DE102018132604A1 - Aufbereitung und Reinigung eines Feststoffgemenges - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Aufbereitung und Reinigung eines Feststoffgemenges, insbesondere zur Abtrennung fluorierter organischer Verbindungen aus einem aus dem Feststoffgemenge separierten Sand, wobei das Feststoffgemenge, insbesondere der Sand, mit einer ersten Adsorbenskomponente in Kontakt gebracht wird, welche erste Adsorbenskomponente eine chemische Verbindung umfasst oder eine chemische Verbindung ist, die eine lipophile Gruppe enthält, wobei die lipophile Gruppe ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus Alkylgruppen, die vorzugsweise zumindest eine Octyleneinheit umfassen, Arylgruppen und Aralkyl-Gruppen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur physikalisch-chemischen Aufbereitung und Reinigung eines Feststoffgemenges mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1.
• Es ist bekannt, dass die fortschreitende Verknappung von Deponieraum dazu führt, dass kontaminierte Feststoffgemenge nicht nur gelagert sondern auch aufbereitet werden müssen. Die Aufbereitung und Reinigung von kontaminierten Feststoffgemengen dient dabei einerseits dem ökologischen Zweck Deponieräume zu schonen, und andererseits dem wirtschaftlichen Zweck gereinigte Feststoffe als Wertstoffe wiederzuverwenden. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Aufbereitung und Reinigung von Feststoffgemengen bekannt. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass die Verunreinigungen vom Feststoff in das zugegebene Prozesswasser abgeschieden werden und die Verunreinigungen anschließend elektrochemisch abgeschieden oder mittels Flockungsmitteln ausgefällt werden. Typischerweise werden nicht ausfällbare Wasserinhaltsstoffe im Anschluss über Aktivkohlefilter, Ionentauscherharze oder über nassoxidative Verfahren abgeschieden oder oxidiert.
• Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Aufbereitung und Reinigung von Feststoffgemengen kann typischerweise nicht gewährleistet werden, dass der aus dem Feststoffgemenge abzuscheidende Stoff, insbesondere perfluorierte und/oder polyfluorierte Chemikalien (PFC), tatsächlich vollständig aus dem Feststoffgemenge ausgetrieben wurde und folglich in seiner Gesamtmenge im sogenannten Schmutzwasser vorliegt. Als Schmutzwasser wird in diesem Zusammenhang das Prozesswasser gemischt mit den Kontaminationen und mineralischen Feinstanteilen des Feststoffgemenges bezeichnet.
• Zudem können mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren viele Wasserinhaltsstoffe, wie beispielsweise amphiphile Substanzen, nur in geringem Umfang abgeschieden werden. Folglich wird ein hoher Aufwand betrieben, um amphiphile Substanzen durch mehrmalige Wiederholung der Reinigungsverfahren aus dem Feststoffgemenge oder dem Schmutzwasser abzuscheiden. Der in solchen Verfahren große Anteil an nicht ausfällbaren festen, flüssigen und/oder gasförmigen Inhaltsstoffen führt zu einer schnellen Beladung von nachgeschalteten Kohlefiltern und Ionentauscherharzen und somit zu einem hohen Kosten- und Zeitaufwand für die Instandhaltung der stark beanspruchten Anlagenmodule. Werden, wie in bekannten Verfahren vorgeschlagen, die nicht ausfällbaren Wasserinhaltsstoffe über nassoxidative Verfahren abgeschieden oder oxidiert, ist insbesondere der hohe Raumbedarf und Kostenaufwand nachteilig. Zudem kann es bei nassoxidativen Verfahren zu unerwünschten Reaktionen kommen, bei denen neue ungewünschte Verbindungen, wie beispielsweise Chlorate, entstehen.
• Es besteht daher ein großer Bedarf an einem Verfahren zur Aufbereitung und Reinigung eines Feststoffgemenges, das die aus dem Stand der Technik genannten Nachteile vermeidet. Das Verfahren soll dabei eine zuverlässige und wartungsarme Aufbereitung und Reinigung eines Feststoffgemenges mit unterschiedlichsten Kontaminationen, insbesondere PFC, gewährleisten sowie kostengünstig, nachhaltig und aufwandsarm an die Art der Ausgangsstoffe und/oder Kontaminationen anpassbar sein.
• Diese Aufgabe wird auf überraschend einfache, aber wirkungsvolle Weise durch ein Verfahren zur Aufbereitung und Reinigung eines Feststoffgemenges nach der Lehre des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das zu reinigende Feststoffgemenge mit einer ersten Adsorbenskomponente direkt in Kontakt gebracht, welche eine chemische Verbindung umfasst oder eine chemische Verbindung ist, die eine lipophile Gruppe enthält, wobei die lipophile Gruppe ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus Alkylgruppen, die vorzugsweise zumindest eine Octyleneinheit umfassen, Arylgruppen und Aralkyl-Gruppen.
• Eine derartige, beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Adsorbenskomponente wurde bisher ausschließlich zur Reinigung von Abwässern, die bei der Reinigung von Feststoffgemengen entstehen, eingesetzt. Die Erfinder haben nun überraschenderweise festgestellt, dass ein direkter Kontakt des zu reinigenden Feststoffgemenges mit einer derartigen Adsorbenskomponente eine gravierende Verbesserung bei der Reinigung eines kontaminierten Feststoffgemenges bringt. Bislang wurde das Feststoffgemenge nur mit Wasser gereinigt. Wird nun bereits das Feststoffgemenge mit einer o. g. Adsorbenskomponente in Kontakt gebracht und anschließend vom Eluat getrennt, stellt man fest, dass bei einer weiteren Spülung mit Wasser in dem dann entstehenden Eluat kaum noch fluorierte organische Verbindungen zu finden sind. Dies wird eindrucksvoll durch die als 6 beiliegende Tabelle, welche die Ergebnisse eines entsprechenden Vergleichsversuchs zeigt, bestätigt. Es ist davon auszugehen, dass die eingesetzte Adsorbenskomponente beim Inkontaktbringen mit dem Feststoffgemenge die Körner dieses Gemenges benetzt sowie in Poren des Feststoffgemenges eindringt und dort die abzutrennenden Verbindungen bindet.
• Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders gut zur Abtrennung fluorierter organischer Verbindungen aus einem Feststoffgemenge. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch auch zur Abtrennung anderer Schadstoffe, wie beispielsweise Cyanid, Sulfat-, Quecksilber-, Uranyl-Verbindungen usw. eingesetzt werden.
• In aller Regel handelt es sich bei der ersten Adsorbenskomponente um eine Flüssigkeit oder um eine Lösung, enthaltend die erste Adsorbenskomponente. Hierdurch wird erreicht, dass die erste Adsorbenskomponente die Körner des zu reinigenden Feststoffgemenges benetzen, in die Poren des Feststoffgemenges eindringen und unmittelbar mit den im Haftwasser, welches die Körner des Feststoffgemenges benetzt, gelösten, abzutrennenden Verbindungen reagieren kann. Es hat sich herausgestellt, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn es sich bei der ersten Adsorbenskomponente um ein Derivat, insbesondere einen Ester und/oder ein Amid und/oder ein Amin der Ölsäure handelt oder dass die erste Adsorbenskomponente eine derartige Verbindung umfasst. Viele Derivate der Ölsäure haben zudem den großen Vorteil, dass sie biologisch abbaubar sind. Dies gilt insbesondere für Derivate der Ölsäure, welche neben Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff auch Stickstoff umfassen.
• Wie oben ausgeführt, enthält die erfindungsgemäß eingesetzte erste Adsorbenskomponente eine lipophile Gruppe. Diese umfasst entweder eine Alkyl-Gruppe, eine Aryl-Gruppe und/oder eine Aralkyl-Gruppe. Die Alkyl-Gruppe kann mit Vorteil eine Octyleneinheit sein oder eine Octyleneinheit enthalten. Mit noch längeren Alkylen- bzw. Alkyl-Gruppen kann die Lipophilie weiter erhöht werden, was bei bestimmten abzutrennenden fluorierten organischen Verbindungen von Vorteil sein kann. So kann als lipophile Gruppe beispielsweise eine Decyleneinheit oder Decyleinheit verwendet werden oder gar eine Dodecyleinheit bzw. Dodecyleneinheit. Als Aryl-Gruppen kommen insbesondere Phenyl-Gruppen oder Phenylen-Gruppen in Betracht, die unsubstituiert sind oder auch substituiert sein können (auch hier insbesondere wiederum mit weiteren reinen Kohlenwasserstoffen in aromatischer oder aliphatischer Form). Als Aralkyl-Gruppen kommen beispielsweise Benzyl-Gruppen in Betracht. Die Aralkylgruppen, beispielsweise die Benzyl- bzw. Benzylen-Gruppen können substituiert oder unsubstituiert sein. Auch Benzylen-Gruppen, bei denen an den aromatischen Ring die ionische Gruppe gebunden ist, sind denkbar. Um die Wechselwirkung mit den zu adsorbierenden fluorhaltigen Verbindungen zu verstärken, können die Alkyl-Gruppe, Aryl-Gruppe beziehungsweise Aralkyl-Gruppe ebenfalls teilfluoriert oder perfluoriert sein. Insbesondere sind hierbei teilfluorierte oder perfluorierte Alkyl oder Alkyleneinheiten in diesen Gruppen zu nennen.
• Bei einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält die erste Adsorbenskomponente neben der lipophilen Gruppe eine hydrophile Gruppe, wobei die hydrophile Gruppe zumindest eine kationische und/oder eine anionische Gruppe enthält.
• Generell ist eine „kationische Gruppe“ der ersten Adsorbenskomponente im Rahmen dieser Anmeldung so zu verstehen, dass diese Gruppe in einem gegebenen Fluid stets kationisch ist oder alternativ nur unter bestimmten Bedingungen als Kation vorliegt. Insbesondere bei wässrigen Fluiden kann die kationische Gruppe daher bei höheren pH-Werten in der Neutralform und nur bei niedrigeren pH-Werten zumindest teilweise in der protonierten Form vorliegen, wie dies häufig bei primären, sekundären oder tertiären Aminen der Fall ist. Wesentlich ist dann, dass auch in einem gegebenen kontaminierten Fluid die kationische Gruppe zu einem gewissen Anteil in der protonierten Form vorliegt. So weisen primäre, sekundäre und tertiäre niedermolekulare Amine in Wasser einen pK_B von ca. 4 auf. In pH neutralen Wässern liegt daher im Regelfall überwiegend die protonierte Form vor. Nur in stark alkalischen Wässern kann der protonierte Anteil deutlich niedriger sein. Er sollte aber zumindest 1%, bevorzugt zumindest 10%, sein. Um zu einer effektiveren Adsorption zu gelangen, kann bei derartigen kationischen Gruppen dann eine Vorbehandlung der kontaminierten Wässer erfolgen, in der der pH-Wert gesenkt wird.
