6. Kutatási és fejlesztési tevékenység a kármentesítéshez és rekultivációhoz (K+F)

A bevezetőben leírtak szerint, a vállalat két utat választott a rekultiváció-kármentesítés koncepciójának kialakításához szükséges kutatási-fejlesztési munkákhoz. Nemzetközi együttműködést alakított ki a Phare-programon keresztül és bekapcsolódott a Nemzetközi Atomenergia Ügynökség által indított kutatásokba.

A több területen végzett vállalati K+F tevékenységből legjelentősebb a vízminőség-védelemhez és a zagytározók lefedéséhez kapcsolódó kutató-fejlesztő munka.

		6.1. Vízminőség-védelem

Az uránércek feldolgozásához nagy mennyiségű vegyi anyagot használtak fel.

Az Ércdúsító Üzemben

• közel 2000 kt kénsav,
• 620 kt mangánérc,
• 100 kt 30%-os technikai minőségű sósav,
• 84 kt ipari só (NaCl),
• 427 kt égetett mész,

A gyenge minőségű ércek perkolációs feldolgozása során

• kb. 35 kt szóda (Na₂CO₃) és
• kb. 4 kt ipari sót használtak fel.

A vegyi anyagok a feldolgozási folyamatban részben új vegyületekké alakultak, részben változatlan formában maradtak vissza. Nagy mennyiségű vízben oldható vegyület képződött (legnagyobb mennyiségben magnézium-szulfát), amely a feldolgozás utáni technológiai oldatokban maradt vissza. Ezt a feldolgozás szilárd maradékaival együtt a zagytározókon helyezték el vagy a perkolációs prizmákban tárolták.

A bányameddők, a perkolációs meddő, a zagytereken tárolt ércdúsítási meddő a felszín alatti és felszíni vizek szennyező forrásai, mivel azokról szennyezett vizek távoztak el.

A vízminőség-védelem a rekultiváció kiemelt feladata, amelynek keretében meg kellett oldani:

• az uránércbányászat után visszamaradt objektumokon tárolt technológia oldatok tisztítását,
• a szennyezett felszín alatti víz kiemelését és tisztítását,
• a bányavíz és a meddőhányók alól szivárgó vizek tisztítását.

A fenti feladatok részben új eljárások kifejlesztését igényelték, részben a bányabezáráshoz igazodva a meglévő műszaki létesítmények rekonstrukcióját tették szükségessé.

A bányabezárást követő időszakban tehát az alábbi három víztípus hosszabb távú kezelésére kellett felkészülni:

• Bányavíz és a különböző területeken található bányameddőhányók alól elszivárgó, uránnal szennyezett vizek uránmentesítése (U~5 mg/l, B.m.~2 g/l).
• Szabad víz formájában jelenlévő (a szilárd perkolációs meddővel és zagytéri meddővel együtt tárolt) technológiai oldatok kibocsátása előtt azok szennyezőanyag-tartalmának csökkentése (Ra~1-20 Bq/l, B.m.~15 g/l).
• Az évtizedek során kialakult felszín alatti vízszennyezés megszüntetése céljából a kiemelt víz kibocsátás előtti tisztítása (B.m.~12 g/l).

A bányavíz és a meddőhányók alól elfolyó (szivárgó) vizek elsősorban uránnal szennyezettek.

A szabad vizek két csoportra bonthatók:

• A perkolációs eredetű vizek: elsősorban nátrium-szulfátot és nátrium-hidrogénkarbonátot tartalmaznak, urántartalmuk és rádiumtartalmuk meghaladja a kibocsátási határértéket
• A zagytéri szabad víz: főleg magnézium-szulfátot, nátrium-kloridot tartalmaz; a radioaktív komponensek közül a rádium koncentrációja haladja meg jelentősen a kibocsátási határértéket.

A zagyterek környezetéből eltávolítandó szennyezett felszín alatti víz a zagytéri szabad vízhez hasonló összetételű, azonban rádiumtartalma a kibocsátási határérték alatti.

		6.2. A víztisztítással kapcsolatban végzett fontosabb kutatások

6.2.1. Bányavíz kezelés

A bányavíztisztító állomást 1968-ban helyezték üzembe, ezt követően folyamatosan fejlesztették a tisztított vízzel szemben támasztott minőségi követelmények növekedése miatt (6.2.1a és 6.2.1b ábra). A fejlesztések mértékét gyakran a rendelkezésre álló (más területeken felszabadult) berendezések méretei határozták meg, ezért a víztisztító állomás technológiai kapcsolása meglehetősen bonyolult volt.

