DE19600412B4

DE19600412B4 - Verfahren zur Herstellung von verdichtbaren Materialgemischen aus natürlichen oder künstlichen Schlammen

Info

Publication number: DE19600412B4
Application number: DE1996100412
Authority: DE
Inventors: Jost-Ulrich Kuegler
Original assignee: Kuegler Jost-Ulrich Dipl-Ing
Current assignee: Kuegler Jost-Ulrich Dipl-Ing
Priority date: 1996-01-08
Filing date: 1996-01-08
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2016-01-09
Also published as: DE19600412A1; WO1997025281A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von verdichtbaren Materialgemischen zur Verwendung im Erd- und Grundbau aus natürlichen oder künstlichen Schlammen, dadurch gekennzeichnet, daß man den Schlammen Trocken, Klär- oder Gewässerschlamm mit einem Trockensubstanzgehalt von mindestens 70 Gew.-% (Schlamm TS ≥ 70) zusetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von verdichtbaren Materialgemischen zur Verwendung im Erd- und Grundbau aus natürlichen oder künstlichen
Gemäß der Bodenklassifikation für bautechnische Zwecke, DIN 18196 handelt es sich bei Schlammen um organische Böden, und der Begriff Schlamme dient als Sammelbegriff für Faulschlamm, Mudde, Gyttja, Dy Sapropel. Über die Definition in der DIN 18196 hinaus gehören hierzu auch Klärschlamm und Gewässerschlamm. Neben diesen natürlichen Schlammen existieren künstliche Schlamme, zum Beispiel Ölschlamm oder chemische Schlamme. All diesen Schlammen ist gemeinsam, daß ihre Entsorgung wegen des ständig kostspieliger werdenden Deponieraums zunehmend teurer oder durch gesetzliche und sonstige Vorschriften eingeschränkt wird. Ölschlamme und chemische Schlamme dürfen zum Beispiel überhaupt nicht deponiert sondern müssen der Verbrennung zugeführt werden.
Ein besonderes Problem der Schlamme besteht in ihrer Handhabbarkeit. Die typischen Klär- und Gewässerschlamme sind zwar gut pumpfähig jedoch in dieser Form – schon aufgrund der fehlenden Verarbeitbarkeit und Verdichtbarkeit – nicht deponiefähig. Will man derartige Schlamme einer Verbrennung zuführen, erfordert dies wegen des hohen Wassergehalts einen entsprechend hohen Energieverbrauch. Aus diesem Grund werden Klär- und Gewässerschlamme einer Teiltrocknung unterzogen bis sie, bei breiiger bis pastöser Konsistenz, einen Trockensubstanzgehalt von 15-20 Gew.-% und bei knetbaren bis halbfesten Schlammen, wie sie zum Beispiel durch Siebtrocknung erhalten werden, einen Trockensubstanzgehalt von 25-45 Gew.-% besitzen. Dieser Trockensubstanzgehalt ist für eine wirtschaftliche Verbrennung jedoch noch zu niedrig, andererseits sind derartige Schlamme aber auch in der Deponie für weitere Überschüttungen aufgrund mangelnder Festigkeit und Standsicherheit nicht lagerfähig. Zwar kann die Trocknung der Schlamme noch weitergetrieben werden, jedoch kommt hierzu nur die thermische Trocknung in Frage. Diese erfordert jedoch einen außerordentlich großen Energieaufwand, der bei 1000 kWh für die Abtrennung von 1 m³ Schlammwasser liegt.
Es hat demgemäß nicht an Versuchen gefehlt, organische Schlamme auf andere Weise zu entsorgen beziehungsweise einer Verwertung zuzuführen. Beispiele hierfür sind die Zugabe von rücktrocknenden Zuschlagsstoffen, wie Sande, Aschen und Stäube aller Art oder auch Kohlestaub oder Sägemehl zur Verbrennungsunterstützung. Die erforderlichen Mengen an Zuschlagsstoff sind jedoch außerordentlich hoch, so daß schließlich mehr Zuschlagsstoff als Schlamm zu entsorgen ist.
Eine andere Methode besteht darin, dem Schlamm hydraulische Bindemittel, wie Kalk oder Zement zuzusetzen, um auf diese Weise eine Verfestigung zu erreichen. Hierbei werden jedoch ebenfalls sehr hohe Zugabemengen benötigt, um die geforderte Verdichtungsfähigkeit zu erreichen. Darüber hinaus bewirkt das hydraulische Bindemittel eine Verfestigung des Materials, die mit einem Verlust der Plastizität und Rißbil dung einhergeht. Ein derartiges verfestigtes Material ist zum Beispiel zur Verwendung in Abdichtungen für Deponien völlig ungeeignet. Bei Verwendung von Zement sind die Ergebnisse ganz ähnlich. Aber auch ohne Zusatz von Kalk oder Zement sind organsche Schlamme für Deponien ungeeignet, da wegen des hohen Anteils an organischen Stoffen und des hohen Wassergehalts eine sehr starke Schrumpfung auftritt, was wiederum zur Rißbildung führt. Andererseits ist es durch Zugabe großer Kalkmengen zwar möglich, ein krümmeliges beziehungsweise pelletierfähiges Material zu erhalten, das der Verbrennung zugeführt werden kann; dieses besitzt jedoch einen niedrigen Brennwert und führt zu sehr hohen Aschegehalten.
Sind organische Schlamme hoch schadstoffbelastet, oder handelt es sich um Öl- oder chemische Schlamme, dürfen diese in keinem Fall deponiert sondern müssen der Verbrennung zugeführt werden. Da die Zugabe von Kalk (oder Zement) eine Herabsetzung des Brennwertes und einen sehr starken Anstieg des Aschegehaltes zur Folge hat, wird für die Rücktrocknung auch Kohlestaub oder Sägemehl eingesetzt. Da sich aber hierdurch das Verbrennungsvolumen auf des mehrfache erhöht, ist dieses Verfahren unwirtschaftlich.

