DE102012014433B4 - Verfahren zur Behandlung von Seen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Behandlung von Seen (1), vorzugsweise solchen mit zuströmenden Säurefrachten, zum Zweck der pH-Wert-Stabilisierung durch Schaffen eines Hydrogencarbonatpuffers, bei dem gezielt während einer Stagnationsphase unter geschichteten Verhältnissen gasförmiges Kohlendioxid in Wasser gelöst und in die tieferen Schichten eines Sees (1) bis zur vollständigen Konditionierung des Hypolimnions mit Kohlendioxid durch eine mittels Pumpen erzeugte Freistrahlwirkung eingetragen wird und nachfolgend eine Kalksuspension als Neutralisationsmittel in das Epilimnion eingetragen wird, wobei beide Stoffe sich aufgrund ihrer Dichte an der dazwischen liegenden Sprungschicht (Metalimnion) anreichern und während des Absinkens ins Hypolimnion zu Hydrogencarbonat reagieren, dieses in der auf die Stagnationsphase folgenden Zirkulationsphase im ganzen Wasserkörper gleichmäßig verteilt wird und so im ganzen See (1) einen Hydrogencarbonatpuffer zur pH-Wert-Stabilisierung bildet.

Description

• Die Erfindung betrifft die zweckmäßige Ausgestaltung eines Verfahrens zur Behandlung von Seen, vorzugsweise solchen mit zuströmenden Säurefrachten, zum Zweck der pH-Wert-Stabilisierung durch Schaffen eines Hydrogencarbonatpuffers.
• Um versauerte oder von Versauerung bedrohte Oberflächengewässer zu neutralisieren, ist es notwendig und üblich, diese mit Neutralisationsmittel, vorzugsweise Kalk, also CaO, Ca(OH)₂ oder CaCO₃, zu behandeln. Dieser Neutralisationsprozess muss regelmäßig wiederholt werden, wenn beispielsweise durch Grundwasserzuflüsse oder andere Ausspülungen von Bodenbestandteilen wieder eine Säurefracht in den See eingetragen wird.
• Um starke Schwankungen des pH-Wertes zu verhindern und die Zeit zwischen zwei Behandlungen zu verlängern, ist es durch technische Maßnahmen möglich, in einem von Versauerung bedrohten Gewässer einen Säurepuffer aufzubauen. Für den erwünschten Neutralbereich ist der auch in der Natur vorkommende Hydrogencarbonatpuffer, welcher auf dem Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht beruht, ein geeigneter Säurepuffer.
• Der Hydrogencarbonatpuffer kann grundsätzlich durch die Zugabe von gasförmigem Kohlendioxid (CO₂) in Verbindung mit der Zugabe eines geeigneten Neutralisationsmittels hergestellt werden.
• Bei DE 10 2006 028 485 A1 erfolgt die Zugabe des Neutralisationsmittels und des CO₂ direkt in den Seekörper beziehungsweise in externe Reaktionsbehälter. Das Verfahren ist auf oxidische Neutralisationsmittel beschränkt, was leicht zu einer Überalkalisierung und damit zu einer pH-Wert-Anhebung in den ökologisch schädlichen alkalischen Bereich (pH > 9) führen kann. Damit ist dieses Verfahren nur für solche Seen brauchbar, in denen noch keine schätzenswerte Biozönose aufgebaut ist. Dieses Verfahren ist demzufolge in der Regel nur direkt nach einer Initialneutralisation des Sees, aber nicht zur Nachsorge nach einer Vegetationsperiode geeignet.
• Nach DE 10 2008 024 989 A1 wird eine Neutralisierung oder Pufferung vorgeschlagen, indem die alkalischen Stoffe und Stoffe zum Pufferaufbau über ein bewegliches Rohrsystem zugeleitet werden. Angaben zur Bildung des Puffersystems erfolgen nicht. Mit der Errichtung einer höhensteuerbaren Rohrleitung, welche sowohl Verankerungen am Seegrund als auch an schwimmenden Verankerungen benötigt, ist der anlagentechnische Aufwand zur Realisierung des Verfahrens erheblich. Die extremen Bandbreiten bei den Angaben zu Anzahl und Durchmesser der Austrittsöffnungen sowie der vorgegebenen Austrittsgeschwindigkeiten stellen für den Fachmann eine große Herausforderung bei der Realisierung eines funktionstüchtigen Eintragssystems dar, insbesondere im Zusammenhang mit dem Kriterium der notwendigen räumlichen Verteilung.
• In DE 10 2009 049 740 A1 wird ein Verfahren zur Behandlung, Nachsorge und Pufferung saurer Gewässer durch Eintrag von alkalischen Einsatzstoffen in suspendierter bzw. in gelöster Form und in gasförmiger Form beschrieben, bei dem die alkalischen Einsatzstoffe in suspendierter bzw. gelöster Form auf der Gewässeroberfläche und/oder im Wasserkörper bis zu einer Tiefe von 1,5 m unter der Wasseroberfläche und Kohlendioxid separat in gasförmiger Form bis in Tiefen von 10 bis 30 m unter der Wasseroberfläche bzw. bis auf den Seeboden in den Wasserkörper eingebracht werden.
• Nach dem Hauptanspruch von DE 10 2004 010 068 A1 soll die Pufferung eines Tagebausees erreicht werden, indem Tagebauwasser angesaugt, mit Kohlendioxid begast und mit zum Beispiel CaO, MgO, NaO, Ca(OH)_{2 ,} CaCO₃ oder MgCO₃ konditioniert und schließlich wieder in den Tagebausee eingeleitet wird. Es wird unter anderem eine direkte Kohlendioxid-Einleitung in tiefere Schichten vorgeschlagen mit dem Ziel, dass die Kohlendioxid-Bläschen direkt in die oberen bereits konditionierten Schichten des Tagebausees aufsteigen sollen. Da das Kohlendioxid auf kürzestem Wege aufsteigt, steht nur die Aufstiegszeit als Reaktionszeit zur Verfügung. Darüber hinaus ist nur ein kleiner Reaktionsraum vorhanden, nämlich der direkt über der Kohlendioxid-Einleitung. Das führt nicht nur zu geringen Wirkungsgraden, sondern erhöht ebenfalls auch die Betriebskosten.
