Кіріспе

Металл немесе көмір кен орындарынан қышқыл судың ағып кетуі. Қышқыл кендік дренаж, қышқыл және металлдік дренаж (ҚКД) немесе қышқыл тау жыныстары дренажы (ҚТЖД) – металл және көмір кен орындарынан қышқыл судың ағып кетуі. Қышқыл тау жыныстары дренажы кейбір орталарда тау жыныстарын ыдырату процесінің бөлігі ретінде табиғи түрде пайда болады, бірақ кен өндіру және басқа да ірі құрылыс жұмыстарына тән үлкен аумақты жер бұзылыстарынан, әсіресе сульфид минералдарына бай тау жыныстарында күшейеді. Жер бұзылған аймақтарда (мысалы, құрылыс алаңдары немесе тас жолдар салу) қышқыл тау жыныстары дренажы пайда болуы мүмкін. Көптеген жерлерде көмір сақтау орындарынан, көмір өңдеу объектілерінен, көмір жуу фабрикаларынан және көмір қалдықтарынан ағып шығатын сұйықтық өте қышқыл болуы мүмкін, және мұндай жағдайларда ол қышқыл тас дренажы ретінде қарастырылады. Бұл сұйықтықта мыс немесе темір сияқты өте улы металдар болуы мүмкін. Бұл факторлар, төмен pH деңгейімен бірге, өзендердің су экожүйесіне зиян келтіреді. Теңіз деңгейінің соңғы көтерілісінен кейін жағалау және сағалық жағдайларда қалыптасқан қышқыл сульфат топырақтарының бұзылуы салдарынан осындай химиялық реакциялар мен процестер жүруі мүмкін, бұл да осыған ұқсас қоршаған ортаға қауіпті жағдайды тудырады.

Номенклатура

Тарихи тұрғыдан алғанда, белсенді немесе тасталған кен орындарынан шығатын қышқылды ағындылар қышқыл кен сулары немесе АҚС (AMD) деп аталған. Қышқыл тас ағызу термині немесе АТА (ARD) термині 1980 және 1990 жылдары қышқыл ағызудың кен орындарынан басқа көздерден де пайда болатынын көрсету үшін енгізілді. Мысалы, 1991 жылы осы тақырыпқа арналған маңызды халықаралық конференцияда ұсынылған мақаланың тақырыбы: "Қышқыл тау жыныстары ағызуын болжау – деректер базасынан алынған сабақтар". АҚС және АТА екеуі де сульфидті минералдардың тотығуынан туындаған төмен pH немесе қышқыл суларды білдіреді, бірақ АТА – бұл көбірек қолданылатын жалпы атау. Егер кен орнынан ағып шыққан су қышқыл болмаса және металдар немесе металлоидтар еріген болса, немесе бастапқыда қышқыл болған, бірақ ағысы бойымен бейтараптандырылған болса, онда ол "бейтарап кен суы", "кенге байланысты су" немесе басқаша сипатталады. Бұл атаулардың ешқайсысы кеңінен қабылдаған жоқ.

Пайда болуы

Жер асты кен өндіру жиі су көзі деңгейінен төмен жүргізіледі, сондықтан су тасқынын болдырмау үшін кеннен суды үнемі шығарып тұру қажет. Кен тоқтатылған кезде, су шығару тоқтатылып, кен сумен толады. Осы судың енгізілуі – қышқыл тау жыныстарынан су ағуының көптеген жағдайларындағы бастапқы қадам. Қалдық үйінділері немесе тоғандар, кен қалдықтары жиналатын орындар,

Металл кендері, егер кен сульфид минералынан тұрса немесе пиритпен байланысты болса, жоғары қышқылды шығарылымдарды тудыруы мүмкін. Мұндай жағдайларда басым металл ионы темір емес, мырыш, мыс немесе никель болуы мүмкін. Мыс кенінің ең көп өндірілетін түрі – халькопирит – өзі мыс-темір сульфиді болып табылады және басқа да сульфидтермен бірге кездеседі. Сондықтан мыс кен орындары көбінесе қышқыл шахталық су ағуының басты себепшісі болып табылады. Кейбір кен орындарында қышқыл су ағуы кен қазу басталғаннан кейін 2–5 жыл ішінде анықталады, ал басқаларында бірнеше ондаған жылдар бойы анықталмайды. Сонымен қатар, қышқыл су ағуы алғаш рет анықталғаннан кейін ондаған немесе ғасырлар бойы пайда болып тұруы мүмкін. Осы себепті қышқыл шахталық су ағуы – кен өндірумен байланысты ауыр және ұзақ мерзімді экологиялық проблема саналады.

