Uskladnění tekutých odpadů do vytěžených ložisek uhlovodíků

Problémy určitých druhů kapalných odpadů - s obsahem toxických těžkých kovů, lehce rozpustných solí nebo odpadů radioaktivních - nemohou vyřešit skládky nebezpečných odpadů, ani spalovny.

Snahy o řešení problému hospodaření s odpady cestou výstavby ekologicky zajištěných povrchových skládek anebo budováním středisek na zneškodňování odpadů znamenají současně další, i když lokální zatížení vybraných částí našeho území a nesetkávají se s pochopením veřejnosti. Jednou z možností jak splnit dvě důležité okrajové podmínky řešeného problému za kolik a kam – a to nežádoucího kontaktu nebezpečných odpadů s biosférou – je využít „čtvrtý rozměr“ – podzemí pro zřízení a provoz dlouhodobých úložišť nebezpečných průmyslových odpadů.

Skladování tekutých odpadů, zejména těžce čistitelných nebo vůbec nečistitelných, v hlubokých horninových strukturách je ve světě velmi rozšířeným způsobem a je považováno za vysoce efektivní, rentabilní a bezpečné. U nás je tento způsob zatím málo známý a hledá svoje odpovídající uplatnění hlavně v naftařském průmyslu.

Širšímu uplatnění tohoto způsobu bránila u nás hlavně nekomplexní a nesystematická právní úprava a legislativa v odpadovém hospodářství.

Metoda také evokuje určitou emocionální odezvu, protože představuje určité riziko pro lidské zdraví, životní prostředí a životní úroveň. Při hodnocení úlohy zatláčení do vytěžených ložisek uhlovodíků musí být zohledněny výhody a rizika této metody i dalších alternativ.

HISTORIE

Ukládání tekutých odpadů do vytěžených ložisek uhlovodíků je technicky složitou záležitostí. Nejvhodnější jsou regionálně rozsáhlé, tektonicky a seizmicky stabilní, homogenní pórové a puklinové kolektory, překryté mocným nadložním komplexem nepropustných hornin, oddělené od aktivního oběhu podzemní vody, které jsou trvale mimo sféru životního prostředí.

Injektování, tzn. pohyb tekutých médií (kapaliny nebo plynu) ve vrtu opačným směrem než při těžbě přírodních uhlovodíků se v ropném průmyslu USA používalo od třicátých let a dosud ho používají naftařské firmy, které těží ropu a zemní plyn. Injektovaným médiem je ložisková voda nebo plyn, které se zatláčejí do uzavřené struktury ložiska, aby pomohly udržet konstantní ložiskový tlak, a tím pomáhaly lépe dotěžit ložisko.

Právě zde vznikla myšlenka injektovat do vytěžených ložiskových struktur také tekuté odpady, ať už to byly ropou kontaminované vrtné výplachy nebo tekuté odpady vznikající při jiné průmyslové výrobě. Během šedesátých a sedmdesátých let se vtláčení jako metoda zacházení s nebezpečnými odpady velmi rozšířilo (v roce 1974 existovalo 209 vtlačných sond) a přetrvává dodnes.

I když průmysl nezaznamenal žádné větší provozní problémy nebo případy kontaminace (během této doby), americká veřejnost se začala vážně zabývat znečišťováním jak vzduchu, tak vody. Důsledkem toho bylo přijetí zákonů týkajících se životního prostředí a zákonů týkajících se řízení a kontroly stavu vzduchu a vod. Podle studií zveřejněných v osmdesátých letech pohltily hluboké vtlačné sondy téměř 60 % veškerých kapalných nebezpečných odpadů.

V roce 1980 byly v USA přijaty předpisy, které stanovily minimální normy pro řízení podzemního vtláčení (Underground Injection Control, UIC) a obsahují i klasifikaci vtlačných sond. Klasifikační systém vychází ze tří faktorů: jakého průmyslu se systém týká, jaké kapaliny mají být injektovány a jaká je poloha vtlačné zóny ve vztahu ke zdrojům pitné vody (tab. 1). Agentura pro ochranu životního prostředí USA (EPA) zpracovala v roce 1986 soupis injektážních vrtů, které se využívaly při skládkování tekutých odpadů (tab. 2). V tomto roce se v USA využívalo 429 sond pro uskladňování velmi nebezpečných odpadů způsobem injektáže do hlubokých horninových struktur. Šlo hlavně o louhy, kyseliny různých koncentrací, chromany, kyanidy, sírany a mnoho dalších.

