DE10107941A1 - Verfahren zur Verbesserung der Wasserqualität von sauren Gewässern - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Verbesserung der Wasserqualität von sauren Gewässern, insbesondere von sauren Tagebaurestseen, die nach Beendigung des aktiven Bergbaus entstanden sind, durch Einsatz von calcium- und magnesiumhaltigen Grund- und Abfallstoffen in Kombination mit anderen Natur-, Abfall- und Hilfsstoffen. DOLLAR A Die Entsäuerung von Gewässern erfolgt durch Einsatz von calcium- und magnesiumhaltigen Grund- und Abfallstoffen in Verbindung mit definierten anorganischen Salzen und CO¶2¶ enthaltenem und/oder organisch belastetem Ab- und/oder Prozesswasser gemeinsam mit Luft unter Berücksichtigung der Auswertung von Messdaten bezüglich der Wasserqualität. DOLLAR A Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können mit wirtschaftlichem Aufwand größere Wassermengen entsäuert werden, wodurch für diese Gewässer eine Nutzung als Fisch- und Badegewässer möglich wird. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren ist eine pH-Wert-Anhebung bis auf einen pH-Wert von 6-8,0 möglich.

Description

Durch den offenen Bergbau in Anspruch genommene Flächen werden nach Auslaufen der Bergbauaktivitäten überwiegend einer Sanierung zur Sicherung einer Folgenutzung durch die Wasserspeicherbewirtschaltung oder die Schaffung von Bade- und Fischge­ wässern unterzogen.

Die Flutung von derartigen Bergbaurestlöchern erfolgt meist durch Selbstaufgang in Folge steigenden Grundwassers nach Beendigung der Bergbautätigkeit bzw. durch Zu­ führung von Oberflächenwasser von in der Umgebung liegenden Fließgewässern.

Nach Einstellung des offenen Bergbaus und der damit verbundenen Einstellung der allgemeinen Grundwasserabsenkung durchströmt das wieder in Erscheinung tretende Grundwasser die vom Bergbau hinterlassenen Kippen. Aufgrund von Pyritverwitterung im offenen Bergbau sind diese Kippen oft mit einem hohen Säurepotential angereichert. Das führt, insbesondere bei Mangel an Oberflächenwasser für die Flutung, zur Versau­ erung der entstehenden Tagebaurestseen mit pH-Werten bis auf < 3.

Durch den Mangel an Oberflächenwasser scheidet die Möglichkeit der Entsäuerung von Restseen des offenen Bergbaus durch alleinige Nutzung von Oberflächenwasser, die allgemein als Stand der Technik bekannt ist, in der Regel aus.

Weiter ist aus dem Stand der Technik bekannt, saure Wässer durch Kalkung zu neutra­ lisieren. Die Kalkung ist aus der Aufbereitung saurer Wässer zu Brauch- oder Trinkwas­ ser bekannt und wird beispielsweise in Grubenwasseraufbereitungsanlagen praktiziert. Um Bergbaurestseen allein durch Kalkung zu neutralisieren, muss ein hoher techni­ scher Aufwand betrieben werden, der aus Kostengründen ungünstig ist. Darüber hinaus ist Kalk nur gering löslich in Wasser und lagert sich bei Überdosierung inaktiv am Ge­ wässerboden ab.

Aus der Braunkohlenindustrie ist bekannt, Braunkohlenschlämme und Braunkohlen­ aschen in Tagebaurestlöcher zu transportieren und dort zu deponieren. Studien haben gezeigt, dass gerade die Einspülungen von Kraftwerksaschen aus der Verbrennung von Braunkohlen für einen relativ hohen pH-Wert von pH < 10 im Wasser des Restsees sorgten. Nach Einstellung der Braunkohlenverbrennung und der damit verbundenen Einstellung der Einspülungen ist der pH-Wert auf Grund der geringen Pufferwirkung dann in relativ kurzer Zeit von ca. pH = 8 auf ca. pH = 3,5 abgesunken. Damit scheidet auch diese Möglichkeit für eine dauernde Neutralisierung saurer Wässer in Bergbau­ restseen zum Zwecke einer wirtschaftlichen Nachnutzung aus.