pH-ға әсері

Жер астындағы Темір тау шахтасында су температурасы өте жоғары өлшенді, ал pH көрсеткіші -3.6-ға дейін төмендеуі мүмкін. Қышқыл шахта суын тудыратын организмдер pH нөлге жақын суларда өркендей алады. Теріс pH, су қышқылданған тоғандардан булану арқылы сутек иондарының концентрациясын арттырғанда пайда болады. Пенсильвания штатындағы көмір шахталарының шамамен жартысының pH көрсеткіші 5-тен төмен. Дегенмен, Пенсильванияның битумдық және антрацит аймандарының шахталық дренажының бір бөлігі сілтілі болып келеді, себебі дренаж шығар алдындағы жамылғыдағы әктас қышқылды бейтараптандырады.

Сары бала

Қышқыл шахта суының pH-ы 3-тен жоғарылағанда, таза сумен немесе pH-ды бейтараптандыратын минералдармен байланысқанда, бұрын еріген темір(III) иондары сары-қоңыр түсті қатты зат – темір(III) гидроксиді түрінде шөгінеді, бұл халық арасында "сары бала" деп аталады. Темірдің басқа да түрлері шөгінуі мүмкін, оның ішінде темір оксидтері мен оксигидроксидтері, сондай-ақ жарозит сияқты сульфаттар да бар. Бұл шөгінділер судың түсін өзгертіп, өзен төсегіндегі өсімдіктер мен жануарлардың тіршілігін жауып, өзен экожүйесін бұзады (Канаданың Балық шаруашылығы заңында бұл қылмыс деп есептеледі). Бұл процесте қосымша сутегі иондары да пайда болады, олар pH-ты одан әрі төмендетуі мүмкін. Кейбір жағдайларда "сары баладағы" темір гидроксидтерінің концентрациясы соншалықты жоғары болады, шөгіндіні пигменттер өндірісінде коммерциялық мақсатта қолдануға болады.

Металл және жартылай металл қалдықтары ластануы

Көптеген қышқыл тау жыныстарының шығарындыларында потенциалды түрде зиянды металдардың жоғары деңгейі де кездеседі, әсіресе никель мен мыс, сондай-ақ қорғасын, сынап, алюминий және марганец сияқты іздік және жартылай металл иондарының төмен деңгейі бар. Ауыр металдардың жоғары деңгейі тек төмен pH деңгейіне ие суларда ғана еріте алады, бұл пирит тотығуынан пайда болатын қышқыл суларда байқалады. Ұлыбританиядағы Оңтүстік Уэльс аңғарлары маңындағы көмірлі аймақтағы көмір сақтау орындарынан шығатын аса қышқыл, никельге бай шығарындылар ерекше мәселе туғызып отыр.

Су жануарларына әсері

Қышқылдық шахта суларының ағуы әсер еткен су қоймасында тіршілік ететін жануарларға да зиян келтіреді. Қышқылдық шахта суларынан зардап шеккен өзендер мен өзен бөліктерінде тіршілік ететін су макроомыртқасыздарының саны азаяды, түрлердің әртүрлілігі төмендейді және биомассасы кемиді. Көптеген балық түрлері де бұл ластануға төзе алмайды. Макроомыртқасыздардың арасында кейбір түрлерді ластанудың белгілі бір деңгейінде ғана табуға болады, ал басқа түрлер ластану деңгейіне қарамастан кеңінен таралған.