SLOVENSKO

Kromě USA se tento způsob uskladňování tekutých odpadů prakticky využívá ve všech vyspělých krajinách s rozvinutým naftařským průmyslem, jako jsou Kanada, Velká Británie, Francie, Norsko, ale i v krajinách bývalého SSSR. Ze sousedních zemí je zatláčení tekutých odpadů v různých obměnách realizováno v Německu, Rakousku a Slovensku. Například v Německu bylo již v letech 1925-1964 v těžební oblasti draselných solí v údolí řeky Werra tímto způsobem zlikvidováno 380 mil. m3 solanek, tj. v průměru 10 mil. m3 ročně.

Ve Slovenské republice se tento způsob uskladňování tekutých odpadů realizuje od roku 1990, avšak pouze prostřednictvím minimálního počtu sond. Překážkou byla nedostatečná legislativa v odpadovém hospodářství. Možnosti jsou zejména v západním Slovensku ve vytěžených ložiscích ropy, kde se kapacita injektážní zóny odhaduje na 4 mil. m3. Ve východoslovenském neogénu jsou to ložiska zemního plynu (Trhoviště, Stretava, Ptrukša, Senné a Bánovce nad Ondavou), kde už bylo vytěženo přes 3 mld. m3 a ročně se vytěží průměrně dalších 0,3-0,4 mld. m3 zemního plynu.

Na západním Slovensku má Nafta, a. s., Gbely vtlačné středisko na centrálním odkališti Závod a ve východním Slovensku na centrálním odkališti Moravany. Tekuté odpady jsou k těmto střediskům dopravovány autocisternami, zde shromažďovány ve sběrných nádržích a odtud pístovými čerpadly 2PN 700 zatláčeny do pórovitých vytěžených horninových struktur.

VLASTNOSTI INJEKTÁŽNÍ ZÓNY

Pro skládkování tekutých odpadů je využitelné prakticky každé ložisko ropy a zemního plynu. Splňuje základní podmínku této činnosti, a tou je hydrodynamická uzavřenost obzoru. Využít se dají i další geologické struktury s dostatečnou kapacitou a jinými vhodnými vlastnostmi (dostatečně prokázaná izolovanost od biosféry a nadložních horizontů). Při výběru injektážní zóny je potřeba provést detailní geologický, hydrogeologický a chemický průzkum a zhodnotit technický stav injektážních vrtů a sond, protože jejich špatný technický stav může znehodnotit injektážní zóny.

Z pohledu naftové geologie jsou vhodné pískovcové a karbonátové kolektory, spolehlivě odizolované od biosféry nepropustnými vrstvami (např. jílů a solí). Jílové sedimenty mají všeobecně nízkou propustnost, vysokou plasticitu, nízkou rozpustnost ve vodných roztocích a dobré sorpční vlastnosti, a proto jsou mimořádně vhodné jako izolanty mezi injektážní zónou a podzemními zdroji pitné vody. Při výběru injektážních zón nebo pohlcujících obzorů je velká pozornost věnována především petrofyzikálním vlastnostem – pórovitosti a propustnosti.

Injektážní tlak, tj. tlak, při kterém se médium vtláčí do injektážní zóny, je limitovaný propustností kolektorské horniny, pohlcovacími schopnostmi obzoru, ale i fyzikálními vlastnostmi zatláčeného média, jeho měrné hmotnosti a viskozity. Počáteční injektážní tlak se pohybuje v našich podmínkách od 2-5 MPa na ústí sondy a postupně se zvětšuje v přímé závislosti od toho, jak se injektážní zóna zaplňuje nebo jak se zhoršují její kolektorské vlastnosti.

KOMPATIBILITA

Aby uskladňování odpadů injektováním bylo úspěšné, je třeba zhodnotit vzájemné vazby mezi horninou, látkami které obsahují, a vlastním odpadem – tedy řešit problém kompatibility. Má-li se do jednoho injektážního vrtu nebo injektážní zóny zatláčet víc druhů odpadů, je třeba udělat i testy vzájemné kompatibility těchto odpadů. Posouzení obvykle vyžaduje informace o očekávaném vtláčeném množství: hustotě, teplotě a viskozitě vtláčené kapaliny, obsahu tuhé fáze a o efektivní velikosti částic, hodnotě pH a o chemickém složení odpadu, biologické charakteristice odpadu, obsahu plynů v odpadní kapalině a o její korozívnosti, proměnlivosti uvedených parametrů a stabilitě vlastností odpadních vod.

