مشکلات زیست محیطی در استخراج معادن فلزی و زغال

 

نویسندگان:

سیماناز گلابی بجستانی (فارغ التحصیل کارشناسی ارشد اکتشاف – معدن بین المللی امام خمینی (ره) قزوین)

انعام الله افضلی (دانشجوی کارشناسی ارشد معدن یزد)

سمیه خواجوند (دانشجوی کارشناسی ارشد معدن تربیت مدرس)

زهرا حسنعلی زاده (فارغ التحصیل کارشناسی ارشد معدن صنعتی همدان)

پویا اردشیری (دانشجوی کارشناسی ارشد معدن آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات)

 

    فعالیت‌های معدنکاری همواره باعث ایجاد مشکلات زیست محیطی می‌گردد که می‌تواند اکوسیستم و سلامت انسان را به خطر بیندازد. معادن و صنایع معدنی به دلیل داشتن اثرات تخریبی گوناگون و گسترده بر محیط زیست، نیازمند توجه ویژه‌ای هستند برخی از این اثرات عبارتند از: تولید زهاب اسیدی، فرسایش و تخریب ساختار خاک منطقه، نشست در سطح زمین، از دست رفتن تنوع زیستی محل، آلودگی آب‌های سطحی و زیرزمینی توسط مواد شیمیایی، آلودگی هوا و نظایر آن، انتشار فلزات سنگین در آب، خاک و… است) خراسانی و همکاران،1391).

مشکلات زیست محیطی ناشی از فعالیت‌های معدنی را می توان در سه دسته طبقه بندی کرد: بلایای زمین شناسی، آسیب‌های زیست محیطی و آلودگی محیط زیست. بلایای زمین‌شناسی تغییراتی در توپوگرافی و یکپارچگی ژئومورفولوژی در طی فرآیند استخراج است(لو، 2019). تخریب محیطی شامل تغییرات نقاط دیدنی، مناظر طبیعی و توپوگرافی است اسیب به محیط زیست شامل تخریب پوشش گیاهی و زمین‌های کشاورزی است.

 

شاخص‌های الودگی محیط زیست و زغال

   امروزه بخش صنعت و معدن که چرخه پیشرفته جهان بر پایه آن استوار است در تقابل با طرفداران محیط زیست قرار گرفته است و قانون گذاری‌ها درجهت یک تعامل بهینه این دو می‌باشد معدن به عنوان یکی از آلوده کننده‌های محیط زیست و از سوی دیگر به عنوان یکی از پایه‌های بشری همواره مورد توجه بوده است از این رو ارزیابی اثرات زیست محیطی عملیات‌های معدنی می‌تواند در شناسایی پیشگیری و کنترل عوامل آلودگی موثر باشد معادن زیرزمینی زغال سنگ با توجه به ویژگی‌های ذاتی زغال سنگ نحوه تشکیل و عملیات انجام شده از استخراج اثرات سو زیست محیطی بارزی دارد از سویی دیگر زغال سنگ همچنان به عنوان یکی از مناع مهم انرژی شناخته می‌شود.

    با توجه به اینکه منابع معدنی خصوصاً کانسارهای فلزی حاوی مقدار قابل توجهی عناصر سمی می‌باشند؛ تماس آب‌های سطحی و زیرزمینی با سنگ میزبان و توده‌ها و رگه‌های معدنی و هوازدگی سنگ‌ها در کانسارها باعث آزادسازی عناصر مختلف شده و مقدار زیادی از فلزات سنگین و عناصر سمی را در رسوبات پایین دست و خاک‌های مجاور برجای می‌گذارد. علاوه بر این فعالیت‌های معدنکاری نیز از جمله مهمترین عوامل تأثیرگذار بر محیط زیست می‌باشند که از جنبه‌های مختلف محیط زیست را تحت تأثیر قرار می‌دهد. شدت اثرات فعالیت‌های معدنکاری بر محیط زیست به حدی زیاد است که سیستم‌های طبیعی قادر به خنثی کردن آلودگی‌های ایجاد شده نمی‌باشند و آلودگی‌های پایداری را در بخش‌های مختلف محیط زیست ایجاد می‌کند(قشلاقی،1388).

