-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur in situ-Entsäuerung schwefelsauren
Wassers, insbesondere von Tagebaurestseen, bei dem in einem Teilwasservorrat
eines Wasservorrats Trägermittel
angeordnet sind, in denen Mikroorganismen angesiedelt sind, die
zunächst
die Entsäuerung
des Teilwasservorrats und anschließend die Entsäuerung des
Wasservorrats bewirken.
-
In
der EP-A-1 066 889 ist eine Anordnung zur in situ-Entsäuerung schwefelsauren
und/oder schwefelsäurebelasteten
Wassers und sinngemäß auch ein
entsprechendes Verfahren unter Nutzung der bekannten Anordnung beschrieben.
-
DE-C-44
30 077 bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regulieren
und Verbessern der Qualität
von Wasser in Aquarien und Aquakulturanlagen mit einem geschlossenen
Wasserkreislauf.
-
In
DE-C-44 23 051 wird eine biologische Kläranlage mit in Zonen unterteilten
Reaktionskammern beschrieben.
-
DE-C-43
13 769 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entsäuerung und
Enteisung und Entmanganung von Wasser.
-
DE-C-34
19 139 betrifft eine Vorrichtung zur biologischen Reinigung von
Abwässern
in einem Behälter,
wobei die Abwässer
solche sind, die typischerweise in Kläranlagen anfallen. Eine solche
biologisch arbeitende Kläranlage
soll Probleme vermeiden, die auftreten, wenn das zu klärende Wasser
ungleichmäßig anfällt und
unterschiedlich stark belastet ist.
-
In
DE-T-695 02 313 wird ein Verfahren zur biologischen Reinigung von
Gasströmen
beschrieben, wobei ein System bereitgestellt werden soll, mit dem auch
komplexe Gasgemische von Schadstoffen gereinigt werden können, ohne
dass es zu einer Versauerung kommt. Dazu wird ein Biofilter mit
einem Tropffilter kombiniert, wobei der Tropffilter auf einem Trägermaterial
basiert, auf dem sich ein oder mehrere Mikroorganismen befinden,
die zum Zersetzen von organischen Schwefelverbindungen geeignet
sind.
-
Es
ist bekannt, daß durch
Bergbauaktivitäten,
bspw. bei der Braunkohlenförderung
sowie der Förderung
von Minerialien, geologische Strukturen entstehen, bei denen der
natürliche
Schwefelhaushalt gestört
ist. In vielen in- und
ausländischen
Bereichen sind im Zuge der Förderung
von Braunkohle, Steinkohle, Erzen und Mineralien Seen entstanden, die
unter ökologischen
Gesichtspunkten hochgradige Problembereiche darstellen, die mit
gigantischen Umweltschäden
einhergehen. Ein Grundprozeß dieser
Vorgänge
ist bspw. die Bildung von Schwefelsäure durch biotische oder abiotische
Prozesse.
-
Mittels
der bekannten Anordnung ist es möglich
geworden, in großem
Maßstab
großvolumige Wässer, insbesondere
Tagebaurestseen, effektiv und nachhaltig zu sanieren, um die Wasserqualität langfristig
zu sichern und dabei keine neuen Restprodukte bei der Art der bekannten
Behandlung entstehen zu lassen.
-
Die
bekannte Anordnung und das bekannte Verfahren haben sich tatsächlich nicht
nur im Versuchsmaßstab,
sondern auch im direkten Einsatz in Tagebaurestseen als sehr wirkungsvolles
Mittel zur Sanierung schwefelsauren Wassers in Tagebaurestseen herausgestellt,
um aber bspw. die in der Bundesrepublik Deutschland insgesamt zu
erwartenden Mengen an entstandenem und noch entstehendem gelösten Sulfat
in Tagebaurestseen, man schätzt
wenigstens 3 Mio. to, schneller neutralisieren zu können, ist
man bemüht,
die schon gute Umsatzleistung der bekannten Anordnung bzw. des bekannten
Verfahrens zu steigern.
