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Die
Erfindung bezieht sich auf die Wasserqualität in Tagebauseen und auf Gewässer, die
in der Folge von aktivem Bergbaubetrieb versauert sind.
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Durch
den offenen Bergbau in Anspruch genommene Flächen sollen nach Auslaufen
der Bergbauaktivitäten überwiegend
einer Sanierung zur Sicherung einer Folgenutzung durch die Wasserspeicherbewirtschaftung
oder die Schaffung von Bade- und Fischgewässern unterzogen werden.
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Die
Flutung von derartigen Bergbaurestlöchern erfolgt durch Selbstaufgang
in Folge von ansteigendem Grundwasser nach Beendigung der Bergbautätigkeit
bzw. durch Zuführung
von Oberflächenwasser
von in der Umgebung liegenden Fließgewässern.
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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. Insbesondere
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 Versauerung der entstehenden Tagebaurestseen mit pH-Werten bis
auf < 3 sowie hohen
Gehalten an gelösten
Metallen wie beispielsweise von Eisen, Mangan und Aluminium. Die Erosion
an Böschungen
und saure Zuströmungen mit
dem Grundwasser kann zur Wiederversauerung von bereits gefluteten
oder neutralisierten Bergbaurestseen führen.
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Durch
den Mangel an Oberflächenwasser scheidet
die Möglichkeit
der Neutralisation von sauren Restseen durch alleinige Nutzung von
Oberflächenwasser,
die allgemein als Stand der Technik bekannt ist, in der Regel aus.
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Aus
dem Stand der Technik ist bekannt, Natron- oder Kalilauge in unterschiedlichen
Konzentrationen zur Neutralisation einzusetzen. Dies erfolgt bisher
meist bei speziellem Anwendungsbedarf, bei kleinen Mengen oder in
Verbindung mit chemischen Prozessen, da diese Produkte teuer sind.
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Bei
Einsatz von Soda in sauren Seen mit freier Schwefelsäure bei
pH-Werten von < 4,3
besteht die Gefahr des Ausgasens von CO2 aus
dem Seewasser. Darüber
hinaus kann der Einsatz von Soda vorhandene Gipsausfällungen
auflösen
und damit den ohnehin hohen Sulfatgehalt im Seewasser weiter erhöhen. In
höheren
pH-Bereichen kann der Einsatz von Soda zur Calcitausfällung unter
Einbindung des im Seewasser gelösten
Calciums führen.
Damit sinkt der Gesamtwirkungsgrad des Verfahrens und dieses wird
somit unwirtschaftlich. Die erforderlichen Reaktionszeiten von Soda
sind zu dem relativ hoch.
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Bekannt
ist weiterhin ein Verfahren, beschrieben in
DE 199 61 243 , nach dem die in einem Tagebaurestsee
vorhandenen eingespülten
calciumhaltigen Kraftwerksaschen, die aus der Verbrennung von Braunkohlen
stammen und am Boden eines Tagebaurestsees sedimentiert sind, wieder
aufzunehmen, zu verwirbeln und über
Rohrleitungen im sauren Restsee zu verteilen und zur Neutralisation
zu nutzen. Dieses Verfahren ist jedoch nur begrenzt nutzbar, wenn
Altaschen im Gewässer
vorhanden sind.
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Weiter
ist aus dem Stand der Technik bekannt, saure Wässer durch Kalkung zu neutralisieren.
