WO2019068289A1 - Verfahren zur reinigung von grund- und oberflächenwasser im einzugsbereich ausgekohlter tagebaue unter verwendung von filtermaterial wie biokohle, welche nach den bekannten verfahren der pyrolyse bzw. htc hergestellt wird - Google Patents

Verfahren zur reinigung von grund- und oberflächenwasser im einzugsbereich ausgekohlter tagebaue unter verwendung von filtermaterial wie biokohle, welche nach den bekannten verfahren der pyrolyse bzw. htc hergestellt wird Download PDF

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    • C02F2103/10—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated from quarries or from mining activities

Definitions

  • the high iron and sulphate content is a late consequence of the decommissioning of opencast mines.
  • the object is to find a method for the purification of groundwater and surface water using highly porous, produced by known methods of pyrolysis or HTC filter material, wherein the application of biochar is carried out as a filter material.
  • biochar in particular its large and highly porous surface, cause the technical solution to the effect that the property of biochar is suitable as a filter material.
  • Land use takes place through the use of tree and shrub growth in the opencast mining holes, which are subject to the flooding process. This material is already recovered and can be used as biochar material. Further possibilities for biomass extraction result from the use of material from the forestry and stocking in the forest stands of the recultivation as well as from the material of agro forestry systems and from the krautungsmaterial of rivers and other main receiving waters.
  • biochar To activate the possibility of biochar activation.
  • the required equipment is available. However, they should be decentralized plants in order to produce the biochar directly next to the resulting biomass.
  • the use of biochar for the purification of iron-hydroxide contaminated groundwater and surface water is new or not previously known.
  • the problem of water pollution due to iron hydroxide and sulphate, which has existed for years, can be eliminated by the enormous filtering effect of biochar, if it is passed through as a filter by the groundwater and surface water.
  • the technological methods range from soil filters according to the principle of the diaphragm wall, as described in the patent claim 1, which is traversed by the groundwater, to filter systems in open waters. It is also possible to combine several processes, for example with drainage.
  • biochar For the process application, a large amount of biochar is needed, which is prepared by the known methods of carbonization or pyrolysis.
  • Mine water purification systems are used.
  • the contaminated biochar as filter material can subsequently be enriched in a composting process with plant nutrients.
  • the entire carbon of the starting material would be permanently bound in the soil as C02 sink and made a small contribution to climate change.
  • the biochar used in the filtration process is saturated with iron hydroxide during the process.
  • it is important that the saturation of the biochar with iron is controlled and controlled in such a way that sufficient space for further charging with plant nutrients and other trace elements remains.
  • the subsequent charging of the saturated biochar with iron is carried out in a fermentation process with organic materials such as manure, Biotonnenmaterial, fermentation residues, other wet biomass and liquid manure.
  • the biochar with contained iron hydroxide provides a good basis of life for microorganisms. It is particularly important to the lactic acid-forming microorganisms that promote conservation. These special effective microorganisms are bred and are available through third parties.
  • stone meal is another component in a delivery process. The lactic acid fermentation causes a slow degradation of the organic matter into permanent humus.
  • the organic material is mixed with iron-containing biochar, the lactic acid-forming microorganisms are then added and compacted to create anaerobic conditions. This fermentation process lasts about one month.
  • the final product can be classified as organic long-term fertilizer for plants and soil.
  • climate-relevant properties and advantages of the final product from the use of saturated biochar with iron are presented below:
  • Figure 1 is a schematic representation of the
  • FIG. 4 embodiment variant of the filter method
  • FIG. 5 embodiment variant of filter method, 1 shows a schematic representation of the method, wherein the extraction of the biomass material from the tree growth 6 for biochar production 5 is introduced.
  • other biogenic residues can be carbonized.
  • the biochar is stored in a filter shaft 1.
  • This filter shaft 1 is arranged between the groundwater 3 and the open pit 4. After saturation of the biochar with iron hydroxide, the biochar 2 is dug with the iron hydroxide and the sulfate in a mechanical process and introduced new unloaded biochar 2. This process is performed permanently as a process flow.
  • a filter basket which is adapted to the trench profile and also filled with biochar, is introduced.
  • a minimal build-up as overflow or bottom outlet, directs the ditch water through the filter.
  • a wire basket for gabions 250 x 100 x 30 cm can be used, which is lined with water-permeable textile fleece, to prevent the washing out of the filter carbon.