Es wurde nun gefunden, daß man die vorgenannten Probleme dadurch vermeiden kann, daß man den Schlamm mit, Trocken-Klär oder -Gewässerschlamm mit einem Trockensubstanzgehalt von mindestens 70 Gew.-% (Schlamm TS ≥ 70) versetzt.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von verdichtbaren Materialgemischen zur Verwendung im Erd- und Grundbau aus natürlichen oder künstlichen Schlammen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man dem Schlamm Trocken-, Klär- oder Gewässerschlamm mit einem Trockensubstanzgehalt von mindestens 70 Gew.-% (Schlamm TS ≥ 70) zusetzt.

Nach dem Verfahren der Erfindung werden die Verarbeitungseigenschaften der Schlamme verbessert Gleichzeitig werden sie einer sinnvollen Verwendung zugeführt und damit entsorgt.

Bei den Verarbeitungseigenschaften der Schlamme handelt es sich um eine oder mehrere der Eigenschaften ausgewählt aus Verdichtbarkeit, Viskosität, Wasseraufnahmevermögen, Schrumpfverhalten, und Schadstoffelutionsverhalten.

Bei dem erfindungsgemäß eingesetzten Trockenschlamm handelt es sich um Klär- oder Gewässerschlamm mit einem Trockensubstanzgehalt von 70 Gew.% oder darüber (Schlamm TS ≥ 70). Schlamme mit breiiger bis pastöser Konsistenz besitzen üblicherweise einen Trockensubstanzgehalt von 15 bis 20 Gew.%, der bei knetbaren bis halbfesten Schlammen, wie sie z.B. durch Siebtrocknung erhalten werden, auf 25 bis 45 % ansteigt. Mit der mechanischen Entwässerung können die Wassergehalte im Schlamm bestenfalls auf ca. 50 % gebracht werden. Für eine weitergehende Entwässerung kommt – da eine natürliche Trocknung zu zeitaufwendig ist -nur die thermische Trocknung in Frage, wobei Rauchgastrockner, z.B. in Form von Trommeltrocknern, Etagentrocknern, Schwebetrocknern, Stromtrocknern oder Wirbelschichttrocknern verwendet werden können. Die erhaltenen Trockenschlamme liegen dann in grobkörniger, krümmeliger Form vor. Die thermische Trocknung erfordert jedoch einen außerordentlich großen Energieaufwand, der bei 1000 kWh für die Abtrennung von 1 m³ Schlammwasser liegt. Demgemäß ist die thermische Trocknung wirtschaftlich nur dann gerechtfertigt, wenn dem großen Energieaufwand eine entsprechende Einsparung von Deponiekosten bzw. Wärmerückgewinnung gegenüber steht. Infolge der hohen Deponiekosten erhält man z.B. bei der Abnahme von Klärschlamm TS 30 eine Rückvergütung der Materialien je nach chemischer Belastung von 60 bis 120 DM/m³, und bei der Abnahme von Klärschlamm TS 90 eine Rückvergü tung von 200 bis 400 DM/m³. Die Erfindung ermöglicht somit nicht nur die Einsparung von kostbarem Deponieraum, sondern die Verwendung von Trockenschlamm TS ≥ 70 ist auch mit erheblichen finanziellen Vorteilen verbunden.

Wie bereits ausgeführt, ist eine natürliche Trocknung des – gegebenenfalls vorher mechanisch entwässerten Schlamms – zu zeitaufwendig und umständlich, zumindest in Nordeuropa. Vorzugsweise wird deshalb der Trockenschlamm TS ≥ 70 durch thermische Trocknung in Trockenöfen erhalten, bei der dem zuvor mechanisch entwässerten Schlamm bei Temperaturen von 80 bis 130°C weiter Wasser entzogen wird. Grundsätzlich ist jedoch die Eignung des Trockenschlamms TS ≥ 70 bei jeder Art von Trocknung gegeben.