A bányabezárás utáni időszak bányavíztisztítás technológiájának kialakítása céljából kiterjedt vizsgálatokat végeztek, beleértve a membrán-technikai eljárásokat is.

A vizsgálatok alapján megállapították, hogy a bányavízből az urán és rádium igen jó hatásfokkal kivonható, az alkalmazott paraméterektől függően csökkenthető a tisztított víz oldottanyag-tartalma is. Minden körülményt mérlegelve az anioncserélő gyanta alkalmazásán alapuló eljárás bizonyult a legmegfelelőbbnek.

Az alap eljárás mellett számos egyéb vizsgálatot is le kellett folytatni ahhoz, hogy a bányavíztisztító állomásnak az új körülmények között szükségessé vált rekonstrukciója, bővítése elvégezhető legyen. A legfontosabb kutatások alapján alakult ki a bányavízből kivont urán kereskedelmi végtermékké történő feldolgozási technológiája. Az eljárás hidrogén-peroxid alkalmazásán alapul, amellyel az EU-s minőségi követelményeket is maximálisan kielégítő minőségű uránkoncentrátum állítható elő urán-peroxid formájában az ioncserés eljárás során kapott regenerátumból az alábbi fő reakciók szerint:

Na₄[UO₂(CO₃)₃] + HCl = Na Cl + UO₂Cl₂+ H₂. O + CO₂

UO₂Cl₂+ H₂O₂+2 H₂O = UO₄2 H₂O + 2 HCl

Az ismertetett kutatások egy része a NAÜ kiadványaiban is megtalálható. [2]

6.2.2. A szabad víz kezelése

Az uránércek kémiai feldolgozása során képződött technológiai oldatok részben szabad szennyezett víz formájában a tároló tereken, a zagytereken és a perkolációs tereken maradtak, amelyet a befogadóba való kibocsátás előtt tisztítani kellett. A víztisztítás egyrészt rádiumkivonást, másrészt oldott anyagcsökkentést jelentett.

A tisztítást az Ércdúsító Üzem korábbi technológiai berendezéseit felhasználva végezték, így a technológiai eljárást is ennek a feltételnek a figyelembevételével kellett kialakítani.

Oldott anyag-tartalom csökkentése

A zagytéri szabad víz oldott anyagának jelentős része magnézium-szulfátból és nátrium-kloridból, kisebb részben kalcium-kloridból, míg a perkolációs oldatok oldott anyag- tartalmának nagy része nátrium-szulfátból és nátrium-hidrogénkarbonátból állt. E komponensek eltávolítására több módszer is szóba kerülhetett, azonban gyakorlatilag csak a magnézium és a hidrogén-karbonátok mésztejes leválasztása, illetve megbontása, és a fordított ozmózissal való teljes sótalanítás jöhetett szóba a vizek együttes vagy külön-külön kezelésével.

MgSO₄+ Ca(OH)₂= Mg(OH)₂+ CaSO₄         (1)    zagytéri szabad víz

NaHCO₃+ Ca(OH)₂= NaOH + CaCO₃+ H₂O    (2)    Perkolációs szabad víz

MgSO₄+ 2NaOH = Mg(OH)₂+ Na₂SO₄        (3)

A kémiai kezelés eredményeként magnézium-hidroxid és gipsz tartalmú csapadék képződik, a nátriumhoz kötődő szulfát, valamint a kalcium-klorid és nátrium-klorid természetesen a tisztított vízben marad. Ezért a tisztított víz maradék oldottanyag-tartalma 5-7 g/l értékre csökken.

A fenti jól ismert alapfolyamatok megvalósításának legnagyobb műveleti problémái a képződő gipsz leválásának időbeli elhúzódásával és a képződő csapadéknak a tisztított víztől való elválasztásában, a csapadék sűrítésében jelentkeztek. A problémák megoldását részben a Nemzetközi Atomenergia Ügynökség (NAÜ) szervezésében folyt nemzetközi együttműködés keretében, részben saját kutatások alapján sikerült megoldani.

