Necesitatea Bioremedierii Haldei de Steril Moldova Noua

Necesitatea bioremedierii haldei de steril Moldova Nouă

Introducere:

România are o lungă istorie a mineritului de sustante utile cum ar fi aurul, cuprul, plumbul, zincul, argintul, manganul, sarea si cărbunele. Cu toate acestea, datorită anilor de exploatare deplorabilă a mediului si tehnologiilor de extractie a mineralelor, minele si industriile afiliate de prelucrare a minereului au afectat mediul într-o manieră foarte negativă, ducând la o povară importantă asupra solului, apei, aerului si ecosistemelor. Ocazional, problemele s-au extins si dincolo de granitele tării datorită migrării poluantilor pe calea râurilor sau purtati de vânt.[1].

In prezent, cu toate că majoritatea minelor si industriilor afiliate sunt închise, inca reprezintă o amenintare pentru om si pentru mediu.

Eroziunea continuă a iazurilor de decantare si a depozitelor miniere neprotejate are un impact major asupra mediului, amenintând suprafete mari prin contaminarea apelor cu metale si compusi chimici. Similar, nămolurile miniere sunt frecvent contaminate cu metale si alte elemente toxice si necesită aplicarea unor solutii durabile [2].

Prezenta lucrarea accentueaza nevoia de bioremediere a haldei de steril din Moldova Noua, prin evidentierea potentialului de poluare al haldei cu pulberi totale in suspensie si impactul pe care il are in zona umeda protejata Divici-Pojejena. Lucrarea se bazeaza pe o amplă campanie de prelevare de probe georeferențiate, corelate meteorologic (intensitatea, directia și viteza vântului; temperatura etc.) în vederea determinării influenței surselor antropice industriale (hadei/iaz de decantare) si pe analizele efectuate de catre echipa de experti ai Institutului National de Cercetare-Dezvoltare pentru Protectia Mediului Bucuresti (INCDPM) in cadrul proiectului „Studii privind apărarea de mal în zona umedă Divici-Pojejena” desfășurat în cadrul Contractului Europe Aid/134910/4/SER/RO, Cod 1344.

Capitolul 1. Aspecte generale

1.1 Prezentare geografica

Zona de studiu cuprinde 3 părți, situate pe malul stâng al Dunării, în Parcul Natural Porțile de Fier (fig,1):

• de la Baziaș până la limita vestică a zonei umede Divici – Pojejena (amonte)

• zona umedă Divici – Pojejena

• aval, de la limita estică până la Moldova Nouă.

Fig.1. Harta zonei de studio (sursa: INCDPM Bucuresti)

Moldova Nouă este un oraș din județul Caraș-Severin, Banat, România. Are o populație de peste 13.000 locuitori, fiind unul dintre importantele orase ale județului. Halda de steril se afla in vecinatatea orasului.

Arialul Divici-Pojejena declarat zonă umedă de importanță internațională – sit Ramsar, se suprapune cu ariile protejate de interes național (Parcul Natural Porțile de Fier) și european (rețeaua ecologică Natura 2000).

Baziaș este un sat din județul Caraș-Severin, Banat, România.

1.2. Activitati miniere

Zăcământul cuprifer Moldova Nouă este situat în sud-vestul țării, la 3 km de malul Dunării și este alcătuit din intruziuni banatitice, calcare recristalizate și roci metamorfice de contact. (D. Beutură,2005)

Intreprinderea minieră Moldova Nouă a fost pusă în funcțiune în anul 1965 prin exploatarea în subteran a rezervelor de minereu cuprifer cu peste 0,4% Cu, în perimetrele Florimunda, Suvarov, Valea Mare, Gărâna, Vărad cu o prelucrare maximă de 1,6 milioane t/an. Din anul 1974 s-a trecut la exploatarea în carieră a banatitelor cuprifere, cu un nivel maxim atins în 1988 de 3,3 milioane t/an.