Die Kalkung ist aus der Aufbereitung saurer Wässer zu Brauch- oder Trinkwasser
bekannt und wird beispielsweise in Grubenwasseraufbereitungsanlagen
praktiziert. Hier ist prinzipiell der Einsatz von Branntkalk, Kalkhydrat
und Kalkmilch bekannt. Ein grundsätzliches Problem bei der alleinigen
Verwendung calciumhaltiger Produkte in sulfatreichen Wässern ist
die Gefahr der Vergriesung und Vergipsung. Durch die vorhandenen
Sulfatgehalte des Seewassers kann sich auf den Kalkprodukten eine
Gipskruste bilden, die eine weitere Auflösung und Reaktionsentfaltung
behindert und damit den Produkteinsatz uneffektiv gestaltet. Diesem
Problem kann wie in
DE 103 04
009 beschrieben durch eine breitflächige Verteilung der Einsatzprodukte
im Wasserkörper
mit Einsatzstoffsuspensionen mit geringen Stoffkonzentrationen begegnet
werden. Weiter ist ein Verfahren zur Verbesserung der Wasserqualität von sauren
sulfathaltigen Gewässern
nach
DE 101 57 342 bekannt, bei
dem in saure Gewässer
und/oder in Gewässer mit
sauren Zuströmungen
gebrannter Dolomit eingebracht wird. Dieses Verfahren hat sich als
wirksam erwiesen, weist jedoch den Nachteil auf, dass für die zu
realisierenden Löse-,
Neutralisations- und Fällungsreaktionen
hohe Reaktionszeiten benötigt
werden. Der alleinige Einsatz von calcium- oder calcium-/magnesiumhaltigen
Einsatzstoffen hat trotz der kostengünstig zur Verfügung stehenden
Einsatzstoffe den weiteren Nachteil, dass bei steigenden pH-Werten,
insbesondere bei pH-Werten von > 8,
der in den Bereichen der Stoffeinbringung örtlich überschritten wird, der Wirkungsgrad
dieser Produkte infolge einer möglichen
Calcitausfällung
und geringerer Potentialunterschiede sinkt.
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Zur
initialen und nachhaltigen Verbesserung der Wasserqualität von sauren
sulfathaltigen Gewässern
wurde in
DE 103 24 984 ein
Verfahren mit Einsatz von Natriumhydroxyd im einer ersten Stufe
bei niedrigen pH-Werten in Kombination mit gebranntem Dolomit und/oder
Soda in einer zweiten Stufe bei höheren pH-Werten vorgeschlagen.
Das Verfahren ist wirtschaftlich aufwendig, da der größere Neutralisationsanteil
durch Natronlauge zu erbringen ist und mit dem Einsatz von calcium-/magnesiumhaltigen
Einsatzstoffen bei steigenden pH-Werten, die pH-Wertsteuerung auf
Grund abnehmender Wirkungsgrade erschwert wird.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein effektives und wirtschaftliches
Verfahren für
die Verbesserung der Wasserqualität in sauren Gewässern oder
in Gewässern
mit sauren Zuströmungen,
insbesondere zur Initialneutralisation und zur Sicherung der Nachhaltigkeit
der pH-Wertanhebung in behandelten Gewässern zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass in saure Gewässer
und/oder in Gewässer
mit sauren Zuströmungen
mit einem pH-Wert von < 5,5,
vorzugsweise von ≤ 4,3,
in einer ersten Stufe zur Initialneutralisation ein calcium- oder
calcium-/magnesiumhaltiger
Einsatzstoff mit einer pH-wertabhängigen Zugabe eingebracht wird
bis der pH-Wert einen Grenzwert im Bereich von 3,5 bis 5,5 überschreitet.
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Vorteilhaft
für die
Wirkung des Verfahrens ist der hohe Säure- und pH-Gradient für die calcium- oder
calcium-/magnesiumhaltiger Einsatzstoffe in der ersten Phase der
Verfahrensdurchführung.
Damit kann eine hohe Ausnutzung des Alkalitätspotentials dieser Einsatzstoffe
von > 70 % gesichert
werden, wie durchgeführte
Untersuchungen im Technikumsmaßstab
belegen.
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Bei
der Durchführung
des Verfahrens erfolgt erfindungsgemäß in einer zweiten Stufe bei
einem pH-Wert von ≥ 3,5
ausschließlich
oder zusätzlich
der Eintrag von Natronlauge mit einer Konzentration von 0,5 bis
50 % in das betreffende Gewässer,
bis der pH-Wert
einen vorgegebenen Grenzwert für
den pH-Wert im Bereich von 4,3–8,5 überschreitet.
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Der
Eintrag der Einsatzstoffe in das Gewässer erfolgt in verdünnter Form
als Suspension von Land oder mit mobiler Technik vom Wasser aus.
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Bei
dieser erfindungsgemäßen Einsatzstoffkombination
werden in der zweiten Neutralisationsphase bei einem pH-Wertanstieg
auf Grund der hohen Reaktionsgeschwindigkeit des Neutralisationsvorganges
mit der verdünnten
Natronlauge bekannte Nachteile von Neutralisationsmittelzugaben
wie eine Überdosierung
oder überproportionale
Calcitausfällungen
sowie Wirkungsgradverluste vermieden. Die Einstellung eines Ziel-pH-Wertes ist sehr exakt
möglich.
