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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz der Wasserqualität von Gewässern, bevorzugt von Bergbaufolgegewässern bzw. Tagebaurestseen, beim Verwahren von organikreichem Eisenhydroxidschlamm (EHS) in diesen Gewässern, wobei der organikreiche EHS mittels geotextiler Systeme (z. B. in Geotubes bzw. Geocontainern) in Gewässern versenkt und verwahrt wird. Das Verfahren verhindert insbesondere eine Beeinträchtigung von oberflächennahen Wasserschichten durch organikreiches eisenhydroxidschlammhaltiges Material.
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Organikreicher Eisenhydroxidschlamm (EHS) entsteht durch die Vermischung von Schwebeteilchen (z. B. Pflanzenteilchen, Lockergestein, wie Kiese, Sedimente) im Wasser mit Eisenhydroxid. Das Eisenhydroxid wird durch die Belüftung von Eisensulfiden wie Pyrit und Markasit, z. B. aus dem Bergbau stammend, gebildet. Diese Eisensulfide werden dann chemisch oder auch mikrobiell zu Eisensulfaten oxidiert. Aus dem oxidierten Eisensulfid entsteht unter Reaktion mit Wasser Eisenhydroxid und Sulfatverbindungen. Organikreiche EH-Schlämme fallen, z. B. in Fließgewässern sowie naturräumlichen Wasserbehandlungsanlagen an. Sie sind durch eine gemischte Zusammensetzung, ein Konglomerat aus organischen und anorganischen Bestandteilen, gekennzeichnet. Der organische Anteil beträgt ca. 10 bis 30 % des EHS und beinhaltet vor allem Pflanzenreste, wie Schilf, Wurzeln, Blätter u. ä. Der anorganische Anteil setzt sich aus Lockersteinen, Böden und klastischen Sedimenten, wie chemisch inerte Sande, Kiese und Tone zusammen. Das Konglomerat entsteht durch die vorherrschende Technologie der Grabenberäumung des EHS durch Ausbaggern. Bei Konzentrationen > 3 mg/l verursacht EHS eine Rotbraunfärbung des Gewässers. Zusätzlich beinhalten die Schlämme hohe Mineralgehalte (z. B. Schwermetalle und Sulfate), die die Gewässerqualität beeinträchtigen können. Durch das Aufschwimmen des organischen Anteils verteilt sich der rotbraune EH-Schlamm und verursacht somit eine ganzheitliche Verunreinigung des Gewässers.
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Vor dem Hintergrund des massiven Vorkommens von organikreichem EHS und eines weiteren Ausspülens oberflächennahen Eisenhydroxides in die öffentliche Vorflut, z. B. im Lausitzer Braunkohlerevier, rückt eine gezielte Verwahrung der anfallenden organikreichen EH-Schlämme immer mehr in den Fokus. Das Ausspülen des organikreichen EHS verursacht die Rotbraunverfärbung von Fließgewässern und Seen sowie die Verschlammung von Gewässersohlen bis hin zur Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Gewässer. Flora und Fauna werden durch die EHS-Ablagerungen negativ beeinträchtigt.
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Aus
DE102006037197A1 ist zum Beispiel ein Verfahren und eine Anordnung zur Herstellung von Pellets, die aus Eisenhydroxidschlämmen entstehen, bekannt. Jedoch werden in den nächsten Jahren mehrere zehntausend Tonnen von organikreichem EHS im Lausitzer Braunkohlenrevier anfallen und die Gewässerlandschaft stark beeinträchtigen, so dass solche Verfahren die Mengen an EHS nicht bewältigen können. Das heißt, eine Rückwandlung des EHS in einen nichtlöslichen Zustand ist wirtschaftlich nicht umsetzbar, ebenso eine Rückführung an den Entstehungsort. Der Entsorgungsweg der Verbrennung ist aufgrund des relativ hohen Wasser- und Mineralgehaltes nicht darstellbar. Einer wirtschaftlichen Deponierung sind gesetzgeberisch Grenzen gesetzt. Organikreiche EH-Schlämme auf dem Boden neutraler Tagebaurestseen zu lagern, wie es bereits in einigen Tagebaurestseen getestet und genehmigt wurde, hat den Nachteil, dass lose organische Bestandteile aufschwimmen und die oberflächennahen Wasserschichten beeinträchtigen bzw. durch das Vermischen von EHS und Seewasser die Wasserqualität in Mittleidenschaft gezogen wird. Deshalb findet das Einspülen des organikreichen EHS in Tagebaurestseen aufgrund der möglichen Beeinträchtigung der oberflächennahen Wasserschichten bzw. der Wasserqualität derzeit keine Akzeptanz.