Um Klärschlamm (oder Gewässerschlamm) überhaupt zentrifugieren oder pressen zu können, ist es erforderlich, dem flüssigen, biologisch behandelten Klärschlamm, der einen Trockensubstanzgehalt von etwa 2 bis 3 % besitzt, Flockungsmittel zuzugeben. Durch die biologische Behandlung befinden sich im Klärschlamm Bakterien, die nach dem Abklingen der Faulprozesse mangels Nahrungsangebot absterben und dabei eine galertartige Masse, in die auch erhebliche Wassermengen eingeschlossen sind, bilden. Derartige Substanzen sind nicht abpreßbar. Durch die Zugabe von Kalk zum Klärschlamm werden Bakterien schnell abgetötet und durch chemische Reaktionen die galertartigen Abkapslungen verhindert. Die Feststoffsubstanz sinkt sehr schnell ab und scheidet sich vom Wasser. Nach dem Abpumpen des Wassers entsteht ein weicher bis breiiger Klärschlamm mit einem Trockensubstanzgehalt von 10 bis 15 Gew.-%, der über Zentrifugen oder Kammerfilterpressen auf einen Trockensubstanzgehalt von 35 bis 45 Gew.-%, je nach Zugabemenge des Kalkes, gebracht werden kann. Für gewisse Anwendungszwecke besteht ein Nachteil bei der Zugabe von Kalk darin, daß der Klärschlamm relativ hohe pH-Werte von 10 bis über 11 annimmt.

Falls ein neutraler Klärschlamm erwünscht ist, können als Flockungsmittel bestimmte Polymere verwendet werden. Geeignete Produkte sind im Handel erhältlich. Auch bei Verwendung von Polymer-Flockungsmitteln erhält man eine weiche bis breiige Klärschlamm-Masse, der zum Beispiel mittels Kammerfilterpressen weiter Wasser entzogen werden kann. Selbst unter günstigsten Bedingungen lassen sich hiermit jedoch nur Klärschlamme mit einem Trockensubstanzgehalt von etwa 50 % erhalten. Hingegen führt die Behandlung des Klärschlammes mit üblichen Zentrifugen zu einem Klärschlamm mit einem Trockensubstanzgehalt von nur 33 bis 40 %. Allerdings soll es nach einer neuesten Entwicklung durch Verwendung besonderer Zentrifugen und den Einsatz von speziellen Flockungsmitteln möglich sein, im sogenannten Zentri-dry-Verfahren Trockensubstanzgehalte von 50 bis 60 Gew.-% zu erreichen. Alle diese Produkte sind jedoch erfindungsgemäß nicht geeignet.

Für die Verwendung des erfindungsgemäß eingesetzten Trockenschlamms TS ≥ 70 ist zunächst nicht von Bedeutung, aus welchem Klärschlamm (unbehandelt oder mit Flockungsmitteln konditioniert) er erhalten worden ist. Für bestimmte Anwendungen ist die Vorgeschichte des Trockenklärschlamms TS ≥ 70 jedoch von Bedeutung. Ist z.B. eine Verwendung für die Herstellung von Bodenabdichtungsschichten vorgesehen, wird vorzugsweise ein Trockenschlamm TS ≥ 70 verwendet, der nicht aus einem Kalk konditionierten sondern aus einem mittels Polymer-Flockungsmittel konditionierten Schlamm erhalten worden ist. Im allgemeinen wird nämlich bei der Herstellung von Bodenabdichtungsschichten unter Zusatz von Wasserglas gearbeitet; die Gelbildungsprozesse des im Bodenwasser gelösten Wasserglases finden jedoch bei pH-Werten unterhalb von 9 statt, während es bei höheren pH-Werten zur Bildung von unerwünschte Hartgelen kommt. Es versteht sich von selbst, daß in diesem Fall ein künstliches Bodengemisch zur Anwendung kommt, bei dem der Naß-Klärschlamm, z.B. Schlamm TS 40, ebenfalls ohne Kalkzugabe erhalten worden ist.

Unter dem Gesichtspunkt der Schlammverbrennung besitzen kalkfreie Schlamme einen höheren Brennwert und einen geringeren Ascheanteil.

Aus Kalk konditioniertem Naßschlamm erhaltener Trockenschlamm TS ≥ 70 ist dagegen wünschenswert, wenn z.B. hochbelastete Naßschlamme in verdichteter Form ohne weitere biologische Aktivitäten abgelagert werden sollen. Hier ist ein höherer pH Wert von Vorteil, der durch Zusatz von Wasserglas noch verstärkt werden kann.