-
Es
ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der
eingangs genannten Art zu schaffen, das in er Lage ist, die Umsatzleistung
bei der in situ-Entsäuerung
schwefelsauren Wassers beträchtlich
zu erhöhen,
um die Neutralisierung des in Tagebaurestseen und dgl. gelösten Sulfats
schneller und auch effektiver durchführen zu können, wobei das Verfahren geeignet
sein soll, dieses einfach und unmittelbar vor Ort des zu neutralisierenden
schwefelsauren Wassers in situ durchführen zu lassen und somit eine
noch effektivere, und nachhaltigere und schnellere Sanierung der
Wasserqualität
zu erhalten und langfristig restproduktfrei zu sichern, wobei auch die
Realisierung einer erfindungsgemäß ggf. weiter verbesserten
bekannten Anordnung möglich
sein soll.
-
Gelöst wird
die Aufgabe gem. der Erfindung dadurch, daß
- a) das
Wasser des Teilwasservorrats unbehandelten schwefelsauren Wassers
aus dem Wasservorrat zunächst
im, Kreislauf über
das Trägermittel
geleitet wird, bis im Wasser des Teilwasservorrats ein vorbestimmter
pH-Wert überschritten wird,
- b) daß nachfolgend
nach Überschreitung
des pH-Wertes im Wasservorrat des Teilwasservorrats unbehandeltes
schwefelsaures Wasser des Wasservorrats in den Kreislauf gegeben
wird und gemeinsam über
das Trägermittel
geleitet und somit analog des Verfahrensschrittes a) entsäuert wird,
und
- c) daß schließlich das
im Teilwasservorrat wenigstens teilweise entsäuerte Wasser in den Wasservorrat
des schwefelsauren Wassers abgeführt wird.
-
Der
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht im wesentlichen darin, daß der gesamte Verfahrensprozeß im wesentlichen
selbstregulierend und selbststeuernd in situ in Gang gesetzt und
durchgeführt
werden kann, bis das gesamte schwefelsaure Wasser eines Wasservorrats,
bspw. eines Tagebaurestsees, neutralisiert ist.
-
Dabei
wird sich auch der Umstand zunutze gemacht, daß bspw. bei Tagebaurestseen
regelmäßig sog.
Sulfatreduzierer anzutreffen sind, die sich im wesentlichen im Sediment
des Bodens der Tagebaurestseen befinden. Die pH-Werte bspw. von
Tagebaurestseen liegen im Bereich von 2,5 bis 3,0. Die SO4-Gehalte derartiger Tagebaurestseen erreichen Werte
von 2.000 mg/l. Es bedarf keines weiteren Hinweises, daß derartige
Tagebaurestseen weder für eine
wirtschaftliche Nutzung, bspw. Fischzucht, noch für die Nutzung
als Badewasser bzw. Gewässer,
auf dem Wassersport betrieben wird, geeignet sind. Mit Hilfe der
erfindungsgemäßen Lösung werden
auch sehr gute Umgebungsbedingungen für Sulfatreduzierer geschaffen,
um der gestellten Aufgabe zu genügen,
nämlich
die Umsatzleistung der Entsäuerung bzw.
Neutralisierung schwefelsauren Wassers zu erhöhen.
-
Gem.
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der pH-Wert
so gewählt,
daß dieser > 5 ist. Es hat sich
herausgestellt, daß insbesondere die
in den zu entsäuernden
Gewässern
enthaltenen Sulfatreduzierer eine Umgebung mit einem pH-Wert von > 5 für einen
optimalen Umsatz bevorzugen, wobei allerdings diese Grenze auch
in Abhängigkeit
der unterschiedlichen Sulfatreduzierer variieren kann.
-
Gem.
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der
Teilwasservorrat vor Einleitung in das Trägermittel in einen Mischbehälter und
von dort in das Trägermittel
geleitet. Der Mischbehälter
dient u.a. der Entgasung des im Kreislauf behandelten, zu entsäuernden
Wassers, bspw. von CO2 und H2S.