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Es gibt derzeitig kaum Verwertungswege dieser Mengen an organikreichem EHS. So werden die organikreichen EH-Schlämme aus den Gewässern lediglich ausgebaggert und entweder am Gewässerrand abgelagert oder auf umliegende Flächen, teilweise landwirtschaftlich genutzt, untergepflügt. Veränderte umweltfachliche Anforderungen schließen diese Methoden jedoch zukünftig aus.
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Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, das eine umfangreiche Beseitigung und langfristige Verwahrung von organikreichem EHS in Gewässern ermöglicht, ohne die Wasserqualität zu beeinträchtigen und insbesondere die oberflächennahen Wasserschichten vor eine Verunreinigung mit organikreichem eisenhydroxidschlammhaltigem Material zu schützen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weiteren Ansprüche sind Vorzugsvarianten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Schutz der Wasserqualität von Gewässern beim Verwahren von organikreichem Eisenhydroxidschlamm (EHS) in diesen Gewässern umfasst die Schritte:
- – Einfüllen von organikreichem EHS beliebiger Herkunft in geotextile Systeme, und
- – Einbringen und Versenken dieser geotextilen Systeme mit dem organikreichen EHS in Gewässer.
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Unter Gewässer werden insbesondere Seen verstanden, die eine genügende Tiefe aufweisen. Neben entsprechend tiefen Seen, ist ein Versenken auch in Meeren möglich. Die geotextilen Systeme werden mit dem organikreichen EHS in die Gewässer in eine Tiefe von mindestens 5 m eingebracht und versenkt, bevorzugt in Tiefen von 5 m bis 5.000 m. Die Gewässer sollten jedoch keine Fließgewässer sein. Die versenkten Systeme sollten keine Beeinträchtigung einer oberflächennahen Morphologie des Gewässers und/oder der Gewässernutzung, z. B. Tourismus, Schifffahrt, nach sich ziehen. Ausnahmen bilden die bewusste Nutzung der Systeme zur Böschungsstabilisierung oder Baugrundverbesserung.
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Als besonders geeignet haben sich als Gewässer Tagebaurestseen bzw. Bergbaufolgegewässer erwiesen. Diese entstehen durch den Bergbau, welcher große Gruben in der Landschaft hinterlässt. Aus ihnen gehen nach Einstellung des Bergbaus und des bergmännischen Wassermanagements durch den Grundwasserwiederanstieg Seen hervor. Diese Tagebaurestseen mit einem alkalischen bzw. neutralen Milieu eignen sich hervorragend zur Verwahrung der mit EHS gefüllten geotextilen Systeme. Durch das alkalische Milieu wird das schwerlösliche Eisenhydroxid (EH) in den Schlämmen verfestigt. Eine Rücklösung des Eisenhydroxides in das Wasser ist somit unmöglich. Anaerobe Verhältnisse in den tiefen Tagebauseen begünstigen noch zusätzlich eine Stabilisierung des EHS.
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Erfindungsgemäß kann demzufolge das organikreiche eisenhydroxidschlammhaltige Material aus der Reinigung von damit kontaminierten Gewässern sicher unter den gegebenen Bedingungen, insbesondere in Tagebaurestseen, verwahrt werden.