Inkompatibilita mezi vtláčeným odpadem a kolektorskou horninou nebo vrstevní kapalinou může mít za následek pokles účinnosti procesu nebo úplné selhání vtlačného systému. Fyzikální, chemické a biologické charakteristiky odpadu tuto kompatibilitu silně ovlivňují.

Jednotlivé druhy odpadů určené k zatlačení by se svým složením měly blížit původnímu obsahu ložiska. Existuje potencionální nebezpečí ucpávání vtlačné zóny tuhými částicemi z tekutého odpadu. Proto se doporučuje provádět separace tuhých částic z odpadů před jeho zatláčením.

Dlouhodobý kontakt vtlačného zařízení, vystrojení sondy a zejména horninového skeletu s obsahem o extrémně nízkých, resp. vysokých hodnotách pH by mohlo být příčinou korozívních poruch, resp. poškození celého systému. Proto se doporučuje předběžná úprava chemismu vtláčených odpadů inhibitory podle druhu a zastoupení korozívně účinných látek.

Původní vrstevní vody jsou více či méně mineralizované. Dostanou-li se jílové částice v kolektoru do kontaktu s nemineralizovanou vodou resp. s vodou, jejíž salinita je nižší n,ež byla původní, bude docházet k bobtnání těchto částic, což může vést k silné redukci pohlcovacích schopností kolektoru. Tuto podmínku je nutno akceptovat již při výběru tekutých odpadů, případně počítat s nutnou úpravou jejich salinity.

INJEKTÁŽNÍ VRT A JEHO LOKALIZACE

Injektážním vrtem se zatláčejí tekuté odpady do pórového nebo puklinového prostoru uloženého v hlubokých horninových strukturách (injektážní zóně). Vhodná lokalizace injektážního vrtu představuje multidisciplinární problém. Existují všeobecná kritéria, která by měla být splněna, aby injektážní vrt měl dlouhodobý úspěch: musí být k dispozici obzor s dostatečně velkou porozitou a přiměřenou permeabilitou, musí být vyloučena možnost kontaminace pitné vody, a to přirozenými bariérami bránícími pohybu odpadu. Konečně musí být injektážní systém stabilní, zejména jak jde o kompatibilitu zatláčeného odpadu s injektážní zónou.

Při vtláčení odpadů do již vytěžených ropných či plynových ložisek se z praktických důvodů využívají stávající sondy otevírající dané ložisko. Snižuje to o řádově desítky milionů korun náklady na realizaci projektu, nevytvářejí se potencionální cesty úniku z injektážní zóny, což snižuje snížený dopad na životní prostředí a ráz krajiny. Nezanedbatelnou výhodou je také legislativní zajištěnost již hotového vrtu.

Před zahájením vtláčení musí být na vrtu provedeny čerpací zkoušky, pohlcovací zkoušky a štěpící zkoušky za účelem předběžného stanovení optimálního programu injektáže, tj. optimálního a maximálně přípustného injektážního tlaku, rychlosti začerpávání, celkového objemu začerpávaného odpadu a štěpícího tlaku (pouze u nového vrtu). Injektáž tekutých odpadů musí být po zaplnění injektážní zóny ukončena řádnou likvidací sondy. Složka vrtu je archivována a zlikvidovaný vrt zůstává zaznamenaný na mapě.

ÚPRAVA ODPADŮ

Jak již bylo řečeno, tekuté odpady vyžadují vhodnou úpravu, zejména snížení obsahu a zrnitosti pevné fáze z hlediska propustnosti kolektorských hornin, snížení viskozity upraveného odpadu nebo změnu chemických vlastností odpadu z hlediska jeho vlivu na kontaktní povrchy čerpadla, dopravních nádob, potrubí a vystrojení vrtu.

