Bromine as a potential threat to the aquatic environment in areas of mining operations
B. Winid 1  
 
More details
Hide details
1
Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Wiertnictwa, Nafty i Gazu
 
Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 2013;29(2):135–153
 
KEYWORDS
ABSTRACT
Fresh water normally contains limited quantities of bromine. The average content of bromine in the surface and groundwater active exchange zone generally does not exceed 200 μg/dm3 (0.2 mg/dm3). Mineralized waters, including some specific therapeutic waters, thermal waters, and brines, may contain bromides in amounts greater than in ordinary groundwater. Bromides will penetrate into groundwater and surface water due to salty groundwater inflow. In areas of mining operations, the management of salty water (formation, mining, and production) may affect an increase in the bromide content in surface and shallow groundwater. Leachates and contaminated water from landfills and municipal storage may also contain bromide in much larger quantities than 1 mg/dm3. The presence of bromide in water undergoing ozonation and chlorination can result in the creation of bromate, a carcinogenic compound, as well as a number of organic compounds containing bromine which may have mutagenic effects. Bromate formation occurs in waters with bromide concentrations greater than 50 μg/dm3. This article presents examples of bromide contents in waters of varied mineralization levels. It describes anthropogenic sources of bromides related to mining and hydraulic fracturing. The experiences of the state of Pennsylvania (USA) with shale gas operations indicate that hydraulic fracturing processes may result in the presence of water with a higher level of bromide and problems with its disposal. Increased content of bromide in surface water in areas of mining operations may be linked to production waters, but also to other sources of pollution, apart from mining. Attention is drawn to the scarcity of available data on bromide content in Polish waters, which results from bromide presently not being included in water quality testing procedures. Additional data on bromide water concentrations would allow for a more accurate assessment of the environment prior to potential exploration and exploitation of shale gas.
METADATA IN OTHER LANGUAGES:
Polish
Brom jako potencjalne zagrożenie jakości środowiska wodnego w rejonach eksploatacji górniczej
brom, bromki, hydrogeochemia, jakość wód, ochrona środowiska, górnictwo
Brom w wodach słabo zmineralizowanych występuje w niewielkich ilościach. Średnia zawartość bromków w wodach powierzchniowych i podziemnych strefy aktywnej wymiany na ogół nie przekracza 200 μg/dm3 (0,2 mg/dm3). W większych ilościach jony te mogą występować w wodach zmineralizowanych, ale także w niektórych swoistych wodach leczniczych, wodach termalnych oraz solankach. Bromki w wodach gruntowych i powierzchniowych mogą być wynikiem dopływu zasolonych wód podziemnych. W obszarach eksploatacji górniczej gospodarka wodami zasolonymi (złożowymi, kopalnianymi i produkcyjnymi) może wpływać na wzrost zawartości bromków w wodach powierzchniowych i płytkich wodach podziemnych. Bromki w ilościach znacznie przekraczających 1 mg/dm3 rejestrowane są w odciekach i zanieczyszczonych wodach rejonów składowisk odpadów komunalnych i przemysłowych. Obecność bromków w wodach poddawanych ozonowaniu i chlorowaniu może spowodować utworzenie bromianów, które są związkami kancerogennymi, a także szeregu związków organicznych zawierających brom, które mogą mieć działanie mutagenne. Problem powstawania bromianów dotyczy wód o zawartości powyżej 50 μg/dm3 (0,05 mg/dm3). W artykule zamieszczono dane dotyczące zawartości bromków w wodach o różnej mineralizacji. Omówiono antropogeniczne przyczyny występowania bromków z uwzględnieniem górnictwa i procesu szczelinowania hydraulicznego. Z doświadczeń eksploatacji gazu łupkowego stanu Pensylwania (USA) wynika, że konsekwencją procesu szczelinowania hydraulicznego może być obecność wód o podwyższonej zawartości bromków i problem ich utylizacji. Zwiększone zawartości bromków w wodach powierzchniowych obszarów pozostających pod wpływem eksploatacji górniczej można wiązać z wodami produkcyjnymi, ale również z innymi (poza górniczymi) ogniskami zanieczyszczeń. Zwrócono uwagę na niewielką ilość danych dotyczących zawartości bromków w wodach Polski, co jest spowodowane tym, że składnik ten nie jest uwzględniony w procedurze badania jakości wód. Znajomość tła pozwoliłaby w przyszłości na dokładniejszą ocenę stanu środowiska także przy poszukiwaniach i ewentualnej eksploatacji gazu łupkowego.
 