Erfindungsgemäß beträgt der Trockensubstanzgehalt des Trockenschlammes mindestens 70 Gew.-%, d.h. der Maximalwassergehalt liegt bei 30 Gew.-%. Bezüglich des Trockensubstanzgehaltes besteht nach oben an sich keine besondere Grenze. Bei thermischer Trocknung ist für eine anschließende Verbrennung eine Trocknung auf TS 90 üblich. Da die Entfernung der letzten Wasserreste jedoch zunehmend schwieriger wird, ist eine vollständige Wasserentfernung zu energieaufwendig und ist deshalb schon aus ökonomischen Gründen nicht erstrebenswert. Andererseits ist der Rücktrocknungseffekt des Trockenschlammes, vorzugsweise in gemahlener Form, um so größer, je größer dessen Trockensubstanzgehalt bzw. je kleiner dessen Wassergehalt ist. Wegen des hohen Wassergehaltes der zu entsorgenden Schlamme sollte also der Restwassergehalt des Trockenschlamms möglichst niedrig sein, also zum Beispiel unter 20 % oder unter 10 % liegen, wobei mit Trockenschlamm TS 80 und insbesondere TS 90 gute Ergebnisse erhalten wurden.

Als Quellen für den Trockenschlamm kommen die üblichen Klär- und Gewässer-Schlämme in Frage. Zwar ist Klärschlamm, insbesondere wenn er nicht voll ausgefault ist, bakteriologisch nicht beständig, und man sollte bei der Zersetzung des organischen Materials an sich eine stärkere Schrumpfung und damit eine Beeinträchtigung der Deponieabdichtung befürchten. Überraschenderweise hat sich jedoch gezeigt, daß eine erhöhte Schrumpfung nicht auftritt. Im Gegenteil, es wird sogar eine Herabsetzung der Schrumpfung durch den Zusatz an Trockenschlamm beobachtet. Diese günstige Beeinflussung des für die Abdichtungswirkung so wichtigen Schrumpfverhaltens ist bei Zusatz von Naßschlämmen nicht zu beobachten, wie durch die Vergleichsbeispiele belegt ist.

Der erfindungsgemäß verwendete Trockenschlamm TS ≥ 70 wird durch thermische Trocknung von Schlamm, vorzugsweise Klär- oder Gewässerschlamm erhalten und liegt dann in grobkörniger, krümmeliger Form vor. Vorzugsweise wird dieses Material einer Mahlung derart unterworfen, daß die Korngröße unter 0,6 mm liegt. Hierbei wird wiederum vorzugsweise darauf geachtet, daß ein erheblicher Anteil eine Korngröße unterhalb von 0,06 mm besitzt, zum Beispiel mindestens 15 Gew.-% oder mindestens 50 Gew.-%.

Ein Verfahren zur Herstellung von Trockenschlamm TS ≥ 80 ist z.B. in der DE-A-41 38 036 beschrieben. Zur Erzielung eines definierten strukturierten Produkts konstanter Körnung und Festigkeit wird hierbei zunächst ein zu einem Dickschlamm entwässerter Klärschlamm mit getrocknetem Klärschlamm zu einem Material mit einer Trockensubstanz von 55 bis 70 % vermischt, worauf das erhaltene Gemisch auf einen Trockensubstanzgehalt von über 80 % getrocknet und anschließend kompaktiert wird.

Zwar ist aus der EP-B-0 338 039 ein Verfahren bekannt, bei dem feinkörnige künstliche Bodengemische, wie Klärschlamm, durch Zugabe von trockenen körnigen Zuschlagsstoffen, wie Verbrennungsaschen, Stäube oder getrocknete Recyclingsande, zu einem verdichtungsfähigen und abdichtended Einbaugemisch aufbereitet werden können. Diese Abdichtungsgemische verhalten sich dann wie bindige Bodenschichten, zum Beispiel Schluff oder Ton. Das Verfahren der EP-B 0 338 039 unterliegt jedoch gewissen Beschränkungen. Bei Einwirkungen von Regen erhalten die Abdichtungsgemische eine weiche Konsistenz und sind maschinentech nisch nicht mehr verarbeitungsfähig. Das gleiche gilt wenn zum Beispiel erdfeuchte Zuschlagsstoffe in den Klärschlamm eingemischt werden.

Eine Erhöhung des Anteils an trockenen Zuschlagsstoffen ist nur begrenzt möglich, da die körnigen Zuschlagsstoffe die Abdichtungseigenschaften (als Maß für die Abdichtungsgüte dient der k_f-Wert) nachteilig beeinflussen, das heißt das Gemisch erhält wieder eine größere Durchlässigkeit. Auch die Verwendung sehr feinkörniger Stoffen, wie Stäube, die als Füllkorn in derartige Abdichtungsgemische eingegeben werden, vermag dieses Problem nicht zu lösen. Einerseits ist das Wasseraufnahmevermögen der Stäube zu gering, andererseits werden bei Zugabe größerer Staubmengen, zum Beispiel mehr als 10 %, die Abdichtungseigenschaften nachteilig beeinflußt. Im Verfahren der EP-B 0 338 039 findet durch Siebtrocknung erhaltener Klärschlamm mit knetbarer bis halbfester Konsistenz Verwendung, der einen Wassergehalt von etwa 60 bis 70 Gew.-% aufweist, das heißt einen Trockensubstanzgehalt von nur 40 bis 30 Gew-% (Schlamm TS 40 bzw 30).

Aus den vorgenannten Gründen können künstliche Bodengemische aus Klärschlamm TS 40/30 und trockenen Zuschlagsstoffen deshalb nur unter Zelten aufbereitet werden, da nach Niederschlagseinwirkung eine Rücktrocknung mittels hydraulischem Kalk oder Zement, wie sie im Erd- und Grundbau bekannt ist, aufgrund der hydraulischen Abbindung und dem hiermit einhergehenden Verlust der Plastizität des Abdichtungsgemisches nicht zulässig ist. Als besonders nachteilig bei diesem an sich sehr wirtschaftlichen Abdichtungsverfahren hat sich in der Praxis herausgestellt, daß stark übernäßte Böden nicht weiter verwendet werden können und sogar von der Baustelle geräumt und aufgrund ihrer Inhaltsstoffe gesondert entsorgt werden müssen.

Hierzu wurden folgende Versuche durchgeführt:
Unter Verwendung von Klärschlamm mit einem Trockensubstanzgehalt von 38 Gew.-% (Schlamm TS 38) wurden künstliche Bodengemische A und B hergestellt (alle Angaben in Gew.-%).

A B

40% Klärschlamm 40% Klärschlamm

25% Verbrennungsasche 50% Recyclingsand

25% Formsand 10% Stäube

10% Stäube
Es wurden gut einbaufähige Abdichtungsgemische erhalten, die mit schweren Glattmantelwalzen und Vibrationswalzen verdichtungsfähig sind. Die Abdichtungsgemische besaßen eine mittelplastische Zustandsform und ergaben Abdichtungswirkungen mit k_f-Werten im Bereich von 1 × 10^–10 m/s. Unter starker Regeneinwirkung sind diese künstlichen Bodengemische jedoch bereits nach einem Tag mit Walzen nicht mehr verdichtungsfähig. Das Material weicht beim Verdichten auf und nimmt eine weiche bis breiige Zustandsform an. Setzt man diesem nicht mehr verarbeitungsfähigen Material 6 kg gemahlenen Trockenschlamm TS 90 pro m² (Materialstärke 25 cm) zu, so erhält man nach Einarbeitung durch Fräsen und einer anschließenden Liegezeit von einem halben Tag ein maschinentechnisch verdichtungsfähiges Bodenmaterial, mit dem k_f-Werte < 1 × 10^–10 m/s erhalten werden. Die Plastizität der verdichteten Bodenschicht bleibt erhalten.
Erhöht man im vorgenannten Versuch die Zugabemenge an Trockenschlamm TS 90 auf 9 kg/m², so beobachtet man sogar eine wasserabstoßende Wirkung. Selbst nach 14-tägiger Liegezeit unter Regeneinwirkung und ohne Andecken einer Filterschicht blieb das Abdichtungsgemisch steif bis halbfest und zeigte keine Aufweichungserscheinungen an der Oberfläche, während ohne Verwendung von Trockenschlamm TS 90 Oberflächenaufweichungen grundsätzlich auftreten.
In einem weiteren Versuch wurde bei den vorstehenden Bodengemischen A und B der Klärschlammanteil TS 38 auf 50 % erhöht, wobei zum Ausgleich die körnigen Zuschlagsstoffe um 10 % reduziert wurden (Bodengemisch C). Hierdurch stieg der Mischwassergehalt von 32 auf 42 % an (nach Bodenmechanik). In diesem Fall ist das Abdichtungsgemisch wegen des höheren Ausgangswassergehaltes von 42 % nicht mehr verdichtungsfähig. Die Einmischung von 6 kg gemahlenem Trockenschlamm TS 90 pro m² (25 cm Materialstärke) bewirkte nach einer Standzeit von nur 1 Tag die Verdichtungsfähigkeit des Gemisches. Auch hierbei wurden k_f-Werte von 1 × 10^–10 m/s gemessen.
In einem Extremversuch wurden lockere Gemische der Rezeptur C 1 Woche dem Niederschlag ausgesetzt, wobei weiche bis breiige Gemische erhalten wurden. Durch Einarbeitung von 15 kg Trockenschlamm TS 90 pro m² Lockerschüttung (25 cm Materialstärke) und einer Standzeit von 1/2 Tag wurden verdichtungsfähige Gemische erhalten. Dieses extrem aufgeweichte Probefeld konnte anschließend gut verdichtet werden. Das Probefeld wurde ohne Andeckung 2,5 Monate sich selbst überlassen und zeigte selbst nach dem Frost-/Tauwechsel und einwirkendem Niederschlag keinerlei Aufweichungen an der Oberfläche.
Die vorstehend beschriebenen Versuche zeigen, daß es durch Zugabe von Trockenschlamm TS ≥ 70 möglich wird, künstliche Bodengemische mit sehr hohem organischen Anteil (dieser liegt bei Klär- und Gewässerschlamm bei 40 bis 50 %) und hohen Wassergehalten selbst nach Nie derschlagseinwirkung mit großtechnischen Erdbaumaßnahmen verarbeitungsfähig zu machen. Dies war bisher nur mit Trocknungsmaßnahmen (Sonne, Wind oder sogar Trockenofen) möglich. Darüber hinaus besteht hiermit erstmalig die Möglichkeit, plastisch verformbare Abdichtungsschichten herzustellen, die nachträglich durch Wettereinfluß oder Wasseraufstau nicht mehr aufweichen.