  • the basket can be completely replaced by a new one after saturation of the coal.
  • these filter baskets adapted to the size of the local conditions, can also be attached to existing dams 7.
  • FIGS. 4 and 5 show schematic representations of how a concrete profile 10 is provided in a weir system and for this purpose a dam 7 made of wooden planks is integrated in a terrain.
  • FIG. 4 shows a top view of a water defense plant with a concrete profile 10, where it can be seen that a dam 7 made of wood planks and a biofilter 8 made of biochar 2 from the accumulated upper run 14 to the underflow 12 are used.
  • the accumulated upper run 14 represents groundwater which is forced to pass through the dam 7 in the groundwater area in the biofilter 8 with the biochar 2 to flow.
  • the biochar 2 the water-polluted water is filtered, and an underflow 12 of the groundwater, free of iron hydroxides, is formed.
  • iron hydroxide sludge By replacing the respective filter material of the biochar after saturation with the iron hydroxide, an iron hydroxide sludge is formed, which can be sustainably recycled further.
  • Iron hydroxide (EHS) undergoes a thermal treatment and is ultimately used as a product and additive for road construction.
  • the iron hydroxide is first dewatered and dried. After drying, the material is subjected to thermal treatment at high temperatures, which can be achieved with biochar. The powdered material liquefies and becomes slag. The production of biochar from biogenic waste materials via the pyrolysis process results in the so-called pyrocarbon, which results from a physico-chemical process at 350 to 600 ° C with low-oxygen combustion. Subsequently, it is named as biochar. In the hydrothermal carbonization, a carbon-rich, muddy mass is filtered at 20 bar and 250 ° C, dried and recovered as HTC coal. Both coals, collectively referred to as biochars, have approximately the same filter properties, which are subject to the claim.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Grund- und Oberflächenwasser in ausgekohlten Tagebauen unter Verwendung von Biokohle, welche als Filter eingesetzt wird.

Description

Verfahren zur Reinigung von Grund- und Ober lächenwasser im Einzugsbereich ausgekohlter Tagebaue unter Verwendung von Filtermaterial wie Biokohle, welche nach den bekannten Verfahren der Pyrolyse bzw. HTC hergestellt wird
Der hohe Eisen- und Sulfatgehalt ist eine Spätfolge der Stilllegung von Tagebauen.
Vor Jahren brachten die Braunkohlebagger bei abgesenktem Grundwasser die Minerale Pyrit und Markasit ans Tageslicht. Durch den Kontakt mit Sauerstoff zerfielen sie in Eisenhydroxyd und Sulfat. Mit dem ansteigenden Grundwasser in der Bergbaufolgelandschaft werden jetzt Eisenhydroxyd und Sulfat in die Fließgewässer und die Tagebaurestlöcher gespült .
Die vorhandenen Belastungen mit Säuren, Eisen, Sulfat und untergeordnet auch einer Reihe von Schwermetallen, wie Arsen und Aluminium, haben ihre Ursache in der Pyrit- und Markasitverwitterung und der damit verbundenen Versauerung. Pyrit und Markasit sind vorwiegend als Beimengungen in den tertiären geologischen Schichten zu finden, die in der Lausitz den Hauptteil der Abraummassen bilden, da überwiegend nur geringmächtige quartäre Deckschichten ausgebildet sind. Auch im
Mitteldeutschen Revier nehmen die Anteile der tertiären Schichten in den Abraummassen von Süd nach Nord zu. Unabhängig davon sind insbesondere die Kippen- und Haldenbereiche aufgrund der inhomogenen Verstürzung der Abraummassen auch im Mitteldeutschen Revier durch eine starke Tendenz zur Versauerung und als Sulfat- und Eisenquelle gekennzeichnet.
Diesem Phänomen der Versauerung und Verockerung bei ausgekohlten Tagebauen will die diesseitig genannte Erfindung entgegensteuern.
Erfindungsgemäß liegt die Aufgabe darin begründet, ein Verfahren zur Reinigung von Grund- und Oberflächenwasser unter Verwendung von hochporösem, nach bereits bekannten Verfahren der Pyrolyse bzw. HTC hergestelltem Filtermaterial zu finden, wobei die Anwendung von Biokohle als Filtermaterial ausgeführt wird .