Bekannt ist weiterhin ein Verfahren, nachdem die in einem Tagebaurestsee vorhande­ nen eingespülten Kraftwerksaschen, die aus der Verbrennung von Braunkohlen stam­ men und am Boden eines Tagebaurestsees sedimentiert sind, wieder aufzunehmen, zu verwirbeln und über Rohrleitungen im sauren Restsee zu verteilen und zur Neutralisati­ on zu nutzen. Dieses Verfahren ist jedoch nur begrenzt nutzbar, wenn Altaschen im Gewässer vorhanden sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein wirtschaftliches, allgemein anwendbares Verfahren, bei Nutzung von territorialen Ressourcen, insbesondere von alkalisch rea­ gierenden Abfallstoffen, für die Verbesserung der Wasserqualität von sauren Gewäs­ sern, insbesondere zur Einstellung eines natürlichen Gleichgewichts mit pH-Werten von ≧ 6 bis 7,5 zu finden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass in saure Gewässer mit einem pH-Wert von < 6 oder in Gewässer mit sauren Zuströmungen, Kraftwerksasche mit Magnesium und Calciumanteilen in einer Summe von < 5% und/oder Altasche aus De­ ponien oder Sedimenten mit Magnesium und Calciumanteilen in einer Summe von < 5% und/oder Schlämmen aus der Wasseraufbereitung mit Magnesium und Calciumantei­ len in einer Summe von < 2% und/oder Rotschlammablagerungen aus der Aluminium­ produktion und/oder andere Abfalllaugen in einer Konzentration der Feststoffanteile von 1-20% hydraulisch mit einem Anteil an Natriumaluminat in einer Konzentration von 1 bis 300 ppm in der Gesamtfördermenge eingebracht wird. Weiterhin wird in saure Ge­ wässer mit einem pH-Wert von < 4,3 bis 8,2 zusätzlich ein anorganisches carbonathal­ tiges Salz oder anorganische carbonathaltige Salzgemische und/oder verunreinigter Kalk oder verunreinigte Kreide (CaCO3) in einem Anteil von 0,1 bis 10 kg/m³ Seewas­ ser mit einem Anteil an Natriumaluminat in einer Konzentration von 0,1 bis 50 ppm in der Gesamtfördermenge oder zusätzlich, anteilig CO2-haltige und/oder organisch be­ lastete Abwässer und/oder CO2-haltige Prozesswässer aus Verbrennungs-Aufberei­ tungs- oder Vergasungsprozessen und/oder gemeinsam Luft mit einem Volumenanteil von 1 bis 50% am Gesamtvolumen des Wasser-Feststoff-Luft-Gemisches durch die Rohrleitung oder durch die Aufgabe der Gesamtfördermenge < 20 cm oberhalb der Gewässeroberfläche und/oder gemeinsam Luft mit einem Volumenanteil von 10 bis < 100% des Gesamtvolumens des Wasser-Feststoff-Gemisches separat in das Gewäs­ ser eingebracht.

Die Luft mit einem Volumenanteil von < 1 bis 50% am Gesamtvolumen des Wasser- Feststoff-Luft-Gemisches kann dabei bereits gemeinsam durch die Rohrleitung, durch Aufgabe des Feststoff-Wasser-Gemisches oberhalb der zu verbessernden Gewässer­ oberfläche in den Luftraum oder in einem Anteil von 10 bis < 100% des Feststoff- Wasser-Gemisches durch Einleitung von Luft unterhalb der Einleitstelle im Gewässer eingebracht werden. Die Steuerung der Einleitmenge und der Mengenanteile erfolgt in Abhängigkeit von der Wasserqualität wie z. B. des pH-Wertes des betreffenden Gewäs­ sers.