Bei einem Rücktrocknungsversuch mit hydraulischem Kalk mußte die dreifache Kalkmenge (bezogen auf Trockenschlamm TS 90), zugegeben werden um die erforderliche Verarbeitbarkeit/Verdichtungsfähigkeit zu erreichen. Das Material verfestigte sich nach 1 Tag unter Verlust der Bodenplastizität und war deshalb für eine Abdichtung nicht mehr geeignet.
Eine weitere wichtige Eigenschaft von Abdichtungsschichten ist die Dauerwirksamkeit der Abdichtung. Nach dem Stand der Bodenmechanik ist die Schrumpfung (Schrumpfwert nach DIN 18122, Teil 2, 1987) eines Bodengemisches um so größer, je größer der Gehalt an organischen Stoffen und je größer der Wassergehalt ist. Steigende Schrumpfwerte bedeuten jedoch in jedem Fall eine Zunahme der Rißanfälligkeit und damit Beeinträchtigung der Abdichtungswirkung. Da durch Zugabe von Trockenschlamm TS ≥ 70 der Gehalt an organischen Stoffen weiter erhöht wird, war deshalb von vornherein mit erhöhten Schrumpfwerten zu rechnen. Hierzu wurden Versuche mit den aus Tabelle I ersichtlichen Bodengemischen durchgeführt. KS steht für Klärschlamm.
Tabelle I
In Tabelle I sind die Ausgangsbodengemische mit dem dazugehörigen Mischwassergehalt, die Schrumpfwerte vor und nach Zusatz von Trockenschlamm TS 90 sowie die erzielten Abdichtungswerte (k_f-Werte) vor und nach Zugabe von Trockenschlamm TS 90 angegeben. Bei allen Versuchen zur Ermittlung der Abdichtungswerte wurde dem Bodengemisch pulverförmiges Wasserglas (20 kg/m³) zugesetzt. Zur Verwendung gelangte gemahlener Trockenschlamm TS 90 mit einem Kornanteil < 0,06 mm von 20 %. Die Zugabemenge an Trockenschlamm TS 90 wurde in allen Fällen so gewählt, daß die Böden gut walz- und einbaufähig für die Baustelle waren. Die Zugabemenge an Trockenschlamm TS 90 betrug in Versuch 1 20 kg/t, in Versuch 2 32 kg/t und in Versuch 3 54 kg/t. Die Dichte der verdichteten Bodengemische ist hierbei mit 1,45 t/m³ anzuset zen. Der organische Anteil des gemahlenen Trockenschlamms TS 90 betrug ca. 40 %.
Der in Tabelle I angegebene Mischwassergehalt ist gemäß Bodenmechanik nicht auf die Gesamtmenge des feuchten Bodengemisches bezogen, sondern auf Bodentrockensubstanz. In einem Probengemisch mit einem Mischwassergehalt von 39 % sind somit 390 g Wasser auf 1000 g Bodentrockensubstanz enthalten. Dies entspricht einem Wassergehalt, bezogen auf Gesamtmenge von 28,1 %.
Tabelle I bestätigt zunächst den erwarteten Sachverhalt, daß nämlich eine Zunahme des Wassergehaltes steigende Schrumpfwerte zur Folge hat (Versuche 1 und 2). Tabelle I zeigt auch, daß eine Zunahme an organischen Bestandteilen bei gleichem Wassergehalt ebenfalls, und sogar eine ganz wesentliche Zunahme der Schrumpfwerte zur Folge hat (Versuche 2 und 3). Tabelle I liefert aber auch den äußerst überraschenden Befund, daß durch die Zugabe von Trockenschlamm TS 90 die Schrumpfwerte drastisch abgesenkt werden können, und dies obwohl durch die Zugabe an Trockenschlamm TS 90 der Anteil an organischen Stoffen im Bodengemisch weiter erhöht wird. Die ingenieurtechnische Bedeutung dieses überraschenden Befundes liegt darin, daß die gemäß Tabelle I unter Zusatz von Trockenschlamm TS 90 erhaltenen Schrumpfwerte etwa um die Hälfte geringer sind als die Schrumpfwerte natürlicher Schluffböden und sogar um das 3- bis 4-fache geringer als bei Tonböden, die bevorzugt für Abdichtungen eingesetzt werden. Da die Größe des Schrumpfwertes ausschlaggebend für die Rißanfälligkeit infolge der tatsächlich zu erwartenden Beanspruchung der Dichtung durch Setzungen und Wassergehaltsänderungen ist, kommt dieser drastischen Verminderung des Schrumpfwertes ganz wesentliche Bedeutung für die Langzeitqualität der Abdichtung zu.
Zusammenfassend ist festzustellen, daß es durch die erfindungsgemäße Verwendung von Trockenschlamm TS ≥ 70 möglich wird, bodenmechanische Abdichtungen unter Verwendung von herkömmlichem Klär- oder Gewässerschlamm so herzustellen, daß sie