Vorzugsweise kann der Mischbehälter ebenfalls
zur Mischung des im Kreislauf zu behandelnden Wassers für dessen
Mischung mit Nährstoffen
für das
Wachstum und/oder die kontinuierliche Ernährung der Mikroorganismen vorgesehen
werden. Dabei können
die Nährstoffe
entsprechend dem gewünschten
bzw. verfahrensmäßig erreichten Durchsatz
zugeführt
werden.
-
Nach
einer weiteren anderen vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens
besteht das Trägermittel
wenigstens aus einem ersten und einem zweiten Trägermittel, wobei das erste
und das zweite Trägermittel
hintereinandergeschaltet im Kreislauf angeordnet sind. Das Trägermittel
bzw. das erste und das zweite Trägermittel
kann bzw. können
aus Ballen organischen Materials, bspw. Strohballen, bestehen, in denen
die Mikroorganismen angeordnet sind, die die eigentliche Entsäuerung bzw.
Neutralisierung des schwefelsauren Wassers bewirken.
-
Die
Aufteilung des Trägermittels
in ein erstes und ein zweites Trägermittel,
es ist auch eine über zwei
hinausgehende Anzahl von Trägermitteln
möglich,
hat den Vorteil, daß das
Wasser zum Kreislaufbetrieb gem. Verfahrensschritt a) nach Durchlauf durch
das erste und das zweite Trägermittel
in den Teilwasservorrat geleitet werden kann, wobei bei einer anderen
vorteilhaften Verfahrensführung,
das Wasser beim Kreislaufbetrieb nach Durchlauf durch das erste
Trägermittel
im Kreislauf wenigstens teilweise erneut auf das erste Trägermittel
geleitet werden kann und wenigstens teilweise durch das zweite Trägermittel
geleitet werden kann, von wo es in den Teilwasservorrat abgegeben
wird. Durch geeignete Verfahrensführung unter Zuhilfenahme von
Pumpen und Ventilen kann somit sowohl der Anlaufbetrieb, d.h. das
Ingangsetzen des Verfahrens, als auch der kontinuierliche Entsäuerungs-
bzw. Neutralisierungsvorgang des schwefelsauren Wassers in ein und demselben
Trägermittel
durchgeführt
werden, so daß es
faktisch nur eines Trägermittels
bedarf, das einen in situ-Reaktor darstellt.
-
Wie
schon erwähnt,
befinden sich vielfach im Bodenbereich von Tagebaurestseen Sedimente,
in denen Sulfatreduzierer im wesentlichen angesiedelt sind. Es ist
deshalb vorteilhaft, das gem. Verfahrensschritt b) entsäuerte Wasser
des Teilwasservorrats in den Bereich eines Bodens des Teilwasservorrats
zu leiten, indem die besagten Sulfatreduzierer angesiedelt bzw.
zu erwarten sind. Durch diese Maßnahme bildet sich in Bodennähe des Teilwasserbereiches sowohl
eine anaerobe Zone, die vorteilhaft für Sulfat- und Eisenreduzierer
ist, als auch eine Umgebung mit erhöhtem pH-Wert aus. Durch diese
Maßnahme
wird zusätzlich
die Sulfatreduktion in Bodennähe
des Teilwasserbereiches gesteigert. Da das Eisensulfid sich im und
auf dem Sediment ablagert, besteht, da das Wasser anaerob ist, nicht
mehr die Gefahr der Rückbildung
von Sulfid zu Sulfat.
-
Die
für die
Verfahrensführung
benötigte
Energie kann auf an sich beliebige Weise erzeugt und von außen zugeführt werden,
bspw. zum Betrieb der Pumpen für
die Verfahrensdurchführung
und der Ventile der entsprechenden Leitungen für die verschiedenen Kreisläufe des
schwefelsauren bzw. des neutralisierten Wassers. Vorteilhaft ist
es aber, die Energie im Bereich der Durchführung des Verfahrens selbst
zu erzeugen, um bspw. das Verfahren völlig unabhängig oder von infrastrukturellen
Vorgaben betreiben zu können,
d.h. auch abgesetzt von Spannungsnetzen.