Im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens können vorhandene Kalkablagerungen in Gewässern, mit bekannten Vorrichtungen aufgenommen und in sauren Gewässern mit einem pH-Wert von < 4,3 oder in Verbindung mit Kraftwerksaschen und Natriumalumi­ nat in saure Gewässer mit einem pH-Wert von < 4,3 oder in mit Kraftwerksaschen und Natriumaluminat bereits behandelten, sauren Gewässern mit einem pH-Wert von < 4,3, eingebracht werden.

Das Verfahren kann zusätzlich dadurch realisiert werden, dass durchströmbarer Bau­ schutt mit CaCO3-Anteilen von < 1% in einer Körnung von 1 bis 200 mm in den Bö­ schungsbereich des sauren Gewässers, in einer Höhe von < 5 m oberhalb des höchsten mittleren Wasserstand und in einer Wassertiefe von < 5 m unterhalb des niedrigsten mittleren Wasserstandes insbesondere im Zustrombereich von sauren Zuflüssen in ei­ ner Schichtdicke von < 50 mm, eingebaut wird.

Überraschend wurde in Versuchen festgestellt, dass durch die Kombination des Alkali­ sierungspotentials von alkalisch reagierenden Reststoffen mit Natriumaluminat als ba­ sisch reagierender Wirkstoff, eine schnellere und wirksamere Erhöhung des pH-Wertes um den Faktor 2 zu registrieren ist als mit den Einzelstoffen. Zusätzlich wird neben der überraschenden überproportionalen Entsäuerungswirkung des Natriumaluminats in Verbindung mit Aschen, eine erstaunliche Verringerung von ungünstigen Trübungsef­ fekten beim Einspülen von Aschen oder Schlämmen in den betreffenden Gewässern bewirkt. Die Beseitigung der entstehenden Trübung wird um mehr als das 10fache ver­ ringert und verkürzt und in weniger als 5 h selbst bei Dosierung im niedrigen ppm- Bereich, wird eine Trübung wie von Naturgewässern erreicht.

Darüber hinaus wurde festgestellt, dass gegenüber dem Zustand vor der Anwendung des Verfahrens unvorhersehbar die Schwermetallkonzentrationen in den sauren Ge­ wässerproben wie von Eisen oder Zink durch Einbindung in komplexe Verbindungen um das 5-400fache abgesenkt werden konnten.

Bei den Voruntersuchungen mit Anwachsversuchen von Wasserpflanzen in einem Bot­ tich, konnte weiterhin festgestellt werden, dass mit Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens, auf dem Seeuntergrund ein mineralisches Substrat erzeugt wird, welches besser ist als in vorliegenden potentiellen Sanierungsfällen an bekannten sauren Rest­ seen und welches die biologische Selbstregulierung begünstigt und beschleunigt.

Bei Anwendung des Verfahrens kann CO₂ aus der Atmosphäre bei pH < 4,3 zur Aus­ bildung bzw. Erhaltung eines natürlichen Calciumhydrogenarbonatpuffers aufgenom­ men werden. Das in der Luft oder im Abwasser enthaltende CO₂ wird bei der Anwen­ dung des Verfahrens teilweise als Hydrogencarbonat eingebunden und verstärkt die Pufferwirkung des Gewässers.

Mittels des aufgezeigten Verfahrens ist es möglich, das Alkalisierungspotentials von Abfallstoffen und vorhandenen Abfalllagerstätten, für die Anhebung des pH-Wertes auf 6 zu nutzen. Hochwertige Naturressourcen, wie Kalklagerstätten, werden für eine zu­ künftige Nutzung, für nachfolgende Generationen, für den menschlichen Gebrauch er­ halten.

Die Anwendung des Verfahrens gestattet nach einer Grobeinstellung der Gewässerqua­ lität mit billigen Abfallstoffen eine Feineinstellung mit ausgewählten Wirkstoffkomplexen zur Sicherung der Pufferwirkung.