REFERENCES (83)
1.
Alley i in. 2011 – Alley B., Beebe A. , Rodgers J. , Castle W., 2011 – Chemical and physical characterization of produced waters from conventional and unconventional fossil fuel resources. Chemospere, 85, s. 74–82.
 
2.
Barbacki A., Bujakowski W., 2010 –Wstępne rozpoznanie wód termalnych w rejonieWarszawy. Technika Poszukiwań Geologicznych nr 1–2, s. 5–14.
 
3.
Bätjer i in. 1980 – Bätjer D., Gabel B., Koschorrek M., Lahl U., Lierse K., Stachel B., Thiemann W., 1980 –Drinking water in Brenen: trihalomethanes and social costs. A case study of bromoform formation during chlorination of river water highly contaminated with bromide ions. Sciences of Total Environment, v. 14, s. 287–291.
 
4.
Biń A., Możaryn W., 1999 – Problem bromianów – współczesny stan badań oraz modyfikacje technologii uzdatniania wody do picia. Ochrona Środowiska 3 (74), s. 49–56.
 
5.
Birke i in. 2010 – Birke M., Rauch U., Harazin B., Lorenz H., Glatte W., 2010 – Major and trace elements in German bottled water, their regional distribution, and accordance with national and international standards. Journal of Geochemical Exploration 107, s. 245–271.
 
6.
Birkle i in. 2009 – Birkle P., García B., Padrón C., 2009 – Origin and evolution of formation water at the Jujo–Tecominoacán oil reservoir. Gulf of Mexico. Part 1: Chemical evolution and water–rock interaction, Applied Geochemistry 24, s. 543–554.
 
7.
Bottomley i in. 1999 – Bottomley D., Katz A., Chan L., Starinsky A., Douglas M., Clark I., Raven K., 1999 –The origin and evolution of Canadian Shield brines: evaporation or freezing of seawater? New lithium isotope and geochemical evidence from the Slave craton, Chemical Geology 155, s. 295–320.
 
8.
Bottomley i in. 2003 – Bottomley D., Chan L., Katz A., Starinsky A., Clark I., 2003 – Lithium isotope geochemistry and origin of Canadian Shield brines. Ground Water 41, s. 847–856.
 
9.
Bowen H.J.M., 1979– Environmental chemistry of the elements. Academic Press, London.
 
10.
Buzek F., Michalićek M., 1997– Origin of formation water of the Bohemian Massif and Vienna Basin. Applied Geochemistry, Vol.12, s. 334–343.
 
11.
Cardoso A., Levine A., 2009 – Batch test on mineral deposit formation due to co-mingling of leachates derived from municipal solid waste and waste-to-energy combustion residues. Waste Management 29, s. 820–828.
 
12.
Chowdhury i in. 2009 – Chowdhury S., Champagne P., Mc Lellan J., 2009 – Models for predicting disinfection byproduct (DBP) formation in drinking waters: A chronological review. Science of the Total Environment 407, s. 4189–4206.
 
13.
Chowaniec J., 2009 – Studium hydrogeologii zachodniej części Karpat polskich. Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego Hydrogeologia z.VIII, 434, s. 1–98.
 
14.
Cidu i in. 2001 – Cidu R., Biagini C., Fanfani L., La Ruffra G., Marras I., 2001– Mine closure at Monteponi (Italy): Effect of the cessation of dewatering on the quality of shallow groundwater. Applied Geochemistry, v.16, s. 489–502.
 