1.3. Halda de steril/iaz de decantare

Iazurile de decantare și haldele de steril se găsesc definite în Directiva 1999/31/EC, astfel:

– iazurile de decantare sunt suprafețe de teren excavate în care sunt depuse deșeuri lichide cu un conținut ridicat de suspensii, în vederea sedimentării acestora;

– haldele de steril minier sunt suprafețe pe care s-a depus materialul rezultat de la excavarea minereurilor nemetalifere și metalifere.

Clasificarea iazurilor de decantare in functie a metodologiei de construcție și amplasare, se poate face în trei feluri:

Iazuri de vale, ce pot avea unul sau două baraje orientate transversal pe direcția de dezvoltare a văii. Sunt construite în lungul secțiunii unei văi.(fig.2.)

Iazuri de coastă, prezintă diguri pe toată circumferința. Construcția se realizează pe tern plat sau mici denivelări.(fig.3.)

Iazuri de șes, și acestea ca și cele de coastă prezintă diguri pe totă circumferința iar construcția este de asemenea amplasată pe teren plat sau cu mici denivelări.(fig.4)

Ilustrarea schematică (secțiune transversală) a construcției iazurilor de decantare. a. de vale (Iacob 2012, adaptat după Vick 1983)

Peste 50% din iazurile de decantare sunt construite folosind metoda progresivă, deși este foarte bine cunoscut faptul că această metodă de construcție produce o structură susceptibilă eroziunii și eșecului. Rata eșecului al acestui tip de construcție este destul de mare, și se pare că fiecare al douăzecilea iaz de decantare este supus eșecului.(Stancu,2013)

Riscurile pe care implica aceste iazuri de decantare sunt: stabiliatatea structurala a digului, poluarea (transportul eolian al particulelor), exfiltrațiile, impactul visual, remedierea prin sigilare (contaminarea speciilor de plante ce se dezvoltă pe suprafața iazului, deasupra membranei naturale construite) (Davies și Martin, 2000).

Haldele de steril se clasifică în funcție de procesul generator, forma, structura și localizarea corpului depozitat, în două tipuri (Petrescu,2009):

halde de exploatare – stabile din punct de vedere chimic, prezintă în compoziția lor roci de dimensiuni mari.

halde de prelucrare industrială – proveniența materialului haldat este rezultat în urma prelucrării și extracției metalurgice, prin metode chimice și mecanice.

Structura haldelor este una complexă, fiind influentata de materialul exploatat și metoda de exploatare.

În Romania sunt 1749 – depozite de steril, 1661 – depozite de deșeuri miniere (halde de steril) și 73 iazuri de decantare, în diferite stadii de ecologizare sau conservare, în timp ce altele sunt încă active (Jianu et al. 2012 citat de Stancu,2013). Ca urmare a acestor studii în România există numeroase iazuri de decantare și halde de steril, ce se afla în diferite stadii de management.

Fig.x Tipuri de Iazuri de decantare (stânga) și localizarea lor geografică (dupa Jianu et al.2012)

Fig x Tipuri de halde de steril (stânga) și localizarea lor geografică (dupa Jianu et al.2012)

Sterilul este masa de material în suspensie (apă și particule minerale) reprezintă mai mult de 99% din masa inițială de rocă. Aici se regăsește masa de rocă ce nu reprezintă o importanță pentru proces, constituită din silicați, oxizi, hidroxizi, carbonați sau alte sulfuri. Sterilul rezultat conține o parte solidă cât și una lichidă, partea solidă împreună cu apa uzată folosită la procesare este depozitată ca deșeu industrial în iazuri de decantare.

Partea lichidă tinde să conțină mari concentrații de substanțe chimice de procesare, aceste substanțe pot fi clasificate ca reactivi de flotație, modificatori, floculanți/coagulanți, reactivi hidrometalurgici și oxidanți.