  رحیمی و همکاران در سال 1388 اثرات معدنکاری بر آلودگی آب و خاک به فلزات سنگین را در منطقه معدنی زغالسنگ طزره مورد ارزیابی قرار دادند. نتایج این تحقیق نشان داد که به دلیل حضور سازندهای کربناته در منطقه و وجود شرایط قلیایی در آبها، حلالیت عناصر سنگین پایین بوده و غلظت این عناصر در پایین دست معدنکاری تفاوت چندانی نشان نداده‌اند. با این وجود غلظت عناصر گوگرد، کلسیم، منیزیم، سدیم، پتاسیم و استرانسیم که انحلال پذیری بیشتری نسبت به بقیه عناصر دارند در خاک‌ها و آب‌های پایین دست معدنکاری چندین برابر نظایر آنها در بالا دست می‌باشد(رحیمی،1388).

سمودا و همکاران در مطالعه کانی‌شناسی و ژئوشیمی تحرک عناصر در باطله‌های معدنی غنی از سولفید مربوط به کانسار پلی متال (Pb – Zn – Ag -Bi – Cu) در کشور مشاهده کردند که اکسیداسیون کانی‌های سولفیدی باعث ایجاد یک محیط شدیداً اسیدی شده است (با PH میانگین 8/2). به دلیل بالا بودن کانی‌های سولفیدی (بالای 61 درصد) و مقدار اندک کانی‌های خنثی کننده اسید) کمتر از 5 درصد کانی‌های کربناته (همچنین اکسیداسیون پیریت، پتانسیل بالایی برای تولید بلند مدت زهاب اسیدی معدن (AMD) وجود دارد.

این محققان نقش آب و هوا در تحرک عناصر را نیز بررسی کردند و چنین بیان کردند که تبخیر بالا در فصل خشک باعث فوق اشباع شدن محلول‌های خروجی از باطله‌ها شده و سبب رسوب نمک‌های غنی در فلز، در بخش زیرین سنگ‌های باطله شده است. در طول فصل تر، آب حاصل از بارندگی، موجب انحلال رسوبات نمک در بخش زیرین باطله‌ها می‌شود. نتیجه این فرآیند، تولید یک محلول اسیدی غنی در عناصر آهن، منگنز، روی، مس، کادمیم، آرسنیک و گوگرد می‌باشد (Smuda al et,2007).

عناصر سبک، عناصر غیرفلزی، فلزات سنگین (از قبیل Cu ،Cr ،Pb ، Zn وFe) و عناصر نادر خاکی La) ،Ce ،Eu و ..) از جمله عناصری هستند که طی فعالیت‌های معدنکاری معادن فلزی، فرآوری و سوخت زغال‌سنگ‌ها خارج شده و وارد محیط می‌گردد (Finkelman et al,2007, Yiwei et al,2002). برای ارزیابی آلودگی به یک عنصر در یک محیط، از دو شاخص ضریب آلودگی  (Contamination Factor) یا CF و ضریب بار آلودگی (Index Load Pollution) یا PLI نیز می‌توان استفاده کرد. که با استفاده از روابط زیر محاسبه می‌شوند:

CF= C0/Cn

معادله(1)

 

CF در این فرمول، ضریب آلودگی، C₀، غلظت فلز در خاک یا رسوب و C_n، غلظت همان فلز در ماده مرجع (میانگین جهانی شیل) می‌باشد. شدت آلودگی بر اساس مقادیر ضریب آلودگی در جدول 1 آورده شده است.

جدول 1: ارزیابی وضعیت آلودگی بر اساس مقادیر ضریب آلودگی (Satyanarayana al et,1994)

CF>6	3<CF<6	1<CF<3	CF<1	مقدارCF
الودگی بسیار زیاد	الودگی قابل توجه	الودگی متوسط	الودگی اندک	وضعیت آلودگی

 

 برای ارزیابی وسعت آلودگی فلزی در هر نقطه از ضریب بار آلودگی استفاده می‌شود که به شکل زیر محاسبه می‌شود (Thomilson et al., 1980).

PLI= (CF1*CF2*CF3*…*CFN)1/n

معادله(2)

 

در این فرمول n تعداد عناصری است که مورد ارزیابی قرار گرفته اند وCF ضریب آلودگی می‌باشد که در بالا شرح داده شد. PLI راه‌حلی ساده ولی نسبی برای ارزیابی کیفیت رسوب در یک نقطه می‌باشد.(Mmolawa et al., 2011) طبق روش تامیلسون و همکاران (Thomilson et al.,1980) اگر ضریب بار آلودگی کمتر از یک باشد، نشان دهنده عدم آلودگی بوده، در صورتی که برابر یک باشد آستانه آلودگی را نشان می‌دهد و مقادیر بیشتر از یک حاکی از آلودگی محل مورد نظر میباشد. اندازه‌گیری درجه آلودگی توسط برخی از محققان به شکل‌هایی مختلفی تعریف شده است، به عنوان مثال هاکینسون (Hakanson,1980) آن را به صورت مجموع عددی ضریب آلودگی هشت عامل آلودگی خاص تعریف کرده و آبراهیم  (Abrahim,2005) معادله هاکینسون را به منظور برطرف کردن محدودیت‌های آن اصلاح کرده است بر این اساس رسوبات از نظر آلودگی در شش رده قرار میگیرند(جدول2).