15.
Cozzarelli i in. 2011 – Cozzarelli I., Bőhlke J., Masoner J., Breit G., Lorah M., Tuttle M., Jaeschke J., 2011 – Biogeochemical Evolution of a Landfill Leachate Plume, Norman, Oklahoma. Ground Water, v. 49, no 5, s. 663–687.
 
16.
Dempsey B., 2010 – Pennsylvania’s Marcellus Shale gas: Water Supply & Water Quality Issues dostępny w internecie: http://www.research.psu.edu/ev....
 
17.
Dresel P., Rose A., 2010 – Chemistry and origin of oil and gas well brines in western Pennsylvania. Open-File Report OFOG 10–01.0, dostępny w internecie: http://www.dcnr.state.pa.us/to....
 
18.
Dokumentacje hydrogeologiczne złóż miocenu zapadliska przedkarpackiego.
 
19.
Dominikiewicz M., 1951 – Wody mineralne Polski PZWL s. 620.
 
20.
Dowgiałło i in. 1969 – Dowgiałło J., Karski A., Potocki I., 1969 – Geologia surowców balneologicznych. Wydawnictwa Geologiczne Warszawa s. 296.
 
21.
EPA United States Environmental Protection Agency, 2011 – Plan to study the potential impact of hydraulic fracturing on water resources, s. 174.
 
22.
Flury M., Papritz A., 1993 – Bromide in the natural environment: occurrence and toxicity. Journal of Environmental Quality v. 22, no. 4, s. 749–758.
 
23.
Fontes J.M., Matray J.M., 1993 – Geochemistry and origin of formation brines from the Paris Basin. France: 2. Saline solutions associated with oil fields. Chemical Geology v. 109, s. 177–200.
 
24.
Gillogly T. i in., 2001 – Bromate formation and control during ozonation of low bromide waters. InAWWARF, Denver, CO dostępny w internecie: http://www.waterrf.org/PublicR....
 
25.
Górecki W., red., 2011 – Atlas zasobów wód i energii geotermalnej Karpat Zachodnich. Kraków, s. 772.
 
26.
Gunten U., 2003 – Ozonation of drinking water: Part II. Disinfection and by-product formation in presence of bromide iodide or chloride. Water Research v. 37, s. 1469–1487.
 
27.
Handke P., 2008 – Trihalomethane speciation and the relationship to elevated total dissolved solid concentrations affecting drinking water quality at systems utilizing the Monongahela river as a primary source during the 3rd and 4th quarters of 2008. Dostępny w internecie: http://files.dep.state.pa.us/W... WastewaterPartnership/dbp_mon_report__dbp_correlation.pdf.
 
28.
Jamsheer-Bratkowska i in. 2009 – Jamsheer-Bratkowska M., Skotak K., Bratkowski J., 2009 – Ocena jakości wody wodociągowej w Polsce w 2007 r. w świetle badań Państwowej Inspekcji Sanitarnej. Technologia Wody z. 1, s. 65–72.
 
29.
Jarocka A., red., 1976 – Analizy fizyczno-chemiczne wód leczniczych, wód stołowych i borowin. Problemy Uzdrowiskowe 9/12, s. 31–429.
 
30.
Kabata-Pendias A., Pendias H., 1999 – Biogeochemia pierwiastków śladowych. Wyd. Naukowe PWN. Warszawa, s. 398.
 
31.
Kaprzyk B., Kisielowska E., 2011 – Jakość wód powierzchniowych i podziemnych w Dolinie Lejowej w Tatrach. Gaz Woda i Technika Sanitarna, s. 224–228.
 
32.
Kaufman E., Sidick K., 2011– Prevention and removal of hydraulic fracturing pollution in Penssylvania’s fresk water. University of Pittsburgh Eleventh Annual Freshman Conference. Dostępny w internecie:/ http://hww.docstoc.com/docs/80....
 
33.
Klojzy-Karczmarczyk i in. 2003 – Klojzy-Karczmarczyk B., Mazurek J., Czajka K., 2003 – Jakość odcieków a wybór charakterystycznych wskaźników zanieczyszczeń wód wokół składowisk odpadów komunalnych. Współczesne problemy hydrogeologii t. XI, cz. 2, s. 423–426.
 
34.
Kloppmann W., Negrel P., Casanova J., Klinge H., Schelkes K., Guerrot C., 2001 – Halite dissolution derived brines in the vicinity of permian salt dome (N German Basin). Evidence from borom, strontium, oxygen, and hydrogen isotopes. Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 65, nr 22, s. 4087–4101.
 
35.
Kochański J., 2002 – Balneologia i hydroterapia, AWF Wrocław s.251.
 
36.
Konieczyńska M. i in. 2011 – Badania aspektów środowiskowych procesu szczelinowania hydraulicznego wykonanego w otworze Łebień LE-2H Raport końcowy, dostępny w internecie: http://cire.pl/pokaz-pdf-%252F....
 
37.
Kotarba M., Pluta I., 2009 – Origin of natural waters and gases within the Upper Carboniferous coal-bearingand autochthonous Miocene strata in South-Western part of the Upper Silesian Coal Basin, Poland. Applied Geochemistry v. 24, s. 876–889.
 
38.
Kumar M.B., 1983 – Character of meteoric leaks in the Salt Mines of south Louisiana, USA. Journal of Hydrology, v. 66, s. 351–368.
 
39.
Macioszczyk A., Dobrzyński D., 2002 – Hydrogeochemia strefy aktywnej wymiany wód podziemnych. Wyd. Naukowe PWN . Warszawa, s. 448.
 
40.
Makarewicz J., 2005 – Jakość zwykłych wód podziemnych w województwie kujawsko-pomorskim na podstawie wyników monitoringu regionalnego w latach 2000–2004, Biblioteka Monitoringu Środowiska Bydgoszcz. Dostępny w internecie: http://www.wios.bydgoszcz.pl/w....
 
41.
Manning D., Hutcheon I., 2004 – Distribution and mineralogical controls on ammonium in deep groundwaters, Applied Geochemistry 19, s. 1495–1503.
 
42.
Martel i in. 2001 – Martel A., Gibling M., Nguyen M., 2001 – Brines in the Carboniferous Sydney Coalfield. Atlantic Canada, Applied Geochemistry 16, s. 35–55.
 
43.
Michalski R., Olsińska U., 1996 – The determination of bromates in water by ion chromatography. Acta Chromatographica, nr 6, s. 127–133.
 
44.
Motyka i in. 2003 – Motyka J., Porwisz B., Rajchel L., Zuber A., 2003 – Wody mineralne Krzeszowic. Współczesne problemy hydrogeologii t. XI, cz. 1, Gdańsk, s. 129–135.
 
45.
Nawrocki J., 2010 – Uzdatnianie wody. Procesy fizyczne, chemiczne i biologiczne cz. 1. Wydawnictwo Naukowe PWN, s. 422.
 
46.
North West – monitoring of flow back water, 2011 – dostępny w internecie: http://www.environmentagency.g....
 
47.
Olsińska U., 2003 – Prognozowanie stężeń bromianów (V) i bromowych pochodnych metanu – ubocznych produktów ozonowania wody. Ochrona Środowiska nr 4, s. 45–50.
 
48.
Olsińska U., Kuś K., 1997 – Uboczne produkty ozonowania wód zawierających bromki. Ochrona Środowiska, nr 3, s. 33–38.
 
49.
Öman C.B., Junestedt Ch., 2008 – Chemical characterization of landfill leachates – 400 parameters and compounds. Waste Management 28, s. 1876–1891.
 
50.
Osako i in. 2004 – Osako M., Kim Y., Sakai S., 2004 – Leaching of brominated flame retardants in leachate from landfills in Japan. Chemosphere 57, s. 1571–1579.
 
