DE3717085A1 - Verfahren zur immobilisierung von toxischen schadstoffen - Google Patents

Verfahren zur immobilisierung von toxischen schadstoffen

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    • C04B28/02—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing hydraulic cements other than calcium sulfates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Minderung der Eluierbarkeit von Schadstoffen aus Abfällen, die mittels Zement, Kalk oder Kalkverbindungen, hydraulischen Bindemitteln und/oder Flugasche und Wasserzugabe verfestigt werden.
Es gibt Abfallbehandlungsmethoden, die heute schon eine größere Umweltverträglichkeit in Aussicht stellen, als herkömmliche Verfahren. Hierzu zählen zweifellos Müllverbrennungsanlagen mit nachgeschalteter Rauchgasreinigung zur Eliminierung anorganischer und organischer Thermolyseprodukte aus den Abgasen. Im Vergleich zur Ablagerung auf Deponien, in denen die organischen Abfallinhaltsstoffe als Folge mikrobiologischer Prozesse mobilisiert werden und eine Gefahr für das Grundwasser und die Oberflächengewässer darstellen können, ist die thermische Zerstörung brennbarer Müllanteile die zweckmäßigere Methode, sofern die Verbrennung vollständig erfolgt.
Diese Verbrennungen laufen in der Regel unvollständig ab. Sowohl im Reingas als auch in den Filterstäuben befinden sich eine ganze Reihe von Schadstoffen in ppt- bis ppm- Konzentrationen. Die toxische Potenz einer Vielzahl von organischen und anorganischen Stoffen steht inzwischen außer Frage.
Werden die Verbrennungsrückstände (Schlacke, Filterstäube, Waschlaugenrückstände) auf Deponien abgelagert, geht von ihnen ebenso die Gefahr einer Umweltkontamination aus, wie von Produktionsrückständen, die wegen ihres geringen Anteils an organischen Chemikalien gar nicht erst zur Verbrennung gelangen. Diese Rückstände (Industrieschlämme, kontaminierte Sedimente, Böden u. a. m.) können neben ihren anorganischen Hauptbestandteilen in Form von Inertmaterial aber auch Schwermetallverbindungen zusätzlich (öko-)toxische und/oder persistente organische Verbindungen enthalten, die über das Sickerwasser Schädigungen der Umwelt verursachen können.
Es hat nicht an Versuchen gefehlt, die Ablagerung von Sonder­ abfällen so zu optimieren, daß die erwähnten Umweltschäden ausgeschlossen werden können. Hierzu sind im Prinzip zwei unterschiedliche Wege vorstellbar, die beide, auch zum Teil in Kombination miteinander, praktiziert werden.
  • 1. Die am besten überschaubare Möglichkeit ist die Durchführung geeigneter baulicher Maßnahmen. Die Anforderungen zum Bau und Betrieb von Sonderabfalldeponien, Drainagesystemen, Abdichtungs- und Überdachungsmaßnahmen bis hin zur Einlagerung besonders gefährlicher Abfälle, wie z. B. radioaktive Abfälle in geologischen Formationen (Kavernen), sind hinreichend bekannt und bedürfen an dieser Stelle keiner weiteren Erörterung.
  • 2. Die zweite Möglichkeit ist die Entwicklung geeigneter Vorbehandlungsmaßnahmen zur "Entgiftung" der Sonderabfälle durch Immobilisierung der toxischen Inhaltsstoffe - bekannt unter der Bezeichnung "Abfallverfestigung".