• Gemäß einer Ausführungsform kann diese in der ersten Adsorbenskomponente enthaltene kationische Gruppe insbesondere ein Ammonium-Ion, meist ein organisch substituiertes Ammonium sein (wobei häufig die hydrophobe Gruppe als „organischer Substituent“ des Ammoniums fungiert), sie kann aber auch ein primäres, sekundäres oder tertiäres Amin sein. Gegebenenfalls kann bei primären, sekundären oder tertiären Aminen in einer Modifizierungsreaktion eine Quaternisierung erfolgen, so dass zumindest teilweise quaternäre Amingruppen gebildet werden, auch in zwitterionischen Verbindungen wie Betain-Strukturen. Ferner kann die kationische Gruppe auch ein Phosphonium-Ion sein und hier insbesondere wieder ein organisch substituiertes Phosphonium (bei dem im Regelfall die hydrophobe Gruppe als organischer Substituent dient). Schließlich kann die kationische Gruppe auch in Form eines Metallkomplexes vorliegen, beispielsweise eines Übergangsmetallkomplexes (hierbei kann eine Verknüpfung mit der hydrophoben Gruppe ebenfalls im Metallkomplex vorhanden sein, wobei hierbei eine ganze Reihe von Möglichkeiten besteht; beispielsweise kann die hydrophobe Gruppe Bestandteil eines Liganden des Metallkomplexes sein oder auch der Ligand selbst sein).
• Liegt als kationische Gruppe ein organisch substituiertes Ammonium oder Amin vor, so ist dabei häufig einer der Substituenten die lipophile Gruppe oder enthält die lipophile Gruppe. Als weitere organische Substituenten liegen häufig Alkyl-Gruppen vor, beispielsweise Methyl-, Ethyl- oder n- bzw. i-Propyl-Gruppen.
• Vorzugsweise besitzt die erste Adsorbenskomponente die Formel R¹-E-L-X, R¹-L-E-X oder R¹-E-X besitzt, worin R¹ die lipophile Gruppe, E die hydrophile Gruppe, L ein Linker und X eine reaktive funktionelle Gruppe ist, die eine chemische Reaktion mit einem Fluid eingehen kann oder Wasserstoffbrücken mit diesem ausbilden kann.
• Der Linker L kann eine beliebige Gruppe sein, die nicht durch die Definition der hydrophilen Gruppe, der lipophilen Gruppe und der reaktiven Gruppe erfasst wird. Denkbar sind beispielsweise Alkylengruppen (beispielsweise CH₂ oder C₂H₄) zwischen E und X oder Ester- oder Ethergruppen zwischen R¹ und E.
• Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die reaktive Gruppe X eine, zwei oder mehrere Hydroxygruppen aufweisen oder es können durch die Reaktion der Gruppe X mit dem Fluid eine, zwei oder mehrere Hydroxygruppen ausgebildet werden. Hierdurch wird die Hydrophilie der hydrophilen Gruppe erhöht, was im Einzelfall vorteilhaft sein kann.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die funktionelle Gruppe X ausgewählt sein aus Epoxid-Gruppen und Gruppen, die in einer S_N-Reaktion zu einer Hydroxygruppe reagieren, insbesondere 2-Chlorethanol-Gruppen, Alkyl-Sulphonat-Gruppen, Brom-Alkyl-Gruppen oder Iod-Alkyl-Gruppen.
• Vorzugsweise sind in der ersten Adsorbenskomponente der Formel R¹-E-L-X, R¹-L-E-X oder R¹-E-X zwei oder mehr Gruppen X oder X-L an die hydrophile Gruppe gebunden und X ist jeweils eine über einen Methylen-, Ethylen- oder Propylen-Linker gebundene Ether-Gruppe, insbesondere Ethyl- oder Methyl-Ether-Gruppe, oder in der ersten Adsorbenskomponente der Formel R¹-E-L-X, R¹-L-E-X oder R¹-E-X ist zumindest eine Gruppe X oder X-L an die hydrophile Gruppe gebunden, die eine vicinale Diolgruppe enthält, oder enthält einen Precursor für eine durch Reaktion mit dem Fluid gebildete vicinale Diolgruppe.
• Bei der vorstehend genannten Ausführungsform ergeben sich demnach insbesondere die Formeln R¹-E-(L-X_n), R¹-E-(L-X)_n, R¹-L-E-X_n oder R¹-E-X_n. Hierbei kann dann n 2 oder 3 sein, im Fall der zuerst genannten Verbindung aber auch größer als 3 sein. L und X können jeweils gleich oder auch verschieden sein. Liegen mehrere derartige Gruppen X vor, so kann X jeweils eine über einen Methylen-, Ethylen- oder Prophylenlinker gebundene Ethergruppe, insbesondere Ethyl- oder Methyl-Ether-Gruppe sein. Mit derartigen multiplen Substituenten kann der gleiche Effekt wie bei einem einzigen Polyol-Substituent erzielt werden. Ferner können als Gruppen X zumindest zwei Alkohol-Gruppen oder Precursor, aus denen durch Reaktion mit dem Fluid Alkohol-Gruppen gebildet werden können, vorliegen. Insbesondere sind hierbei vicinale Diolgruppen bzw. Precursorstrukturen zu nennen.
• Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dem zu reinigenden Feststoffgemenge, insbesondere dem zu reinigenden Sand des Weiteren eine zweite Adsorbenskomponente beigemengt, welche ein festes Adsorbens ist und welche vorzugweise ausgewählt ist aus Aktivkohlen, Aluminiumoxiden, Kieselgelen, Rußen, Zeolithen und Kohlenhydraten, insbesondere faserförmigen oder mikrokristallinen Zellulosen.
• Durch den spezifischen Strukturaufbau der ersten Adsorbenskomponente kann diese gewissermaßen als Carrier-Verbindung fungieren; für die abzutrennenden Stoffe kann eine maßgeschneiderte Einstellung der Wechselwirkungen Additiv/fluorierte organische Verbindungen erfolgen, sodass die Bildung eines Adduktes erfolgt, das mittels der zweiten Adsorbenskomponente nachfolgend abgetrennt werden kann.
• Die erste Adsorbenskomponente kann an die zweite Adsorbenskomponente gebunden vorliegen. Hierbei ist eine besonders effektive Abtrennung von organischen Verbindungen, insbesondere von fluorierten organischen Verbindungen aus einem Feststoffgemenge möglich.
• Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufbereitung und Reinigung eines Feststoffgemenges die folgenden Schritte:
1. a. Sieben des Feststoffgemenges; und
2. b. Auflösen von Agglomeraten und/oder Trennen von Feststoff und einer Leichtfraktion; und
3. c. Sieben des Feststoffs unter Wasserbedüsung und Bildung eines Wasser-Feststoff-Gemischs; und
4. d. Separieren des Wasser-Feststoff-Gemischs in Abhängigkeit der Korngröße und Entwässerung des Wasser-Feststoff-Gemischs und/oder der Leichtfraktion; und
5. e. Zugeben eines Flockungsmittels und/oder eines Adsorbens zum Schmutzwasser, wobei das Schmutzwasser im Wesentlichen Wasser und mineralische Feinstanteile umfasst; und
6. f. Eindicken des Schmutzwassers im Eindicker; und
7. g. Ableiten einer Leichtflüssigkeit und/oder Leichtfraktion und Prozesswassers; und
8. h. Abziehen von Schlamm aus dem Eindicker in einen Konditionierbehälter; und
9. i. Entwässern des eingedickten Schlamms und Ausgeben eines Filterkuchens und Prozesswassers.
• Dieses Verfahren beruht dabei auf dem Grundgedanken, kontaminiertes Feststoffgemenge durch Separierung sowie die Zugabe von Adsorbenzien vollständig zu reinigen.
• Der Begriff „Feststoffgemenge“ betrifft dabei granulare Materie die insbesondere beim Bodenaushub anfällt. Je nach Zusammensetzung kann das Feststoffgemenge beispielsweise, jedoch keineswegs ausschließlich, Sand, Kies, Geröll, Humus, Schotter, Organik, Metall sowie künstlich hergestellte Steine umfassen.
• Im Rahmen der Erfindung betrifft der Begriff „Sieben“ das Klassieren zur Größentrennung des Feststoffgemenges mittels Siebverfahren. Dem Fachmann ist bekannt, dass dabei das zu trennende Material auf ein Sieb gegeben wird, welches in Rotation versetzt oder geschüttelt wird. Bevorzugt wird das Sieben technisch ausgeführt, wozu beispielsweise Siebanlagen, Magnetabscheider und/oder Luftklassierer eingesetzt werden.
• Der Begriff „Feststoff“ betrifft eine granular vorliegende Materie, die im Wesentlichen aus mineralischen Bestandteilen zusammengesetzt ist. Dies kann beispielsweise eine Zusammensetzung aus Sand, Schotter und Kies unterschiedlicher Korngrößen umfassen.
• Ein weiterer Bestandteil des zu reinigenden Feststoffgemenges wird als Leichtfraktion bezeichnet. Es ist dem Fachmann bekannt, dass der Begriff „Leichtfraktion“ im Rahmen der Erfindung diejenigen Bestandteile des Feststoffgemenges betrifft, welche leichter sind als die mineralischen Bestandteile. Dies können beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, Blätter, Holz und/oder Stroh sowie weitere organische Stoffe sein. Im Zuge der Reinigung und Aufbereitung des Feststoffgemenges ist es notwendig, Leichtfraktionen vom Feststoff zu trennen sowie Agglomerate, welche Feststoffe und/oder Leichtfraktionen enthalten, aufzulösen. Im Rahmen der Erfindung ist es als vorteilhaft erkannt worden, dass durch Umwälzen des Feststoffs in einem nass-mechanischen Aggregat Strömungen und Scherkräfte erzeugt werden, welche dazu führen, dass das Feststoffgemenge im Wasser suspendiert, dispergiert, emulgiert und/oder gelöst wird. Bevorzugt wird die Leichtfraktion mittels einer Aufstromklassierung, welche durch die Strömung infolge einer bodenseitigen Wasserzufuhr ermöglicht wird, an die Wasseroberfläche transportiert und abgeschieden. Für diesen Verfahrensschritt kann eine mit Paddeln versehene, jedoch im Wesentlichen spiralförmige Sandschnecke zum Einsatz kommen oder alternativ ein Schwertwäscher mit zwei parallel laufenden Schnecken und durchgehenden Paddeln. Durch diese speziellen Konstruktionen der einwelligen Sandschnecke und/oder des Schwertwäschers können verstärkt mechanische Kräfte auf das Feststoffgemenge aufgebracht werden und die Agglomerate optimal gelöst werden. Weiterhin ist es denkbar, das Auflösen von Agglomeraten und/oder Trennen von Feststoff und einer Leichtfraktion in einer horizontalen oder vertikalen Attritionszelle durchzuführen. Hierbei werden durch Rührflügel Scherkräfte auf das Feststoffgemenge aufgebracht und somit die Agglomerate in einfacher Art und Weise aufgelöst. Der Verfahrensschritt b) beruht auf den Grundgedanken, das Feststoffgemenge durch intensiven mechanischen Krafteintrag aufzuschließen, Anhaftungen zu entfernen und für die weitere Reinigung und Aufbereitung vorzubereiten.