Na obr. 1 je schéma stanice pro úpravu tekutých odpadů. Tekutý odpad se zde předčišťuje na kvalitních vibračních sítech typu Super Screen. Speciální centrifuga pak odseparuje tuhé částice větší než 5 mikronů. V určitých případech může být vhodné použít tzv. třífázové centrifugy schopné oddělit vodu, olej a pevné částice, nebo vybavit systém pro zvýšení účinnosti flokulačním zařízením. Poté, co je odpad zbaven tuhých nečistot, míchá se v nádržích a pomocí kalového čerpadla se dopravuje potrubím k místu, kde se do odpadu přidávají chemikálie upravující jeho viskozitu, hustotu, případně další fyzikálně-chemické vlastnosti. Takto upravený odpad se přečerpává kalovým čerpadlem do skladovacích nádrží.

Protože zpracované odpady mohou mít různé chemické složení, je nutné je rozdělit do několika skupin (slaná voda + olej vhodný pro další zpracování v odvodňovací stanici, olej nevhodný pro další zpracování, kyselé odpady, zásadité odpady). Z těchto nádrží se odpad dopravuje autocisternami do pohotovostních nádrží v blízkosti vtlačných vrtů.

Průběh zatláčení tekutého odpadu do propustných vrstev je monitorován pomocí manometrů na vtlačném potrubí a na mezikruží mezi těžební kolonou a stupačkami. Kromě toho se účinnost tohoto procesu zjišťuje po určité době měřením na monitorovacích vrtech situovaných v okolí vtlačných vrtů.

Zatláčení tekutých odpadů mohou doprovázet určitá rizika, plynoucí z nevhodně zvolené lokality, nedostatků při projektování a výstavbě injektážního střediska a injektážních vrtů, chyb v konstrukci injektážního vrtu, chyb v určení typu tekutých odpadů pro uskladňování z hlediska jejich kompatibility, či porušení horninového prostředí.

Pro monitorování procesu se instaluje proto kontinuální registrační zařízení na sledování zatlačeného množství a tlaku za současného sledování tlaku na mezikruží mezi stupačkami a těžební kolonou. Nejméně jednou za pět let se musí kontrolovat mechanická integrita vrtu.

VYTYPOVÁNÍ VHODNÝCH LOŽISEK

Teritorium ČR se geologicky člení na dvě regionální struktury – Český masiv a Karpaty. Dělící linie probíhá přibližně mezi Znojmem a Ostravou. Na území jižní Moravy je poměrně velká četnost ložisek uhlovodíků. Ložiska vhodná pro vtláčení tekutých odpadů nejen po stránce ochrany životního prostředí, ale také z ekonomického hlediska musí splňovat několik omezujících podmínek.

První z nich je vzdálenost úložiště od místa vzniku odpadu – s rostoucí vzdáleností porostou provozní náklady. Pro rentabilitu procesu je důležitá také kapacita ložiska. Další podmínkou je ochrana životního prostředí. Některá ložiska se nachází v povodí řeky Moravy nebo povodí Dyje, kde je hned několik zdrojů pitné vody, což samozřejmě legislativně významně komplikuje případné využití pro daný účel. Mezi tato ložiska patří Týnec, Lanžhot-Brodské, Poštorná, Lanžhot, Břeclav a částečně ložisko Hrušky.

Důležitá je hloubka uložení ložiska. Všeobecně se považuje za bezpečnou pro injektování odpadu do horninového prostředí hloubka přes 500 m, někteří autoři uvádějí až 700 m. V těchto hloubkách většinou ustává aktivní oběh podzemní vody. Dalším významným faktorem ovlivňujícím nejen rentabilitu procesu vtláčení je počet vrtů otvírajících ložisko. S velkým počtem vrtů na lokalitě rostou náklady na převystrojení každého takového vrtu a samozřejmě i potencionální riziko úniku vtláčeného média do životního prostředí, neboť u lokality s velkým počtem vrtů není ověřena vzájemná komunikace.

 

Ing. Pavel Švandelka, Ph. D.
Ing. Ivo Knápek

Megawaste, s. r. o. 

 

PROBLÉMY A PORUCHY PŘI ZATLÁČENÍ TEKUTÝCH ODPADŮ

Nevhodně zvolená lokalita

Nedostatky při projektování a výstavbě injektážního střediska a injektážních vrtů

Chyby v konstrukci injektážního vrtu

Chybné určení typu tekutých odpadů pro uskladňování z hlediska jejich kompatibility

Porušení horninového prostředí

Schema konstrukce a podzemního vystrojení vytláčecí sondy

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *