DE19961243A1

DE19961243A1 - Verfahren zur Entsäuerung von Bergbaurestseen

Info

Publication number: DE19961243A1
Application number: DE1999161243
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Rabe; Guenter Scholz; Olaf Wehner; Joerg Appelt; Gert Gockel; Roland Koch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-12-18
Filing date: 1999-12-18
Publication date: 2001-07-05

Abstract

Verfahren zur Entsäuerung von Bergbaurestseen, insbesondere von Tagebaurestseen, die nach Beendigung des aktiven Bergbaus entstanden sind und in die Kraftwerksaschen aus der Verbrennung von Braunkohlen verspült wurden. DOLLAR A Die Entsäuerung des durch aufgehendes Grundwasser versauerten Tagebaurestsees erfolgt durch gezielte Aufwirbelung und Wiedereinleitung von aufgenommenen Kraftwerksaschesediment unter Berücksichtigung der Auswertung von Messdaten bezüglich der Wassergüte. DOLLAR A Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können in relativ kurzer Zeit größere Wassermengen entsäuert werden, wodurch der Tagebaurestsee schneller auf eine spätere Nutzung vorbereitet wird. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren ist eine pH-Wert-Anhebung bis auf einen pH-Wert von 6-9 möglich.

Description

Durch den offenen Bergbau in Anspruch genommene Flächen müssen nach Auslaufen der Bergbauaktivitäten einer Sanierung zur Sicherung einer Folgenutzung unterzogen werden. Folgenutzungen für durch den offenen Bergbau entstandene Restlöcher, ins besondere der großflächigen Restlöcher nach dem Braunkohletagebau, sind nach Flu tung dieser Restlöcher die Wasserspeicherbewirtschaftung oder die Schaffung von Ba de- und Fischgewässern.

In der Vergangenheit erfolgte die Flutung von Bergbaurestlöchern meist durch Selbst aufgang in Folge steigenden Grundwassers nach Beendigung der Bergbautätigkeit bzw. durch Zuführung von Oberflächenwasser von in der Umgebung liegenden Fließgewäs sern.

Entsprechend der gängigen Bergbaupraxis werden die als Abraum bezeichneten Boden aushübe wieder in die vom aktiven Bergbau verlassenen Gebiete verkippt. Nach Ein stellung des offenen Bergbaus und der damit verbundenen Einstellung der allgemeinen Grundwasserabsenkung durchströmt das wieder in Erscheinung tretende Grundwasser die vom Bergbau hinterlassenen Kippen. Aufgrund von Pyritverwitterung im offenen Bergbau sind diese Kippen mit einem hohen Säurepotential angereichert. Das führt, insbesondere bei Mangel an Oberflächenwasser für die Flutung, zur Versauerung der entstehenden Tagebaurestseen (Absenkung des pH-Wertes). Damit können die ange strebten Nutzungsziele, wie Fischerei- und Badegewässer, vorerst nicht realisiert wer den. Im Falle einer geplanten Speicherbewirtschaftung besteht zusätzlich die Gefahr des zeitweisen Einleitens von pH-saurem Wasser in die Vorflut (Einhaltung gesetzlich vorgeschriebener Einleitbedingungen erforderlich). Der genannte Mangel an Oberflä chenwasser resultiert daraus, dass aus keinem Fließgewässer unbegrenzte Wasser mengen für die Flutung von Restlöchern entnommen werden können, ohne dessen öko logisches Gleichgewicht zu stören. Damit scheidet die Möglichkeit der Entsäuerung von Restseen des offenen Bergbaus durch alleinige Nutzung von Oberflächenwasser, die allgemein als Stand der Technik bekannt ist, oftmals aus.

Weiter ist aus dem Stand der Technik bekannt, saure Wässer durch Kalkung zu neutra lisieren. Die Kalkung ist aus der Aufbereitung saurer Wässer zu Brauch- oder Trinkwas ser bekannt und wird beispielsweise in Grubenwasseraufbereitungsanlagen praktiziert. Bei dieser Art der Neutralisierung von sauren Grubenwässern fällt zusätzlich Eisen hydroxidschlamm als Nebenprodukt an. Um Bergbaurestseen durch Kalkung zu neutra lisieren müsste ein unvertretbar hoher technischer Aufwand betrieben werden, der aus Kostengründen abgelehnt werden muss.