• Im Rahmen der Erfindung betrifft der Begriff „Wasserbedüsung“ das Einbringen von Wasser über Düsen in eine Siebanlage zur Bildung eines Wasser-Feststoff-Gemischs. Die Wasserbedüsung dient einerseits der Reinigung des körnigen Feststoffgemenges von in den vorherigen Schritten zurückgebliebenen Feinstkornanhaftungen und andererseits als Siebhilfe. Vorteilhafterweise erfolgt das Sieben auf einer Vibrationssiebanlage zur Klassierung des Feststoffs nach Korngrößen. Das nach dem Sieben zurückgebliebene Wasser-Feststoff-Gemisch, welches in die Fangwanne der Vibrationssiebanlage fällt, wird dem nachfolgenden Schritt d) zugeführt. Folglich enthält das Wasser-Feststoff-Gemisch, nach Schritt c) nur noch Feststoff mit einer maximalen Korngröße entsprechend dem Siebdurchgang des Siebs mit der geringsten Maschenweite. Bevorzugt werden beim Sieben des Feststoffs unter Wasserbedüsung die Feststoffe größer 4 mm ausgesiebt und entsprechend ihrer Korngröße aufgehaldet. Bevorzugt wird der Feststoff auf drei Halden verteilt, wovon eine Halde Feststoff mit einer Korngröße von 16 bis 32 mm umfasst, eine zweite Halde Feststoff mit einer Korngröße von 8 bis 16 mm und eine dritte Halde Feststoff mit einer Korngröße von 4 bis 8 mm.
• Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt nach dem Sieben das Separieren des Wasser-Feststoff-Gemischs in Abhängigkeit der Korngröße sowie die Entwässerung des Wasser-Feststoff-Gemischs und/oder der Leichtfraktion. Bevorzugt wird das Wasser-Feststoff-Gemisch einer Aufstromklassierung oder Zentrifugalkräften ausgesetzt, wodurch - wenn es gewünscht ist - Scherkräfte an den Oberflächen des Feststoffs wirken, welche zu einer weiteren Reinigung des Feststoffs führen. Vorteilhafterweise führen die Zentrifugalkräfte und/oder Aufstromklassierung zudem zu einer Separierung des Wasser-Feststoff-Gemischs nach Korngröße, so dass auf einfache Art und Weise Feststoffe mit relativ großer Korngröße ausgetragen und aufgehaldet werden können. Bevorzugt werden Feststoffe mit einer Korngröße zwischen 4 und 0,063 mm in diesem Schritt des Verfahrens ausgetragen, was bevorzugt in einem Aufstromklassierer und/oder in einem Hydrozyklon oder einer Hydrozyklongegenstromwaschanlage bestehend aus mehreren in Reihe geschalten Hydrozyklone zum Zweck der Sandwäsche oder einer Zentrifuge erfolgt, auf den das Wasser-Feststoff-Gemisch tangential aufgegeben wird. Die anschließende Entwässerung des Wasser-Feststoff-Gemischs dient der Abscheidung von organischen Bestandteilen, so dass nach dem Schritt des Separierens und der Entwässerung ein Wasser-Feststoff-Gemisch verbleibt, welches Feststoffe relativ kleiner Korngröße umfasst, bevorzugt einer Korngröße kleiner 0,063 mm. Erfindungsgemäß wird das nach dem Separieren und Entwässern verbleibende Wasser-Feststoff-Gemisch mit Feststoffanteilen mit einer sehr kleinen Korngröße mit dem Begriff „Schmutzwasser“ bezeichnet.
• In Verfahrensschritt e) wird dem Schmutzwasser, das im Wesentlichen Wasser und mineralische Feinstanteile umfasst, ein Flockungsmittel und/oder ein Adsorbens zugegeben. Der Begriff „mineralische Feinstanteile“ betrifft im Rahmen der Erfindung mineralische Anteile im Wasser-Feststoff-Gemisch mit einer relativ kleinen Korngröße, bevorzugt einer Korngröße unter 0,063 mm. Es ist einem Fachmann des Weiteren verständlich, dass die Zugabe eines Flockungsmittels die Zusammenlagerung kleinster Schmutzpartikel in Flüssigkeiten, im Rahmen der Erfindung im Schmutzwasser, fördert. Zudem ist es dem Fachmann bekannt, dass sich an der großen spezifischen Oberfläche eines Adsorbens Stoffe aus Gasen und/oder Flüssigkeiten anreichern. Erfindungsgemäß dient die Zugabe eines Adsorbens der Anlagerung mineralischer Feinstanteile und der Entfernung von Kontaminationen aus dem Schmutzwasser. Erfindungsgemäß werden bevorzugt poröse Materialien als Adsorbens dem Schmutzwasser zugegeben, wobei das Adsorbens noch weiter bevorzugt chemisch modifiziert ist. Als Flockungsmittel werden bevorzugt kationische, anionische und/oder nicht ionische Polyelektrolyte verwendet, welche beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, auf Basis von Polyacrylat, Polyacrylamid, Polyethylemin und/oder Polyethylenoxid erzeugt werden. Daneben haben sich Tenside, tanninhaltige oder betonithaltige Flockungsmittel als vorteilhaft erwiesen. Zudem ist es als vorteilhaft erkannt worden, ein nicht ionisches synthetisches, natürliches und/oder anorganisches Flockungshilfsmittel zuzugeben. Dem Fachmann ist es verständlich, dass ein Flockungshilfsmittel den Vorgang der Flockung optimiert und somit zu einer Verkürzung des Zeitraums bis zur Zusammenlagerung der Feinstanteile beiträgt. Bevorzugt werden als Flockungshilfsmittel Stärke, Leim, Polyaluminiumverbindungen, Aluminiumsalze und/oder Eisensalze eingesetzt.
• Der Begriff „Eindicker“ betrifft eine Anlage zur Eindickung von Schmutzwasser durch Absinken von Feststoff und Aufsteigen von Leichtfraktion und Leichtflüssigkeit, wobei bereits in der Schmutzwasserzuführung die durch das Flockungsmittel hervorgerufene Flockenbildung beginnt. Der Begriff „Leichtflüssigkeit“ betrifft dabei Flüssigkeiten, welche eine geringere Dichte als Wasser aufweisen und sich somit im Eindicker oberhalb des Wassers sammeln. Dabei ist dem Fachmann bekannt, dass Leichtflüssigkeiten im Rahmen der Erfindung beispielsweise Öle, Fette, Emulsionen, Phenole, gelöste Kohlenwasserstoffe, aliphatische und/oder aromatische Kohlenwasserstoffverbindungen umfassen. Das Schmutzwasser wird im unteren Bereich des Eindickers eingedickt, wobei es nach oben hin durch eine Flockungsschicht begrenzt wird. Diese Flockungsschicht umfassend zusammengelagerte Feinstanteile des Feststoffs wirkt gegenüber aufströmenden Feststoff wie eine Filtrationsschicht, so dass weitere Feinstanteile des Feststoffs koagulieren und sedimentieren. Als Eindicker werden vorzugsweise ein Hochleistungsklärturm (Kompressionsklärer), ein Schräglamellenklärer und/oder ein Flachklärer mit integriertem Krällwerk verwendet. Besonders bevorzugt wird ein Hochleistungsklärturm verwendet, welcher ein mittig zentriertes Einlaufrohr, welches circa ein Drittel in die Tiefe des Eindickers reicht, umfasst, über welches das Schmutzwasser in den Hochleistungsklärturm eingebracht wird.
• Das Eindicken des Schmutzwassers im Eindicker führt dazu, dass sich im Wesentlichen drei Schichten im Eindicker ausbilden; nämlich eine Schlammschicht umfassend den eingedickten Feststoff, eine Schicht umfassend Leichtflüssigkeit und/oder Leichtfraktion sowie eine dritte dazwischen liegende Schicht umfassend im Wesentlichen Prozesswasser. Erfindungsgemäß werden Leichtflüssigkeiten und/oder Leichtfraktionen an der Oberfläche des im Eindicker eingedickten Schmutzwassers abgeleitet. Die Ansammlung von Leichtflüssigkeit und/oder Leichtfraktion an der Wasseroberfläche führt dazu, dass unterhalb der Schicht aus Leichtflüssigkeit und/oder Leichtfraktion Prozesswasser aus dem Eindicker abgeleitet und einem Prozesswassertank zugeführt werden kann. Der Begriff „Prozesswasser“ betrifft dabei geklärtes Wasser, das im Verfahren, bevorzugt beim Sieben des Feststoffs unter Wasserbedüsung, beim Separieren des Wasser-Feststoff-Gemischs und/oder zur Rückspülung von Filteranlagen, wiederverwendet oder als gereinigtes Wasser ausgeleitet werden kann.
• Im Rahmen der Erfindung ist es erkannt worden, dass sich am Boden des Eindickers ein Schlamm aus Feststoffen absetzt. Dieser wird zur Weiterverarbeitung in einen Konditionierbehälter abgezogen und dort gesammelt und gespeichert. In diesem Zusammenhang betrifft der Begriff „Konditionierbehälter“ einen Behälter mit einer Apparatur zum mechanischen Rühren (oder eine im Kreislaufbetrieb laufende Umpumpstation) von mit Feststoff angereicherter Flüssigkeit, bevorzugt Schlamm. Bevorzugt wird im Konditionierbehälter zum Rühren des Schlamms ein zweiflügeliges Rührwerk oder mittels Exzenterschnecken oder Kolbenmembranpumpe im Kreislauf betriebene Umpumpstation verwendet, welches den Schlamm in Bewegung hält und somit vor Verfestigung schützt.
• Dabei ist dem Fachmann bekannt, dass vor dem Hintergrund der Erfindung der Begriff „Schlamm“ die im Eindicker abgesunkenen Feststoffe betrifft. Ebenso ist es dem Fachmann verständlich, dass zum Abziehen des Schlamms aus dem Eindicker in den Konditionierbehälter bevorzugt eine Schlammpumpe verwendet wird. Noch mehr bevorzugt wird eine Kolbenmembranpumpe oder Exzenterschneckenpumpe eingesetzt.
