DE19727275C2

DE19727275C2 - Verfahren zur Beseitigung von sulfidhaltigen toxischen Cellulose-Abfallschlämmen in stehenden Gewässern

Info

Publication number: DE19727275C2
Application number: DE19727275A
Authority: DE
Inventors: Peter Harborth; Hans Helmut Hanert; Martin Kucklick; Claudia Gloistein
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-06-26
Filing date: 1997-06-26
Publication date: 2001-11-29
Anticipated expiration: 2017-06-27
Also published as: DE19727275A1

Description

Insbesondere in der Vergangenheit war es üblich, mehr oder weniger geklärte Abwässer in stehende Gewässer einzuleiten, um sich so der Abwässer zu entledigen. Durch massive Einleitungen ist die Selbstreinigungskraft der Gewässer häufig überfordert worden, so daß die Gewässer insbesondere für höhere Lebewesen nicht mehr bewohnbar waren. Bei der Einleitung von cellulose haltigen Abwässern ist es dabei vorgekommen, daß die an sich in Gewässern anaerob abbaubare Cellulose nicht mehr bzw. nicht schnell genug abgebaut worden ist. Es haben sich daher teil weise meterhohe Schlammschichten gebildet, die teilweise gar nicht mehr oder nur mit geringen Höhen durch Wasser abgedeckt sind.

Untersuchungen haben gezeigt, daß sulfidhaltige cellulosehal tige Abfallschlämme durch einen hohen Schwefelwasserstoffge halt stark toxisch geworden sind und einen nur noch geringen anaeroben Celluloseabbau zeigen. Die bei dem geringen Restab bau entstehenden Schwefelwasserstoffmengen lassen das Gewässer zu einer unangenehmen Geruchsbelästigung und teilweise auch zu einer gesundheitlichen Beeinträchtigung werden.

Das in der Praxis einzig mögliche Verfahren zur Beseitigung der Beeinträchtigung und Sanierung des Gewässers besteht darin, den Schlamm aus dem Gewässer abzusaugen. Nach einer Konditionierung kann der Schlamm auf eine Deponie verbracht oder nach einer Entwässerung verbrannt werden. Beide Verfahren bergen nicht unerhebliche Risiken für die Umwelt. Darüber hinaus verursacht das Absaugen und Aufbereiten ohne Transport- und Deponiekosten Behandlungskosten von etwa 25,- DM/m³. In einem bekanntgewordenen Sanierungsfall enthält ein Gewässer mit einer Oberfläche von ca. 30 ha über 2,7 Mill. m³ Schlamm. Eine Sanierung dieses Gewässers mit einem herkömmlichen Verfahren ist praktisch nicht finanzierbar. Durch das deutsche Patent 44 40 464 ist es bekannt, eine Oberfläche eines Gewässers, das insbesondere auch mit Schlamm gefüllt ist, mit Schwimmkörpern abzudecken, auf denen eine Biofiltermasse aufgeschichtet ist, die eine mikrobiologische Reinigung der vom Gewässer aufsteigenden Abgase, insbesondere des Schwefelwasserstoffs, vornimmt und so die Geruchs- und gesundheitliche Beeinträchtigung durch diese Gase verhindert. Eine Beseitigung der Ursachen dieser Beeinträchtigung, nämlich einer einige Meter dicken Schlammschicht, ist damit naturgemäß nicht möglich.

Es ist ferner bekannt, dass stehende oder nur schwach fließende Gewässer durch eine Sauerstoffverarmung "umkippen können" wodurch es einerseits zu einem übermäßigen Algenwuchs kommt und andererseits absterbende Algen einen entsprechenden organischen Schlamm bilden. Die Regenerierung eines derartigen Gewässers kann durch eine entsprechende Belüftung des Gewässers bewirkt werden. Durch die Zuführung von Sauerstoff kommt es zu einer aeroben mikrobiellen Mineralisierung des Schlammes, also zu einer Umwandlung der organischen Stoffe in gasförmiges CO₂. Gemäß der DE 195 33 370 A1 wird die Mineralisierung des durch abgestorbene Biomasse gebildeten Schlamms durch eine alternierende Einleitung von sauerstoffreichem und sauerstoffarmen Wasser in den Schlamm angestrebt. Dieses Verfahren ahmt somit eine abwechselnde Nitrifikations- und Denitrifikationsbehandlung nach, die zur Klärung von Abwässern in Kläranlagen bekannt ist. Nachdem die Behandlung durch die wiederholte Einleitung von sauerstoffreichem Wasser und anschließend sauerstoffarmen Wasser beendet ist, wird Kalkmilch eingeleitet, um Phosphate zu binden, die als Nährstoffe für die Algenbildung im Wasser vorhanden sind. Auf diese Weise wird der erneuten Algenbildung entgegengetreten.

