DE102016000600A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Neutralisation von sauren Bergbaufolgeseen (BFS) auf der Basis von Schiffstechnik - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Neutralisation und Aufpufferung sauer und versauerungsgefährdeter Gewässer mit Verbesserung der Wasserbeschaffenheit insbesondere die Erhöhung der Säurekapazität durch Eintrag von Einsatzstoffen in suspendierter Form. Die Erfindung betrifft die Neutralisation saurer Gewässer mittels alkalischer Materialien auf der Basis einer speziellen Suspensions-Aufbereitungstechnologie in Verbindung mit einer Injektormischvorrichtung zum Vermischen von alkalischen Einsatzstoffen, Wasser und Luft. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass aus dem zu behandelnden Gewässer Wasser mit einer an Bord des Schiffes installierten Pumpe angesaugt und mit der über die Pumpe in den Wasserstrom eingebrachte Energie alkalischer Feststoff oder Flüssigkeit in Verbindung mit Luft aus der Atmosphäre über eine Venturidüsen-Injektorvorrichtung derart gemischt, dass dabei im erzeugten Suspensionsstrom Mikroluftblasen mit Durchmessern von 10–5000 μm generiert werden und der erzeugte Luft-Suspensionsstrahl mit hoher Geschwindigkeit unter die Wasseroberfläche eingedüst wird.