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Vorzugsweise ist das Verfahren durch die folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet:
- 1. Organikreiche EHS-Bereitstellung bzw. organikreiche EHS-Entfernung aus einem beliebigen Gewässer,
- 2. Überführung des organikreichen EHS in geotextile Systeme, gegebenenfalls unter Zugabe von Hilfsmitteln zum EHS (z. B. Flockungshilfsmittel) und/oder gegebenenfalls Entwässerung des organikreichen EHS mittels des geotextilen Systems in der Regel durch Schwerkraft,
- 3. Transport des organikreichen EHS im geotextilen System vom Ort des Anfalls bzw. des Befüllens des geotextilen Systems zum Gewässer, wo es versenkt werden soll.
- 4. Versenken und somit langfristiges Verwahren der geotextilen Systeme mit dem organikreichen EHS in einem tiefen Gewässer.
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Das organikreiche EHS kann aus einem Fremdgewässer oder in situ dem Gewässer entnommen werden, in dem er dann, gefüllt in geotextile Systeme, anschließend bevorzugt abschließend versenkt wird. Vorteilhafterweise wird gravitativ bedingt der organikreiche EHS in der Phase des Befüllens des geotextilen Systems entwässert. Eine Zugabe von Hilfsstoffen kann die Entwässerung beschleunigen. Als Hilfsstoffe fungieren insbesondere Flockungsmittel. Die gravitative Entwässerung reduziert den Wasseranteil für den Transport vom Ort des Befüllens zum Ort des Versenkens.
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Geotextile Systeme sind als Entwässerungselemente beim Ausbaggern von Stand- und Fließgewässern an sich bekannt und finden mittlerweile eine breite Anwendung dafür. Ihre Nutzung als Landschaftselemente zur Stabilisierung von Ufern von Fließgewässern, zur Gewinnung von Land durch Aufspülen von Lockergesteinen und /oder als Elemente des Deichbaues sind ebenfalls bekannt. Ihr Einsatz zur Ausformung von Bergbaufolgelandschaften oder zur Gestaltung von Tagebaurestseen ist möglich. Sie können in Schlauch-, Sack-, Taschen-, oder Containerform usw. vorliegen (z. B. als sogenannte Geocontainer bzw. Geotubes). Die Maße der Geotubes sind abhängig von der Transporttechnologie. In der Regel liegen die Geotubes in Größen von max 100·10·2 m3 vor. Beim Einsatz eines ISO-Containers sind Maximalmaße von 12,1·2,4 m2 möglich. Der Einsatz von Spezialtransportern erlaubt größere Maße.
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Ein geotextiles System kann sowohl als geschlossenes System zur direkten Verwahrung als auch als membranartiges oder netzartiges System zur vorherigen Entwässerung eingesetzt werden. Es kann aus verschiedensten Materialien bestehen, z. B. aus natürlichen Stoffen (z. B. Schilf, Jute, Kokos) oder künstlichen Stoffen, wie Polypropylen, Polyamid, Polyester.
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Die verwendeten Geotextilien werden bevorzugt in Form von Geweben, Vliesstoffen oder Verbundstoffen eingesetzt:
- • Gewebe: sind Geotextilien, die aus sich regelmäßig, in der Regel rechtwinklig, kreuzenden Garnen oder Fäden bestehen. Sie kommen zum Einsatz, wenn hohe Zugfestigkeiten gefordert sind. Bei statischer Belastung eignen sie sich gut als Filter.
- • Vliesstoffe: entstehen durch Verfestigung flächenhaft aufeinander abgelegter Fasern. Je nach Verfestigungsverfahren (Vernadeln, Verkleben oder Verschmelzen) erhält das Geotextil unterschiedliche Dehnungseigenschaften. Vliesstoffe werden bevorzugt zum Trennen, Filtern und Schützen im vorliegenden Verfahren eingesetzt.