-
Vorteilhaft
ist es deshalb, die Energie bspw. mittels Solarenergie und/oder
Windkraftenergie und/oder Brennstoffzellen zu erzeugen, so daß ein Betrieb
des Verfahrens frei von infrastrukturellen Maßnahmen am Einsatzort möglich ist.
-
Die
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nachfolgenden schematischen
Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispieles
eingehend beschrieben. Darin zeigen:
-
1 ein
Prinzipschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens für den Schritt
der Inbetriebnahme des Verfahrens,
-
2 eine
Darstellung gem. 1, bei der jedoch der kontinuierliche
Entsäuerungsbetrieb
eines Teilwasservorrats vonstatten geht, nachdem die Inbetriebsetzung
des Verfahrens gem. 1 abgeschlossen ist,
-
3 ein
aus einem ersten und aus einem zweiten, hintereinandergeschalteten
Trägermittel
bestehendes Gesamtträgermittel,
das einen in situ-Reaktor
darstellt, wie er in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden
kann, und
-
4 eine
Darstellung der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichbaren
Entsäuerung eines
Wasservorrats über
einen Zeitraum von ca. 2 Monaten vom Verfahrensschritt der Inbetriebsetzung (Kreislaufbetrieb)
bis zum Verfahrens schritt der kontinuierlichen Entsäuerung (Mischbetrieb).
-
Eine
Anordnung 10, mit der bspw. das erfindungsgemäße Verfahren
durchgeführt
werden kann, ist in den 1 bis 3 schematisch
dargestellt. Der Aufbau der Anordnung 10 gem. 1 zur
Durchführung
des Verfahrensschrittes a) wird zunächst beschrieben.
-
Die
Anordnung 10 umfaßt
hier eine Mehrzahl von in situ-Reaktoren 18, wie sie in
vergrößerter Darstellung
in 3 dargestellt ist. Der in situ-Reaktor 18 umfaßt neben
einem Reaktorgehäuse,
das, bezogen auf die 1 bis 3, oben
und unten offen ist bzw. eine Zulauf- und Ablauföffnung für Wasser 120 eines
Teilwasservorrats 12 aufweist. Im in situ-Reaktor 18 ist
das Trägermittel 14 in
ein erstes und ein zweites Trägermittel 140, 141 unterteilt,
wobei in dem Zwischenraum zwischen erstem und zweiten Trägermittel 140, 141 Abflußleitungen 122,
vgl. 2, angeordnet sind. Beispielhaft, aber nicht beschränkend, sind
in den 1 und 2 vier in situ-Reaktoren 18 angeordnet,
die, geeignet schwimmfähig
ausgestaltet, in einem Teilwasservorrat 12 eines Wasservorrats 13 angeordnet
sind. Der Teilwasservorrat 12 ist vom Wasservorrat 13 durch
Teilwasservorratsbegrenzungen 121 abgetrennt, so daß der Teilwasservorrat 12,
nachdem er abgetrennt worden ist, keinen undefinierten Zufluß an umgebendem
schwefelsauren Wasser erhält.
Die Teilwasservorratsbegrenzung 121 kann bspw. im wesentlichen
im Querschnitt kreisförmig
sein und durch Folien oder geeignete andere Werkstoffe ausgebildet
sein, um einem Durchfluß schwefelsaurem
Wassers 11 vom umgebenden Wasservorrat 13 in den
Teilwasservorrat 12 zu verhindern. Die untere Begrenzung
des Teilwasservorrats 12 wird durch den Boden 17 des
Teilwasservorrats gebildet, der regelmäßig eine Sedimentschicht aufweist.