(a) während der Verarbeitungszeit erhebliche Wassermengen – zum Beispiel niederschlagsbedingt – aufnehmen können, ohne daß die Verarbeitungs- und Verdichtungsfähigkeit verloren geht, und
(b) gleichzeitig infolge der stark herabgesetzten Schrumpfwerte eine erheblich geringere Rißanfälligkeit besitzt, was der Langzeitqualität der Abdichtung bei späterer Beanspruchung durch Verformungen beziehungsweise Wassergehaltsänderungen, zum Beispiel durch Trockenwettereinwirkung, zugute kommt.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine verbesserte Abdichtungswirkung dadurch erreicht, daß man dem Klärschlamm-haltigen (TS 30/40) Abdichtungsgemisch zusätzlich zu dem Trockenschlamm TS ≥ 70 Wasserglas, vorzugsweise pulverförmig, in solcher Menge zusetzt, daß im Bodenwasser des Abdichtungsgemisches eine 3 bis 10 Gew.-%ige Wasserglaslösung resultiert. Hierbei besteht eine weitere bevorzugte Arbeitsweise darin, daß man das pulverförmige Wasserglas zusammen mit dem Trockenschlamm in einem einzigen Arbeitsgang mit dem Abdichtungsgemisch vermischt.
Der Ausdruck "pulverförmig" bezeichnet hierbei eine feinteilige trockene Form, schließt also auch flockenförmig usw. mit ein. Beispiele für geeignetes Wasserglas sind Natron- und Kaliwassergläser, wobei Natronwassergläser wegen ihrer Wohlfeilheit bevorzugt sind. Ein besonders geeignetes Handelsprodukt ist unter der Bezeichnung Deposil N erhältlich.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden bei der Herstellung von Abdichtungen zusätzlich zum Wasserglas Weichgelbildner verwendet. Die Verwendung derartiger Weichgelbildner ist an sich bekannt. Beispiele für geeignete Weichgelbildner sind Natriumaluminat, Natriumhydrogencarbonat, Natriumacetat und Natriumhydrogenphosphat. Natriumhydrogencarbonat (ein geeignetes Produkt ist unter der Bezeichnung Deposil V im Handel erhältlich) ist bevorzugt, und zwar deshalb, weil gegen Phosphate und Acetate aus Umweltgründen Bedenken bestehen können. In einigen Fällen werden jedoch auch Gemische der Weichgelbildner verwendet.
Der Weichgelbildner wird pulverförmig, im allgemeinen in einer Menge von 1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf die Menge an freiem Bodenwasser, vorzugsweise in einer Menge von 2 bis 8 Gew.-% und insbesondere 3 bis 6 Gew.-% verwendet. Der Ausdruck "pulverförmig" bezeichnet hierbei eine feinteilige trockene Form, schließt also auch flockenförmig usw. mit ein.
Daß die beschriebenen Effekte des erhöhten Wasseraufnahmevermögens und der verminderten Schrumpfung tatsächlich auf den erfindungsgemäß eingesetzten Trockenschlamm TS ≥ 70 zurückzuführen sind und mit anderem Schlamm nicht erreichbar sind, zeigen die in Tabelle I zusammengestellten Ergebnisse. Der übernäßte Boden des Versuchs 3 (46,3 % Wassergehalt) besitzt einen Schrumpfwert von 24 bis 26,8 %. Ein derartiges Gemisch ist nicht verdichtbar. Setzt man jedoch diesem übernäßten Bodengemisch je Tonne nur 54 kg Trockenschlamm TS 90 zu (der Wassergehalt von 46,3 % ändert sich hierdurch nur unmerklich), so erhält man die angegebenen Schrumpfwerte (6,7 bis 8,3 %), die sogar noch deutlich unter denjenigen Schrumpfwerten (16-18 %) für den Boden mit deutlich geringerem Wassergehalt (39,5 %) liegen. Darüber hinaus ist das durch Zusatz von Trockenschlamm TS 90 erhaltene Bodengemisch trotz des hohen Wassergehaltes mit den üblichen Maschinen der Bodenmechanik gut einbaubar und verdichtbar.
Für den Fall, daß Schlamme hoch schadstoffbelastet sind, oder im Fall strahlungskontaminierter Schlamme, kommt eine Verwendung für Abdichtungen im Allgemeinen nicht in Frage. Vielmehr muß dann eine Endablagerung auf Sonderdeponien oder sogar in besonderen Behältern erfolgen, oder die Schlamme müssen verbrannt werden, wobei jedoch stets das Problem der vorherigen Überführung in eine für die Verbrennung technisch geeignete Form besteht, und die gewählte Methode selbstverständlich wirtschaftlich vertretbar sein muß. Dieser Problemkreis wird nachfolgend behandelt.