- • Verbundstoffe: sind flächenhaft verbundene Gewebe, Vliesstoffe und andere Materialien. Auf diesem Weg lassen sich Eigenschaften unterschiedlicher Geotextilien kombinieren.
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Bevorzugt werden geotextile Systeme mit membranhaften Eigenschaften verwendet, so dass der organikreiche EHS aus den Gewässern umgehend und unkompliziert entwässert werden kann. Auch im Fall eines netzartigen Systems wird ein Austreten von Grobstoffen, wie Schlamm, Sande und Kiese verhindert und das Wasser entweicht über die Poren. Somit erfolgt eine Trennung zwischen wässriger und fester Phase. In der Regel werden die geotextilen Systeme nach Erreichen der Füllgrenze verschlossen.
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Flockungsmittel können vorteilhafterweise dem EHS zugesetzt werden. Sie helfen bei der Trennung von Schlamm und Wasser durch die Bildung von Mikroflocken und beschleunigen so die Entwässerung. Als Flockungshilfsmittel können Polymere (z.B. Polyacrylate) oder auch organische (z. B. Stärke, Chitin) und mineralische (z. B. Muschelkalk) Verbindungen bevorzugt eingesetzt werden.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind:
- • Das geotextile System bewirkt eine gravitative Entwässerung des organikreichen EHS.
- • Das zu transportierende und zu verwahrende Volumen wird verkleinert.
- • Das geotextile System wird zum Sammel- und Transportbehälter. Er wird gefüllt auf den Seeboden abgesenkt.
- • Eine fachgerechte Entsorgung des geotextilen Materials nach der Entwässerung entfällt.
- • Der organikreiche EHS wird dauerhaft und sicher verwahrt.
- • Es tritt keine Beeinträchtigung der oberflächennahen Wasserschichten und der Wasserqualität auf.
- • Das aufwendige Planen, Herstellen und Betreiben einer Deponie entfällt.
- • Es können zusätzlich baugrundstabilisierende Wirkungen erzielt werden.
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Die Kombination aus der Entwässerung mittels geotextilen Systemen und der Verwahrung in tiefen Gewässern, bevorzugt in Tagebaurestseen, unterstützt zudem eine mögliche Inertisierung (Umwandlung der reaktiven Inhaltsstoffe in energiereiche bzw. verwertbare Produkte) der organikreichen Masse durch die Komprimierung bzw. den dadurch erzeugten Luftabschluss und begünstigt somit die Einlagerungsfähigkeit oder das sichere Verwahrung des organikreichen EHS. Die Produkte aus der Inertisierung, wie z. B. Kohlendioxid, wirken unter anderem unterstützend für den Aufbau einer aquatischen Nahrungskette, bestehend aus Pflanzenwuchs und ansteigendem Fisch- und Tierbestand.
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Die Ablagerung in neutralen Gewässern, wie neutralen Tagebaurestseen, führt zudem zu einer Stabilisierung des inerten Zustandes des organikreichen EHS durch die Kristallisierung des EHS im neutralen bzw. alkalischen Milieu und zu einer Verfestigung des Seebodens durch das Gewicht des gefüllten geotextilen Systems (z. B. Schlauches).
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Die geotextilen Systeme verhindern weiterhin ein Austreten von organikreichem eisenhydroxidschlammhaltigen Material, so dass somit oberflächennahe Wasserschichten nicht beeinträchtigt werden. Auch verhindern die geotextilen Systeme ein Austreten von organikreichem eisenhydroxidschlammhaltigen Material und dadurch ein Vermischen des EHS mit dem Seewasser, so dass die Wasserqualität nicht in Mitleidenschaft gezogen wird.
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Ausführungsbeispiele
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Das Verfahren ist in mehreren Varianten durchführbar, wobei die einzelnen Schritte im Folgenden näher erläutert werden. Die Verfahrensschritte können je nach Beschaffenheit der betroffenen Gewässer und der angewandten Technik angepasst werden.