Description

• In der Folge des Bergbaus, insbesondere bei Nutzung der sogenannten Tagebautechnologie in Verbindung mit sehr leistungsfähigen Förderbrücken und Schaufelrad- sowie Eimerkettenbaggern, entstehen Hohlräume in der genutzten Landschaft, die sich nach und nach mit Grund- und Oberflächenwasser füllen. In vielen Fällen wird durch das wieder aufgehende Grundwasser sowie die damit verbundenen geologischen und chemischen Bedingungen im neu geschaffenen Deckgebirge eine Seenlandschaft kreiert, die durch extrem saure Wässer gekennzeichnet ist.
• Oft werden diese Hohlräume auch genutzt, um das in Grubenwasserreinigungsanlagen (GWRA) anfallende alkalische Sediment, als Eisenhydroxidschlamm (EHS) bekannt, am Seegrund derartiger Gewässer abzulagern und zu entsorgen.
• Aus dem Stand der Technik ist bekannt, derartig saure Wässer mittels Grubenwasserreinigungsanlagen (GWRA) zu behandeln, um vor Anbindung an die Vorflut keine Gefährdungen der abströmseitig folgenden Gewässer zuzulassen. Das eigentlich saure Gewässer verbleibt jedoch in diesem Falle über Jahrzehnte in seinem sauren lebensfeindlichen Milieu.
• Bekannt sind des Weiteren sogenannte Inlake-Verfahren z. B. in DE 19961243 beschrieben, wo durch Resuspendierung von Kraftwerksaschen, die aus der Verbrennung von Braunkohlen stammen, die vorhandene Basenkapazität genutzt wird, um die im See vorhandene Säurekapazität zu neutralisieren. Die Anwendung dieses Verfahrens bleibt jedoch begrenzt auf jene Standorte, die mit derartigen Stoffen im See bzw. in unmittelbarer Nähe ausgestattet sind. Dies betrifft auch Ablagerungen anderer alkalisch wirkender Stoffe bzw. Stoffgruppen.
• Wenn derartig alkalisch wirkende Sedimente in tieferen Bereichen von BFS abgelagert sind, können sie kaum wirtschaftlich mit dem bekannten Stand der Technik verfügbar gemacht werden
• Des Weiteren ist ein Verfahren zur Steuerung der Wasserqualität in offenen sauren Gewässern bekannt, wo unter Nutzung der Inlake-Verfahrens-, Injektor- und Mischtechnik sowie feinkörniger Neutralisationsmittel in Verbindung mit einer intelligenten Verteiltechnik ein hoher Effekt beim Einsatz von Neutralisationsmitteln erreicht werden soll. Eine gute Vermischung des Neutralisationsmittels und die gute Verteilung der Suspensionen im See reichen jedoch allein nicht aus, um hohe und höchste Wirtschaftlichkeit, vor allem beim Materialeinsatz, üblicherweise Kalk, und damit bei der Kostenoptimierung solcher Verfahren zu gewährleisten. Auch in den Offenlegungsschriften DE 4124073 A1 und WO 02(16272 A1) sind Verfahren zur Behandlung saurer Wässer beschrieben. Die Anwendung bei größeren BFS erfordert jedoch auch hier einen unverhältnismäßig hohen technisch-ökonomischen Aufwand.
• Nach Vorschlag von DE 10 2008 044 019 soll eine getauchte Schwimmleitung mit Düseneintrag unter der Wasseroberfläche zum Eintrag von Kalksuspensionen zur Neutralisation von Bergbaufolgeseen benutzt werden. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass nur geringe Reaktionsvolumina generiert werden und damit der Verfahrenswirkungsgrad relativ gering ist.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung auf der Grundlage der Inlake-Behandlung saurer Gewässer zu schaffen, in welchen Neutralisationsmittel, die an Bord eines so genannten Sanierungsschiffes gebunkert sind, mit Luft und Seewasser derart zu einer Suspension aufzubereiten, dass diese während der Fahrt bei Eintrag unter der Wasseroberfläche mit hohem Wirkungsgrad zur Umsetzung gebracht werden.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe, wie in den Patentansprüchen näher dargelegt, dadurch gelöst, dass mittels einer fahrenden Schiffseinheit das an Bord gebunkerte Neutralisationsmittel (Saugmedium) in einem Injektor mit Seewasser (Treibmedium), welches zuvor über eine leistungsstarke Pumpe an der Bordwand des Schiffes angesaugt wurde, zu einer Suspension mit einer Feststoffkonzentration von 1 bis 25% vermischt. Im Injektor wird zusätzlich je m³ Suspension ein Luftvolumen von 0,2–10 m³ eingebracht. Die Luftmenge wird zum einen über die Feststoffkonzentration des Saugmediums eingestellt und autonom angesaugt und zum anderen über steuerbare Luftdüsen in diese Suspension eingeperlt. Es werden so insgesamt Luftblasen mit unterschiedlicher Größenverteilung mit Durchmessern von 10 bis 5000 μm generiert.
• Erfindungsgemäß wird das aus Neutralisationsmittel, Wasser und Luft bestehende Suspensionsluftgemisch mit hoher Geschwindigkeit über eine oder mehrere unter der Wasseroberfläche angeordneten Treibstrahldüsen entgegen der Fahrtrichtung mit einer Strahlrichtung von 5–90 Grad nach rechts und links gerichtet und von 5–90 Grad zur Senkrechten bis zu 20 m unter die Wasseroberfläche verbracht.
• Überraschend hat sich dabei gezeigt, dass durch die eingeperlte Luft in die Suspension während des Mischungsvorganges im Injektor, die erzeugte Suspensionswolke mit aufsteigenden Luftperlen in der Wassersäule sehr starken und langen Auftriebs- und Durchmischungsvorgängen unterzogen wird und die Feststoffpartikel im Wasserkörper in einem quasi homogenen Schwebezustand versetzt werden.
• Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, vermeidet das erfindungsgemäße Verfahren ein schnelles Absinken der Neutralisationsmittel und erlaubt mit den sehr turbulenten Mischvorgängen nach dem Feststoffeintrag einen lang anhaltenden Schwebezustand des Neutralisationsmittels von 1 bis 1000 h im Gewässerkörper. Eine mögliche Verfrachtung von unreagierten Neutralisationsmittelanteilen ins Seesediment wird damit effektiv entgegengewirkt.
• Die kinetische Energie des Suspensionsstrahles an der Treibstrahldüse unmittelbar unter der Wasseroberfläche reicht aus um einen Reaktionsraum sowohl im Epilimnion als auch im Hypolimnion eines Gewässers zu generieren, wenn das Gewässer infolge des Temperaturgradienten, vor allem in den Sommermonaten, eine Schichtung aufweist.
• Infolge der stets aufwärts strömenden Luftblasen kommt diese Suspensionswolke immer wieder mit unbehandeltem Wasser in Kontakt und führt zur einer vorteilhaften Lösungskinetik des eingesetzten Neutralisationsmittels. Dadurch wird eine sehr hohe Effizienz der eigentlichen Neutralisation des Gewässers bewirkt.
• Die durch die Injektordüse und Treibstahldüse eingebrachte kinetische Energie verfrachtet das Suspensionsluftgemisch derart unter die Wasseroberfläche, dass die im Suspensionsluftgemisch enthaltenen Luftblasen unterschiedlicher Größe zum einen mit ihrer turbulenten Aufwärtsbewegung zur Wasseroberfläche eine turbulente Sogwirkung des eingebrachten Suspensionsluftgemisches zur Gewässeroberfläche bewirken und zum anderen Kalkpartikel an eine oder mehrere sehr feine Mikroluftblasen mit Durchmesser von < 5000 μm während und nach der intensiven Mischung im Injektor adsorbieren.
• Die sehr feinen Mikroluftblasen generieren eine sehr große Phasengrenzoberfläche mit großen Adhäsionskräften zu den Kalkpartikeln, welche die naturgemäße Sinkgeschwindigkeit eines jeden Korns reduzieren und somit als Auftriebsmittel und Trägerstoff mit sehr langsamen Auftriebsgeschwindigkeiten dienen. Dadurch steht dem Kalkpartikel eine extrem lange Verweilzeit in der flüssigen Phase und so theoretisch ein quasi unendlich großer Reaktionsraum zur Verfügung unabhängig von der Tatsache, dass während des parallelen stattfindenden pH-Wertanstieges der angrenzenden Wassermassen die Reaktionskinetik des Kalkpartikels stetig abnimmt.
• Die Erfindung soll anhand des folgenden Anwendungsbeispiels sowie in 1 und 2 näher erläutert werden.
• Das Schiff 1 bewegt sich nach der Beladung und Entkopplung vom Silo zur gleichmäßigen Verteilung des auf dem Schiff 1 erzeugten Suspensionsluftgemisches 2 mit einer Geschwindigkeit von 10 km/h auf dem Gewässer.
• Mit einer Seewasserförderpumpe 3 auf einem fahrenden Schiff 1 wird Seewasser mit 390 m³/h über eine Ansaugvorrichtung 4 angesaugt und zu einer oder mehreren an Bord des Schiffes 1 installierten Injektoren 5, die jeweils in Fahrtrichtung nach rechts und links gerichtet sind, mit einem Druck von 6 bar gefördert. Im Injektor 5 erfolgt die Zumischung mit 10 t/h des im Bunker 6 des Schiffes 1 gelagerten Neutralisationsmittels und Luft. Der Injektor 5 ist dabei so ausgeführt, dass in jeder Injektordüse eine konstante Strömungsgeschwindigkeit von 30 m/s bei einem Unterdruck von 0,3 bar eingestellt wird. Durch den erzeugten Unterdruck erfolgt so im Injektor 5 eine intensive Mischung von Wasser, Neutralisationsmittel und Luft aus dem Bunker 6 und separat über eine steuerbare Luftdüse 7 ein Eintrag von Luft in einer Gesamtmenge von 500 m³/h.
• Das derart erzeugte Suspensionsluftgemisch 2 mit Luftblasendurchmessern von 10–5000 μm wird zu einer Treibstrahldüse 8 gefördert, welche diese mit einer Geschwindigkeit von 1–20 m/s in einem Winkel von 30 Grad zur Senkrechten und gegen Fahrtrichtung der Schiffes 1 unter der Wasseroberfläche 9 ins Epilimnion 10 oder Hypolimnion 11 bis zu 20 m tief in den Wasserkörper drückt.
• Die im Treibstrahl befindliche Luft generiert im gesamten Tiefenbereich der Suspensionswolke 12 eine Vielzahl von Luftblasen 13 unterschiedlicher Größe welche turbulent durch den statischen Auftrieb mit unterschiedlichen Auftriebsgeschwindigkeiten in Richtung Wasseroberfläche 9 treiben und Neutralisationsmittel mit sich reißen. Zusätzlich adsorbieren sehr kleine Mikroluftblasen Kalkpartikel und halten diese in der Schwebe.
• Entsprechend der Fahrspur der Schiffes 1 entstehen damit im Seekörper sowohl im Epilimnion 10 als auch im Hypolimnion 11 große Reaktionsräume, die einen quasi vollkommenen Umsatz der im Neutralisationsmittel enthaltenden Alkalität gewährleisten.
• Bezugszeichenliste