-
Das
erste Trägermittel 140,
in den 1 und 2, das oberste Trägermittel,
ist mit seiner Oberfläche 142 unterhalb
der Oberfläche 123 des
Teilwasservorrats 12 angeordnet. Die in situ-Reaktoren 18 weisen
einen Auslaß 124 und
einen Auslaß 125 auf, wobei
die Auslässe 124 aller
vier in situ-Reaktoren 18 zusammengeschaltet sind und über eine
Abflußleitung 126 auf
eine Pumpe 21 gegeben werden, die das aus den in situ-Reaktoren 18,
d.h. des nun schon teilweise entsäuerten Wassers 120 des
Teilwasservorrats 12, nachdem es die ersten und die zweiten Trägermittel 140, 141 durchlaufen
hat, in einen Mischbehälter 15 fördert, der
oberhalb der vier in situ-Reaktoren 18, bezogen auf die 1 bis 3, angeordnet
ist.
-
Der
Mischbehälter 15 dient
der Entgasung des in der Abflußleitung 126 geförderten
Wassers, bspw. von CO2 und H2S.
In den Mischbehälter 15 mündet auch
eine Leitung 160, über
die von einem Nährstoffbehälter 16 Nährstoff,
ggf. unter Zwischenschaltung eines Ventils, in den Mischbehälter 15 gefördert wird.
-
In
der Anordnung gem. 1 wird Verfahrensschritt a)
des Verfahrens durchgeführt.
Dabei wird, nachdem der Teilwasservorrat 12 mit unbehandeltem
schwefelsaurem Wasser 11 aus dem Wasservorrat 13 gefüllt ist
und gegen den Wasservorrat 13 durchflußdicht abgetrennt ist, im Kreislauf über das Trägermittel 14,
hier bestehend aus dem ersten und zweiten Trägermittel 140, 141 geleitet.
Dieser Kreislauf wird so lange aufrechterhalten, bis das Wasser 120 des
Teilwasservorrats 12 aufgrund der Aktivitäten der
Mikroorganismen im Trägermittel 14 bzw.
der ersten und zweiten Trägermittel 140, 141,
einen vorbestimmten pH-Wert überschritten
hat, bspw. pH > 5. Dabei
unterstützen
die Entsäuerung
des schwefelsauren Wassers, das zunächst den Teilwasservorrat 12 bildet,
die auch im Boden bzw. im Sediment 17 des Teilwasservorrats 12 angesiegelten
Sulfat- und Eisenreduzierer.
-
Ist
ein vorbestimmter pH-Wert überschritten, erfolgt
Verfahrensschritt b), und zwar mit bspw. der Anordnung 10,
wie sie in 2 dargestellt ist. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist
die Anordnung gem. 2 als gesonderte Anordnung 10 dargestellt,
prinzipiell handelt es sich aber um die gleiche Anordnung 10,
wie sie in 1 dargestellt ist, sie wird
jedoch für den
Verfahrensschritt gem. b) anders betrieben. Die Elemente der Anordnung 10 sind
allerdings die gleichen wie bei der Anordnung 10 gem. 1.
Wird nämlich
gem. Verfahrensschritt b) nach Überschreiten
des vorbestimmten pH-Wertes
im Wasser 120 des Teilwasservorrats 12 unbehandeltes
schwefelsaures Wasser 11 aus dem Wasservorrat 13 in
den Kreislauf gegeben und gemeinsam über das Trägermittel 14 aus erstem
und zweitem Trägermittel 140, 141 geleitet,
so wird über
die Abflußleitung 122 zwischen
ersten und zweiten Trägermittel 140, 141 das entsäuerte Wasser 120 des
Teilwasservorrats 12 wenigstens teilweise über die
Kreislaufpumpe 21 in den Mischbehälter 15 geführt und
wiederum auf das Trägermittel 14 bzw.
den in situ-Reaktor 18 gegeben und teilweise über die
Auslässe 125 in
den Bereich des Bodens 17 des Teilwasservorrats abgeleitet.