51.
Oszczypko N., Zuber A., 2002 – Geological and isotopic evidence of diagenetic waters in the polish flysh Carpathians. Geologica Carpathica 534, s. 257–286.
 
52.
Paczyński B., Sadurski A., red., 2007 – Hydrogeologia regionalna Polski t. II.Wody mineralne, lecznicze i termalne oraz kopalne. PIG Warszawa s. 204.
 
53.
Pluta I., Zuber A., 1995 – Origin of brines in the Upper Silesian Coal Basin (Poland) inferred from stable isotope and chemical data. Applied Geochemistry, v. 10, s. 447–460.
 
54.
Porowski A., 2006 – Origin of mineralized waters in the Central Carpathian Synclinorium, SE Poland. Studia Geologica Polonica v. 125, Kraków 2006, s. 5–67.
 
55.
Rajchel i in. 2004 – Rajchel L., Zuber A., Duliński M., Rajchel J., 2004 – Występowanie i geneza wód chlorkowych soli. Przegląd Geologiczny v. 52, nr 12, s. 1179–1186.
 
56.
Rasała M., Krawiec A., 2011 – Zmiany chemizmu i geneza wód leczniczych Kamienia Pomorskiego. Biuletyn PIG, s. 561–572.
 
57.
Revised draft sgeis on the oil, gas and solution mining regulatory program (September 2011) well permit issuance for horizontal drilling and high-volume hydraulic fracturing in the Marcellus Shale and other low-permeability gas reservoirs. Dostępny w internecie: http://www.dec.ny.gov/energy/7....
 
58.
Richardson i in. 2007 – Richardson S., Plewa M., Wagner E., Schoeny R., De Narini D., 2007 – Occurrence, genotoxicity, and carcinogenicity of regulated and emerging disinfection by-products in drinking water: A review and roadmap for research. Mutation Research 636, s. 178–242.
 
59.
Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 20 kwietnia 2010 zmieniające rozporządzenie w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi (Dz.U. Nr 76, Poz. 466).
 
60.
Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 13 kwietnia 2006 r. w sprawie zakresu badań niezbędnych do ustalenia właściwości leczniczych naturalnych surowców leczniczych i właściwości leczniczych klimatu, kryteriów ich oceny oraz wzoru świadectwa potwierdzającego te właściwości (Dz.U. Nr 80, Poz. 565).
 
61.
Rozporządzenie Ministra Zdrowia Z dnia 31 marca 2011 r. w sprawie naturalnych wód mineralnych, naturalnych wód źródlanych i wód stołowych (Dz.U. Nr 85, poz. 466).
 
62.
Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 27 listopada 2002 w sprawie wymagań jakim powinny odpowiadać wody powierzchniowe wykorzystywane do zaopatrzenia ludności w wodę przeznaczoną do spożycia (Dz.U. Nr 204, Poz. 1728).
 
63.
Różkowski A., 2002 – Solanki Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Biuletyn PIG 404 , s. 191–204.
 
64.
Różkowski A., red., 2004 – Środowisko hydrogeochemiczne karbonu produktywnego Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego Katowice, s. 176.
 
65.
Różkowski A., Przewłocki K., 1985 – Wody podziemne Górnośląskiego Zagłębia Węglowego w świetle badań hydrochemicznych i izotopowych. [W:] Aktualne problemy hydrogeologii. Wydawnictwo AGH, s. 149–162.
 
66.
States i in. 2011 – States S., Casson L., Cyprych G., Monnell J., Stoner M., Wydra F., 2011 – Bromide in the Allegheny river and THMs in Pittsburgh drinking water: a link with Marcellus shale drilling, American Water Works Association – Water Quality Technology Conference, Phoenix Arizona, November 13–17 2011. Dostępny w internecie: http://www.essentialpublicradi....
 
67.
Shaver i in. 2006 – Shaver S., Hower J., Eble C., Mc Lamb E., Kuers K.,2006– Trace element geochemistry and surface water chemistry of the Bon Air coal. Franklin County, Cumberland Plateau, southeast Tennessee, International Journal of Coal Geology 67, s. 47–78.
 
