DE3543845A1 - Verfahren zum dekontaminieren von boeden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein thermisches Verfahren zum Dekontaminieren von Böden, die mit hochsiedenden oder schwer zersetzbaren organischen Schadstoffen beladen sind.

Derartige verunreinigte Böden stellen eine Umweltbe­ lastung dar, die einer Nutzbarmachung oder Wiedernutz­ barmachung der belasteten Grundstücke entgegensteht, und die zudem die Gefahr in sich birgt, daß durch weitere Verteilung der Schadstoffe im Boden auch das Grundwasser belastet wird.

Die Schadstoffe müssen daher aus den mit ihnen konta­ minierten Böden entfernt werden, wobei das dabei angewandte Verfahren möglichst wirtschaftlich und effektiv sein soll.

Das derzeit wohl wirtschaftlichste Verfahren ist die thermische Behandlung. Aus DE 32 16 771 A 1 ist be­ kannt, verunreinigte Böden in einem ersten Schritt auf eine Temperatur zu erhitzen, die ausreicht, um die verunreinigenden Stoffe und/oder ihre ungewünschten Umsetzungsprodukte in Gasform übergehen zu lassen und in einem zweiten Schritt, die gasförmigen Produkte zu verbessern. Die optimale Temperatur für den ersten Reaktionsschritt wird im Bereich von 200 bis 400°C gesehen.

Gemäß DE 34 27 532 C 1 werden die kontaminierten Bodenmassen bei 600 bis 800°C "durchgeglüht" und die dann freigesetzten Rauchgase anschließend verbrannt.

Diese Verfahren sind aber für eine vollständige Dekontaminierung von Böden dann nicht ausreichend, wenn die Böden mit besonders hochsiedenden oder schwer zersetzbaren organischen Schadstoffen wie etwa hochtemperaturbeständigen Weichmachern, polychlorierten Aromaten oder Masut verunreinigt sind.

Bedingt durch Absorptions- oder Komplexierungsprozesse an den Böden, die je nach Art des Bodens mehr oder weniger stark ausgeprägt sind, werden diese hochsiedenden oder schwer zersetzbaren Schadstoffe, sofern sie nicht nur in geringen Mengen vorhanden sind, durch die genannten Verfahren nicht vollständig entfernt bzw. zu gasförmigen Produkten abgebaut. Sie werden teils in den Bodenmassen festgehalten oder in andere, stabilere und noch weniger flüchtige Sub­ stanzen wie etwa Dioxine umgewandelt und verbleiben in dieser Form in den behandelten Böden.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem Böden wirtschaftlich und effektiv dekontaminiert werden können, die auch mit großen Mengen hochsiedender oder schwer zersetzbarer Substanzen beladen sind.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 10.

Es wurde gefunden, daß bei direkter Beflammung kontaminierter Böden auch die hochsiedenden oder schwer zersetzbaren organischen Schadstoffe restlos entfernt werden. Entscheidend dabei ist, daß der Boden in der Reaktionszone der Flamme verweilen kann und dabei auch eine wechselnde Oberfläche gegeben ist, so daß keine die Schadstoffe einschließenden großen Agglomerate vorhanden sind. Dies bringt zwei Effekte. Neben einer guten Aufheizung des Bodenmaterials werden die Schadstoffe direkt mit einem hochreaktiven Medium kontaktiert und dadurch verstärkt zu einer Umsetzung gezwungen. Selbst flammhemmende, thermostabile Weich­ macher reagieren in der Reaktionszone der Flamme. Dabei ist es möglich, durch die Wahl der Reaktions­ bedingungen, durch die Wahl der Aufheiz- und Flamm­ temperatur sowie die Menge des zugeführten Sauerstoffs die Umsetzung der Schadstoffe zu beeinflussen. So führt ein Überschuß an Sauerstoff zu einer weitge­ henden Verbrennung, während eine Sauerstoffmenge, die zur Menge des eingebrachten Brennstoffes äquivalent ist, im wesentlichen zu einer Spaltung der hochsie­ denden oder schwer zersetzbaren Schadstoffe führt. Bindungskräfte des Bodenmaterials werden in der Flammenzone weitgehend abgebaut, so daß keine Schadstoffe, Zersetzungs- oder Umwandlungsprodukte zurückgehalten werden.

Durch die langsame Drehung der Trommel während der Behandlung wird in der Beflammungszone eine sich ständig erneuernde Oberfläche des Bodenmaterials erzeugt. Dieser entscheidende Faktor wird wesentlich gesteigert, wenn die Drehtrommel im Innern einen statischen Einbau enthält, durch den das Bodenmaterial verstärkt umgewälzt wird. Dadurch wird die Effektivi­ tät erhöht und die Verweilzeiten des Bodenmaterials in der Drehtrommel können reduziert werden.