Gemäß der DE 44 00 505 A1 wird zur Wiederherstellung des ökologischen Gleichgewichts eines "umgekippten" Gewässers eine sauerstoffhaltige Suspension in das Wasser oder eine Unterwasserablagerung eingeleitet. Auch hier wird die Mineralisierung des Schlamms angestrebt. Gemäß der DE 40 05 064 A1 werden am Boden des Gewässers abgesetzte organische Bestandteile anaerob abgebaut. Der anaerobe Abbau soll dabei nicht gestört werden, führt jedoch, beispielsweise durch Bildung von H₂S zu belästigenden Gerüchen. Demgemäß sollen auf die Oberfläche Zusatzstoffe gestreut werden, die anaerobe Nähr- und Giftstoffe abbinden und als unlösliche, nicht toxische Stoffe ausfällen.

Die vorliegende Erfindung befasst sich demgegenüber nicht mit der Beseitigung von abgestorbener Biomasse, sondern mit der Beseitigung von sulfidhaltigen toxischen Cellulose-Abfallschlämmen.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein finanzierbares Verfahren anzugeben, mit dem die sulfidhaltigen toxischen Cellulose-Abfallschlämme beseitigt werden können.

Die Lösung dieses Problems gelingt erfindungsgemäß dadurch, dass der Schlamm in situ so belüftet wird, dass durch eine aerobe mikrobielle Aktivität eine Schlammverflüssigung und -entgiftung eintritt.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht somit darauf, dass der Schlamm in dem stehenden Gewässer belüftet wird, um eine aerobe mikrobielle Aktivität hervorzurufen. Überraschenderweise tritt bei einer ausreichenden Belüftung des Schlammes eine Verflüssigung der Feststoffe des Schlamms ein, die darauf zurückzuführen ist, daß die die Feststoffe bildende Gelmatrix der Celluloseschlämme durch die aerobe mikrobielle Aktivität aufgelöst wird. Durch die Verflüssigung wird das Problem der geringen Durchlässigkeit des Schlammkörpers für Wasser besei tigt und ein Zustand herbeigeführt, der dem eines Moorsees entspricht. Etwaige durch eine aerobe mikrobielle Aktivität nicht zersetzbare Reststoffe werden in üblicher Weise anaerob in einem Humifizierungsprozeß langsam zersetzt, wobei der Hu mifizierungsprozeß nicht mehr gehemmt wird, weil der Schlamm durch die aeorbe mikrobielle Aktivität, die zur Verflüssigung führt, auch vollständig entgiftet wird.

Die erfindungsgemäße Behandlung des Schlammes wird durch Ein bringung einer Nährsalzlösung wirkungsvoll unterstützt.

Will man den erfindungsgemäß entstehenden braunen "Moorsee" in einen farblosen See überführen, kann dies durch eine Präzipi tation mit Eisen- oder Aluminiumsalzen erreicht werden.

Die Belüftung des Schlammes erfolgt vorzugsweise schichten weise zunächst im oberen Bereich und dann zunehmend tiefer. Hierfür können vorzugsweise zahlreiche Belüftungslanzen ver wendet werden, mit denen die Belüftung über eine durch die Konstruktion der Lanzen vorgegebene Schichthöhe erfolgen kann.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt schematisch einen durch eine selbstabdichtende See-Basis 1 abgeschlossenen See 2, der über nahezu seine ge samte Höhe durch Schlamm 3 beispielsweise über eine Höhe von 9 m gefüllt ist. Oberhalb des Schlamms befindet sich eine Was serschicht 4 von 1 m Höhe, wobei jedoch über einen gewissen Bereich die Schlammschicht 3 bis an die Oberfläche 5 des Sees erstreckt ist. Auf die Oberfläche 5 des Sees sind Schwimmkör per 6 gelegt, die beispielsweise aus einem Polystyrol-Schwimm körper mit einer Biofilterschicht, vorzugsweise aus Holzmulch und Rindenmulch, in einer gasdurchlässigen Textilumhüllung bestehen und dicht an dicht aneinander gelegt sind, um die Oberfläche 5 vollständig abzudecken. Durch die Zwischenräume zwischen den Schwimmkörpern 6 sind Belüftungslanzen 7 geführt, durch die flächendeckend mit einem Kompressor 8 zugeführter Sauerstoff in den oberen Bereich der Schlammschicht 3 eingeblasen wird.