Aus der Braunkohlenindustrie ist bekannt, Braunkohlenschlämme und Braunkohlen aschen in Tagebaurestlöcher zu transportieren und dort zu deponieren. Studien haben gezeigt, dass gerade die Einspülungen von Kraftwerksaschen aus der Verbrennung von Braunkohlen für einen relativ hohen pH-Wert von pH < 10 im Wasser des Restsees sorgten. Nach Einstellung der Braunkohlenverbrennung und der damit verbundenen Einstellung der Einspülungen ist der pH-Wert dann in relativ kurzer Zeit von ca. pH = 8 auf ca. pH = 3,5 abgesunken. Damit scheidet auch diese Möglichkeit für eine dauernde Neutralisierung saurer Wässer in Bergbaurestseen zum Zwecke einer wirtschaftlichen Nachnutzung aus.

Um jedoch eine schnelle Folgenutzung der Bergbaurestlöcher zu sichern, ist es erfor derlich, für den Zeitraum zwischen der Beendigung der Einspülungen und der Einstel lung eines natürlichen Gleichgewichts im pH-Wert durch großräumige wasserwirtschaft liche Maßnahmen, die eine gesamte bergbaugeschädigte Region umfassen müssen, eine Lösung für die Entsäuerung von Bergbaurestlöchern mit eingespülter Kraftwerks asche zu finden. Daraus leitet sich das Problem der Erfindung ab.

Zur Lösung des Problems wurden Untersuchungen durchgeführt bezüglich der in einen Tagebaurestsee aus dem Braunkohlenbergbau frisch einzuspülenden und der dort be reits deponierten und sedimentierten Aschen aus der Verbrennung von Braunkohle in einem Kraftwerk und auch bezüglich deren Neutralisationspotentials gegenüber aufge hendem sauren Grundwasser. Ort der Untersuchungen war ein ehemaliger Tagebau im Lausitzer Braunkohlenrevier.

Die wirksame Substanz der frischen Kraftwerksaschen für die Neutralisation sauren Restseewassers ist bekanntlich das in den Aschen enthaltene Calciumoxid. Bei den untersuchten Kraftwerksaschen der Lausitz liegt der Gehalt an Calciumoxid in der Re gel bei durchschnittlich etwa 20 Ma.-%. Ähnliche Werte sind aus der Literatur auch für andere Braunkohlenreviere bekannt. Bei der Vermischung von Wasser und frischen Kraftwerksaschen bildet sich Calciumhydroxid, das im weiteren mit Kohlendioxid aus der Atmosphäre teilweise zu Calciumcarbonat reagiert und ausfällt.
CaO + H₂O = Ca²⁺ + 2 OH^-
Ca²⁺ + 2OH^- + CO₂ = CaCO₃ + H₂O

Dieser Fällungsprozeß kann zur Anreicherung der in einem Restsee befindlichen obe ren Sedimentschichten mit ausgefälltem Calciumcarbonat führen (Seekreide). Der bei einer Einspülung von Aschen in den Tagebaurestsee nicht sofort als Calciumcarbonat ausgefällte Anteil Calciumhydroxid lagert sich als Sediment im See ab. Über einen län geren Zeitraum erfolgt auch hier unter Reaktion mit Kohlendioxid aus der zirkulierenden Bodenluft des Sees eine Umsetzung zu Calciumcarbonat. Die wesentlichen Bestandtei le von sedimentierten Altaschen sind daher Calciumcarbonat und Gips. Die wirksame Substanz hinsichtlich einer Neutralisation ist bei Altaschen hauptsächlich das Calcium carbonat und das Calciumhydroxid.

Im Ergebnis der Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass sowohl die verspül ten Altaschensedimente wie auch das frische Aschematerial zur Neutralisation von sau ren Wässern prinzipiell geeignet sind. Hierbei wurden jedoch Unterschiede festgestellt, die sich besonders auf die Technologie des Ascheeinsatzes, d. h. auf die Notwendigkeit einer genauen Dosierung auswirken.