A csapadék sűrűségét a fáziselválasztó Dorr-sűrítőben jelentősen sikerült növelni az ún. HDS-technika (high density slime) alkalmazásával, amely a sűrítmény egy részének cirkulációját jelenti a sűrítőben. A csapadék cirkulációja egyben a gipszkiválás sebességét is növeli, mivel a gipszkristályok kristályosodási gócokként szerepelnek a folyamatban.

A 6.2.2a ábra a víztisztítási csapadék cirkulációnak a kalciumleválására való hatásátmutatja be: míg cirkuláció nélkül 17 ⁰ C-on pl. 2 óra múlva is 2 g/l körüli kalciumkoncentráció mérhető a kezelt vízben, addig 200%-os recirkulációs terhelés esetén a kalcium-koncentráció 1 g/l alá esik.

Rádiummentesítés

A rádiummentesítésre leggyakrabban alkalmazott módszer a rádium co-precipitációja bárium-szulfáttal:

Ba ²⁺ + Ra ²⁺ + SO ^2- ₄ ŕBa(Ra)SO₄(4)

A leváló bárium-szulfát kristályrácsába a rádium beépül, és így a nehezen oldódó bárium-szulfáttal együtt leválik az oldatból.

Az utóbbi években rádiumra kifejlesztettek specifikus ioncserélő gyantákat is, ezek lényegében erősen savas kation-cserélők, amelyek kationként báriumot tartalmaznak. Az adott típusú kation-cserélő gyantát a vállalatnál is bevizsgálták és megállapították, hogy az ioncserélő valóban igen hatékony a rádium megkötésére.

A rádiumleválás hatékonyságát mutatja a 6.2.2b ábra, amely üzemi körülmények között végzett kísérlet során a zagytéri szabad víz és a rádium-mentesített víz rádiumtartalmát ábrázolja a kísérlet különböző időpontjaiban. A kezelt vízben a rádiumtartalom < 0,3 Bq/l körüli értékre csökkent, tehát a bárium-kloridos leválasztás hatékony rádiummentesítést biztosít.

6.2.3. A szennyezett talajvizek tisztítása a zagyterek környezetében

A kiemelt víz csak néhány összetevő tekintetében különbözik a szabad víz összetételétől (a kiemelt víz rádiumtartalma lényegesen alacsonyabb (< 0,1 Bq/l), hidrogén-karbonát- tartalma azonban magasabb (~600 mg/l), s így a szabad víz tisztítására kidolgozott mésztejes eljárás alkalmazása tűnt célszerűnek.

A víztisztítás eredményeként a 12 g/l oldottanyag-tartalmú vízből 6-7 g/l oldott anyagot tartalmazó víz nyerhető, amely az uránmentesített bányavízzel való összekeverés után a befogadóba vezethető. A folyamatban képződő iszapot kb. 50% víztartalommal hulladéktárolóban helyezték el.

		6.3. Reaktív gátak alkalmazása a vízminőség-védelemben

A reaktív gátak alkalmazásának elve, hogy a felszín alatt áramló víz útjába olyan anyagot helyeznek, ami valamilyen mechanizmus révén megköti a szennyező anyagot, vagy olyan kémiai állapotba hozza, hogy az a reaktív gátban marad. E műszaki rendszereket széleskörűen alkalmazzák klórozott szénhidrogénekkel és uránnal, valamint nehézfémekkel szennyezett talajvizek tisztítására az USA-ban, és a nyugat-európai országokban.

A MECSEKÉRC Rt.-nél a reaktív gátakkal kapcsolatos vizsgálatokat végeztek:

• az aktív kalcium-oxidot tartalmazó és
• fémvas alapú reaktív gátak alkalmazására.

6.3.1. Aktív kalcium-oxid alapú reaktív gátak

A reaktív gátak alkalmazásának igénye akkor merült fel, amikor a perkolációs meddők anyagát a III. sz. meddőre helyezték át. Az meddőn átszivárgó víz urántartalma az első időszakban a 20-30 mg/l értéket is elérte az áthalmozással járó anyagbolygatás miatt. Bár a III. sz. meddő hidrogeológiailag viszonylag jól védett területen helyezkedik el, a meddőről elszivárgó magas urántartalmú oldatok jelentősen szennyezték a meddő környezetét. Az uránkioldódás káros környezeti hatását mérsékelni kellett.