Es wurde gefunden, daß die Zersetzung oder Verbrennung der hochsiedenden oder schwer zersetzbaren Schadstoffe wesentlich beschleunigt wird, wenn der statische Einbau eines Drehtrommelreaktors aus einem Stahl besteht oder auch mit einem Stahl beschichtet ist, der mindestens eines der drei Metalle Kupfer, Vanadin oder Molybdän enthält. Diese Stähle können noch mit weite­ ren Metallen legiert sein, ohne daß die katalytische Aktivität beeinflußt wird. Der gleiche, aber weniger effektive katalytische Effekt wäre auch gegeben, wenn die Drehtrommel aus einem kupfer-, vanadin- oder molybdänhaltigen Stahl bestünde oder innen mit einem derartigen Stahl beschichtet wäre. Dies wäre aber aus wirtschaftlichen Gründen weniger sinnvoll.

Eine weitere Beschleunigung der Zersetzung oder Verbrennung der hochsiedenden oder schwer zersetzbaren Schadstoffe wird erzielt, wenn dem kontaminierten Boden vor der erfindungsgemäßen Beflammung geringe Mengen Alkali- oder Erdalkali-oxide, -hydroxide oder -carbonate zugemischt werden. Im Hinblick auf eine spätere biologische Reaktivierung des dekontaminierten Bodens darf aber der Zusatz an alkalischen Stoffen nicht zu groß sein. Es sollen daher, je nach ursprüng­ licher Basizität des Bodenmaterials eine Menge von 100 bis 5000 ppm dieser alkalischen Stoffe den kontaminier­ ten Boden zugemischt werden.

Eine weitere Erleichterung der Dekontaminierung, ins­ besondere wenn als Schadstoffe halogenhaltige organische Verbindungen im Boden enthalten sind, wird erreicht, wenn dem Boden vor der erfindungsgemäßen Beflammung geringe Mengen reaktiver Metallpulver wie Magnesium-, Aluminium-, Eisen- oder Zinkpulver beigemischt werden. Die Mengen dieser Zusätze sollen, im Hinblick auf eine spätere biologische Reaktivierung, 5000 ppm nicht überschreiten.

Die thermische Behandlung von Stoffen in einer Dreh­ trommel ist an sich bekannt. Entsprechend ausgerüstete Drehtrommeln sind in verschiedenen Industriezweigen vorhanden und können, gegebenenfalls nach entsprechen­ der Umrüstung, für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden.

Zur Durchführung des Verfahrens wird die sich drehende Trommel an dem der Flamme entgegengesetzten Ende kontinuierlich mit stark kontaminierter Bodenmasse beschickt. Die eingebrachte Bodenmasse wird entweder durch eine Transportschnecke oder bei schräg liegender Drehtrommel durch die Rotationsbewegung zu der Flamme transportiert und dabei durch eine Erhitzung von außen oder auch gegebenenfalls durch die Rauchgase vorer­ hitzt, dabei getrocknet und zerkrümelt. Am anderen Ende der Trommel befindet sich ein Brenner, bei dem ein fester, flüssiger oder gasförmiger Brennstoff und Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas, vorzugs­ weise Luft, in die Drehtrommel so eingeblasen werden, daß eine möglichst große Flamme entsteht. Diese Flamme ist direkt auf die ankommende Bodenmasse gerichtet. In der Flammzone befinden sich auch die katalytisch wirksamen statischen Einbauten aus kupfer-, vanadin- oder molybdänhaltigem Stahl. Rotationsbewegung und Transportgeschwindigkeit sind so eingestellt, daß jeder Bodenkrümel mit der Flamme in Kontakt kommt, bevor die Bodenmasse aus der Drehtrommel entfernt wird. Die erfindungsgemäß behandelte Bodenmasse ist schadstofffrei und kann nach Abkühlung und entsprechender Wiederbelebung erneut als Bodenmaterial eingesetzt werden. Die Rauchgase sind je nach entferntem Schadstoff und den Behandlungsbedingungen entweder nur mit Kohlendioxid und Wasser belastet und werden direkt durch den Kamin abgeleitet, oder sie enthalten gasförmige Schadstoffe wie z.B. HCl oder NO _x und müssen gereinigt werden oder sie enthalten niedermolekulare Bruchstücke der Schadstoffe, die abgetrennt und erneut als Rohstoffe genutzt werden. Hierzu ist es notwendig, die Rauchgase schnell abzukühlen. Es ist ein weiterer Vorteil der raschen Abkühlung der Rauchgase, daß damit die Neubildung von Schadstoffen wie z.B. Dioxinen im Abgasstrom verhindert wird.