Durch die aerobe Umgebung kommt es in der Schlammschicht zu verstärkten Abbauvorgängen, durch die Schwefelwasserstoff teilweise eruptiv freigesetzt wird. Die damit verbundene Geruchs- und Gesundheitsbeeinträchtigung wird durch die einen schwimmenden Oberflächenbiofilter bildenden Schwimmkörper 6 wirksam unterbunden. Zusammen mit der Sauerstoffzufuhr, die durch Einpumpen von Druckluft erfolgen kann, können gleichzeitig Nährsalze für den Schlamm eingebracht werden. Ein entsprechendes Mineralsalzmedium kann beispielsweise bestehen aus

KNO₃	2,000 g/l
NH₄Cl	0,500 g/l
KH₂PO₄	0,100 g/l
K₂HPO₄	1,000 g/l
MgSO₄.7H₂O	0,100 g/l
CaCl₂.2H₂O	0,050 g/l
Na₂SiO₄.7H₂O	0,005 g/l

Spurensalzlösung nach DREWS 2,00 ml/l

Spurensalzlösung nach DREWS [1983]

EDTA	0,500 g/l
FeSO₄ . 7H₂O	0,300 g/l
MnCl₂ . 4H₂O	0,003 g/l
CoCl₂ . 6H₂O	0,005 g/l
CuCl₂ . 2H₂O	0,001 g/l
NiCl₂ . 6H₂O	0,002 g/l
NaMnO₄ . 4H₂O	0,003 g/l
ZnSO₄ 7H₂O	0,005 g/l
H₃BO₃	0,002 g/l

Dieses Düngen des Schlamms unterstützt die mikrobielle Aktivität, die durch die Belüftung initiiert wird.

Die in der Zeichnung dargestellten Pfeile 9 symbolisieren das schrittweise Absenken der Sauerstofflanzen 7, um den gesamten Schlammkörper zu aerobisieren und erfindungsgemäß zu verflüs sigen.

Die nachstehenden experimentellen Angaben sind für ein Abwas sersee der Filmfabrik Wolfen erstellt worden, der als "Silber see" bekanntgeworden ist, da seine auf der Oberfläche schwim menden Abwässer der Zellstoffproduktion zu starken Sonnen lichtreflektionen führen und den See silbern erscheinen las sen. Der See ist als Restloch des Braunkohletagebaus "Grube Johannes" entstanden.

Die in den See eingeleiteten Zellstoff-Ablaugen resultieren überwiegend aus einem Aufschlußverfahren für Zellstoffasern, aus denen das die Zellstoffasern verbindende Lignin herausge löst wird. Demgemäß enthält der Schlamm 3 in diesem Fall neben einem hohen Celluloseanteil auch einen Anteil von ca. 30% Lignin.

Die nachstehende Tabelle 1 führt physikalische und chemische Parameter des Schlamms in verschiedenen Tiefen des "Silber sees" auf. Vergleichswerte resultieren aus früheren Unter suchungen eines verschlammten Stadtteichs in Goslar und einer Mülldeponie.

Tabelle 2 gibt die Nährstoffgehalte der Sedimentproben in den verschiedenen Tiefen an, wiederum im Vergleich zum Stadtteich in Goslar.

Die Tabelle 1 läßt erkennen, daß in größeren Tiefen nahezu 40 g Cellulose pro Liter und nahezu 15 g Lignin pro Liter als Feststoffe in dem Schlamm enthalten sind. In diesen Tiefen, beginnend ab etwa 25 cm liegt auch ein hoher Schwefelwasser stoffgehalt vor, der den Abfallschlamm hochtoxisch werden läßt und die Einordnung des Silbersees als Extrembiotop rechtfer tigt.