A feladat megoldására az égetett meszet tartalmazó migrációs gát létesítése kínálkozott, mivel a nyílt térben végzett folyamatos laboratóriumi és nagyméretű terepi kísérletek bizonyították, hogy az urán hatékonyan köthető meg szivárgó vízből égetett meszet tartalmazó reaktív gáttal. A reaktív gátban lévő kalcium-oxid a szivárgó vízben lévő uránnal csapadékot képez, így a vízből kiválik.

Az uránkivonás hatékonyságát szemlélteti a 6.3.1. ábra. Az egyik görbe a migrációs gát nélküli oszlopból kifolyó szivárgó víz urántartalmát (UI), a másik görbe pedig a 2 kg/t égetett meszet tartalmazó oszlopból kikerülő szivárgó víz urántartalmát (UII) mutatja. Mint látható, az égetett mész alapú migrációs gáton átszivárgó víz urántartalma 1 mg/l alatti, míg a migrációs gát nélküli eléri a 60 mg/l értéket is.

Hatékonysága alapján migrációs gát létesült a Perkoláció II-ről átszállított meddő esetében.

6.3.2. Fémvas alapú reaktív gátak

A fémvas alapú reaktív gátakkal kapcsolatos kutatásokat nemzetközi együttműködés keretében végezte a vállalat. Az urántartalmú talajvíz tisztítására egy 29 tonna fémvastörmeléket tartalmazó reaktív gátat létesítettek kísérleti céllal (6.3.2a-c ábra).

Laboratóriumi kísérletekkel megállapították, hogy a fémvas (amelyet 0,3–3 mm-es szemcsék formájában alkalmaznak) rendkívül hatékonynak bizonyul a talajvíz uránmentesítésére.

A 6.3.2d ábrán az egyik monitoringkútból vett talajvízzel végzett uránmentesítés eredményeit mutatja be (az oszlop 13% fémvas +87% homokkeverék-töltetet tartalmazott).

A betáplált 800 mg/l urántartalmú víz urántartalma jelentősen csökkent: a kezdeti aktiválási szakaszt kivéve az oszlopból kifolyó víz urántartalma < 10 mg/l volt.

		6.4. Zagytározók rekultivációjának tervezését megelőző vizsgálatok

A zagyterekre került anyag mennyiségi adatainak összesítésével párhuzamosan számos vizsgálatot kellett elvégezni a tárolt anyag tulajdonságainak megismerése céljából. A rekultiváció koncepciójának kialakításához és a tervezéshez legszorosabban kapcsolódó vizsgálatok az alábbiak:

6.4.1. Kémiai és ásványtani vizsgálatok

Az elvégzettröntgenanalitikaielemzésekből megállapították, hogy a meddőzagy nehézfém- tartalma általában alacsony. Ezek közül a segédanyagként bejuttatott mangán fordult elő a legnagyobb koncentrációban (~1%), a vanádium 500 g/t, az arzén 100 g/t körüli koncentrációban volt jelen a meddőben.

A meddőzagyban jelentős mennyiségű (több százezer tonna) gipsz található, amely a szilárd meddő legkönnyebben kioldódó komponensét képezi, ezért mint szennyező forrással, évezredeken keresztül számolni kell.

Azásványtani vizsgálatota meddőzagy tixotróp tulajdonságainak prognosztizálása céljából kellett elvégezni. A zagytéri iszap is csak kis mennyiségű montmorillonitot tartalmaz (néhány %).

6.4.2. Geotechnikai vizsgálatok

A depónia jelentősen, egyes helyeken 17 m-t meghaladó mértékben, emelkedik ki a környezetéből.

A zagyterek geotechnikai jellemzőit, a 6.4.2 ábra szemlélteti a két zagytéren végzett nyírószilárdsági szelvényezés adataival együtt.

Az I. sz. zagytér víz alatti iszapmagjában mért nyírószilárdság csak 6-7 m mélységben éri el a földmunkák szempontjából veszélytelennek tekinthető 15 kN/m ² értéket. Ebből következik, hogy az alacsony teherbírású felületet szilárdítani kell, amit általában víztelenítéssel lehet a legegyszerűbben elérni.