Die angewendeten Abfallstoffe weisen erdkrustenähnliche Eigenschaften auf, sind phy­ siologisch unbedenklich und verursachen keine Umwelteinwirkung hinsichtlich Schwer­ metalle, KWS, Trübung.

Mit Anwendung des Verfahrens erfolgt eine Herstellung der Gewässer in Ausfeitungs­ qualität in öffentliche Gewässer mit pH-Werten < 6 bei gleichzeitiger Anregung der bio­ logischen Selbstregulierung.

Mit Hilfe des gefundenen Verfahrens wird die Nutzung von lebensfeindlichen sauren Gewässern, wie beispielsweise von sauren Tagebaurestseen zur Erholung, Bewirt­ schaftung und als Zwischenspeicher auf einfache Weise mit wirtschaftlichem Aufwand ermöglicht und gleichzeitig die Pufferkapazität mittels basisch reagierender Abfallstoffe deutlich angehoben.

Das Prinzip der Erfindung soll im folgenden an einem Beispiel näher erklärt werden.

Ein Tagebaurestsee mit einem Volumen von 10 Mio. m³ Wasser weist einen pH-Wert von 2,8 auf. In einer Siloanlage am Seerand wird Braunkohlenfilterasche mit einem MgO + CaO-Anteil von 12,5% eingelagert. Neben der Siloanlage ist ein Tankbehälter mit einem Volumen von 60 m³ angeordnet und mit 10%iger Natriumaluminatlösung gefüllt. Die Braunkohlenfilterasche wird über eine bekannte Dosiereinrichtung in einer Menge von 15 t/h mit 150 m³/h Seewasser gemischt. Vor der Mischung mit Braunkoh­ lenfilterasche wird in das Seewasser 10%ige Natriumaluminatlösung in einer Menge von 20 kg/h zudosiert. Die Gesamtmischung wird mittels Pumpvorrichtung durch eine 300 m lange flexible schwimmend gelagerte Rohrleitung über eine Verteileinrichtung in den See verspült. Die Auslaufstelle befindet sich auf einem Ponton in einer Höhe von 1,2 m oberhalb der Wasseroberfläche. Auf dem Ponton ist ein Luftgebläse angeordnet, welches über eine Stromversorgung mittels eines an der Rohrleitung befestigten Kabels versorgt wird. Die angesaugte Luftmenge von 250 m³/h wird über eine Rohrleitung 5 m tief im Seewasser unterhalb der Einleitstelle eingeleitet, strömt der absinkenden Asche entgegen und bewirkt dabei eine zusätzliche Vermischung und Verwirblung des Wasser-Fest­ stoff-Luft-Gemisches. Bereits nach wenigen Stunden wird im Bereich der Ein­ leitstelle ein pH-Wert von < 4,3 gemessen. Das in der Luft enthaltende CO₂ wird bei einem pH-Wert von < 4,3 teilweise als Hydrogencarbonat eingebunden und verstärkt die Pufferwirkung des Restseewassers. Die Betriebszeit der Anlage beträgt 10 h/d und 5 Tage die Woche. An Hand der vorhandenen Analysenwerte des Seewassers wird das erforderliche Neutralisationspotential bis zum pH-Wert von < 6 grob vorkalkuliert.

Auf der Seefläche sind mittels Bojen 25 Beprobungsstellen markiert. Im Abstand von 4 Wochen werden mittels Beprobungssonde die pH-Werte ermittelt. Beträgt der mittlere pH-Wert im See < 6 wird die Einspülung mit Braunkohlenfilterasche in Kombination mit 10%iger Natriumaluminatlösung unterbrochen und das Aschesilo mit Natriumhydro­ gencarbonat gefüllt. Mit o. a. Vorrichtung wird mit einer Dosierung von 300 kg/h Natri­ umhydrogencarbonat und 10%ige Natriumaluminatlösung in einer Menge von 5 kg/h in eine Seewassermenge von 150 m³/h das Natriumhydrogencarbonat zur Verbesse­ rung der Pufferwirkung des Gewässers in dieses eingeleitet.