• Im Rahmen der Erfindung ist es erkannt worden, dass der eingedickte Schlamm nach Abziehen aus dem Eindicker entwässert werden muss, um Filterkuchen und Prozesswasser getrennt ausgeben zu können. Dabei betrifft der Begriff „Entwässern“ das gezielte Abführen von Wasser, bevorzugt Prozesswasser, aus dem eingedickten Schlamm. Dies erfolgt mit Hilfe von Entwässerungsaggregaten, bevorzugt mit einer Kammerfilterpresse, Bandfilterpresse, einem Vakuumbandfilter und/oder einer Dekantierzentrifuge. Es ist dem Fachmann bekannt, dass durch die Zugabe von Zuschlagstoffen, wie beispielsweise Spülflüssigkeit mit Reinigungsmitteln, im Entwässerungsaggregat eine zusätzliche Reinigung des Schlamms erfolgen kann. Zudem besteht die Möglichkeit, bevorzugt in der Dekantierzentrifuge, eine Trennscheibe zum Abscheiden von Leichtfraktionen vorzusehen.
• Der Begriff „Filterkuchen“ betrifft erfindungsgemäß den entwässerten Schlamm, dem Fachmann auch als Retentat bekannt, der als stichfester Kuchen ausgetragen und aufgehaldet wird. Das beim Entwässern abfiltrierte Prozesswasser, dem Fachmann auch als Permeat bekannt, kann anschließend im Verfahren wiederverwendet werden.
• Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es somit möglich, ein Feststoffgemenge physikalisch und/oder chemisch aufzubereiten und zu reinigen, wobei die Ablagerung von kontaminiertem Feststoffgemenge minimiert wird. Insbesondere die Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem nachgeschalteten thermischen Verfahren führt zu wirtschaftlichen und ökologischen Vorteilen hinsichtlich der Separierung der Kontaminationen und der Verfügbarkeit von Deponien. Das im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagene Abscheiden von Kontaminationen aus dem Feststoffgemenge, insbesondere von per- und/oder polyfluorierten Chemikalien (PFC), durch physikalische Abscheidung sowie den Einsatz von Adsorbenzien führt zu einer Entlastung von Aktivkohlefiltern und Ionenharztauschern und somit zu einer effizienten und wartungsarmen Funktion dieser. Auf diese Weise ist es möglich, ein zuverlässiges und robustes Verfahren zur Aufbereitung und Reinigung eines Feststoffgemenges mit einem nachhaltigen Wertstoffkreislauf zu schaffen, in dem Prozesswasser wiederverwendet wird und der Anteil des zu deponierenden Feststoffs minimiert wird. Zudem kann durch Modifizierung der eingesetzten porösen Materialien, der Adsorbenzien, eine Anpassung des erfindungsgemäßen Verfahrens an auftretende Kontaminationen und/oder das Feststoffgemenge erfolgen, wodurch ein besonders hoher Abscheidegrad erreicht wird.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, welche einzeln oder in Kombination realisierbar sind, sind in den Unteransprüchen dargestellt.
• In einer Weiterbildung der Erfindung ist es denkbar, dass nach Schritt d) des erfindungsgemäßen Verfahrens ein zusätzlicher Schritt d1) erfolgt:
• d1. Zugeben von Kalziumoxid, Kalziumhydroxid und/oder Zeolith und/oder Kalkmilch.
• Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, den PH-Wert des Schmutzwassers zu regulieren und die Flockung sowie die Ausfällung im Eindicker durch chemische Reaktionen zu unterstützen.
• Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass nach Schritt f) zusätzlich die folgenden Schritte f1) bis f4) im Eindicker erfolgen:
• f1. Saturieren eines Teilschmutzwasserstroms mit komprimierter Luft in einer Zusatzapparatur und Aufspalten der Wasserinhaltsstoffe; und
• f2. Agglomerieren von Leichtflüssigkeit und/oder Leichtfraktion und Anlagern an einer Oberflächen-Affinitätsschicht; und
• f3. Austragen der Oberflächen-Affinitätsschicht zur Konstanthaltung der Oberflächen-Affinitätsschicht; und
• f4. Austragen von zwei Teilströmen-Prozesswasser aus dem Eindicker.
• Der Begriff „Saturieren“ betrifft dabei das Einbringen von komprimierter Luft bis zur Sättigung in einen Teilstrom des Schmutzwassers. Das Saturieren des Teilschmutzwasserstroms erfolgt bevorzugt in einer Zusatzapparatur im unteren Bereich des Eindickers. Auf diese Weise entsteht ein Dekompressionssystem, in dem Wasserinhaltsstoffe in einem Größenbereich von Mikro- und Nanometern aufgespalten werden. Durch die spezielle Strömungstechnik in der Zusatzapparatur wird ein Anziehungsprozess bewirkt, welcher zum Agglomerieren von Leichtflüssigkeit und/oder Leichtfraktion führt. Insbesondere durch den entstehenden Flotationseffekt werden die flüchtigen und gelösten Kohlenwasserstoffe an die Oberfläche getragen. Diese Ausgestaltung führt vorteilhafterweise zu einer Ausbildung einer Oberflächen-Affinitätsschicht, welche Leichtflüssigkeit und/oder Leichtfraktion aufgrund von Affinitätskräften anzieht und aufnimmt. Hierbei ist es dem Fachmann bekannt, dass die Dicke der Oberflächen-Affinitätsschicht exakt bemessen werden muss, so dass die anziehende Wirkung, insbesondere auf Kohlenwasserstoff enthaltende Elemente, aufrechterhalten wird. Erfindungsgemäß wird vor diesem Hintergrund stets nur ein Teil der Oberflächen-Affinitätsschicht ausgetragen, was dazu führt, dass die Schichtdicke der Oberflächen-Affinitätsschicht konstant gehalten wird, und die Affinitätskräfte optimal wirken. Auf diese Weise ist es möglich, eine stabile Verbindung der frei gewordenen Kohlenwasserstoffe und leichtflüssigen Gase in der Oberflächen-Affinitätsschicht zu gewährleisten und somit aufgrund der chemischen Verwandtschaft der kohlenwasserstoffhaltigen, aufflotierenden und sich agglomerierenden Stoffe die Reinigung von Schmutzwasser, insbesondere das Austragen von Leichtflüssigkeit und/oder Leichtfraktion, zu optimieren. Somit kann ohne Chemikalien und ohne Verbrauch an Betriebsstoffen, wie beispielsweise Aktivkohle oder Ionenharz bekannter Filtereinrichtungen, eine zuverlässige permanente Reinigung von Schmutzwasser auf robuste Art und Weise stattfinden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann zudem im Eindicker eine kurzwellige Lichtquelle und/oder ein Photonentransmitter vorgesehen sein, um die molekulare Aufspaltung der Wasserinhaltsstoffe und somit die Reinigung des Schmutzwassers zu fördern.
• Erfindungsgemäß hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Prozesswasser in zwei Teilströmen auszutragen, wobei ein erster Teilstrom einem Prozesswassertank direkt zugeführt werden kann, so dass nur der zweite Teilstrom in einer weiteren Reinigungsstufe von Leichtflüssigkeit und/oder Leichtstoff getrennt werden muss.
• Im Rahmen der Erfindung ist es zudem erkannt worden, dass es vorteilhaft ist, wenn Schritt f) das Zugeben eines Adsorbens und/oder eines Flockungsmittels umfasst. Bevorzugt werden hierbei poröse Materialien und/oder modifizierte poröse Materialien, welche speziell auf das zu reinigende Feststoffgemenge abgestimmt sind, eingesetzt. Hierdurch kann ein wesentlich erhöhter Abscheidegrad erreicht werden.
• In einer Weiterbildung der Erfindung ist es denkbar, dass in einer zweiten Reinigungsstufe nach Schritt i) zusätzlich Schritt i1) erfolgt:
• i1. Reinigen des gesamten Prozesswasser diskontinuierlich und/oder eines Teilstroms des Prozesswassers kontinuierlich und/oder eines Vollstroms des Prozesswassers kontinuierlich.
• Der Begriff „zweite Reinigungsstufe“ betrifft in diesem Zusammenhang eine zusätzliche Reinigung des aus dem Eindicker und/oder Konditionierbehälter abgezogenen Prozesswassers, welche in einer kompakten Reinigungseinheit stattfindet. Bevorzugt ist diese Reinigungseinheit zwischen einem ersten kleineren Prozesswassertank und einem zweiten größeren Prozesswassertank angeordnet. Weiter bevorzugt besteht die kompakte Reinigungseinheit aus Koaleszenzabscheider, Sandfilter und/oder Aktivkohlefilter. Noch weiter bevorzugt kann die kompakte Reinigungseinheit um eine kapazitative De-Ionisation und/oder Nassoxidation, wie beispielsweise UV-, Ozon-, Peroxiden-, Mikrowellenstrahlung und/oder Ionenharztauscher erweitert werden. Vorteilhafterweise sind unterschiedliche Betriebsweisen der zweiten Reinigungsstufe möglich. Zur etappenweisen Reinigung des gesamten Prozesswassers und/oder zur Freigabe von Prozesswasser in ein öffentliches Schmutzwassersystem wird die zweite Reinigungsstufe diskontinuierlich betrieben. Hierbei bleiben die zwischen dem größeren Prozesstank und dem kleineren Prozesstank vorgesehenen Zwischenventile geschlossen.
• Bleibt das zwischen dem großen Prozesstank und dem kleineren Prozesstank vorgesehene Zwischenventil offen, erfolgt eine kontinuierliche Reinigung eines Teilstroms des Prozesswassers in der zweiten Reinigungsstufe. Vorteilhafterweise wird das in der zweiten Reinigungsstufe aufbereitete Prozesswasser dem Verfahren erneut zugeführt. Bevorzugt wird der gereinigte Teilstrom des Prozesswassers über einen Zwischenbehälter und/oder direkt zur Siebanlage und/oder der nassmechanischen Aufbereitung zugeführt.
• Alternativ kann auch ein Vollstrom des Prozesswassers kontinuierlich in der zweiten Reinigungsstufe aufbereitet werden. Hierzu bleibt ebenfalls das zwischen dem großen Prozesstank und dem kleineren Prozesstank vorgesehene Zwischenventil geöffnet. Um den Vollstrom des Prozesswassers kontinuierlich zu reinigen fließt die gesamte Wassermenge zur zweiten Reinigungsstufe und kann anschließend wieder dem Verfahren zugeführt werden. Die zweite Reinigungsstufe hat eine Endreinigungs- und/oder Sicherungsfunktion, da die Kontaminationen im Wesentlichen bereits in den Verfahrensschritten a) bis i) ausgetragen werden. Falls jedoch beispielsweise aufgrund einer Funktionsstörung und/oder einer Beschädigung der in den vorgelagerten Schritten verwendeten Reinigungseinheiten keine anforderungsgemäße Reinigung und Aufbereitung des Feststoffgemenges möglich ist, dient die zweite Reinigungsstufe als Sicherung. Vorteilhafterweise kann die zweite Reinigungsstufe auch zur Erzielung eines besonders hohen Reinigungsgrads eingesetzt werden. Dem Fachmann ist dabei bekannt, dass es sich bei der zweiten Reinigungsstufe um einen sogenannten Polizeifilter handelt.
• Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, in der zweiten Reinigungsstufe gemäß Schritt i1) zur Reinigung des Prozesswassers einen Koaleszenzabscheider, einen Sandfilter und/oder Aktivkohlefilter einzusetzen, welcher eine zuverlässige Sicherungsfunktion übernimmt sowie zur Erzielung eines hohen Grads der Endreinigung eingesetzt wird.
• Es hat sich herausgestellt, dass eine sehr gute Reinigung erzielt wird, wenn bereits in Verfahrensschritt c) ein Adsorbens zum Wasser-Feststoff-Gemisch zugegeben wird. Zur Erzielung einer besonders großen Oberfläche werden bevorzugt fein vermahlene poröse Materialien oder fein vermahlene modifizierte Materialien als Adsorbenzien hinzugegeben. Die durch Zugabe der Adsorbenzien hervorgerufene Adsorption unterstützt maßgeblich die Reinigung des Feststoffgemenges durch Abscheidung und Adsorption von Kontaminationen aus dem Feststoffgemenge.
• Im Rahmen der Erfindung wird das Prozesswasser in zumindest einem Prozesswassertank gespeichert. Bevorzugt wird das Prozesswasser in einem größeren und einem kleineren Prozesswassertank gespeichert, wobei das Prozesswasser von dem kleineren Prozesswassertank der zweiten Reinigungsstufe zugeführt werden kann. Das Vorsehen eines größeren und eines kleineren Prozesswassertanks erlaubt unterschiedliche Betriebsweisen der zweiten Reinigungsstufe. Besonders bevorzugt kann das Prozesswasser in einen größeren Prozesswassertank, einen kleineren Prozesswassertank sowie einen Erdtank geleitet werden. Insbesondere bei längerem Betriebsstillstand, beispielsweise im Winter oder bei vollständiger Reinigung des Prozesswassers ist es vorteilhaft, wenn das Prozesswasser im Erdtank gespeichert werden kann.
• Um das erfindungsgemäße Verfahren möglichst kostengünstig und aufwandsarm umzusetzen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das gereinigte Wasser als Prozesswasser im Verfahren wiederzuverwenden. Dadurch kann die Zugabe von Frischwasser minimiert und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erhöht werden.
• Auf welche Art und Weise der Transport des Feststoffs zu Halden erfolgt, ist grundsätzlich beliebig. Es hat sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, den in den Schritten c) und d) vom Feststoffgemenge getrennten Feststoff mittels Förderbändern und/oder Entwässerungsschnecken zu den Halden zu transportieren. Der Begriff „Halde“ betrifft eine Anhäufung und/oder Aufschüttung von Material, erfindungsgemäß eine Anhäufung oder Aufschüttung des separierten Feststoffs. Bevorzugt werden je nach Korngrößenbereich des Feststoffs unterschiedliche Halden angelegt. Im Rahmen der Erfindung noch mehr bevorzugt wird eine Halde für Feststoffe mit einer Korngröße von 16 bis 32 mm, eine Halde für Feststoffe mit einer Korngröße von 8 bis 16 mm, eine Halde für Feststoffe mit einer Korngröße von 4 bis 8 mm, eine Halde für Feststoffe mit einer Korngröße von 0,063 bis 4 mm sowie eine Halde für organische Bestandteile angelegt. Insbesondere die mineralischen Feststoffe können als Wertstoffe einer weiteren Verwendung, beispielsweise als Baustoff, zugeführt werden. Hierbei ist dem Fachmann bekannt, dass Förderbänder eine besonders einfache und zuverlässige Möglichkeit zum Transport des gesiebten Materials bieten. Entwässerungsschnecken werden bevorzugt eingesetzt, um den abgeschiedenen Feststoff zu transportieren und gleichzeitig mit Prozesswasser zu beaufschlagen. Durch die zusätzliche Beaufschlagung mit Prozesswasser während des Transports zu den Halden kann das körnige Feststoffgemenge vor dem Aufhalden noch einmal endgereinigt werden. Das dabei abgeschiedene Schmutzwasser wird im Anschluss dem Eindicker und somit dem Verfahrensschritt f) zugeführt.
• Um Leichtflüssigkeit und/oder Leichtflüssigkeit ohne Zugabe von Verbrauchsmaterialien abzuscheiden, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn im Schritt g) der Feststoff zentrifugal nach außen geleitet wird und/oder die Leichtfraktion und/oder Leichtflüssigkeit zentripetal zur Mitte des Eindickers geleitet wird. Bevorzugt sind hierzu im Eindicker statt eines zentriert angeordneten Einlaufrohrs spiralförmig ausgebildete Strömungsleitwände vorgesehen. Diese Ausführungsform führt insbesondere bei Schmutzwasser mit hohem Anteil an Leichtfraktion und/oder Leichtflüssigkeit, wie beispielsweise Ölen, Fetten, Emulsionen, Mikrokunststoffen und/oder Nadelholznadeln dazu, dass sich die Leichtfraktion und/oder Leichtflüssigkeit zentripetal zur Mitte hin bewegt und die schwereren Feststoffe zentrifugal nach außen. Die Leichtfraktion und/oder Leichtflüssigkeit strömt an die Oberfläche und wird über die entstehende Wirbelenergie bzw. Wirbelsenke in einen konischen Leichtflüssigkeitsablauf abgeleitet. Hierdurch können auch sehr feine Ölschlieren abgeschieden werden. Bevorzugt weisen die spiralförmigen Strömungsleitwände unterschiedliche Wandabstände auf, wodurch eine pulsierende Strömung erzeugt wird, welche den Koaleszenzeffekt zur Feinstabscheidung der Leichtflüssigkeitströpfchen optimal unterstützt. Zudem beeinflusst die pulsierende Strömung auch die Sedimentation der schwereren Feststoffteilchen positiv. Weiter bevorzugt sind die spiralförmigen Strömungsleitwände mit Materialien beschichtet, welche die Bildung von Leichtflüssigkeitströpfchen unterstützen. Noch weiter bevorzugt ist die Außenwand mit oleophoben Materialien und die Innenwand mit oleophilen Materialien beschichtet.
• Vorteilhafterweise wird das Prozesswasser in Schritt g) in zwei Teileströmen aus dem Eindicker abgeleitet. Im Rahmen der Erfindung ist es dabei als wesentlich erkannt worden, dass ein erster Teilstrom weit unter der Wasseroberfläche und ein zweiter Teilstrom umfassend Leichtflüssigkeit und/oder Leichtfraktion nahe der Wasseroberfläche abgeleitet wird. Dies hat den Vorteil, dass der erste Teilstrom ohne weitere Verfahrensschritte direkt einem Prozesswassertank zugeführt werden kann. Der zweite Teilstrom umfasst aufgestiegene Leichtflüssigkeit und/oder Leichtfraktionen, wie zum Beispiel Öle, Fette, Emulsionen, Phenole, gelöste Kohlenwasserstoffe, aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffverbindungen, und wird deshalb separat abgeführt. Dieser zweite Teilstrom muss vor Zuführung in den Prozesswassertank gesiebt werden, um ausreichend gereinigtes Prozesswasser zu erhalten. Das Sieben erfolgt bevorzugt in einer Vibrationssiebmaschine und/oder einer Rotationssiebmaschine. Hierbei werden größere Partikel, wie beispielsweise Mikrokunststoffe, EPS und/oder Tannennadeln, ausgetragen und das verbleibende Prozesswasser mit flüssigen und/oder gasförmigen Inhaltsstoffen wie zum Beispiel gelösten Kohlenwasserstoffen, Wasserstoffen, aromatischen und/oder aliphatischen Kohlenwasserstoffverbindungen einem Abscheidebehältnis zugeführt.
• Zur effizienten Durchführung des Verfahrens hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Feststoffgemenge in Korngrößen von bis zu 40 mm dem Verfahren zugeführt wird.
• Im Rahmen der Erfindung hat es sich zudem als vorteilhaft erwiesen, dass in den Schritten a) bis d) Feststoff mit einer Korngröße von mehr als 0,063 mm von dem Feststoffgemenge separiert und aufgehaldet wird. Diese Feststoffe können als Wertstoffe einer weiteren Verwendung zugeführt werden. In der Folge weist das Schmutzwasser somit Feststoff mit einer maximalen Korngröße von 0,063 mm auf, wodurch in den nachfolgenden Verfahrensschritten eine zuverlässige Reinigung und Aufbereitung des Schmutzwassers gewährleistet werden kann. Dabei ist dem Fachmann bekannt, dass Feststoff mit einer Korngröße von weniger als 0,063 mm als Schluff bezeichnet wird.
• Dabei ist es im Rahmen der Erfindung als wesentlich erkannt worden, dass das Verfahren besonders wirtschaftlich durchgeführt werden kann, wenn in den Schritten a) bis d) 95 % des Feststoffgemenges separiert werden, und 5 % des Feststoffgemenges dem Schritt e) zugeführt werden. Das heißt, dass das Feststoffgemenge einen Schluff-Anteil von 5 % aufweist, welcher gelöst im Schmutzwasser vorliegt und dem Eindicker zugeführt wird.
• Um eine wirtschaftliche Entsorgung der in Schritt b) abgeschiedenen Leichtfraktion zu gewährleisten, ist es vorteilhaft die organischen Verunreinigungen in Kunststoffe und/oder Holz zu klassieren. Dadurch können diese kostengünstig einer gesonderten Verwertung zugeführt werden.
• Im Rahmen der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Filterkuchen einer Verbrennung zugeführt wird. Besonders bevorzugt wird der ausgefüllte Filterkuchen in einem Drehrohrofen bei Temperaturen über 1.100 °C verbrannt. Vorteilhafterweise fällt nur eine geringe Menge Filterkuchen im Verfahren an, da weniger als 5 % des in das Verfahren eingebrachten Feststoffgemenges eine Korngröße von unter 0,063 mm aufweist.
• Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf eines der Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den nachfolgenden Figuren schematisch dargestellt.