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Der organikreiche EHS kann im Konglomerat in flüssiger oder fester Form vorliegen.
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Beispiel 1
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Abb. 1: Ablauf bei flüssigem EHS – Variante 1
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Zunächst werden geotextile Systeme neben einem zu reinigenden Gewässer bereitgestellt.
- a. Mittels einer mechanischen Vorrichtung, beispielhaft Saugbagger, wird das Konglomerat aus EHS, inerten und organischen Materialien gewonnen und in das geotextile System gefördert. Die gravitative Entwässerung beginnt sofort, da das verwendete geotextile System membranhafte Eigenschaften besitzt. Die Feststoffe einschließlich der EHS werden zurückgehalten. Die Entwässerung kann durch die Zugabe eines Flockungsmittels beschleunigt werden. Ist die Füllgrenze für den Feststoff (organikreicher EHS) erreicht, wird das geotextile System verschlossen. Nach einer Entwässerungszeit hat sich die Masse im geotextilen System soweit verfestigt, dass das System inklusive Inhalt transportfähig ist.
- b. Das gefüllte geotextile System wird auf einem Fahrzeug zum Gewässer transportiert und nach einem Umladen vom Fahrzeug mittels eines Schiffes oder Floßes wird das geotextile System an die entsprechende Stelle des Gewässers gebracht und an einem definierten Absenkort eingebracht. Die Technologie des Absenkens erlaubt eine maximale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Volumens für das Ablagern des Konglomerates innerhalb des Gewässers.
- c. Wenn das zur Verfügung stehende Volumen erschöpft ist, können die geotextilen Systeme mit klastischen Sedimenten abgedeckt werden.
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Durch das geschlossene System verbleibt der organikreichen EHS im geotextilen System und wird getrennt vom Wassermilieu im See sicher gelagert. Somit wird die Beeinträchtigung der oberflächennahen Wasserschichten und der Wasserqualität durch die Organik des organikreichen EHS verhindert und der organikreiche EHS aus dem Landschaftsbild langfristig entfernt. Durch ein alkalisches Milieu des Gewässers wird die Verfestigung des im geotextilen System befindlichen EHS beschleunigt. Eine Rücklösung bzw. Verteilung des EHS im Gewässer wird damit verhindert. Es entsteht somit eine stabile Barriere auf dem Gewässergrund, auf der sich Sedimente und Schwebstoffe aus dem Gewässer absetzen werden, so dass neue Gewässerstrukturen entstehen können, die wiederum die Bildung eines ausgereiften aquatischen Ökosystems begünstigen.
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Beispiel 2
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Ablauf bei flüssigem EHS – Variante 2
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- a. Das geotextile System wird direkt in ein Boot gesetzt. Das Boot befindet sich auf dem Gewässer. Das Befüllen des geotextilen Systems erfolgt über eine Leitung zum mechanischen Gerät, welches das Gewässer reinigt. Je nach Entfernung des zu reinigenden Gewässers kann der organikreiche EH-Schlamm auch über einen mit organikreichem EHS gefüllten Tanker bzw. andere geeignete Transportbehälter oder Transportsysteme an das Gewässer transportiert werden, so dass der Schlamm direkt aus dem Tanker bzw. Transportbehälter in das geotextile System auf dem Boot gefördert wird.
- b. Nach kurzer Entwässerungszeit im Boot wird der geotextile Schlauch mit dem Schlamm, wie in Beispiel 1, Abschnitt c, auf dem Gewässergrund abgesetzt.
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Beispiel 3
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Ablauf bei „festem“ EHS
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In Abhängigkeit der mechanischen Gewinnung eines Konglomerates ist es möglich, das geotextile System so zu befüllen, dass er keine gravitativ entwässernde Wirkung besitzen muss. Für diesen Fall erfolgt der direkte Transport und das Verbringen nach Beispiel 1 Buchstaben b und c.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006037197 A1 [0004]