Iazurile de decantare pot conține uneori mari cantități de surse metalifere, în funcție de calitatea și performanța tehnologiei utilizate în procesul de separare.

1.4. Poluarea cu metale a solurilor

Poluarea este rezultatul prenzenței al unui element sau al unei substanțe într-o concentrație mai mare decât cea întâlnită în mod natural, ca rezultat al activității umane ce are efect asupra mediului și asupra componenților lui. Poluarea solului cu metale este la fel de veche precum abilitatea omului de a topi și de a procesa minereurile. Fiecăre etapă de 24 dezvoltare culturală a lăsat în urma sa poluare cu metale, stocate îndeosebi în sol, sedimente și gheață.( Kabata-Pendias, 2011)

Unele metale grele (în cantități mici) au un rol fiziologic benefic (de exemplu: Zn, Mn, Se) prezența lor în cantități excesive poate cauza probleme, fie plantelor (fitotoxicitate), fie verigilor superioare ale lanțului trofic (Barbu și Sand 2004 citat de Stancu,2013).

Elementele cele mai raspandite in contaminarea cu metale grele sunt: Cd, Cr, Cu, Hg,Pb și Zn.

Metalele grele pot ajunge în sol sau plante deoarece se găsesc în îngrășăminte, amendamente sau pesticide folosite în procesul de producție, sau pot să provină din gazele degajate în atmosferă de la diverse industrii și din combustii. Pulberile și gazele sunt purtate de curenții de aer și depozitate în cele din urmă pe plante, pe sol sau în apele de suprafață (Lixandru, 2003 citat de Stancu,2013).

Persistența contaminanților în sol este mult mai mare decât în alte compartimente ale biosferei, iar poluarea solurilor cu metale grele pare să fie practic permanentă în soluri. Perioada de existență a metalelor în sol în condiții climatice temperate poate fi estimată pentru urmatoarele elemente, astfel:

– Cd între 75 și 380 de ani;

– Hg între 500 și 1000 de ani;

– Ag, Cu, Ni, Pb, Se și Zn între 1000 și 3000 de ani (Kabata-Pendias, 2011).

1.5. Mobilitatea metalelor

Metalele prezintă un risc mai mic pentru mediu atunci când sunt stocate în solurile luncilor sau în sediment prezentând un risc major atunci cand devin mobile. Mobilitatea metalelor este influențată de parametrii precum pH, potențialul redox, oxigenul atmosferic, și de concentrația agenților de complexare (Zehl and Einax 2005,).

1.6. Bioremedierea

O definiție generala a termenului bioremediere este „utilizarea microorganismelor vii pentru a readuce un obiect sau o zonă într-o condiție în care nu este dăunătoare pentru plante sau animale" (Andrew Ball, 2002 citat de Malschi, 2009).

Bioremedierea este o opțiune care oferă posibilitatea de a distruge sau a face inofensivi diferiti contaminanți folosind activitatea biologică naturală. Ca atare, se folosește relativ low-cost,cu tehnici de nivel tehnologic scăzut, care au, în general, o acceptare publică ridicată și pot fi de multe ori efectuate in situ. Nu va fi întotdeauna adecvată, cu toate acestea, ca gama de contaminanti pe care este eficienta este limitata, intervalul de timp implicat este relativ lung, iar nivelurile de contaminare realizabile nu pot fi întotdeauna adecvate. Deși metodologiile folosite nu sunt complexe din punct de vedere tehnic, este nevoie de o experiență considerabilă și de expertiză, pentru a proiecta și implementa un program de bioremediere de succes, datorită necesității de a evalua in detaliu un loc pentru compatibilitate și de a optimiza condițiile pentru a obține un rezultat satisfăcător.(

1.6.1 Avantajele bioremedierii

Procedeele biotehnologice de tratare a efluentilor toxici intră în competiție cu metodele existente sub aspectul eficacitații și eficienței economice. Soluționarea pe cale biotehnologică a problemelor, prin metodele de bioremediere, are avantajul că:

necesită un nivel moderat de capital de investiție,

prezintă siguranță pentru mediu,

nu genereaza deșeuri

sunt autosustenabile.