1

Schiff

2

Suspensionsluftgemisch

3

Seewasserförderpumpe

4

Ansaugvorrichtung

5

Injektor

6

Bunker

7

Luftdüse

8

Treibstrahldüse

9

Wasseroberfläche

10

Epilimnion

11

Hypolimnion

12

Suspensionswolke

13

Luftblasen

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 19961243 [0004]
• DE 4124073 A1 [0006]
• WO 0216272 A1 [0006]
• DE 102008044019 [0007]

Claims (4)

1. Verfahren und Vorrichtung zur Neutralisation saurer Gewässer unter Einsatz von alkalischen Einsatzstoffen mittels Schiffstechnik, dadurch gekennzeichnet, dass die an Bord des Schiffes gebunkerten alkalischen Einsatzstoffe vor dem Eintrag in den Wasserkörper mit Seewasser zu einer 1–25%igen Suspension vermischt und weiter mit 0,2–10 m³ Luft/m³ Suspension beaufschlagt wird, wobei die eingebrachte Luft zu Luftblasen von 10 bis 5000 μm über die Feststoffkonzentration der alkalischen Einsatzstoffe eingestellt wird.
2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass separat Luft über eine geeignete Vorrichtung in die Suspension eingebracht wird und Mikroluftblasen mit Durchmessern von 10–5000 μm generiert werden.
3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Suspensionsluftgemisch über ein oder mehrere Treibstrahldüsen mit einer Geschwindigkeit von 1–20 m/s unter die Wasseroberfläche bei einer gleichzeitigen Fahrgeschwindigkeit des Schiffes von 1–20 km/h eingedüst wird.
4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer oder mehrerer Treibstrahldüsen das Suspensionsluftgemisch unter Wasser entgegen der Fahrtrichtung 5–90 Grad nach rechts und links gerichtet und im Winkel von 5–90 Grad zur Senkrechten in den zu behandelnden Wasserkörper eingetragen wird.

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