Die Aufpufferung des Gewässers erfolgt bis auf einen K_s4,3-Wert von < 0,5-1, der in natürlichen Oberflächegewässern gemessen wird.

Sollte in Folge von sauren Zuströmungen der in 4wöchentlichen Abstand gemessene pH-Wert auf < 5 fallen, erfolgt eine erneute Dosierung mit Braunkohlenfilterasche und mit 10%iger Natriumaluminatlösung wie oben aufgeführt.

Claims (3)

1. Verfahren zur Verbesserung der Wasserqualität von sauren Gewässern, insbeson­ dere zur Anhebung des pH-Wertes und der Pufferwirkung von Gewässern, durch Einsatz von alkalisch regierenden Abfallstoffen, gekennzeichnet dadurch, dass in saure Gewässer mit einem pH-Wert von < 6,0 oder in Gewässer mit sauren Zu­ strömungen, Kraftwerksasche mit Magnesium und Calciumanteilen in einer Summe von < 5% und/oder Altasche aus Deponien oder Sedimenten mit Magnesium und Calciumanteilen in einer Summe von < 5% und/oder Schlämmen aus der Wasser­ aufbereitung mit Magnesium und Calciumanteilen in einer Summe von < 2% und/oder Rotschlammablagerungen aus der Aluminiumproduktion und/oder andere Abfalllaugen in einer Konzentration der Feststoffanteile von 1-20% hydraulisch mit einem Anteil an Natriumaluminat in einer Konzentration von 1 bis 300 ppm in der Gesamtfördermenge, und in saure Gewässer mit einem pH-Wert von < 4,3 bis 8, 2 zusätzlich ein anorganisches carbonathaltiges Salz oder anorganische carbo­ nathaltige Salzgemische und/oder verunreinigter Kalk oder verunreinigte Kreide (CaCO3) in einem Anteil von 0,1 bis 10 kg/m³ Seewasser mit einem Anteil an Natri­ umaluminat in einer Konzentration von 0,1 bis 50 ppm in der Gesamtfördermenge oder anteilig mit CO2-haltigem und/oder organisch belastetem Abwasser und/oder mit CO2-haltigem Prozesswasser aus Verbrennungs-Aufbereitungs- oder Verga­ sungsprozessen und/oder gemeinsam mit Luft mit einem Volumenanteil von 1 bis 50% am Gesamtvolumen des Wasser-Feststoff-Luft-Gemisches durch die Rohrlei­ tung oder durch die Aufgabe der Gesamtfördermenge < 20 cm oberhalb der Ge­ wässeroberfläche, und/oder gemeinsam mit Luft mit einem Volumenanteil von 10 bis < 100% des Gesamtvolumens des Wasser-Feststoff-Gemisches separat in das Gewässer eingebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Kalkablagerungen in Gewässern mit bekannten Vorrichtungen aufgenommen und in sauren Gewässern mit einem pH-Wert von < 4,3 oder gemeinsam mit Kraftwerksaschen und Natriuma­ luminat oder in mit Kraftwerksaschen und Natriumaluminat versetzten, sauren Ge­ wässern mit einem pH-Wert von < 4,3, eingebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durchströmbarer Sau­ schutt mit CaCO3-Anteilen von < 1% in einer Körnung von 1 bis 200 mm in den Böschungsbereich des sauren Gewässers, in einer Höhe von < 5 m oberhalb des höchsten mittleren Wasserstandes und in einer Wassertiefe von < 5 m unterhalb des niedrigsten mittleren Wasserstandes insbesondere im Zustrombereich von sau­ ren Zuflüssen, in einer Schichtdicke von < 50 mm, eingebaut wird.