• Es zeigen:
• 1 ein Prozessdiagramm gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zur Aufbereitung und Reinigung eines Feststoffgemenges;
• 2 eine Ausführungsform eines Eindickers in seitlicher Ansicht;
• 3 eine alternative Ausführungsform eines Eindickers mit Einbauten für Schmutzwasser mit einem hohen Anteil von Leichtfraktion und/oder Leichtflüssigkeit in Ansicht von oben und seitlicher Ansicht;
• 4 eine weitere alternative Ausführungsform eines Eindickers mit Zusatzapparatur zum Saturieren eines Teilschmutzwasserstroms in Ansicht von oben und seitlicher Ansicht;
• 5 eine tabellarische Aufstellung der Abscheidungen des in 4 dargestellten Eindickers;
• 6 Tabelle mit Ergebnissen von Vergleichsversuchen und
• 7 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
• In 1 ist eine Ausführungsform des Verfahrens zur Aufbereitung und Reinigung eines Feststoffgemenges umfassend die Schritte a) bis i) schematisch in einem Prozessdiagramm dargestellt. Das Feststoffgemenge, beispielsweise mineralischer Boden, wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform in einer Siebanlage mit Aufgabebunker 01 vorbehandelt, so dass nur ein Feststoffgemenge im Korngrößenbereich von 0 bis 32 mm dem Prozess zugeführt wird. Die Siebanlage kann zudem noch einen Eisen- und Nichteisenmagnetabscheider und/oder einen Luftklassierer umfassen. Der Aufgabebunker 01 hat einerseits die Funktion eines Kurzzeitlagers und sorgt andererseits für einen dosierten Austrag des Feststoffgemenges. Der Austrag erfolgt je nach Feststoffgemenge mit Austragevibrationsrinnen und/oder Austragedosierförderbändern bei leichtfließenden trockenen Feststoffgemengen und Einwellen- oder Doppelwellenaustragsschnecken bei feuchten, schlammigen, klebrigen oder schwer fließenden Feststoffgemengen. Alternativ kann der Austrag auch über einen Schubwagen erfolgen.
• Das Feststoffgemenge wird anschließend mithilfe eines Förderbands 04 in ein nass-mechanisches Aggregat 02 befördert, in welchem die Agglomerate aufgelöst werden und Feststoff und Leichtfraktion getrennt werden. Bei homogenen körnigen Feststoffgemengen, wie beispielsweise sandigen Böden mit einem großen Anteil im Korngrößenbereich von 0 bis 8 mm und geringem bindigem Tonanteil, kommen hierbei leicht ansteigende (10° bis 35°) einwellige Sandschnecken zum Einsatz. Die vorzugsweise verwendete Sandschnecke ist im unteren Bereich spiralförmig ausgebildet, im Aufgabebereich mit Paddeln versehen und im oberen Bereich wieder durchgehend spiralförmig ausgebildet. Dadurch wird im unteren Bereich das Feststoffgemenge im Wasserbett bei annähernd laminarer Strömung nach oben befördert, was durch die auftretenden Scherkräfte bereits zu einer ersten Reinigung der Oberfläche des Feststoffgemenges führt. Die Scherkräfte werden im Bereich der mit Paddeln ausgebildeten Schneckenwendel verstärkt, wobei durch die intensive Beanspruchung bei turbulenter Strömung Agglomerate aufgelöst werden. Im oberen durchgehend spiralförmig ausgebildeten Bereich der Schneckenwendel wird der Feststoff bei einer annähernd laminaren Strömung zum Austrag transportiert, wobei er gravimetrisch entwässert wird. Zudem ermöglicht das nass-mechanische Aggregat 02 eine Wasserbedüsung des Feststoffgemenges, wodurch sowohl im unteren Bereich als auch im Aufgabebereich der Sandschnecke eine Aufstromklassierung erfolgt. Durch die Aufstromklassierung wird im unteren Bereich der Sandschnecke die Leichtfraktion abgeschieden.
• Handelt es sich beim Feststoffgemenge um ein relativ stark gebundenes Bodenmaterial mit relativ großer Korngröße, kann das nass-mechanische Aggregat 02 alternativ oder zusätzlich einen Schwertwäscher umfassen. Die grundsätzliche Funktionsweise des Schwertwäschers ist der der Sandschnecke gleich, mit dem Unterschied, dass ein Schwertwäscher zwei parallel laufende Schnecken mit durchgehenden Paddeln aufweist. Hierdurch können verstärkt mechanische Kräfte auf das Feststoffgemenge aufgebracht werden und somit Agglomerate optimal aufgelöst werden. Eine weitere Alternative eines nass-mechanischen Aggregats 02 bilden die Attritionszellen (Rührwerkswäscher). Für relativ feine Feststoffgemenge werden vertikale Attritionszellen mit vertikal angebrachten Rührwerken verwendet, wobei über die Rührflügel bei Rotation Scherkräfte auf das feine Feststoffgemenge zur Auflösung von Agglomeraten aufgebracht werden. Horizontale Attritionszellen sind sehr robust und werden für relativ grobe Feststoffgemenge verwendet. Mittels einer horizontal angeordneten rotierenden Welle mit Paddel, werden große Scherkräfte permanent auf das Feststoffgemenge aufgebracht. Ebenso wie Schwertwäscher oder Sandschnecke können Attritionszellen eine Wasserbedüsung aufweisen, um Leichtstoffe abzuscheiden.
• Das vorgereinigte Bodenmaterial wird anschließend auf eine Vibrationssiebanlage 03 mit Wasserbedüsung aufgebracht. In der Vibrationssiebanlage 03 wird somit das Feststoffgemenge gereinigt und in verschiedenen Korngrößen abgesiebt. In der dargestellten Ausführungsform wird das Feststoffgemenge in Feststoffe im Korngrößenbereich von 16 bis 32 mm, im Korngrößenbereich von 8 bis 16 mm und im Korngrößenbereich von 4 bis 8 mm getrennt. Über Förderbänder 04 wird das gesiebte körnige Feststoffgemenge zu Halden transportiert und dort als Wertstoff für andere Anwendungsfelder gelagert. Das verbleibende Wasser-Feststoff-Gemisch fällt in die Sandfangwanne mit integrierter Rührwerkseinrichtung der Vibrationssiebanlage 03 und weist Feststoff mit einer maximalen Korngröße von 4 mm auf.
• Von der Sandfangwanne mit integrierter Rührwerkseinrichtung der Vibrationssiebanlage 03 wird das Wasser-Feststoff-Gemisch zu einem Hydrozyklon 05 und anschließend zu einem Entwässerungssieb 06 mit Siebmaschine gepumpt, um das Wasser-Feststoff-Gemisch in Abhängigkeit der Korngröße zu separieren und das Wasser-Feststoff-Gemisch und/oder die noch verbliebende Leichtfraktion zu entwässern. Durch die tangentiale Aufgabe des Wasser-Feststoff-Gemischs auf den Hydrozyklon 05 und die Umwandlung von statischem Druck in kinetische Energie (Zentrifugalkräfte) entstehen - wenn gewünscht - Scherkräfte, welche zur Reinigung der Kornoberflächen des Feststoffs und zum Auflösen von Verunreinigungen und Agglomeraten führen. Zur zusätzlichen Reinigung wird eine Reinigungsflüssigkeit, beispielsweise ein Tensid, in den Hydrozyklon 05 eingebracht. Der Unterlauf des Hydrozyklons 05, in der dargestellten Ausführungsform in einem Korngrößenbereich zwischen 0,063 und 4 mm vorliegend, wird entwässert, bei Bedarf mit einer Vakuumeinrichtung nachentwässert und anschließend über ein Förderband 04 oder analog eine Sandschnecke ausgetragen und als Wertstoff aufgehaldet. Bedarfsweise können vor der Entwässerung noch Wendelspiralen zur weiteren gravimetrischen Sortierung des Feststoffs integriert werden. Der Überlauf des Hydrozyklons 05 weist Feststoff mit einer Korngröße von maximal 0,063 mm auf und wird zur Sandfangwanne des Entwässerungssiebs 06 gefördert. Im Entwässerungssieb 06 mit Siebmaschine wird die im nass-mechanischen Aggregat 02 abgeschiedene Leichtfraktion, welche beispielsweise Organik, Holz und/oder Plastik umfasst, entwässert, ausgetragen und aufgehaldet. Zur zusätzlichen Entwässerung kann das Entwässerungssieb 06 eine Entwässerungspresse umfassen. Das bei der Entwässerung im Entwässerungssieb 06 anfallende Schmutzwasser und das im Hydrozyklon 05 als Überlauf anfallende Schmutzwasser wird in der Sandfangwanne des Entwässerungssiebs 06 zusammengeführt. Die Sandfangwanne weist zur Gewinnung von Edelmetallen einen Magnetfilter und/oder eine Elektrolysezelle auf.
• Das Schmutzwasser aus der Sandfangwanne des Entwässerungssiebs 06 wird anschließend mit einer Schmutzwasserpumpe 07 zum Eindicker 10 gepumpt. Unmittelbar vor der Zuführung in den Eindicker 10 werden bei Bedarf Kalziumoxid, Kalziumhydroxid, Zeolith, Kalkmilch und/oder andere pulverförmige Materialien zur Regulierung des PH-Werts sowie zur Unterstützung der Flockenbildung im Eindicker 10 aus einem Pulvervorratsbehälter 08 zugegeben.
• Eine Polymeranlage 09 bereitet das Flockungsmittel und/oder speziell entwickeltes Adsorbens für die Zugabe zum Schmutzwasser vor. Das ionische Flockungsmittel wird zusammen mit nichtionischen Flockungshilfsmitteln, vorliegend Stärke und Leim in Kombination mit mehrwertigen, niedermolekularen Aluminium- und/oder Eisensalzen zugegeben. Daneben werden Tenside und beladene Adsorbentien, wie zum Beispiel Zeolith, eingesetzt. Die speziell entwickelten Adsorbentien sind chemisch modifiziert, so dass sie eine spezifische Oberfläche von mindestens 10 m²/g aufweisen und dazu geeignet sind fluorierte organische Verbindungen aus Flüssigkeiten und im Rahmen der Erfindung aus Feststoffgemengen zu entfernen. Die Dosierung des zugegebenen Flockungsmittels und/oder Adsorbens wird von der Steuerung 17 auf Basis der am Eindicker 10 und der Polymeranlage 09 aufgenommenen Messwerte geregelt.
• Als Eindicker 10 wird in der dargestellten Ausführungsform ein Hochleistungsklärturm verwendet. Die Flockenbildung beginnt bereits in der Schlammwasserzuführung, wobei das Schlammwasser in ein vertikal mittig zentriertes Einlaufrohr, welches circa 1/3 in die Tiefe des Eindickers 10 reicht, eingebracht wird. Im unteren Bereich des Eindickers 10 entsteht die eingedickte Schlammschicht, welche mit zunehmender Tiefe weiter komprimiert wird und nach obenhin mit einer Flockungsschicht vom restlichen Prozesswasser abgegrenzt wird. Leichtflüssigkeiten und/oder Leichtfraktion strömen an die Flüssigkeitsoberfläche im Eindicker 10 und werden dort abgezogen. Gereinigtes Prozesswasser kann unterhalb der Wasseroberfläche abgezogen und direkt einem Prozesswassertank 13 zugeführt werden. Der Teilstrom, welcher Leichtflüssigkeit und/oder Leichtfraktion umfasst, wird einer Siebanlage zugeführt in der Leichtflüssigkeit und Leichtfraktion abgeschieden werden und gereinigtes Prozesswasser dem Prozesswassertank 13 zugeführt wird.