Қадағалау

Ұлыбританияда тасталған шахталардан шығарылатын көптеген қалдықтар реттеу бақылауынан босатылады. Мұндай жағдайларда, Экология агенттігі және Уэльстің табиғи ресурстары, Көмір органы сияқты серіктестермен бірлесіп, инновациялық шешімдер ұсынды, оның ішінде Порт-Тальботқа жақын Афан өзенінің аңғарындағы Пеленна өзеніндегі және Инсарведтегі Нит өзенінің жанындағы жасалма ылғалды жерлер сияқты шешімдер бар. Тасталған жер асты шахталары қышқыл шахта суының көп бөлігін өндірсе де, кейбір жақында қазылған және қайта жаңартылған жер үсті шахталары ARD өндіріп, жергілікті жер асты және жер үсті су ресурстарын нашарлатты. Активті шахталарда өндірілген қышқыл суды, ағынға жіберуге рұқсат берілу үшін, рН 6–9 деңгейіне дейін бейтараптандыру қажет. Канадада қышқыл шахта суының әсерін азайту жұмыстары, Шахтаның бейтарап дренажы (MEND) бағдарламасы аясында шоғырланған. Қышқыл тау жыныстарынан су ағызудан туындаған жалпы шығындар 2 миллиардтан 5 миллиард долларға дейін бағаланады. MEND сегіз жыл ішінде 17,5 миллион доллар инвестиция арқасында ARD жауапкершілігін 400 миллион долларға дейін азайтыпты деп мәлімдейді.

Кальций кремниятының бейтараптануы

Өңделген болат шлагынан жасалған кальций кремнияты шикізатын АМҚ жүйелеріндегі белсенді қышқылдықты бейтараптандыру үшін еркін сутегі иондарын ерітіндіден алып тастау арқылы қолдануға болады, осылайша pH-ты көтереді. Силикат анионы H+ иондарын ұстап алғанда (pH деңгейін көтереді), ол бейтарап еріген зат – моносиликат қышқылы (H4SiO4) құрайды. Моносиликат қышқылы қышқылдың зиянды әсерін түзетуде көптеген рөлдерді атқару үшін ерітіндіде қалады. Көлемдік ерітіндіде силикат анионы топырақ ерітіндісіндегі H+ катиондарын бейтараптандыруда өте белсенді. Оның әрекет ету механизмі әктастан мүлдем өзгеше болғанымен, кальций кремниятының қышқыл ерітінділерді бейтараптандыру қабілеті әктасқа тең, бұл оның 90-100% CCE мәнімен және 98% салыстырмалы бейтараптандыру мәнімен дәлелденген. Ауыр металдар болған кезде кальций кремнияты әктастан басқаша әсер етеді. Әктас ерітіндінің pH-ын көтереді, ал ауыр металдар болса, металл гидроксидтерінің (өте төмен ерігіштігі бар) тұнбалануы әдетте жеделдетіледі және әктас бөлшектерінің қорғаныш қабатымен қапталу мүмкіндігі айтарлықтай артады. Кальций кремнийінің агрегатында кремний қышқылының түрлері металл бетіне сіңген кезде кремний қабаттарының (моно және би қабаттар) пайда болуы беті нейтральді немесе теріс зарядтары бар коллоидты кешендердің пайда болуына әкеледі. Бұл теріс зарядталған коллоидтар бір-бірімен (сондай-ақ теріс зарядталған кальций кремнияты түйіршіктерімен) электростатикалық итергіш күшті тудырады, ал бөлінген металл коллоидтары тұрақтандырылады және металлдың тұнбалануын тиімді түрде тоқтатып, материалдың қорғаныш қабатымен қапталуға бейімділігін азайтады. Ластаушы заттар адсорбцияланғаннан кейін, ион алмастырғыштардағы алмасу орындары қалпына келтірілуі керек, бұл әдетте қышқыл және негізгі реагенттерді қажет етеді және ластаушы заттарды шоғырланған түрде қамтитын тұзды суды жасайды. 2013 жылы IChemE (www.icheme.org) сыйлығын жеңіп алған Оңтүстік Африка компаниясы АМҚ-ны өңдеу үшін патенттелген ион алмасу процесін жасады, ол кен ағын суларын (және АМҚ-ны) экономикалық тұрғыдан өңдейді.