Die Verfestigungstechnologie für flüssige bzw. feste Abfälle setzt sich zum Ziel, durch Herstellung kompakter, monolithischer Festkörper eine Fixierung der Schadstoffe sowie eine Verbesserung der Festigungseigenschaften abgelagerter Abfälle zu erreichen. Die Natur der Fixierungsvorgänge (physikalisch, chemisch und biochemisch) einerseits, und des langfristige makroskopische Verhalten der verfestigten Monolithe (Härte, Rißbildung, Erosion, Permeabilität für Wasser u. a. m.) andererseits sind die bestimmenden Größen für das Langzeitverhalten der zunächst fixierten Schadstoffe. Hierzu kommen mikrobiologische Prozesse unter aeroben und anaeroben Bedingungen, die eine Veränderung der ursprünglichen chemischen Struktur der Schadstoffe verursachen und damit zu einem veränderten Diffusions- bzw. Auswaschungsverhalten beitragen können (z. B. Bildung löslicher Aminkomplexe der Schwermetalle, polarer Metabolite organischer Verbindungen wie Hydroxyl- bzw. Carboxylderivate, aber auch Bildung sogenannter nicht-extrahierbarer Rückstände durch den Einbau in natürliche Makromoleküle, wie sie von der Bodenchemie bekannt sind: "bound residues").
In der Vergangenheit wurden mehrere Verfahren zur Verfestigung chemisch kontaminierter Abfälle entwickelt. Als verfestigende Matrix wurden sowohl anorganische als auch organische Zuschlagsstoffe und Polymere erprobt.
Mit diesen Verfahren, die in sich noch weitere firmenspezifische Variationen aufweisen, wurden Abfälle unterschiedlicher Herkunft und Kontaminationsart verfestigt. Die erhaltenen Produkte wurden sowohl Elutionstests als auch mechanischen Prüfungen unterworfen, wobei die Literatur hierüber ein recht heterogenes Bild wiedergibt.
Allen Verfestigungsverfahren ist gemeinsam, daß sie im allgemeinen eine Reduktion der Auslaugbarkeit der Abfallinhaltsstoffe herbeiführen. Es wird jedoch in keinem Fall eine vollständige Unterdrückung der Schadstoffmigration erreicht. Dies ist auch nicht zu erwarten, da selbst im Falle einer homogenen Verteilung mit der Matrix sehr gut verträglicher Monomerer eine von Wasser bzw. Lösungsmittel unabhängige Diffusion zur Oberfläche nach den Fick'schen Gesetzen zwangsläufig gegeben ist. Diese Gesetzmäßigkeiten sind der Grund für die Kontamination z. B. von Trinkwasser mit Weichmachern bzw. Cadmium- oder Bleistabilisatoren aus PVC-Rohren in Höhe von mehreren ppb, wobei sowohl die Konzentrations­ verhältnisse als auch die Natur der Inkorporation bzw. der chemischen Wechselwirkungen in verfestigten Abfallkörpern weit ungünstiger sind als in Kunststoff-Formkörpern. Hinzu kommt die Porösität und Polarisation der verfestigten Monolithe, die die Wasserpermeabilität und damit die Schadstoffelution begünstigen.
Überraschend ist zunächst, daß die Verfestigung in einigen Fällen nicht zu einer Schadstoffixierung, sondern im Gegenteil zu einer Schadstoffmobilisierung führt. In diesen Fällen können chemische und physikalische Phänomene im Abfallkörper als Ursache ermittelt werden: z. B. Komplexbildung mit α-Aminosäuren, Löslichkeitsverbesserung durch pH-Wert­ änderung und eine Erhöhung der Schadstoffdispersion durch die Zuschlagsstoffe, die gleichfalls mit einer Löslichkeitserhöhung einhergehen kann.
Chemisch ungeklärt ist in der Regel die Natur der Fixierungs­ prozesse, nämlich ob es sich lediglich um einen physikalischen Einschluß oder tatsächliche chemische Bindungen (durch van der Waals Kräfte, ionische oder kovalente Bindungen) handelt. Im Falle physikalischer Einschlußprozesse würden die Schadstoffe bei Erosion, Rißbildung und sonstiger Änderung des monolithischen Gefüges ungehindert freigesetzt. Dies könnte etwa dann erkannt werden, wenn bei Elutionstests nach DEV-S4 eine Zerkleinerung der verfestigten Produkte erfolgt und dabei eine sprunghaft ansteigende Schadstoff- Freisetzung stattfindet.