Das Verfahren zur Reinigung von Grund- und Oberflächenwasser in ausgekohlten Tagebauen unter Verwendung von Biokohle, welche als Filter eingesetzt wird, und deren Verwendung der gesättigten Biokohle wurde so entwickelt, dass zwischen dem Zufluss des Grund- und Oberflächenwassers eine Filterung in Form von Biokohle zwischengeschaltet wird und nach Sättigung der Biokohle ein Austausch dieser stattfindet und somit Eisenhydroxyd mit der Biokohle gefiltert wird und nicht belastetes Grund- und Oberflächenwasser als Unterlauf weitergeleitet wird, dass die gesättigte Biokohle zu einem Zeitpunkt ausgetauscht wird, welcher eine nachträgliche Aufladung mit Pflanzennährstoffen und weiteren Spurenelementen möglich macht, dass die mit Eisen gesättigte Biokohle aus dem Filterprozess einer Aufladung in einem Fermentierungsprozess mit organischem Material unterzogen wird, dass organische Materialien, wie Stallmist, Biotonnenmaterial, Gärreste und sonstige feuchte Biomasse sowie Gülle, verwendet werden, dass nach der Mischung des organischen Materials und der gesättigten eisenhaltigen Biokohle nachfolgend milchsäurebildende Mikroorganismen dazugegeben und verdichtet werden, dass nach der Zugabe der milchsäurebildenden Mikroorganismen das Material nach circa einem
Monat nochmals durchmischt, mit Sauerstoff angereichert und ein aerober Prozess mit Würmern und anderen Bodenlebewesen zur Bildung von Eisenerde und Dauerhumus durchgeführt wird.
Die besonderen physikalischen Eigenschaften der Biokohle, insbesondere ihre große und hochporöse Oberfläche, veranlassen die technische Lösung dahingehend, dass die Eigenschaft der Biokohle als Filtermaterial geeignet ist. Die Gewinnung von Biokohle ohne
Flächeninanspruchnahme erfolgt durch die Verwendung des Baum- und Strauchaufwuchses in den Tagebaurestlöchern, welche dem Flutungsprozess unterliegen. Dieses Material wird bereits gewonnen und kann als Biokohlematerial verwendet werden. Weitere Möglichkeiten der Gewinnung von Biomasse ergeben sich aus der Nutzung von Material aus der Forstpflege und Bestandsver üngung in den Waldbeständen der Rekultivierung sowie aus dem Material von Agro-Forst-Systemen und aus dem Krautungsmaterial von Flüssen und anderer Hauptvorfluter .
Des Weiteren ist es möglich, aus Baum-, Strauch- und Rasenschnitt aus der privaten und kommunalen Bestandspflege die entsprechende
Gewinnungsmöglichkeit von Biokohle zu aktivieren. Die dafür benötigten Anlagen sind vorhanden. Es sollte sich aber um dezentrale Anlagen handeln, um unmittelbar neben der anfallenden Biomasse die Biokohle herzustellen. Der Einsatz von Biokohle zur Reinigung von eisenhydroxydbelastetem Grund- und Oberflächenwasser ist neu bzw. nicht vorbekannt. Das seit Jahren bestehende Problem der Gewässerbelastung durch Eisenhydroxyd und Sulfat lässt sich durch die enorme Filterwirkung von Biokohle bereinigen, wenn diese als Filter von dem Grund- und Oberflächenwasser durchflössen wird. Die technologischen Verfahren reichen von Bodenfiltern nach dem Prinzip der Schlitzwand, wie in dem Patentanspruch 1 beschrieben, die vom Grundwasser durchströmt wird, bis zu Filteranlagen in offenen Gewässern. Auch die Kombination mehrerer Verfahren, zum Beispiel mit Drainung, ist möglich.
Für die Verfahrensanwendung wird eine große Menge von Biokohle benötigt, welche nach den bekannten Verfahren der Carbonisierung oder Pyrolyse hergestellt wird.