• Die hier beispielhaft zitierten Lösungen ermöglichen grundsätzlich zumindest theoretisch die Herstellung eines Säurepuffers im Wasser. Jedoch benötigen diese, sofern aus den Beschreibungen überhaupt auf die anlagentechnische Umsetzung geschlossen werden kann, eine aufwändige und teure Anlagentechnik. Diese aufwändige Anlagentechnik hat zusammen mit den hohen Betriebskosten letztlich Einflüsse auf die Ökonomie des Verfahrens. Auch ist die Pufferung durch geringe Wirkungsgrade je Zeiteinheit nur ineffizient herstellbar.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Aufbau eines Hydrogencarbonatpuffers zu entwickeln, das im Ergebnis des Schaffens eines erhöhten Reaktionsraumes einen höheren Wirkungsgrad und möglichst niedrige Behandlungskosten aufweist.
• Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1. Hierbei wird der gesamte Seekörper als Lösereaktor genutzt. Längere Reaktionszeiten sind gegeben. Diese längere Reaktionszeit wird vorteilhaft beeinflusst durch den Eintrag der Konditionierungsmittel während der Stagnationsphase, also unter den bereits erwähnten geschichteten Verhältnissen.
• Auf Grund des vorzugsweise grundnahen Eintrages des Kohlendioxids erfolgt dieser vorschlagsgemäß bei niedrigeren Temperaturen, sodass über die vorteilhafte Anwendung hohen Drucks die Kohlendioxid-Löslichkeit optimal ausgenutzt wird. Durch die Anwendung hohen Drucks und durch die Gesetzmäßigkeiten des Freistrahls wird das gesamte Hypolimnion konditioniert. Das Epilimnion bildet dabei eine natürliche Barriere, die einen vorzeitigen Verlust von gelöstem Kohlendioxid in Form eines Abgangs in die Atmosphäre verhindert.
• Das im zweiten Verfahrensschritt aufgegebene Neutralisationsmittel läuft auf Grund seiner größeren Dichte auf der Sprungschicht (Metalimnion) auf und breitet sich auf dieser durch Dichteströmung aus. Das führt letztendlich dazu, dass die im Weiteren angestrebte Reaktion nicht nur punktuell im Bereich der Einleitung, sondern im Bereich des gesamten Hypolimnions abläuft. Auf ihrem Sinkweg durch das Hypolimnion lösen sich die Partikel des Neutralisationsmittels sukzessive auf und bewirken eine Pufferung des Hypolimnions durch Hydrogencarbonat. Durch die höhere Dichte des Hypolimnions kommt es zu einer Verzögerung der Sedimentation der Partikel aus dem Neutralisationsmittel. Dies ermöglicht eine lange Reaktionszeit. Es wurde gefunden, dass sich im Zuge der Vollzirkulation des Gewässerkörpers letztlich eine Gleichverteilung im gesamten See einstellt.
• Als Neutralisationsmittel wird bevorzugt Kalksteinmehl, Kalkhydrat oder Branntkalk oder Mischungen aus den genannten Komponenten in Form einer Wasser-/Kalk-Suspension verwendet.
• Die Aufgabemenge des zugesetzten Kohlendioxids wird abhängig vom Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht im Gewässer eingestellt.
• Sowohl die Wasser-/Kalk-Suspension als auch das Kohlendioxid können über stationäre Anlagen, über auf dem See mobile Anlagen oder über semimobile Anlagen eingetragen werden.
• Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist durch Ausnutzung der natürlichen Stagnationsphase eines Sees im Vergleich mit bekannten Verfahren festzustellen, dass
• – ein deutlich größerer Reaktionsraum und eine deutlich längere Reaktionszeit zur Verfügung stehen,
• – der Kohlendioxid-Eintrag in großer Wassertiefe die hohe Kohlendioxid-Löslichkeit ausnutzt und damit große Massenströme ermöglicht,
• – der Zeitraum der Kohlendioxid-Konditionierung kurz gehalten wird,
• – durch die mittels Pumpen erzeugte Freistrahlwirkung die Konditionierung des gesamten Hypolimnions mit Kohlendioxid erfolgt und
• – ein Ausgasen des Kohlendioxids in die Atmosphäre verhindert wird.
• Insgesamt führen diese Kriterien zu einem verbesserten Wirkungsgrad und zu geringeren Konditionierungskosten.
• Die Erfindung soll im Folgenden im Prinzip an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
• In der zugehörigen Zeichnung zeigt
• 1 eine nach den erfindungsgemäßen Verfahrensgrundsätzen wirkende Einrichtung.
• Über eine Pumpe 2 wird aus dem zu sanierenden See 1 Wasser entnommen und in einem an Land befindlichen Ansatzbehälter 4 mit Kalk aus dem Silo 3 zu einer Suspension vermischt. Diese Suspension wird mittels einer Pumpe 5 durch eine Rohrleitung 6 zur Austragseinheit 7 transportiert. Die Rohrleitung 6 und die Austragseinheit 7 sind unterhalb der Wasseroberfläche fixiert. Die Austragseinheit 7 verfügt über Düsen. Diese bewirken, dass die Suspension unter den Gesetzmäßigkeiten des Freistrahls in das Epilimnion eingetragen wird.
• Das Kohlendioxid wird in einem Speicher 8, der ebenfalls an Land positioniert ist, über einen Verdampfer 9 zu den Begasungssystemen 10, die grundnah positioniert sind, transportiert. Diese Begasungssysteme 10 sind im Wesentlichen Pumpen, die einen Treibwasserstrom zu erzeugen in der Lage sind, wodurch sich das Kohlendioxid im Wasser des Sees 1 löst und das geloste Kohlendioxid unter den Gesetzmäßigkeiten des Freistrahls in das Hypolimnion eingetragen und verteilt wird.
• Dabei werden unter Beachtung der chemischen und physikalischen Bedingungen jeweils gewässerspezifisch die Dosierungen der Einsatzstoffe, die Förderströme, die Anzahl und Größe der Austrittsöffnungen und damit die Austrittsgeschwindigkeiten derart aufeinander abgestimmt, dass die Einmischung der Reagenzien in den gesamten Wasserkörper des Sees 1 anfangs durch eine impulsinduzierte Strömung (Freistrahl), die in eine Dichteströmung übergeht, erreicht wird. Windunterstützte Strömungen können dabei unterstützend genutzt werden.
• Bezugszeichenliste