جدول 2: وضعیت آلودگی محیط بر اساس مقادیر درجه آلودگی اصلاح شده (2005, Abrahim)

مقدارmCd	وضعیت آلودگی محیط مورد مطالعه
mCd<1.5	غیر آلوده تا آلودگی بسیار اندک
mCd<2>1.5	الودگی اندک
mCd<4>2	الودگی متوسط
mCd<8>4	الودگی زیاد
mCd<16>8	الودگی بسیار زیاد
mCd<32>16	الودگی فوق العلاده زیاد
mCd>32	الودگی بی نهابت زیاد

 

شاخص انباشت ژئوشیمیایی توسط مولردر 1969 (Muller, 1969) بیان شد و آن را اندیس مولر نیز می‌نامند، مطابق رابطه 3 برای ارزیابی آلودگی تک عنصری در ایستگاه‌های نمونه‌برداری منطقه مورد مطالعه استفاده شده است.

Igeo=Log2(Cx/1.5Bx)

معادله(3)

 

I_geo مقدار شاخص انباشت ژئوشیمیایی، C_x مقدار غلظت عنصر در نمونه رسوب،B_x ارزش زمینه ژئوشیمیایی است. ضریب 1.5 برای کمینه کردن اثر تغییرات احتمالی در غلظت‌های زمینه که عموما به تغییرات سنگ‌شناسی رسوبات نسبت داده می‌شود، منظور شده است(Mediola et al., 2008).

در جنوب کشور ایران تخلیه و بارگیری انواع مواد معدنی و شیمیایی و غیره موجب تشدید آلودگی و تخریب اکوسیستم آب‌های ساحلی شده است. عناصر فلزات سنگین در رسوبات آب‌های ساحلی اثرات زیان‌باری بر اکوسیستم‌­های دریایی از جمله آبزیان‌ می­‌گذارد.(1)

 جذب ورمیکولیت با توجه به کادمیوم، مس، سرب، منگنز، نیکل و روی به عنوان تابعی از pH و در حضور لیگاندهای مختلف میتوان در نظر گرفت. استفاده از رس در سیستم‌های تصفیه فاضلاب، از روش ستون مداوم استفاده شد که ظرفیت کل ورمیکولیت به ترتیب زیر کاهش یافت: Mn> Ni> Zn> Cd> Cu> Pb. با کاهش pH و افزایش مقاومت یونی، جذب یون‌های فلزی بر روی ورمیکولیت کاهش می‌یابد. می‌توان نتیجه گرفت که ورمیکولیت از پتانسیل خوبی برای تصفیه خانه‌های فاضلاب آلوده به فلز برخوردار است(2).

زهکشی‌های معدنی اسیدی(AMD) مضرترین و از نظر شیمیایی پیچیده‌ترین زباله‌های آبی تولید شده توسط صنایع معدنی هستند که باعث آلودگی منابع آب شیرین شده و جوامع انسانی و محیط پیرامون تأسیسات معدن را تحت تأثیر قرار می‌دهند(3).

در رودخانه‌های آلوده به زهکشی معدن اسید (AMD) ، بخش قابل توجهی از عناصر سمی بالقوه به طور موقت توسط رسوبات جدا می‌شوند. دو خطر عمده محیطی بالقوه در ارتباط با رسوبات وجود دارد، آزادسازی اسیدیته و اماده شدن مجدد عناصر فلز(4).

کمربند پیریت ایبری (شبه جزیره ایبریا) فعالیت معدنی شدیدی دارد. شبکه‌های رودخانه‌ای منطقه تخلیه باقیمانده اسیدی دریافت می‌کند که سرشار از سولفات‌ها و فلزات محلول (زهکشی معدن اسید، AMD) از معادن متروکه است. رسوب و کیفیت آب در سه منطقه مختلف رودخانه ادیل برای ارزیابی خطر مرتبط با محتوای فلز و گونه‌های آن مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. نتایج نشان داد که انسجام بین آلودگی شیمیایی آب و رسوب برای بیشتر فلزات وجود دارد. فعالیت دفن مجدد با سمیت فلز در ارتباط بود. تجمع زیستی برای As ، Cd و Zn در محیط های بسیار آلوده منفی بودند و به ترتیب به عنوان خطرات شدید، قابل توجه و کم خطر بالقوه زیست محیطی مشخص شدند (5).