Gleichzeitig wird mit der Pumpe 22, die das Wasser 120 des Teilwasservorrats
fördert,
erneut Wasser 120 in den Mischbehälter 15 geführt, wobei
auch dieser Kreislauf kontinuierlich geführt wird und mit dem Wasser 120 des
Teilwasservorrats 12, das über die Abflußleitung
122 dem Mischbehälter 15 zugeführt wird,
gemischt.
-
Da
bei Verfahrensschritt b) unbehandeltes, schwefelsaures Wasser 11 vom
Wasservorrat 13 in den Teilwasservorrat 12 zugeführt wird,
muß das
entsprechende Wasservolumen, das in den Teilwasservorrat 12 zugeführt wird,
aus dem Teilwasservorrat 12 wiederum entfernt werden, vgl.
Pfeil 24. Dieses geschieht gem. Verfahrensschritt c), d.h.,
daß schließlich das
im Teilwasservorrat 12 wenigstens teilweise entsäuerte Wasser 120 in
den Wasservorrat 13 des umgebenden schwefelsauren Wassers 11 abgeführt wird.
Dieser Kreislauf im vorangehend beschriebenen Sinne gem. den drei
grundsätzlichen Verfahrensschritten
erfolgt so lange, bis das gesamte schwefelsaure Wasser 11 des
umgebenden Wasservorrats 13 derart entsäuert bzw. neutralisiert ist,
daß es
wirtschaftlich nutzbar und biologisch und ökologisch unbedenklich ist.
Die Zuführung
des schwefelsauren Wassers 11 aus dem Wasservorrat 13 erfolgt ebenfalls
mit einer Pumpe 23, die das schwefelsaure Wasser 11 ebenfalls
in den Mischbehälter 15 führt, von
wo aus es mit den anderen vorbeschriebenen Wasserströmen des
Verfahrens gemischt aufgrund der Schwerkraft in die in situ-Reaktoren 18 als
Wassergemisch 127 eintreten kann.
-
An
den in situ-Reaktoren 18 sind Probenentnahmerohre 19 geeignet
angeordnet, so daß die
Entsäuerungs-
bzw. Neutralisierungswirkung des Verfahrens bzw. der Anordnung 10 fortlaufend
auf einfache Weise überprüft werden
kann. Die Prüfung
kann an den Auslässen 125 und/oder
an den Auslässen 122 erfolgen,
vgl. insbesondere 2 und 3.
-
Mittels
hier nicht gesondert dargestellter Energieerzeugungseinrichtungen,
die unmittelbar am Ort der Anordnung 10 vorgesehen werden
können (Solarenergie
und/oder Windkraftenergie und/oder mittels Brennstoff zellen erzeugter
Energie), kann das Verfahren bzw. die Anordnung 10 zur
Durchführung des
Verfahrens mit Energie versorgt werden.
-
- 10
- Anordnung
- 11
- schwefelsaures
Wasser
- 12
- Teilwasservorrat
- 120
- Wasser
des Teilwasservorrats
- 121
- Teilwasservorratsbegrenzung
- 122
- Abflußleitung
- 123
- Oberfläche Teilwasservorrat
- 124
- Auslaß
- 125
- Auslaß
- 126
- Abflußleitung
- 127
- Wassergemisch
- 13
- Wasservorrat
- 14
- Trägermittel
- 140
- erstes
Trägermittel
- 141
- zweites
Trägermittel
- 142
- Oberfläche
- 15
- Mischbehälter
- 16
- Nährstoff/Nährstoffbehälter
- 160
- Leitung
- 17
- Boden
des Teilwasservorrats
- 18
- in
situ-Reaktor
- 19
- Probenentnahmerohr
- 20
- Ventil
- 21
- Pumpe
(Kreislauf)
- 22
- Pumpe
(Wasser des Teilwasservorrats)
- 23
- Pumpe
- 24
- Pfeil