jedna instalacja, która jest w stanie bezodpadowo odsalać wody kopalniane, a także kilka przy kopalnianych stacjach uzdatniania wody, które wykorzystują koncentrat do podsadzek hydraulicznych lub uszczelniania zrobów zawałowych. Wykorzystanie solanki w wyrobiskach jest sposobem tańszym, jednak może on powodować przedostawanie się siarczanów do wód. Wytwarzanie soli i odzysk składników solanki są mało rentowne, nie tylko ze względu na duży koszt produkcji, ale również na problemy ze zbytem tych składników. Zatem należy się zastanowić nad inną niż wyparkowa technologią uzyskania soli, a także możliwościami zbytu składników uzyskiwanych z solanki, nie tylko w kraju, ale również poza jego granicami. Jest to niezwykle ważne ze względu na ochronę środowiska wodnego nie tylko Śląska, ale również innych regionów kraju, które odczuwają skutki zrzutu wód kopalnianych do rzek.


Literatura
1. Wilk Z.: Hydrogeologia polskich złóż kopalń
i problemy wodne górnictwa. Wydawnictwo AGH, Kraków 2003.
2. Postrzednik S., Piniożyński J.: Odsalanie wód ważnym problemem ekologicznym oraz energetycznym. Gospodarka Paliwami i Energią
4 (1993) 1-5.
3. www.mos.gov.pl.
4. Rogoż M.: Hydrologia kopalniana z podstawami hydrogeologii ogólnej. Główny Instytut Górnictwa, Katowice 2004.
5. Rogoż M.: Słone wody kopalniane w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym i możliwość ich wtłaczania do górotworu. Wiadomości Górnicze 9 (1994) 326-331.
6. Chowaniec J., Świst K.: Rozwiązania technologiczne i ramowy program zagospodarowania zasolonych wód dołowych z kopalń Nadwiślańskiej Spółki Węglowej S.A. Wiadomości Górnicze 9 (1994) 337-342.
7. Maksymiak-Lach H., Lach R.: Sól ziemi solą w oku ekologów. Wody kopalniane nadal zanieczyszczają polskie rzeki. Magazyn Przemysłowy 6 (2006) 8-13.
8. www.lider.ietu.katowice.pl.
9. www.pgwir.pl.
10. Bodzek M., Konieczny K.: Wykorzystanie procesów membranowych w uzdatnianiu wody. Projprzem-EKO, Bydgoszcz 2005.
11. Myers A.L., Seider W.D.: Inżynieria chemiczna. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1979.
12. Gawroński R.: Procesy oczyszczania cieczy. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1996.
13. www.plazma.efuturo.pl.
14. Materiały uzyskane w Zakładzie Odsalania Wód Dołowych "Dębieńsko" przez dyplomantów Katedry Energetyki Procesowej Politechniki Śląskiej.
15. Zarzycki R.: Wymiana ciepła i ruch masy
w inżynierii środowiska. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2005.