آلودگی معادن توسط فلزات سنگین (HMs) یک مشکل گسترده در جهان است. با این حال، آلودگی HMs در اطراف مزارع بکر به ویژه در چین و تبت به ندرت مورد مطالعه قرار گرفته است. آب، رسوبات و خاک‌های سطحی برای بررسی غلظت HMsها در اطراف کانسار  Cu  و رودخانه رونا استفاده مطالعاتی جمع‌آوری شد. نتایج نشان داد که مقادیر pH رودخانه سرشاخه رونا از 2.70 تا 3.08 متغیر بود و میانگین غلظت Cu و Zn به ترتیب 89/65 ± 2114.00 و 36/27 ± 140214 میکروگرم L-1 که بیش از حد استاندارد آنها بوده است. طبق RAC، تقریباً تمام عناصر Cu ، Zn و As در نزدیکی وضعیت کم خطر قرار دارند. با این حال، Cd از متوسط ​​تا بسیار خطرناک در رسوبات، و کم تا زیاد در خاک‌های سطحی متغیر است. به ویژه در تبت با ارتفاع زیاد، خطر بالای محیط‌زیست HMها بیشتر مورد توجه‌ است.(6)

رسوبات جدید مربوط به تخلیه معدن اسید(AMD) در معدن داباوشان (چین جنوبی) وجود دارد. از پراش اشعه ایکس(XRD)، طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه(FTIR) و میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیف سنج انرژی (SEM-EDS) برای شناسایی مواد معدنی در محصور سازی AMD و نهرهای پایین دست استفاده شده است. گونه‌های کانی شناسی و ویژگی‌های میکرو مورفولوژیکی مواد معدنی ثانویه از شرایط مختلف pH انجام شده است(7).

یکی از صنایع مهم در صحرای آتاکاما معدن آن است، یکی از مناطق برجسته در جهان برای مس و سایر مواد معدنی است. صنعتی شدن شدید استخراج مس در اواسط قرن بیستم احتمالاً منجر به آلودگی محیطی قابل توجهی از طریق رسوب فلزات سنگین در هایپرآرید آتاکاما شده است. نتایج نشان می‌دهد که غلظت فلزات سنگین از جمله Cr ،Mo و B در طول زمان متفاوت است. نتایج حاکی از منطقه بر آن است که ترکیب جامعه گیاهی مبتنی بر تغییرات آب و هوایی نقشی اساسی در توضیح چگونگی تغییر آلودگی در این‌ اکوسیستم‌های‌ بیابانی‌ دارد(8).

زهکشی‌های معدنی اسیدی(AMD) مضرترین و از نظر شیمیایی پیچیده‌ترین زباله‌های آبی تولید شده توسط صنایع معدنی هستند که باعث آلودگی منابع آب شیرین شده و جوامع انسانی و محیط پیرامون تأسیسات معدن را تحت تأثیر قرار می‌دهند. AMD به طور معمول می‌تواند حاوی مقادیر زیادی مس باشد که می‌تواند به طور بالقوه به عنوان یک محصول قابل فروش بازیابی شود (9).

آلودگی محیطی فلزات سنگین به طور فزاینده‌ای به یک معضل تبدیل شده و به دلیل تأثیرات سوئی که در سراسر جهان ایجاد می‌کند، بسیار نگران کننده است که چگونه آلاینده‌ها به محیط وارد می‌شوند. بعضی از فلزات بر عملکردهای بیولوژیکی و رشد تأثیر می‌گذارند(10).

   اصلاح فاضلاب معدن اسید (AMD) از نظر پساب / پسماند می‌تواند به دلیل چندین عامل در نظر گرفته شده از جمله ترکیب آن، بسیار محدود باشد. اکثر ذخایر معدن از نظر اقتصادی با ردیابی و عناصر مضر بالقوه خطرناک همراه است. AMD بدنه آبی غنی از فلز اسیدی است که در اثر واکنش بین آب و سنگ حاوی مواد معدنی گوگرد دار ایجاد می‌شود. در دو دهه اخیر، محققان از روش‌های مختلفی مانند بارش شیمیایی، استخراج حلال، اولترافیلتراسیون، میکروفیلتراسیون، نانو فیلتراسیون، اسمز معکوس، تبادل یونی آلی و غیر آلی و جذب در معدن آب / تخلیه معدن استفاده کرده‌اند(11).