Die frische Kraftwerksasche führt im Überschuss zu Werten von pH größer 11 und fällt dabei die puffernde Karbonathärte (Calciumcarbonat) aus, im Ergebnis dieser Eigen schaft neutralisiert sich das Restseewasser, besitzt aber nur ein geringes Puffervermö gen gegen zuströmendes saures Wasser. Die Gefahr einer schnellen Wiederversaue rung ist schon beim Eintrag einer geringen Säurefracht sehr hoch. Dementsprechend erfordert der Einsatz von frischer Kraftwerksasche eine genaue Dosierung mit entspre chenden Technologieerfordernissen. Desweiteren muss davon ausgegangen werden, dass frische Kraftwerksasche meist nicht in der Nähe von Restseen vorhanden ist und nur unter hohem Transportaufwand herbeigeschafft werden müsste.

Die Untersuchungen haben überraschend ergeben, dass das bereits verspülte, also im Restsee vorhandene Altaschesediment auch bei einer Überdosierung den pH-Wert nicht über pH = 10 erhöht. Detaillierte Konzentrationsmessungen zeigten, dass die Sät tigungsgrenze an Calciumcarbonat nicht erreicht wird, wodurch keine Fällungsprozesse stattfinden. Die puffernde Carbonathärte bleibt in gelöster Form im Wasser vorhanden. Damit wird die Pufferkapazität des Restseewassers angehoben, wodurch die Auswir kungen durch den Einfluss von nachströmendem sauren Wasser wesentlich besser ausgeglichen werden können.

Im Rahmen der umfangreichen Untersuchungen wurde überraschend gefunden, dass durch den Einsatz von Altaschesedimenten von Kraftwerksaschen die Wirkung von pH- Wert-erhöhenden biologischen Prozessen verstärkt und die Pufferwirkung des Rest seewassers zusätzlich erhöht wird.

Weiterhin konnte durch umfangreiche Untersuchungen festgestellt werden, dass hin sichtlich des Einsatzes von Aschen auch aus ökotoxischer Sicht keine Bedenken be stehen müssen. Es wurde kein Gefährdungspotential festgestellt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Möglichkeit zu suchen, das vorhan dene Potential der in einem Bergbaurestsee sedimentierten Kraftwerksaschen für eine relativ langfristige Entsäuerung großer Mengen von Restseewasser kurzfristig nutzbar zu machen. Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt nach den im folgenden be schriebenen Verfahrensschritten.

Die in einem Tagebaurestsee vorhandenen eingespülten Kraftwerksaschen, die aus der Verbrennung von Braunkohlen stammen und am Boden des Tagebaurestsees sedi mentiert sind (Altaschesedimente), werden

- mittels geeigneter Vorrichtungen aus ihrer Ruhestellung gelöst und in eine Wasser- Asche-Suspension überführt;
- diese Wasser-Asche-Suspension wird von einer auf dem Restsee schwimmenden Aufnahmeeinheit aufgenommen und dort zwischengespeichert oder direkt einem Eintragssystem zugeführt;
- die zwischengespeicherte Suspension wird mittels einer weiteren Pumpe einem schwimmenden Eintragssystem zugeführt, wobei die Pumpe mit dem Eintragssys tem zusammen einen Wirbelstromreaktor bilden;
- der Transport der Suspension zwischen schwimmender Aufnahmeeinheit und Ein tragssystem erfolgt vorteilhafterweise über schwimmend gelagerte flexible Rohrlei tungen;
- die Suspension wird mittels des schwimmenden Eintragssystems verspült;
- das Eintragssystems ist im Restsee im Haupteintrittsbereich von sauren Grundwas serströmen und/oder sauren Zuflüssen angeordnet;
- im Eintrittsbereich erfolgt eine Überdosierung mit < des 1,5-fachen erforderlichen Neutralisationsbedarfes an Altaschesedimenten, wodurch infolge eines gezielten Calcitausfalls eine Barriere bzw. ein Neutralisationspotential gegenüber sauren Zu strömungen bewirkt wird;
- die in einem Tagebaurestsee vorhandenen eingespülten Kraftwerksaschen, die aus der Verbrennung von Braunkohlen stammen und am Boden eines Tagebaurestsees sedimentiert sind, können über Rohrleitungen mit der vorgeschlagenen Anordnung auch für andere (im Umfeld befindliche) saure Restseen, in denen keine Ascheab lagerungen vorhanden sind, zur Neutralisation genutzt werden;
- die Suspension wird mittels eines geeigneten Messsystems hinsichtlich ihrer Ge samtmenge und des Feststoffanteiles überwacht und die Gesamtmenge und/oder der Feststoffanteil wird im Ergebnis analytischer Messungen wie z. B. des pH- Wertes im Restsee gesteuert;