Konditionierung breiiger bis dickflüssiger Schlamme zur erdbautechnischen Ablagerung.
Für diese Art der Verwertung sind neben den natürlichen Schlammen, wie Klär- oder Gewässerschlamm, Ölschlamme und chemi sche Schlamme zu nennen. Beispiele für letztere sind Farbschlamme oder Destillationsrückstände. Hierbei kann es sich um Schlamme mit einer wässrigen Phase, einer organischen Phase oder mit einer Gemischtphase handelt.
Diese Schlamme besitzen oftmals eine hohe Viskosität. Bekannt ist es, derartige Schlamme, zum Beispiel mit Kohlestaub oder Sägemehl in derartiger Menge zu vermischen, daß eine krümelige oder pelletierbare Konsistenz entsteht. Hierzu ergaben Versuche mit einem breiigen bis flüssigen, hoch mit Kohlenwasserstoffen belasteten Klärschlamm, daß durch Zumischung von nur 25 Gew.-% (berechnet auf die breiige Ausgangsmasse) von Trockenschlamm TS 90 (Mahlfeinheit 15 %, < 0,06 mm) im Zwangsmischer ein krümmeliges Material erhalten werden konnte. Verwendet man den Trockenschlamm mit einer Mahlfeinheit von 50 %, < 0,06 mm, kann die Zugabemenge von 25 auf 16,5 Gew.-% erniedrigt werden.
Das erfindungsgemäß durch Zusatz von Trockenschlamm TS 90 erhaltene krümmelige Material ist zur Herstellung eines Reststoffgemisches geeignet, das in einem verdichteten Abdichtungsgemisch unter erdbautechnischen Gesichtspunkten auf den hierfür zulässigen Sonderdeponien abgelagert werden kann.
Eine besondere Eigenschaft der erfindungsgemäß mit Trockenschlamm TS ≥ 70 versetzten Schlamme besteht darin, daß sie ein größeres Rückhaltevermögen für organische Schadstoffe und Schwermetalle besitzen. Mit anderen Worten, diese Schadstoffe werden durch Niederschlagswasser in geringerem Umfang eluiert. Trogversuche ergaben Eluatverminderungen nach 3 bis 4 Tagen um mehr als 90 %. Bei der Verwendung derartiger Stoffe für Deponien ist somit eine Beeinträchtigung der Schutzgüter Wasser, Boden und Luft weit weniger zu befürchten.
Es wurde auch beobachtet, daß die Oberflächen derart – durch Zusatz von Trockenschlamm TS ≥ 70 – konditionierter Stoffe wasserabstoßende Eigenschaften besitzen. Dies bedeutet, daß Schlamme aller Art zu einer verdichtungsfähigen, krümeligen Masse auf höchst wirtschaftliche Weise rückgetrocknet und in Schüttlagen bei wechselnder Witterung als dichter Deponiekörper eingebaut werden können, ohne daß Aufweichungen durch einwirkenden Niederschlag und ein schädliches Eluatverhalten unter Berücksichtigung der zugelassenen Grenzwerte der Deponie zu befürchten sind. Dies könnte die Möglichkeit eröffnen, die bisher vorgeschriebene Einlagerung derartiger Stoffe in kostspielige Spezialbehälter zu vermeiden.

Claims

Verfahren zur Herstellung von verdichtbaren Materialgemischen zur Verwendung im Erd- und Grundbau aus natürlichen oder künstlichen Schlammen, dadurch gekennzeichnet, daß man den Schlammen Trocken, Klär- oder Gewässerschlamm mit einem Trockensubstanzgehalt von mindestens 70 Gew.-% (Schlamm TS ≥ 70) zusetzt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Trockenschlamm in gemahlener Form, mit einer Korngröße unter 0,6 mm verwendet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Trockenschlamm mit mindestens 15 Gew.-% Feinkornanteil unter 0,06 mm verwendet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Trockenschlamm mit mindestens 50 Gew.-% Feinkornanteil unter 0,06 mm verwendet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man Trockenschlamm mit einem Trockensubstanzgehalt von 80 Gew.-% oder höher (Schlamm TS ≥ 80) verwendet.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man Trockenschlamm mit einem Trockensubstanzgehalt von etwa 90 Gew.-% (Schlamm TS 90) verwendet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man den Materialgemischen Wasserglas zusetzt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man zusätzlich Weichgelbildner zusetzt.