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Mit
der erfindungsgemäßen Einsatzstoffkombination
werden Kostenoptimierungen von Initialneutralistionen und bei erforderlichen
Maßnahmen zur
Sicherung der Nachhaltigkeit bzw. zur Vermeidung der Wiederversauerung
realisierbar.
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Die
Anwendung des Verfahrens gestattet eine schnelle Grobeinstellung
der Gewässerqualität mit kostengünstigen
Einsatzstoffen sowie eine Feineinstellung mit Natronlauge.
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Mit
Anwendung des Verfahrens erfolgt eine Herstellung der Gewässer in
Ausleitungsqualität
in öffentliche
Gewässer
mit pH-Werten von ≥ 6.
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Mit
Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens wird die Nutzung von sauren
Gewässern,
wie beispielsweise von sauren Tagebaurestseen zur Erholung, Bewirtschaftung
und als Zwischenspeicher auf einfache Weise und in kurzer Zeit mit
wirtschaftlichem Aufwand ermöglicht.
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Das
Prinzip der Erfindung soll im folgenden an einem Beispiel näher erklärt werden.
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Ein
Tagebaurestsee mit einem Volumen von 30 Mio. m3 ist
vollständig
gefüllt
und muss auf Grund des Zuströmens
von Grundwasser und von Oberflächenwasser
an die Vorflut angeschlossen werden. Das Restseewasser besteht hauptsächlich aus
saurem Grundwasser und weist einen pH-Wert von 3,0 und einen Gehalt
an gelöstem
Eisen von 20 mg/l auf. Das Wasser im Tagebausee soll auf einen pH-Wert von
6,5 gebracht werden. Der Alkalitätsbedarf
für die Einstellung
eines pH-Wertes von 6,5 beträgt
kb6,5-wert = 3 mmol/l auf.
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Der
Alkalitätsbedarf
für die
Einstellung eines pH-Wertes von 6,5 beträgt kb6,5-wert =
3 mmol/l auf.
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Vor
der Ausleitung in die Vorflut soll dieses Wasser neutralisiert werden.
Da es wirtschaftlicher ist, den höheren Anteil an vorhandenem
Säurepotential
mit preiswerten Einsatzstoffen abzubauen wird die Neutralisation
nach dem vorgeschlagenen Verfahren in der ersten Stufe mit Magnesiumbranntkalk in
Form einer 2 %igen Suspensionslösung
mittels eines bekannten Verteilsystems durch Eintrag in den Wasserkörper realisiert.
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Für die initiale
Anhebung des pH-Wertes auf 4,3 für
86 % des zu neutralisierenden Säurepotentials,
bei Annahme eines Neutralisationswirkungsgrades von 75 %, wird eine
Einsatzmenge an Magnesiumbranntkalk von 98 g/m3 und
damit insgesamt von 2.950 t ermittelt.
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Zur
Einstellung eines pH-Wertes von 6,5 werden nach der Initialbehandlung
mit Magnesiumbranntkalk 450 t Natriumhydroxyd in den Wasserkörper eingebracht.
Das Produkt wird in Form einer 50 %igen Natronlauge angeliefert
und am Ufer des Gewässers
mit Seewasser auf 2,5 % verdünnt
und über einen
Zeitraum von 4 Wochen im Wasserkörper
verteilt.
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Nach
Beendigung der Verfahrensdurchführung
ist neben der pH-Wertanhebung der Gehalt an gelöstem Eisen im Gewässer auf < 1 mg/l reduziert und
das Seewasser kann in die Vorflut ausgeleitet werden.
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Im
Wasserkörper
wird die biologische Selbstregulierung angeregt. Bei der nachfolgenden
Flutung wird sämtliches
biologisches Leben und vorhandene biologische und chemische Alkalisierungspotential, welches
in den natürlichen
Flutungswässern,
vorhanden ist, erhalten.
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Mit
Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens wird die Nutzung des Gewässers zur
Erholung, Bewirtschaftung und als Zwischenspeicher auf sehr effiziente
Weise mit relativ geringem wirtschaftlichem Aufwand ermöglicht und
gleichzeitig eine Pufferkapazität
gegen saure Zuströmungen
geschaffen.