68.
Szpakiewicz M., 1983 – Formowanie się składu chemicznego solanek w basenach sedymentacyjnych Niżu Polskiego. Kwartalnik Geologiczny t. 27, nr 4, s. 781–796.
 
69.
Szmytówna M., red., 1970 – Balneochemia chemia wód mineralnych i peloidów w Polsce. PZWL, s. 216.
 
70.
Ustawa z dnia 9.06.2011 r. Prawo Geologiczne i Górnicze (Dz.U. Nr 163 poz. 981).
 
71.
Vainikka P., 2011– Occurrence of bromine in fluidized bed combustion of solid recovered Fuel. 2011.118 p.+ app. s.134 p. dostępny w internecie: http://www.vtt.fi/inf/pdf/publ....
 
72.
Ventura F., Rivera J.,1986 – Potential formation of bromophenols in Barcelona’s tap water due to Daily Salt Mine discharges and occasional phenol spills. Bulletin Environmental Contamination. Toxicology, v. 36, s. 219–225.
 
73.
Volz i in. 2011 – Volz C., Ferrar K., Michanowicz D., Christen C., Kearney S., Kelso M., 2011 – Contaminant characterization of effluent from Pennsylvania Brine Treatment inc., Josephine Facility being released into Blacklick Creek, Indiana County, Pennsylvania, dostępny w internecie: http://ia700608.us.archive.org... Treatment/Josephine_V2_CHEC_2011.pdf.
 
74.
Wąsowski J., Zdunek A., 2010 – Potencjał tworzenia bromianów podczas ozonowania wody infiltracyjnej ujmowanej z rzeki Wisły. Gaz, Woda i Technika Sanitarna, s. 33–37.
 
75.
WHO, 2011 – Guidelines for drinking-water quality – 4th ed.1.Potable water – standards. 2.Water – standards. 3.Water quality – standards.4.Guidelines.World Health Organization. Genewa. 541p.
 
76.
Winid B., Witczak S., 2004 – Bromide concentration in mine waters from the Wieliczka Salt Mine as an indicator their origin and migration of flow paths in the salt deposit. Annales Societatis Geologorum Poloniae, v. 74, s. 277–283.
 
77.
Witczak S., Świąder A., 2010 – Analiza składników swoistych wód siarczkowych Buska-Zdroju. Wody siarczkowe w rejonie Buska-Zdroju, XYZ Kielce, s. 245–266.
 
78.
Włodyka-Bergier A., Bergier T., 2011 – Wpływ jakości materii organicznej na potencjał tworzenia się lotnych organicznych produktów chlorowania wody. Archives of Environmental Protection v. 37, n. 4, s. 25–35.
 
79.
Wittrup M.B., Kyser T.K.,1990– The Petrogenesis of brines in devonian potash deposits of western Canada. Chemical Geology v. 82, s. 103–128.
 
80.
Worden i in. 2006 – Worden R., Manning D., Bottrell S., 2006 – Multiple generations of high salinity formation water in the Triassic Sherwood Sandstone: Wytch Farm oilfield, onshore UK, Applied Geochemistry v. 21, s. 455–475.
 
81.
Wyniki badań krajowego monitoring wód podziemnych województwa lubuskiego 2011 r dostępne w internecie: http://www.zgora.pios.gov.pl/w....
 
82.
Zuber i in. 1997 – Zuber A., Weise S., Osenbrűck K., Mateńko T.,1997– Origin and age of saline waters in Busko Spa (Southern Poland) determined by isotope, noble gas and hydrochemical methods: evidence of interglacial and pre-Quaternary warm climate recharges. Applied Geochemistry v. 12, s. 643–660.
 
83.
Zubrzycki A., 2002 – Origin and evolution of lower jurassic formation waters from the West Pomerania Poland. Wiertnictwo Nafta Gaz t. 19/1, s. 285–296.
 
eISSN:2299-2324
ISSN:0860-0953