1

See

2

Pumpe

3

Silo

4

Ansatzbehälter

5

Pumpe

6

Rohrleitung

7

Austragseinheit

8

Speicher

9

Verdampfer

10

Begasungssysteme

Claims (4)

1. Verfahren zur Behandlung von Seen (1), vorzugsweise solchen mit zuströmenden Säurefrachten, zum Zweck der pH-Wert-Stabilisierung durch Schaffen eines Hydrogencarbonatpuffers, bei dem gezielt während einer Stagnationsphase unter geschichteten Verhältnissen gasförmiges Kohlendioxid in Wasser gelöst und in die tieferen Schichten eines Sees (1) bis zur vollständigen Konditionierung des Hypolimnions mit Kohlendioxid durch eine mittels Pumpen erzeugte Freistrahlwirkung eingetragen wird und nachfolgend eine Kalksuspension als Neutralisationsmittel in das Epilimnion eingetragen wird, wobei beide Stoffe sich aufgrund ihrer Dichte an der dazwischen liegenden Sprungschicht (Metalimnion) anreichern und während des Absinkens ins Hypolimnion zu Hydrogencarbonat reagieren, dieses in der auf die Stagnationsphase folgenden Zirkulationsphase im ganzen Wasserkörper gleichmäßig verteilt wird und so im ganzen See (1) einen Hydrogencarbonatpuffer zur pH-Wert-Stabilisierung bildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Neutralisationsmittel mindestens eine der Komponenten Kalksteinmehl, Kalkhydrat und Branntkalk verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Zugabe des Neutralisationsmittels mittels stationärer Anlagen erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Zugabe des Kohlendioxids mittels stationärer Anlagen erfolgt.

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