Zur Minderung der zunehmenden Gefährdung des Grundwassers und damit der Trinkwasserversorgung durch organische und anorganische Schadstoffe aus Abfalldeponien wurde, wie bereits ausgeführt, die Verfestigung von Abfällen in verschiedenen Ländern eingeführt. Durch Verfestigung der Abfälle z. B. mit Zement, Kalk, Gips, Wasserglas und organischen Polymeren werden die physikalischen Eigenschaften und damit die Handhabung der Abfälle verbessert. Neben der Verringerung der Wind- und Wassererosion wird die Druck- und Tragfähigkeit von Deponien erhöht. Durch Verringerung der Wasser­ durchlässigkeit des verfestigten Materials wird die Mobilität der Schadstoffe herabgesetzt, aber gleichzeitig, wenn basische Verfestiger verwendet werden, die Eluierbarkeit wieder erhöht.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, das e. g. Verfahren derart zu verbessern, daß trotz der Vielfalt der auftretenden Abfälle, für jede Abfallart eine optimale Verfestigungsmethode mit praktisch vernachlässigbarer Mobilität von Schwermetallen, toxischen Stoffen oder organischen Kohlenstoffen geschaffen wird.
Die Lösung ist im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 wiedergegeben.
Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von 6 Ausführungsbeispielen, 3 Tabellen und den Fig. 1-4 näher beschrieben.
Gemäß der Erfindung wurden kommunaler bzw. Industrieklärschlamm oder Industrieabfälle mit verschiedenen Kombinationszusätzen von Portlandzement (Z), Kalkhydrat (K), Lutaforte N R (LN), Lutaforte T R (LT), Flugasche (FA) und mit/oder ohne Aktivkohle (AK) (1-15%) unter Zugabe von destilliertem Wasser verfestigt. Nach Konditionierung (Trocknung) bei Raumtemperatur (5 Tage) liegen die verfestigten Proben in Würfelform (ca. 1 cm³) vor und werden nach DEV-S4 (Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlamm­ untersuchung; Bestimmung der Eluierbarkeit mit Wasser) mit destilliertem Wasser 24 Stunden eluiert. Nach Beendigung der Einwirkzeit wurden die Eluate filtriert und die Schwermetall­ konzentration mit ICP-AES (Atomemissionsspektroskopie) bzw. Graphitrohr-AAS (Atomabsorptionsspektroskopie) bestimmt. Zur summarischen Erfassung des organischen Materials wurde der gesamte organische Kohlenstoff (TOC) gemessen.
Beispiel 1
60 Gewichtsteile (GT) kommunaler Klärschlamm (KS) wurden mit 40 GT verschiedener Kombinationszusätze von FA, Z, K, LN, LT und mit/ohne AK (3%) vermischt und unter Zugabe von destilliertem Wasser verfestigt. Die Kombinationsgemische und die durch AK-Zusatz gemessene Abnahme der Schwermetallkonzentrationen und TOC im Eluat sind in der Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1
Schwermetallkonzentrations- bzw. TOC-Abnahme durch Aktivkohle-Zusatz (AK) (3%) im Eluat von verfestigtem kommunalen Klärschlamm (KS)
Beispiel 2
70 Gewichtsteile (GT) Industrieklärschlamm (KS′) wurden mit 25 GT verschiedener Kombinationszusätze von Flugasche (FL 1, FL 2, FL 3), Lutaforte N R (LN) mit/ohne Aktivkohle (AK) (5%) vermischt und unter Zugabe von destilliertem Wasser verfestigt. Die Gemische und die durch AK-Zusatz gemessene Abnahme der Schwermetallkonzentrationen und TOC im Eluat sind in der Tab. 2 aufgeführt.