Poate fi realizată pe sit („on site")

Eliminare permanentă a deșeurilor (limitarea problemelor de conformare)

Pozitivă din punct de vedere al acceptării publice

Perturbare minimă a sitului

Elimină costurile de transport și pentru conformare

Poate fi combinată cu alte tehnologii de tratare

Metodele biotehnologice de tratare a deșeurilor toxice au rolul de a înlocui metodelor actuale de depozitare și detoxificare a noilor compuși xenobiotici (realizați de om). Este important însă să se limiteze generarea de deșeuri periculoase și nepericuloase, precum și să se utilizeze metodele de reciclare.

Bioremedierea ajută la reducerea costurilor pentru tratare prin:

1. Tratarea contaminării pe loc.

2. Profitarea de procese naturale.

3. Reducerea perturbării mediului.

1. Tratarea contaminării pe loc. Cea mai mare parte a costului este asociată cu tehnologiile tradiționale de curățire legate de îndepărtarea fizică și depozitarea solurilor contaminate. Întrucât bioremedierea poate fi realizată pe loc („in situ") prin adăugarea de nutrienți la solurile contaminate, aceasta nu determină costuri de îndepărtare – depozitare.

2. Profitarea de procese naturale. La unele situri, procesele microbiene naturale pot îndepărta contaminanții prezenți, chiar fară intervenția omului. În astfel de cazuri unde bioremedierea (atenuarea naturală a poluării) este adecvată, se pot realiza reduceri substanțiale ale costurilor.

3.Reducerea perturbării mediului. Bioremedierea reduce la minimum perturbarea sitului comparativ cu tehnologiile conventionale, costurile pentru post-tratare putând fi substanțial diminuate.

Bioremedierea este in general mai eficientă din punct de vedere al costurilor decât cele două metode care sunt larg utilizate, respectiv îngroparea sau incinerarea.

1.6.2 Tehnologii implicate in bioremediere

Biodegradarea constă în ruperea sau fragmentarea unui compus sau a unei substanțe realizată de către organisme vii, bacterii sau fungi, care pot fi indigene în zona respectivă sau pot fi introduse.

Biostimularea este tehnologia care îmbunătățește populațiile de microorganisme, naturale sau introduse, prin adaosuri de nutrienți, inginerie sau alte lucrări de pregătire a unei zone. Aceasta mărește viteza proceselor naturale de remediere.

Prin bioamplificare (bioaugmentation) – sunt adăugate organisme vii specifice pe un sit sau pe un material pentru a realiza un anumit efect de bioremediere dorit.

Biorestaurarea – restaurarea stării originare sau a unei stări apropiate de cea originară prin utilizarea de microorganisme vii.

1.6.3 Tehnologii de bioremediere a haldelor de steril, iazurilor de decantare, deșeurilor industriale.

Reconstrucția ecologică, aplicată pe substrate abiotice, biotopuri poluate, contaminate, halde de steril, materiale de descopertare si alte reziduuri rezultate din exploatari miniere si din alte activitati industriale, agricole etc., operează cu metode tehnice și biologice care pot asigura ecogeneza sau sucesiunea ecologică secundară. Ecogeneza presupune: – înființarea fito și zoo-cenozelor de pionierat, concomitentă cu – pedogeneza, refacerea microbiotei, refacerea humusului și proprietăților solului; – reconstrucția fito și zoocenotică, cultivarea, colonizarea speciilor, stabilizarea relațiilor interspecifice favorabile productivității și echilibrului biocenotic al noului ecosistem. Funcțiile mediogene și de reglaj ale fitocenozelor asigură reconstrucția ecologică : fixarea reliefului antropic, reglajul pedogenezei și protecția solului, formarea zoocenozelor, conservarea faunei, reglajul microclimatului, intercepția precipitațiilor și reglajul hidric, atenuarea vitezei vântului, diminuarea scurgerilor de suprafață, a eroziunii de profunzime (alunecări de teren, ravene, ogașe), aluviuni etc. (Cristea, 1993, Cristea, Gafta, Pedrotti, 2004 citati de Malschi,2011).