• Der im Eindicker 10 eingedickte Schlamm 23 wird mittels Schlammpumpe in einen Konditionierbehälter 11 gepumpt. Im Konditionierbehälter 11 wird der eingedickte Schlamm 23 durch eine im Kreislauf arbeitende Umpumpstation oder ein Rührwerk in Bewegung gehalten, wodurch ein Agglomerieren oder eine Verfestigung des Schlamms 23 verhindert wird.
• Vom Konditionierbehälter 11 wird der eingedickte Schlamm 23 mit einer Kolbenmembranpumpe oder Exzenterschneckenpumpe in ein als Presse ausgebildetes Entwässerungsaggregat 12 gepumpt und dort entwässert. Im Entwässerungsaggregat 12 erfolgt eine Zugabe von Spülflüssigkeiten, wodurch der eingedickte Schlamm 23 weiter gereinigt wird. Der entwässerte Schlamm, sogenanntes Retentat, wird als stichfester Filterkuchen mit einem Gehalt an Trockensubstanz von mehr als 60 % ausgetragen und aufgehaldet. Das entstehende Prozesswasser fließt entweder dem Konditionierbehälter 11 oder dem Eindicker 10 zu.
• In der vorliegenden Ausführungsform sind zwei Prozesswassertanks 13 vorgesehen, wobei vom großen Prozesswassertank 13 das Prozesswasser zum Entwässerungsaggregat 12, zum Eindicker 10, zur Polymeranlage 09, zum nass-mechanischen Aggregat 02 und zur Vibrationssiebanlage 03 gepumpt wird. Die Volumenströme können über verstellbare Ventile gesteuert werden. Zwischen dem großen Prozesswassertank 13 und dem kleinen Prozesswassertank 13 befindet sich vorliegend auch ein Verbindungsanschluss mit Ventil. Bei geschlossenem Ventil kann das Prozesswasser vom großen Prozesswassertank 13 in den Erdtank 15 zur Zwischenlagerung, beispielsweise bei Betriebsstillstand, geleitet werden. Bei erneuter Betriebsaufnahme kann das Prozesswasser mittels Pumpen in den großen Prozesswassertank 13 zurückgefördert werden und von dort dem Verfahren zur Verfügung gestellt werden.
• Daneben besteht in der vorliegenden Ausführungsform die Möglichkeit das Prozesswasser zuerst in den kleinen Prozesswassertank 13 zu pumpen und von dort einer zweiten Reinigungsstufe 14 zuzuführen. Die zweite Reinigungsstufe 14 besteht aus einem Koaleszenzabscheider, einem Sandfilter und drei Aktivkohlefiltern. Bei Bedarf kann das Wasser mittels kapazitativer Deionisation oder nassoxidativer Methoden noch weiter gereinigt werden. Von der kompakten Reinigungseinheit der zweiten Reinigungsstufe 14 wird das Prozesswasser wieder in das Verfahren eingeleitet. Ein Teilstrom des durch die zweite Reinigungsstufe 14 geführten Prozesswassers kann auch direkt zur Vibrationssiebanlage 03 zugeführt werden. Wie dargestellt, ist die zweite Reinigungsstufe 14 sehr kompakt ausgeführt, und sollte deshalb nur als sogenannter Polizeifilter dienen. Die Verunreinigungen werden bereits in den vorab durchlaufenen Schadstoffsenken ausgetragen. So werden im nass-mechanischen Aggregat 02, der Vibrationssiebanlage 03 und dem Entwässerungssieb 06 bereits größere Leichtfraktionen, wie Organik, Holz, Plastik, Gummi und ähnliches durch Aufstromklassierung und Absiebung ausgetragen und im Eindicker 10 Kontaminationen durch Chemikalien und Schwermetalle ausgefällt bzw. sedimentiert sowie Leichtflüssigkeiten und Leichtfraktionen, wie Öle, Fette, Mikrokunststoffe aber auch gasförmige Wasserinhaltsstoffe abgeschieden bzw. ausflotiert. Die gesamte dargestellte Anlage zur Durchführung des Verfahrens zur Aufbereitung und Reinigung eines Feststoffgemenges ist auf einem wasserundurchlässigen Fundament 16 aus Beton installiert, welches hier nur angedeutet ist. Das Fundament 16 ist umgeben von einer Muldenrinne mit Einlaufschächten, welche zu einem Schlammfang führen. Der Pumpensumpf weist eine Füllstandsregelung und eine Überlaufsicherung auf, wobei bei Erreichen eines vorgegebenen Füllstands ein Teil des Inhalts in den Eindicker 10 gepumpt wird.
• 2 zeigt einen Eindicker 10 in der Ausführungsform eines Kompressionseindickers. Dieser weist ein mittig zentriertes Einlaufrohr auf, welches circa 1/3 in die Tiefe des Eindickers 10 reicht und in das der Schmutzwasserzulauf 18 mündet. Der Schlamm 23 sammelt sich im unteren Bereich des Eindickers 10 und wird dort durch das Eigengewicht bzw. durch das Gewicht des Schmutzwassers zunehmend verdichtet. Die ausgebildete Kompressionszone wird nach obenhin von einer Flockungsschicht 24 abgegrenzt. Das verbleibende Prozesswasser steigt auf und kann über die Prozesswasserrinne 19 dem Prozesswasserablauf 20 zugeführt werden.
• 3 zeigt in Ansicht von oben und in seitlicher Ansicht einen Eindicker 10 mit zusätzlichen Einbauten zur Behandlung von Schmutzwasser mit hohem Anteil an Leichtflüssigkeit und/oder Leichtfraktion. Das in 2 dargestellte mittig zentrierte Einlaufrohr ist in der hier vorliegenden Ausführungsform durch spiralförmige Strömungsleitwände 30 ersetzt, so dass sich die leichten Spülstoffe zentripetal zur Mitte hinbewegen und die schwereren Partikel zentrifugal nach außen und anschließend nach unten absetzen. Durch die Verlängerung der mittleren Spirale bis in den Trichter 21 findet dort keine Wasserströmung mehr statt, so dass insbesondere feinste Partikel dort optimal abgezogen werden können. Durch die zentripetale Separation von Leichtflüssigkeiten wie Ölen an der Innenwand der Strömungsleitwände 30 strömen die Leichtflüssigkeiten an die Oberfläche und werden durch die von der Spirale hervorgerufene Wirbelenergie in den konischen Leichtflüssigkeitsablauf 22 abgeleitet.
• Durch die unterschiedlichen Wandabstände in der Spirale entsteht eine pulsierende Strömung, welche den Koaleszenzeffekt und somit die Feinstabscheidung der Leichtflüssigkeitströpfen optimal unterstützt. Ebenso wird durch die pulsierende Strömung auch die Schlammsedimentation positiv unterstützt, so dass unterhalb der Flockungsschicht 24 der Schlamm 23 komprimiert und über den Schlammabzug 25 ausgeleitet wird. Die Zuführung des Schlammwassers erfolgt über den Schmutzwasserzulauf 18, wobei die Abführung des Prozesswassers über die Prozesswasserrinne 19 und den Prozesswasserablauf 20 erfolgt.
• 4 zeigt einen Eindicker 10 mit einer Zusatzapparatur für Schmutzwasser mit hohem Anteil an Öl, Fett, Emulsionen oder anderen Leichtflüssigkeiten oder Leichtfraktionen in Ansicht von oben und seitlicher Ansicht. Im unteren Bereich der Zusatzapparatur wird über einen Saturator 26 komprimierte Luft bis zur Sättigung in das Schmutzwasser eingetragen. Durch die Kompression werden alle flüssigen und gasförmigen Wasserinhaltsstoffe in Mikro- und Nanogrößen aufgespalten. Die im Eindicker 10 hervorgerufene Strömung bewirkt einen expandierenden Anziehungsprozess molekulargleicher Gas- und Flüssigkeitsmedien. Auf ihrem flotierenden Weg zur Oberfläche, der sogenannten Kohäsionsstrecke 31, verbinden sich Tröpfchen und Bläschen aufgrund Kohäsion, agglomerieren und bilden angezogen durch die Kraft der Affinität eine Oberflächen-Affinitätsschicht 27 aus. Das Prozesswasser setzt sich währenddessen im Entspannungsbehälter 29 nach unten ab, wobei durch Adhäsionseffekte und/oder strömungstechnische Koaleszenz eine weitere Reinigung und Öltropfenaufstieg hervorgerufen wird. Aufgrund der Extraktion des gelösten Luftsauerstoffs während des Aufstiegs, kommt es zur Interaktion auf der molekularen und atomaren Ebene der verschiedenen gasförmigen und flüssigen Inhaltsstoffe des Schmutzwassers. Der Flotationseffekt drückt die flüchtigen und gelösten Kohlenwasserstoffe bis an die Oberflächen-Affinitätsschicht 27 heran, wobei die exakt bemessene Oberflächen-Affinitätsschicht 27 zusätzlich eine anziehende Wirkung auf Kohlenwasserstoffe ausübt. Aufgrund des Prinzips der Agglomeration entstehen in der Oberflächen-Affinitätsschicht 27 stabile Verbindungen der frei gewordenen Kohlenwasserstoffe und leichtflüchtigen Gase. Über einen Leichtflüssigkeitsablauf 22 wird der Austrag der Oberflächen-Affinitätsschicht 27 geregelt, so dass stets ein Teil der Oberflächen-Affinitätsschicht 27 im Eindicker 10 verbleibt, um freigewordene Kohlenwasserstoffe und leichtflüchtige Gase an der Oberfläche aufzunehmen. Über einen Prozessorwasserüberlauf 28, die daran angeschlossene Prozessorwasserrinne 19 und den Prozessorwasserablauf 20 wird das gereinigte Prozesswasser ausgetragen.
• 5 zeigt die Auswertung von Testreihen, welche an dem aus 4 bekannten Eindicker 10 mit Zusatzapparatur durchgeführt wurden, in tabellarischer Darstellung. Es ist zu erkennen, dass ohne chemische Zusätze und ohne signifikante Schlammbildung in der Zusatzapparatur Kohlenwasserstoffe um mindestens 81 %, freie aufschäumbare Öle um mindesten 46 %, emulgierte Leichtflüssigkeiten um mindestens 87 % sowie gelöste Leichtflüssigkeiten und/oder Leichtfraktionen um mindestens 23 % reduziert werden konnten. Perfluoroctansulfonsäure (PFOS) und Perfluorhexansulfonsäure (PFHxS) waren im mit modifizierten Adsorbentien behandelten Sandgemenge nach 15 Minuten nahezu nicht mehr nachweisbar und konnten demnach nahezu vollständig eliminiert werden.