Tabelle 2
Schwermetallkonzentrations- bzw. TOC-Abnahme durch Aktivkohle-Zusatz (AK) (5%) im Eluat von verfestigtem Industrieklärschlamm (KS′)
Beispiel 3
Unterschiedliche Gewichtsteile (GT), homogenisierte Industrie­ abfallgemische (IA) wurden mit verschiedenen Mengen von Lutaforte N R (LN), Flugasche (FA), mit/ohne Aktivkohle (AK) (3% bzw. 5%) mit destilliertem Wasser vermischt und verfestigt. Die Verfestigungsverhältnisse und die durch AK-Zusatz gemessene Abnahme der Schwermetallkonzentrationen und der TOC im Eluat sind in der Tab. 3 aufgeführt.
Tabelle 3
Schwermetallkonzentrations- bzw. TOC-Abnahme durch Aktivkohle-Zusatz (AK) (3% bzw. 5%) im Eluat von verfestigten Industrieabfallgemischen (IA 1, IA 2, IA 3, IA 4)
Der Einfluß unterschiedlicher Mengen an Aktivkohle auf die Schwermetallkonzentration im Eluat von verfestigtem kommunalen sowie Industrieklärschlamm und Industrieabfällen ist in den nachfolgenden Abbildungen graphisch dargestellt.
Beispiel 4
Kommunaler Klärschlamm (KS) wurde mit Lutaforte N R (LN) und Flugasche (FA) im Verhältnis 6 : 3 : 1 vermischt und mit unterschiedlichen Mengen (2% bis 6%) an Aktivkohle (AK) unter Zugabe von destilliertem Wasser verfestigt und eluiert. Die durch AK eluierte Schwermetallkonzentrationsabnahme (µg/l) ist am Beispiel von Cu und Ni in der Fig. 1 graphisch dargestellt.
Beispiel 5
Industrieklärschlamm (KS′) wurde mit Zement (Z) oder Lutaforte N R (LN) im Verhältnis 70 : 30 vermischt, mit unterschiedlichen Mengen (3% bis 9%) an AK unter Zugabe von destilliertem Wasser verfestigt und eluiert. Die durch AK eluierte Schwermetallkonzentrationsabnahme in µg/l ist am Beispiel von Cu, Ni, Zn in den Fig. 2 und 3 graphisch dargestellt.
Beispiel 6
Industrieabfallgemisch aus Schwermetallschlämmen (IA 1) wurde mit Lutaforte N R und Flugasche im Verhältnis 50 : 15 : 35 vermischt, ohne/mit unterschiedlichen Mengen (1% bis 15%) an Aktivkohle (AK) unter Zugabe von destilliertem Wasser verfestigt und eluiert. Die durch AK-Addition gemessenen Schwermetallkonzentrationen in µg/l sind am Beispiel von Cu und Ni in Fig. 4 graphisch dargestellt.

Claims (3)

1. Verfahren zur Minderung der Eluierbarkeit von Schadstoffen aus Abfällen, die mittels Zement, Kalk oder Kalkverbindungen, hydraulischen Bindemitteln und/oder Flugasche und Wasserzugabe verfestigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß dem zu verfestigenden Abfallgemisch Kohlenstoff als Zuschlagstoff im Gewichtsprozentbereich von 1-15% zugegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß kommunaler Klärschlamm, Industrieklärschlamm und/oder Industrie­ abfälle, die Schwermetallanteile enthalten können, mit verschiedenen Kombinationszusätzen von Zement, Kalkhydrat, Bindern, Flugasche und Aktivkohle vermischt und verfestigt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwermetalle Cu, Zn, Ni, Cd, Pb, Cr oder andere und/oder organischer Kohlenstoff immobilisiert werden.
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FR2656863A1 (fr) * 1990-01-05 1991-07-12 Soletanche Melange hydraulique contenant du charbon actif pour la preparation d'un coulis ou d'un beton.
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