Substratul abiotic care necesită reconstrucția ecologică rezultă prin alterarea profundă a mediului, în urma diferitelor activități economice, în industria extractivă și în construcții, prin acumularea sterilului după extragerea minereului, prin realizarea iazurilor de decantare, a autostrăzilor, barajelor, lacurilor de acumulare, etc.

Colonizarea vegetației pe substratul abiotic se realizează în etape de ecogeneză: Substratul inițial abiotic, se populează cu speciile-pionier, care au o mare amplitudine de toleranță ecologică la variațiile factorilor ambientali. La instalarea acestei vegetații, concurența interspecifică este mică sau nulă.

Se formează asociații alcătuite dintr-un număr mic de specii, care fixează panta, ca: Rumex scutatus (măcriș de munte) cu Galeopsis angustifolia (fața mâței) sau Rumex cu Tussilago farfara (podbalul), pe pantele nordice, umede

Pe pantele mobile se instalează vegetație cu sistem radicular puternic ramificat de suprafață și de adâncime, care rezistă la alunecările de teren, si curpenul de pădure-Clematis vitalba.

Colonizarea și fixarea reliefului antropic de către fitocenoze depinde:

de capacitățile adaptative ale comunităților de plante,

de variabilitatea ecotipică (biodiversitatea genetică) a speciilor componente,

de proprietățile fizico-chimice ale materialului de bază.

Pe sterilul cu conținut de metale, se instalează specii metalofite specializate

pentru seleniu – o serie de Leguminoase,

pentru stronțiu – Graminee,

pentru zinc – specii calaminare etc.

În sprijinul ideii de reconstrucție ecologică (Cristea, 1990 citat de Malschi,2011), pe voluminoasele halde de steril, acumulate la minele de cărbune, de sare, de metale feroase și neferoase, la termocentrale și alte activități industriale, argumentele se referă la: toxicitatea sterilului, la aspectul inestetic, la pericolul alunecării reliefului antropic, la necesitatea reintegrării lor în circuitul economic.

Bioremedierea prin fitoextracția poluanților În prima etapă a bioremedierii și reconstrucției ecologice un rol important îl au plantele cu potențial de fitoremediere și depoluare prin fitoextracție și bioacumulare. Numeroase cercetări precizează impactul deosebit al cultivării speciei Lolium perenne în bioremedierea și reconstrucția arealelor terestre poluate datorită intensității proceselor de fitoextracție și bioacumulare în țesuturile plantei (Goecke et al., 2011; McCutcheon&Schnoor, 2003; Yi-Hao Wu, 2008; Li Hong-xia et al., 2008; Willey, 2007 citati de Malschi,2011).

Capitolul 2. Materiale si metode utilizate

În vara anului 2014 au fost efectuate investigații în teren în vederea evaluării poluării istorice cauzate de halda de steril. Astfel, în vederea determinării influențelor pe care le exercită halda de steril din regiunea Moldova Nouă asupra zonei umede de interes, și anume prezența metalelor grele generate în urma exploatărilor miniere din zonă au fost prelevate și analizate probe de sol. Punctele de prelevare au fost alese atât din zona afectată (halda de steril) cât și din localitățile adiacente acesteia.

Simultan, au fost realizate Măsurătorile privind concentrațiile poluanților atmosferici și prelevarea probelor de pulberi totale în suspensie au fost efectuate pentru determinarea calității aerului și pentru determinarea impactului pe care îl poate avea halda de steril și/sau iazul de decantare din Moldova Nouă asupra ariei de interes, ce cuprinde și zona umedă Divici-Pojejena.