Weiterhin werden die aktuellen Parameter des Tagebaurestseewassers, insbesondere der pH-Wert, ständig mittels geeigneter automatischer Einrichtungen gemessen. Aus den Messergebnissen leiten sich die aktuellen Verfahrensparameter ab, die besonders die Turbulenz und die Mischungszeit zwischen Altaschesediment und Restseewasser betreffen. Das Verfahren wird durch die vorgeschlagene Verfahrensweise so betrieben, dass zusätzlich durch Ausnutzung der natürlichen bzw. sich eingestellten Grundwas serströmungen lange Reaktionszeiten zwischen der in den Tagebaurestsee eingetrage nen Wasser-Asche-Suspension und dem dort vorhandenen sauren Wasserkörper er reicht werden.

Mit Hilfe dieser gefundenen Verfahrenslösung wird die Pufferkapazität des Tagebau restseewassers angehoben, wodurch die Auswirkungen durch den Einfluss von nach strömendem sauren Wasser besser ausgeglichen werden können. Somit wurde eine technische Lösung gefunden, mit der eine Verbesserung der Güte großer Wassermen gen in sauren Restseen in relativ kurzer Zeit mit geringem Aufwand möglich ist und die Grundlagen für die Nachnutzungsziele wesentlich schneller geschaffen werden können.

Das Prinzip der Erfindung soll im folgenden näher erklärt werden.

Die schwimmende Aufnahmeeinheit bildet einen eigenständigen Komplex. Sie besteht vorteilhafterweise aus einem Ponton, auf dem alle erforderlichen Aggregate installiert sind. Die Altaschesedimente werden mit Hilfe eines Schneidkopfes oder einer Jet- Einheit gelockert und über eine installierte Pumpe abgesaugt. Auf dem Ponton befindet sich ein Vorratsbecken, in das die aufgenommene Wasser-Asche-Suspension abgege ben wird. Aus dem Vorratsbecken befördert eine weitere Pumpe die Suspension zum schwimmenden Eintragssystem. Pumpe und Eintragssystem bilden einen Wirbelstrom reaktor, dessen Parameter an Hand von Messergebnissen ständig optimiert werden. Entsprechend den örtlichen Bedingungen kann auch auf das Vorratsbecken verzichtet und die Wasser-Asche-Suspension direkt zum Eintragssystem zugeführt werden. Die Kapazität eines solchen beschriebenen Moduls liegt im Bereich von etwa 100 m³/h bis 4000 m³/h und muss je nach Erfordernis angepasst werden. Die schwimmende Auf nahmeeinheit kann sowohl von einem Elektromotor, wie auch von einem Dieselmotor angetrieben werden.

Für den Transport der Wasser-Asche-Suspension von der schwimmenden Aufnahme einheit zum Eintragssystem mit Verteileinrichtung kommt ein flexibles Rohrleitungssys tem aus PE- oder anderen möglichen flexiblen Rohren zum Einsatz. Diese Rohre wer den schwimmend gelagert, wobei die Varianten - Lagerung der Rohre auf einzelnen kleinen Pontons oberhalb des Wasserspiegels, oder - Lagerung hängend an Schwimm bojen unterhalb des Wasserspiegels möglich sind.

Das schwimmende Eintragssystem ist ebenfalls eine eigenständige Pontoneinheit, die an den jeweiligen Einsatzort mit Hilfe von Verholwinden manövriert wird. Die spezielle Konstruktion eines Verteilers auf dem Eintragssystem sorgt für die notwendige intensive Vermischung der eingebrachten Wasser-Asche-Suspension mit dem Wasser des Rest sees. Die von einem Elektromotor angetriebene schwimmende Aufnahmeeinheit sowie die schwimmende Eintragsvorrichtung benötigen zur Fixierung ihres Arbeitsortes Ver ankerungspunkte für den Betrieb der Verholwinden.