• 6 zeigt eine Tabelle mit Ergebnissen von Vergleichsversuchen. Bei diesen Vergleichsversuchen wurde eine PFC verunreinigte Quarzsandprobe mit gut gerundeten Sandkörnern, glatter Kornoberfläche und wenig organischer Verunreinigung untersucht. Hierbei wurden zwei Proben hergestellt. Die erste Probe wurde mit 400 ml Wasser in einem Behälter mit Rührwerk (JAR-Test) 15 Minuten gerührt. Das Eluat wurde inklusiv Bodensatz abgeschüttet und bei 2 µm filtriert. Die Belastungswerte des übrig gebliebenen Eluats sind in der ersten Spalte der Tabelle dargestellt.
• Die zweite Sandprobe wurde analog ebenfalls mit Wasser und zusätzlich mit 75 mg/l eines Ölsäureamids versetzt und gerührt. Das Eluat wurde inklusiv Bodensatz und Präzipitate abgeschüttet und bei 2 µm filtriert.
• Anschließend wurden beide Quarzsandproben erneut ausschließlich mit Wasser gerührt und das Eluat abgeschüttet und analysiert. Spalte 2 zeigt das Eluat aus den beiden Sandwäschen, bei dem kein Ölsäureamid anwesend war. Spalte 3 zeigt das Eluat in dem ausschließlich bei der ersten Sandwäsche das Ölsäureamid verwendet wurde.
• Die sich gegenüberstehenden Werte belegen eindrucksvoll das Potential des erfindungsgemäßen Verfahrens. So kommt es beim Einsatz des Ölsäureamids zu einer Eliminierung von PFOS aus dem Feststoffgemenge von über 98 %. Dagegen beträgt die Eliminierung von PFOS ohne Zusatz des Ölsäureamids lediglich 84 %.
• 7 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Unter dem Begriff „Wirkstoff“ wird hier die erste Adsorbenskomponente verstanden, die optional auch mit der zweiten Adsorbenskomponente eingesetzt werden kann. Der in der 7 genannte „feingranulierte Wirkstoff“ kann auch die zweite Adsorbenskomponente alleine darstellen.

Claims (25)

1. Verfahren zur Aufbereitung und Reinigung eines Feststoffgemenges, insbesondere zur Abtrennung fluorierter organischer Verbindungen aus einem aus dem Feststoffgemenge separierten Sand, wobei das Feststoffgemenge, insbesondere der Sand, mit einer ersten Adsorbenskomponente in Kontakt gebracht wird, welche erste Adsorbenskomponente eine chemische Verbindung umfasst oder eine chemische Verbindung ist, die eine lipophile Gruppe enthält, wobei die lipophile Gruppe ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus Alkylgruppen, die vorzugsweise zumindest eine Octyleneinheit umfassen, Arylgruppen und Aralkyl-Gruppen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Adsorbenskomponente neben der lipophilen Gruppe eine hydrophile Gruppe enthält, wobei die hydrophile Gruppe zumindest eine kationische und/oder anionische Gruppe enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophile Gruppe als kationische Gruppe ein Amin, ein organisch substituiertes Ammonium, ein organisch substituiertes Phosphonium oder einen Metallkomplex umfasst.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Adsorbenskomponente die Formel R¹-E-L-X, R¹-L-E-X oder R¹-E-X besitzt, worin R¹ die lipophile Gruppe, E die hydrophile Gruppe, L ein Linker und X eine reaktive funktionelle Gruppe ist, die eine chemische Reaktion mit einem Fluid eingehen kann oder Wasserstoffbrücken mit diesem ausbilden kann.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Gruppe X eine, zwei oder mehrere Hydroxygruppen aufweist oder durch die Reaktion der Gruppe X mit dem Fluid eine, zwei oder mehrere Hydroxygruppen ausgebildet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe X ausgewählt ist aus Epoxid-Gruppen und Gruppen, die in einer S_N-Reaktion zu einer Hydroxygruppe reagieren, insbesondere 2-Chlorethanol-Gruppen, Alkyl-Sulphonat-Gruppen, Brom-Alkyl-Gruppen oder Iod-Alkyl-Gruppen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Adsorbenskomponente der Formel R¹-E-L-X, R¹-L-E-X oder R¹-E-X zwei oder mehr Gruppen X oder X-L an die hydrophile Gruppe gebunden sind und X jeweils eine über einen Methylen-, Ethylen- oder Propylen-Linker gebundene Ether-Gruppe, insbesondere Ethyl- oder Methyl-Ether-Gruppe, ist oder dass in der ersten Adsorbenskomponente der Formel R¹-E-L-X, R¹-L-E-X oder R¹-E-X zumindest eine Gruppe X oder X-L an die hydrophile Gruppe gebunden ist, die eine vicinale Diolgruppe enthält oder einen Precursor für eine durch Reaktion mit dem Fluid gebildete vicinale Diolgruppe enthält.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem zu reinigenden Feststoffgemenge, insbesondere dem zu reinigenden Sand, des Weiteren eine zweite Adsorbenskomponente beigemengt wird, welche ein festes Adsorbens ist und welche vorzugweise ausgewählt ist aus Aktivkohlen, Aluminiumoxiden, Kieselgelen, Rußen, Zeolithen und Kohlenhydraten, insbesondere faserförmigen oder mikrokristallinen Zellulosen.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Adsorbenskomponente an der zweiten Adsorbenskomponente gebunden ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend folgende Schritte: a. Sieben des Feststoffgemenges; und b. Auflösen von Agglomeraten und/oder Trennen von Feststoff und einer Leichtfraktion; und c. Sieben des Feststoffs unter Wasserbedüsung und Bildung eines Wasser-Feststoff-Gemischs; und d. Separieren des Wasser-Feststoff-Gemischs in Abhängigkeit der Korngröße und Entwässerung des Wasser-Feststoff-Gemischs und/oder der Leichtfraktion; und e. Zugeben eines Flockungsmittels und/oder eines Adsorbens zum Schmutzwasser, wobei das Schmutzwasser im Wesentlichen Wasser und mineralische Feinstanteile umfasst; und f. Eindicken des Schmutzwassers im Eindicker (10); und g. Ableiten einer Leichtflüssigkeit und/oder Leichtfraktion und Prozesswassers; und h. Abziehen von Schlamm (23) aus dem Eindicker (10) in einen Konditionierbehälter (11); und i. Entwässern des eingedickten Schlamms (23) und Ausgeben eines Filterkuchens und Prozesswassers, wobei die erste Adsorbenskomponente vorzugsweise während oder nach Verfahrensschritt c) zugegeben wird und wobei vorzugsweise das in Schritt e) zugegebene Flockungsmittel und/oder Adsorbens die erste Adsorbenskomponente und/oder die zweite Adsorbenskomponente ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei nach Schritt d) zusätzlich Schritt d1) erfolgt: d1. Zugeben von Calciumoxid, Calciumhydroxid, Zeolith und/oder Kalkmilch.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei nach Schritt f) zusätzlich die folgenden Schritte f1) bis f4) im Eindicker (10) erfolgen: f1. Saturieren eines Teilschmutzwasserstroms mit komprimierter Luft in einer Zusatzapparatur und Aufspalten der Wasserinhaltsstoffe; und f2. Agglomerieren von Leichtflüssigkeit und/oder Leichtfraktion und Anlagern an einer Oberflächen-Affinitätsschicht (27); und f3. Austragen eines Teils der Oberflächen-Affinitätsschicht (27) zur Konstanthaltung der Oberflächen-Affinitätsschicht (27); und f4. Austragen von zwei Teilströmen Prozesswasser aus dem Eindicker (10).
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei Schritt f) das Zugeben eines Adsorbens und/oder eines Flockungsmittels, insbesondere der ersten und/oder der zweiten Adsorbenskomponente umfasst.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei in einer zweiten Reinigungsstufe (14) nach Schritt i) zusätzlich Schritt i1) erfolgt: i1. Reinigen des gesamten Prozesswassers diskontinuierlich und/oder eines Teilstroms des Prozesswassers kontinuierlich und/oder eines Vollstroms des Prozesswassers kontinuierlich.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei in der zweiten Reinigungsstufe (14) gemäß Schritt i1) die Reinigung des Prozesswassers zumindest in einem Koaleszenzabscheider, einem Sandfilter und/oder einem Aktivkohlefilter erfolgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei das Prozesswasser zumindest einem Prozesswassertank (13) zugeführt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei gereinigtes Wasser als Prozesswasser im Verfahren wiederverwendet wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, wobei in den Schritten c) und d) vom Feststoffgemenge getrennter Feststoff mittels eines Förderbands (04) und/oder einer Entwässerungsschnecke zu Halden transportiert wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 18, wobei Schritt g) die zentrifugale Leitung des Feststoffs nach außen und/oder die zentripetale Leitung von Leichtfraktion und/oder Leichtflüssigkeit zur Mitte des Eindickers (10) mittels Strömungsleitwänden (30) umfasst, wobei Leichtflüssigkeit ohne Zugabe von Verbrauchsmaterialien über einen Leichtflüssigkeitsablauf (22) abgeschieden wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 19, wobei Schritt g) das Ableiten von Prozesswasser in zwei Teilströmen umfasst, und wobei ein erster Teilstrom weit unter der Wasseroberfläche und ein zweiter Teilstrom umfassend Leichtflüssigkeit und/oder Leichtfraktion nahe der Wasseroberfläche abgeleitet wird, und wobei der zweite Teilstrom vor Zuführung in den Prozesswassertank (13) gesiebt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 20, wobei das Feststoffgemenge in Korngrößen von bis zu 40 mm vorliegt.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 21, wobei in den Schritten a) bis d) Feststoff mit einer Korngröße von mehr als 0,063 mm von dem Feststoffgemenge separiert und aufgehaldet wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 22, wobei in den Schritten a) bis d) ≥ 70 % des Feststoffgemenges separiert werden, und wobei ≤ 30 % des Feststoffgemenges dem Schritt e) zugeführt werden.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 23, wobei die in Schritt b) abgeschiedene Leichtfraktion organische Verunreinigungen, insbesondere Kunststoff und/oder Holz, umfasst.
25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Adsorbenskomponente ein Derivat, insbesondere einen Ester und/oder ein Amid und/oder ein Amin der Ölsäure, umfasst.

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