2.1 Analiza chimica a solului

Metodologia de lucru

Metodele de prelevare(fig.x) ale probelor de sol s-au bazat pe prevederile STAS-ului 7184/1-1984 – “Recoltarea probelor pentru studii pedologice și agrochimice” și recomandările cuprinse în Ordinul 184/1997. Probele au fost prelevate de la adâcimea de 5 cm, cu recoltarea unor cantități de sol suficiente pentru analize, ce au fost transferate în pungi de plastic etichetate.

Pentru prelucrarea și efectuarea analizelor probelor de sol s-au utilizat următoarele standarde:

SR ISO 10381/98 – Calitatea solului – Esantionare;

SR ISO 11464/98 – Calitatea solului – Pretratamentul esantioanelor pentru analize fizico-chimice;

SR ISO 10390/94 – Calitatea solului – Determinarea pH-ului;

SR ISO 11466/99 – Calitatea solului – Extracția microelementelor solubile (Cd, Cu, Cr, Mn, Ni, Pb, Zn) în apa regală;

SR ISO 11047/99 – Calitatea solului – Determinarea metalelor din extracte de sol în apa regală – Metodele prin spectrometrie de absorbție atomică în flacără și atomizare electrotermică.

Prelevarea, pretratarea și analiza probelor de sol

Fig.x adaptat dupa INCDPM

Localizarea punctelor de prelevare

Pentru analiza solurilor s-au prelevat probe din șapte locații (fig. 5), situate de-a lungul zonei analizate. Din anumite puncte s-au prelevat mai multe probe, astfel:

– Zona haldei de steril Moldova Nouă au fost prelevate două probe, una de suprafață și alta de adâncime;

– Zona Pojejena – s-au obținut probe din trei zone diferite și anume: port agrement (aprox. 100 m stație de epurare), port mal stație de epurare (în dreptul stației de epurare, ~ 10 m Dunăre), mal port stație de epurare (în dreptul stației de epurare, ~ 30 m Dunăre).

În laborator au fost analizate 8 probe de sol prelevate în data de 25.06.2014 și 2 probe de steril prelevate în data de 16.07.2014, care au fost prelevate din același punct al haldei de la Moldova Nouă, dar la adâncimi diferite, după cum urmează:

Tab.1 Puncte de prelevare probe sol

Figura 1. – Harta cu punctele de prelevare a probelor de sol

Analizarea calitativă a probelor de sol folosind fluorescența de raze X permite o evaluare rapidă a compoziției oxidice a materialului. Este o metodă de analiză utilizată pentru determinarea elementelor chimice sub formă de oxizi, intervalul de măsurare fiind reprezentat de toate elementele de la F la U.

Pentru efectuarea analizei calitative, probele de sol uscate în prealabil sunt cântărite, proba astfel obținută fiind transferată în capsulele de analiză.

Figura 2. Cântărirea și încapsularea probelor

După aducerea aparatului în parametrii de lucru (presiune, temperatură), se inițializează pornirea tubului de raze X și se alege atmosfera de lucru, aceasta putând varia în funcție de proba de analizat și poate fi aer, vacuum sau heliu.

Figura 3. Aducerea aparatului în parametrii de lucru

Probele pregătite anterior vor fi introduse în suporturile metalice (Figura 4a) și așezate pe platanul aparatului (Figura 4b), iar din softul aparatului se vor seta condițiile de lucru și inițierea analizei propriu-zise a probei.

Figura 4. Introducerea probei în suportul metalic (a) și așezarea acestuia pe tamburul rotativ din camera de lucru a aparatului (b)

Rezultatul se obține atât în formă printată cât și format txt, sau CSV și constă în spectrul de fluorescență obținut în domeniul unghiurilor de difracție 2 theta, intensitățile picurilor de fluorescență și compoziția oxidică în procente masice.