Құрылыспен салынған ылғалды жерлер

1980 жылдары Шығыс Аппалакиядағы тасталған көмір шахталарынан пайда болатын қышқыл шахталық дренажды тазалау үшін жасалмал ылғалды жерлер жүйесі ұсынылды. Әдетте, ылғалды жерлер (көбінесе) әктас негізіндегі тазалау процесінен кейін бейтараптандырылған суды қабылдайды. Металлдың тұнбаға түсуі олардың тотығуынан, дерлік бейтарап pH-та органикалық заттармен кешендесуінен, карбонаттар немесе сульфидтер түрінде тұнбаға түсуінен болады. Соңғысы – сульфат иондарын сульфид иондарына айналдыра алатын шөгінді анаэробты бактериялардың нәтижесінде пайда болады. Бұл сульфид иондары ауыр металл иондарымен байланысып, ерітіндіден ауыр металдарды тұнбаға түсіреді және процестің өзін кері қайтарады. Жасалған ылғалды жерлердің тартымдылығы олардың салыстырмалы түрде төмен құнында. Олар өңдей алатын металл мөлшерімен (жоғары ағын немесе металл концентрациясынан) шектеледі, бірақ қазіргі мамандар жоғары көлемдегі (Кэмпбелл кенішіндегі жасалмал ылғалды жердің сипаттамасын қараңыз) және/немесе өте қышқыл суды (жеткілікті алдын ала өңдеумен) тазалайтын жасалмал ылғалды жерлерді жасауға қол жеткізді. Әдетте, бейтарап суды қабылдайтын жасалмал ылғалды жерлерден шығатын су 6,5–7,0 pH деңгейінде жақсы буферленген және оны оңай босатуға болады. Шөгінділерде сақталған кейбір металл тұнбалары оттегіге ұшырағанда тұрақсыз болады (мысалы, мыс сульфиді немесе элементтік селен), сондықтан ылғалды жер шөгінділерінің көп бөлігі немесе толығымен су астында болуы өте маңызды. Тиімді жасалмал ылғалды жердің мысалы – Порт-Талботтан жоғары, Афан өзенінің аңғарындағы Афон Пеленадағы жасалмал ылғалды жер, онда Уитворт кенішінен шығатын темірге толы ағынды су сәтті тазартылды.

Металл сульфидтерінің құйылуы

Қышқыл ерітіндідегі көптеген негізгі металдар еркін сульфидпен, мысалы, H2S немесе NaHS-пен жанасқанда тұнбаланады. Реакциядан кейін қатты және сұйық фазаларды бөлу нәтижесінде сульфатты азайту үшін шығарылатын немесе қосымша өңделетін, негізгі металдардан таза ағынды су және экономикалық құнды металл сульфидінің концентраты алынады. Балама ретінде, бірнеше зерттеушілер биогендік сульфидті пайдаланып металдардың тұнбалануын зерттеді. Бұл процесте сульфатты азайтушы бактериялар оттегінің орнына сульфатты пайдалана отырып, органикалық заттарды тотықтырады. Олардың метаболизм өнімдеріне судың қышқылдығын бейтараптандыра алатын бикарбонат және көптеген улы металдармен өте нашар ерішетін тұнбалар құрайтын күкірттегі су жатады. Бұл процесс үміт беруге қарамастан, түрлі техникалық себептерге байланысты кеңінен қолданылуы баяу болып келеді.

Технологиялар

АДМ-ді емдеу үшін көптеген технологиялар бар.

Метагеномдық зерттеу

Үлкен масштабтағы тізбектеу стратегияларының дамуымен, қышқыл шахта дренажындағы микроорганизмдердің геномдары тікелей қоршаған ортадан тізбектеледі. Геномдық құрылымдардың дерлік толық болуы, осы қауымды жаңаша түсінуге және олардың метаболизм жолдарын қайта құруға мүмкіндік береді. Қышқыл шахта дренажындағы ацидофилдер туралы біліміміз әлі де қарапайым деңгейде қалып отыр: қышқыл шахта дренажымен байланысты көптеген түрлерді білеміз, бірақ олардың атқаратын рөлдері мен функцияларын анықтау қиын.

Микробтар мен дәрі-дәрмектерді зерттеу

Ғалымдар соңғы кезде қышқылды шахталық ағынды сулар мен шахталарды қайта жаңарту алаңдарын зерттеп, жаңа фармацевтикалық препараттарға негіз болатын ерекше топырақ бактерияларын табуға кірісті. Топырақ микроорганизмдері бұрыннан бері тиімді дәрілердің көзі болып келген, ал Фармацевтикалық зерттеулер мен инновациялар орталығында жүргізілген сияқты жаңа зерттеулер осы қатал орталардың жаңа жаңалықтар ашу үшін толық пайдаланылмаған мүмкіндік екенін көрсетеді.

Әлемде таңдалған қышқыл шахтасы дренажының орындарының тізімі

Бұл тізімге қышқыл кендік суды құрайтын кен орындары және осындай судың салдарынан елеулі түрде зардап шеккен өзен жүйелері кіреді. Бұл тізім толық емес, себебі бүкіл әлемде мыңдаған мұндай орындар бар.