Während der Durchführung der Arbeiten zur Verbesserung der Wassergüte ist ein um fangreiches Monitoring erforderlich. Hierzu kommt ein spezielles Tiefenlot- und Bepro bungssystem zum Einsatz. Mit dessen Hilfe werden die aktuellen Parameter des Rest seewassers, z. B. dessen pH-Wert, der Wasserstand bzw. Ablagerungszuwachs, be stimmt, sowie nach Erfordernis Proben entnommen. Über eine Modellierung erfolgt dann ein optimaler Eintrag der Asche.

Claims

1. Verfahren zur Entsäuerung von Bergbaurestseen und zur Erhöhung der Pufferka pazität gegenüber Säureeintrag, insbesondere von Tagebaurestseen, die nach Be endigung des aktiven Bergbaus entstanden sind und in die, wie in der Vergangen heit vielfach praktiziert, Kraftwerksaschen aus der Verbrennung von Braunkohlen zur Entsorgung eingespült wurden, die dann dort sedimentiert sind, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

- a.) Lockerung der sedimentierten Kraftwerksaschen mittels geeigneter Vorrichtun gen, vorteilhafterweise mittels Schneidköpfen oder auch Jet-Einheiten;
- b.) Absaugung der nach a.) gelockerten Sedimente als Wasser-Asche-Suspension in einer Konzentration von 1-15 Ma % Altaschesedimentanteil in der Suspen sion und Zuführung der Suspension in einer Gesamtmenge von 100 m³/h bis 4000 m³/h zu einer schwimmenden und ortsveränderlichen Aufnahmeeinheit;
- c.) Zwischenlagerung der Wasser-Asche-Suspension auf der Aufnahmeeinheit, und/oder direkte Weiterleitung zu einem schwimmenden Eintragssystem;
- d.) Weiterförderung der Wasser-Asche-Suspension mittels einer weiteren Pumpe über schwimmend gelagerte und vorteilhafterweise flexible Rohrleitungen zu ei nem separat schwimmenden und ebenfalls ortsveränderlichen Eintragssystem, über dessen speziellen Verteiler die Wasser-Asche-Suspension wieder dem Wasserkörper des Bergbaurestsees zugeführt wird, wobei die oben genannte Pumpe und das Eintragssystem zusammen die Funktion eines Wirbelstromre aktors erfüllen;
- e.) das Eintragssystems wird vorteilhafterweise im Restsee im Haupteintrittsbe reich von sauren Grundwasserströmen und/oder sauren Zuflüssen angeordnet;
- f.) im Eintrittsbereich erfolgt eine Überdosierung mit < des 1,5-fachen erforderli chen Neutralisationsbedarfes an Altaschesedimenten, wodurch infolge eines gezielten Calcitausfalls eine Barriere bzw. ein Neutralisationspotential gegen über sauren Zuströmungen bewirkt wird
- g.) ständige Messung und Überwachung der Wasserqualität des Bergbaurestsees wie z. B. des pH-Wert im Restsee und Überwachung der Suspension mittels ei nes geeigneten Messsystems hinsichtlich ihrer Gesamtmenge und des Fest stoffanteiles und Steuerung der Gesamtmenge und/oder des Feststoffanteils im Ergebnis der analytischer Messungen im Restseewasser und Rückkopplung der gewonnenen Werte auf die Arbeitsweise und Leistung der Aufnahmeeinheit oder des Wirbelstromreaktors.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Tagebau restsee vorhandenen eingespülten Kraftwerksaschen, die aus der Verbrennung von Braunkohlen stammen und am Boden eines Tagebaurestsees sedimentiert sind, über Rohrleitungen mit der vorgeschlagenen Anordnung auch für andere (in der Umgebung befindliche) saure Restseen, in denen keine Ascheablagerungen vor handen sind, zur Neutralisation genutzt werden können.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz von Altaschesedimenten von Kraftwerksaschen die Wirkung von pH-Wert-erhöhenden biologischen Prozessen verstärkt und die Pufferwirkung des Restseewassers zu sätzlich erhöht wird.