Tabelle 3 gibt die Ergebnisse der Mikroorganismenkonzentratio nen im Wasserkörper und Schlammkörper des Silbersees wieder. Trotz der hohen Toxizität des Schlammkörpers weist dieser eine hohe mikrobielle Bevölkerung auf.

Aerob behandelte Schlammproben aus den verschiedenen Sediment tiefen zeigen eine deutliche Reduzierung der Trockenmasse, wie Fig. 2 verdeutlicht. Dabei zeigt sich, daß gemäß Fig. 3 ins besondere ein starker Abbau von Cellulose stattfindet, während der Ligningehalt gemäß Fig. 4 als wasserunlösliches Lignin (Fig. 4a) praktisch nicht abgebaut wird, wasserlösliches Lig nin (Fig. 4b) hingegen stark zunimmt.

Fig. 5 zeigt die Entwicklung der Toxizität durch die Belüf tungsbehandlung, dargestellt als G_L-Wert, der durch die Leucht bakterientoxizität in üblicher Weise gebildet wird. Es zeigt sich, daß bereits durch eine Behandlungsdauer von 4 Wochen die erhebliche Toxizität auf geringe Werte abgesenkt worden ist und eine Toxizität nach einer Behandlungsdauer von 6 Monaten nicht mehr nachweisbar ist.

Fig. 6 zeigt durch Messung der Extinktion, daß ein Filtrat des behandelten Schlammes gemäß Fig. 6a im wesentlichen die gleiche Charakteristik zeigt wie Moorwasser gemäß Fig. 6b, das aus einem Moorsee in Norddeutschland (in Penningbüttel bei Bremen) entnommen worden ist.

Dieses Ergebnis ist darauf zurückzuführen, daß mit der Behand lung die Viskosität des Sediments in allen Tiefen auf minde stens 3,3 × 10^-3 Pas herabgesetzt worden ist, der Schlamm also verflüssigt worden ist, wie dies die nachstehende Tabelle 4 ausweist.

Das Gewässer mit der auf diese Weise verflüssigten Schlamm schicht kann einem normalen Humifizierungsprozeß überlassen werden, da eine Umweltgefährdung durch dieses Gewässer nicht mehr ausgeht. Ist man daran interessiert, die braunen Bestandteile des Gewässers zu entfernen und ein klares Gewässer zu erreichen, können die Braunstoffe mit Eisen- oder Aluminium salzen gefahrlos ausgefällt werden.

Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren mit einem relativ sehr geringen Aufwand eine Sanie rung von bisher aus finanziellen Gründen nicht sanierungsfähi gen Gewässern erlaubt. Die Abdeckung des Gewässers ist dabei nur dann erforderlich, wenn aufgrund der Lage des Gewässers eine Geruchsbelästigung, die während der Sanierung allenfalls über einige Wochen anfällt, vermieden werden muß. Regelmäßig wird für diese Fälle jedoch die Abdeckung der Gewässerober fläche auch ohne Sanierungsmaßnahmen erforderlich gewesen sein, so daß die Kosten für die Abdeckung der Wasseroberfläche nicht als Kosten der Sanierung ins Gewicht fallen. Die Sanie rungskosten entstehen somit nur durch die gezielte Belüftung und ggf. Düngung des Schlammes.

Tabelle 1

Physikalische und chemische Parameter des Schlamms

Tabelle 2

Nährstoffgehalte der Sedimentproben

Tabelle 3

Keimkonzentrationen verschiedener Mikroorganismen im Wasser- und Schlammkörper der Grube Johannes

Tabelle 4

Viskosität der aerob behandelten Schlammproben aus verschie denen Tiefen

Claims

1. Verfahren zur Beseitigung von sulfidhaltigen toxischen Cellulose-Abfallschlämmen in stehenden Gewässern, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlamm (3) in situ so belüftet wird, daß durch eine aerobe mikrobielle Aktivität eine Schlammverflüssigung und -entgiftung eintritt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewässeroberfläche (5) mit einem schwimmenden Biofil ter (6) zur Reinigung von Abgasen abgedeckt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Belüftung des Schlammes (3) schichtenweise zu nächst im oberen Bereich und dann zunehmend tiefer er folgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Belüftung mit Hilfe von zahlreichen Belüftungslanzen (7) vorgenommen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß in den Schlamm zusätzlich Nährsalze eingebracht werden.