Die Behandlungstemperatur ist abhängig von der Art des Schadstoffes und des kontaminierten Bodens. Aus wirtschaftlichen Gründen wird man immer versuchen, den untersten Temperaturbereich, der bei etwa 600°C liegt, anzustreben. Dies ist bei vorwiegend sandigen Böden und solchen Schadstoffen, die zwar schwerflüchtig sind, aber sich relativ leicht zersetzen, möglich. Stark tonhaltige Böden, die mit den gleichen Schad­ stoffen kontaminiert sind, benötigen etwa um 50 bis 100°C höhere Behandlungstemperaturen. Schadstoffe, die sich in der Hitze zu noch beständigeren Verbindungen umwandeln können, bedingen Behandlungstemperaturen bis zu 1200°C.

Diese Temperaturen werden nicht mehr durch Verbrennen eines beliebigen Brennstoffs mit Luft erzielt, sondern durch Eindüsen exakt abgestimmter Mengen eines Ge­ misches aus einem hochwertigen Brennstoff und einem geringen Überschuß an Sauerstoff.

Unabhängig davon, welche organischen Schadstoffe aus dem kontaminierten Boden entfernt werden, muß das stöchiometrische Verhältnis von Sauerstoff zu Brenn­ stoff im Bereich von 1 : 1 bis 4 : 1 liegen. Durch Variation der Sauerstoffmengen in diesem Bereich kann der Verlauf der Schadstoffzersetzung beeinflußt werden. Während der hohe Sauerstoffüberschuß bevor­ zugt zu einer vollständigen Verbrennung der Schad­ stoffe führt, bewirken eine dem Brennstoff äquivalente Sauerstoffmenge oder nur ein geringer Sauerstoffüber­ schuß (Verhältnis Sauerstoff : Brennstoff von 1 : 1 bis 1,3 : 1) vorwiegend eine Spaltung der meist mole­ kularen Schadstoffe in niedermolekulare Bruchstücke, die aus den Rauchgasen abgetrennt und gegebenenfalls als Rohstoffe erneut genutzt werden.

Die Rauchgase enthalten die niedermolekularen Bruch­ stücke in aktiviertem Zustand. Um weitere Crack- oder Verbrennungsreaktionen oder die Rückbildung großer Moleküle zu verhindern, werden die Rauchgase beim bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren möglichst schnell abgekühlt. Sie werden dazu unmittelbar hinter der Flammzone abgezogen und direkt gekühlt. Bevorzugt erfolgt dieses Abkühlen durch Quenchen mit einem hochsiedenden Öl wie z.B.Anthracenöl, in dem die niedermolekularen Bruchstücke löslich sind.

Die genannten Crackprozesse werden insbesondere auch durch in der Drehtrommel vorhandene statische Ein­ bauten aus oder mit Oberflächen aus kupfer-, vanadin­ oder molybdänhaltigem Stahl und die Zusätze an alkalischen Stoffen oder Metallstaub katalysiert. Dadurch können die jeweilige Reaktionstemperatur um etwa 50 bei 100° gesenkt und die Durchlaufgeschwindig­ keit der Bodenmassen erhöht werden.

Claims (11)

1. Verfahren zum Dekontaminieren von mit hochsiedenden oder schwer zersetzbaren organischen Schadstoffen beladenen Böden durch thermische Be­ handlung, dadurch gekennzeichnet, daß das kontaminierte Bodenmaterial durch direkte Beflammung in einer Drehtrommel behandelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bodenmaterial bei einer Temperatur im Bereich von 600 bis 1200°C behandelt wird.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bodenmaterial im Innern der Drehtrommel mittels eines statischen Einbaus umgewälzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der statische Einbau aus einem kupfer-, vanadin- oder molybdänhaltigen Stahl besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der statische Einbau eine Oberfläche aus einem kupfer-, vanadin- oder molybdänhaltigen Stahl besitzt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur direkten Beflammung ein Brennstoff und Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas in die Drehtrommel einge­ blasen wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das stöchiometrische Verhältnis von Sauerstoff zu Brenn­ stoff im Bereich von 1 : 1 bis 4 : 1 liegt.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß durch Einstellen eines stöchiometrischen Verhältnisses von Sauerstoff zu Brennstoff im Bereich von 1 : 1 bis 1,3 : 1 die Schadstoffe nicht oder nur partiell verbrannt, sondern in niedermolekulare Bruchstücke gespalten werden, die aus den Rauchgasen abgetrennt und erneut als Rohstoffe genutzt werden.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Rauchgase unmittelbar hinter der Flammzone abgezogen und gequencht werden.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß dem kontaminierten Boden 100 bis 5000 ppm Alkali- oder Erdalkali-oxide, -hydroxide oder -carbonate zugemischt werden.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß dem kontaminierten Boden bis zu 5000 ppm eines Magnesium-, Aluminium-, Eisen- oder Zinkpulvers zugemischt werden.