6.4.3. Víztelenítési kísérletek

A talajmechanikai vizsgálatok és a hosszabb időszakon keresztül végzett szivárgási kísérletek eredményei azt mutatták, hogy a zagyterek ún. iszapmagjában található anyagnak alacsony vízvezető képessége van:k=1,0*10 ^-8 , 1,0*10 ^-9 m/s. Az iszap rossz vízvezető tulajdonsága miatt a felületszilárdság növelésének előfeltételét jelentő víztelenítés mesterséges megoldásokat igényelt. A Phare-program keretében kidolgozták és más országokban is alkalmazták azt a módszert, amely során a szabad víz eltávolítása után visszamaradó és kismértékben konszolidáló (kérgesedés megindulása) iszapfelületet georáccsal és geotextíliával borítják le, majd fokozatosan terhelik jó vízvezető tulajdonságú anyaggal. A fokozatos terhelés hatására az iszapból a víz egy része kipréselődik, és így növekszik a felület teherbíró-képessége. Mivel az instabil felületű iszapmag teherbíró- képességének növelése elengedhetetlen feltétele az adott terület rekultivációjának, külön in situ kísérletet végeztek a víztelenítés technológiájának elsajátítására és a technológia adaptálására georácsok és geotextília, valamint vertikális drének alkalmazásával. A kidolgozott eljárást alkalmazták az I. sz. zagytározón.

6.4.4. A szennyező anyagok vertikális irányú kiterjedésének vizsgálata

A szennyező anyagok közül a nem radioaktív komponensek vertikális irányban vándorlása volt kimutatható.

Az oldott anyaggal jellemzett szennyezés profilját a zagytereken végzett fúrások maganyagainak bevizsgálásával állapították meg. Az oldott anyag koncentrációjának vertikális irányú változását a két zagytározón a 6.4.4 ábra szemlélteti.

Látható, hogy a zagyterek felszín közeli részében az oldottanyag-tartalom néhány g/l, míg a fekü közelében ez az érték meghaladja a 20-25 g/l értéket is. A felső rétegek alacsonyabb sótartalma a csapadék hígító hatásával és (az I. sz. zagytér esetében) az éveken keresztül végzett vízkezelés (zagytéri szabad víz oldottanyag-tartalmának csökkentése) eredménye.

6.4.5. Lefedési vizsgálatok

Zagytározók hosszú távú biztonságba helyezésével elérendő cél:

• Elfogadható szintre csökkenteni a zagyterekből kiáramló radongáz mennyiségét,
• Ésszerű mértékben csökkenteni a zagyterekből kijutó kémiai vízszennyező anyagok mennyiségét.

Mindkét cél biztosítható a tárolt szennyezett anyag inert anyaggal, földdel való lefedésével. Az optimális állapot elérésére minimális költségráfordítással számos vizsgálat és modellezés folyt a megfelelő takaróréteg talajfizikai paramétereinek meghatározására. Összesen mintegy 2,5 millió m ³ anyagot használtak a zagyterek lefedésére. A vizsgálatok eredményeként a zagyterek lefedésére két rétegrendet javasoltak:

• a II. sz. zagytározón 1,5 m összvastagságon belül 30 cm agyagréteg, 30 cm löszréteg a radon visszatartására, 30 cm homok drénrétegként, majd 60 cm tömörítetlen löszréteg szükséges az eróziót mérséklő növénytakaró számára,
• I. sz. zagytározón elsősorban az iszapmag konszolidációjának egyenetlensége miatt a homokdrén helyett 40 cm-rel megnövelt löszréteg került beépítésre, így a fedőréteg
  1,6 m összvastagságán belül az első réteg a tömörített 30 cm-es agyagréteg, 40 cm-es tömörített löszréteg, majd 45-45 cm különböző mértékben tömörített löszréteg, amely a csapadék tárolására és a fedőrétegbe telepített mély gyökérzónájú növényzettel annak elpárologtatására szolgál.

A kialakított rétegrendekkel biztosítható, hogy a zagyterek felületéről kiáramló radongáz mennyisége a hatósági előírások alatt maradjon, a zagytereken átszivárgó víz mennyisége 30-40 mm/év körüli értékre várható az elvégzett modellszámítások szerint.

A javaslat megvalósításának az a rendkívül nagy gyakorlati jelentősége, hogy a zagyterek fedéséhez szükséges anyag nagy részét helyben, a II. sz. zagytározó határoló területen kialakított anyagnyerő helyről termelték ki.