In der Herstellung einer technologischen Einheit zwischen - Biomasseanfall,
- standortnaher, dezentraler Anlagen der Carbonisierung aus der Biomasse und
- Verwendung der Biokohle als Wasserfilter wirken sich die Vorteile des komplexen Verfahrens auch auf die Ökonomie aus. Darüber hinaus gibt es zahlreiche, weitere Anwendungsmöglichkeiten für diese Biokohle. Ein Kohle-Wasser-Gemisch könnte als Alternative zu Kalkmilch in
Grubenwasserreinigungsanlagen zum Einsatz kommen. Die belastete Biokohle als Filtermaterial kann nachfolgend in einem Kompostierungsprozess mit Pflanzennährstoffen angereichert werden. Damit wäre der gesamte Kohlenstoff des Ausgangsmaterials dauerhaft im Boden als C02-Senke gebunden und ein kleiner Beitrag gegen den Klimawandel geleistet.
Die in dem Filterprozess eingesetzte Biokohle wird im Rahmen des Verfahrens mit Eisenhydroxyd gesättigt. Wichtig ist dabei im nachfolgenden Schritt, dass die Sättigung der Biokohle mit Eisen so kontrolliert und gesteuert wird, dass nachfolgend noch genügend Platz für die weitere Aufladung mit Pflanzennährstoffen und weiteren Spurenelementen verbleibt. Das nachfolgende Aufladen der gesättigten Biokohle mit Eisen erfolgt in einem Fermentierungsprozess mit organischen Materialien, wie Stallmist, Biotonnenmaterial, Gärreste, sonstige feuchte Biomasse und Gülle. Die Biokohle mit beinhaltetem Eisenhydroxyd bietet Mikroorganismen eine gute Lebensgrundlage. Es kommt besonders auf die milchsäurebildenden Mikroorganismen an, die eine Konservierung fördern. Diese speziellen effektiven Mikroorganismen werden gezüchtet, und sind über fremde Dritte erhältlich. Neben der Biokohle mit Eisen belastet und den effektiven Mikroorganismen ist Steinmehl eine weitere Komponente in einem Zuführungsprozess . Die Milchsäurefermentation bewirkt einen langsamen Abbau der organischen Substanz in Dauerhumus .
Die praktische Ausführung der Zuführung der effektiven Mikroorganismen erfolgt in zwei Schritten:
Das organische Material wird mit eisenhaltiger Biokohle vermischt, die milchsäurebildenden Mikroorganismen werden danach dazugegeben und verdichtet, so dass anaerobe Bedingungen entstehen. Dieser Fermentationsprozess dauert circa einen Monat.
In einem zweiten Schritt wird das Material aufgenommen, nochmals durchmischt, mit
Sauerstoff angereicht und in einem aeroben Prozess mit Würmern und anderen Bodenlebewesen zu Eisenerde und Dauerhumus veredelt.
Im Ergebnis dieses Prozesses entsteht ein Produkt, dass der terra preta insofern überlegen ist, weil auch alle anderen Elemente, die in der vorbergbaulichen Erde enthalten waren, auch Spurenelemente, der Erde wieder zurückgegeben werden.
Die Freisetzung dieser Stoffe erfolgt dabei aber nur ganz dosiert und bedarfsgerecht über Mikroorganismen und Pilze. Somit kann das Endprodukt als organischer Langzeitdünger für Pflanzen und Boden eingestuft werden . Nachfolgend werden insbesondere klimarelevante Eigenschaften und Vorteile des Endproduktes aus der Verwendung der gesättigten Biokohle mit Eisen dargestellt :
Erhöhung des Wasserspeichervermögens der Ackerkrume, um prognostizierte Dürreperioden besser zu überstehen,
Torfersatz,
- C02-Sequestierung auf lange Zeiträume und damit Schaffung eines Beitrages zur Verringerung von Emissionen,
Nitratbindung und Verhinderung von
Überdüngungen,
- Hygienisierung und Humusanreicherung im Boden,
Erhöhung des Eisengehaltes in den wichtigsten Getreidearten Weizen und Reis, um damit Mangelerscheinungen bei der Ernährung vorzubeugen .
Das Ausführungsbeispiel wird nachfolgend
Figuren 1 bis 4 beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1 schematische Darstellung des
Filterverfahrens
Figur 2 Anordnung des Filterverfahrens
Figur 3 gesondertes Ausführungsbeispiel des
Filterverfahrens
Figur 4 Ausführungsvariante Filterverfahren
Figur 5 Ausführungsvariante Filterverfahren, Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrens, wobei die Gewinnung des Biomassematerials aus dem Baumaufwuchs 6 zur Biokohleherstellung 5 eingebracht wird. Darüber hinaus können auch andere biogene Reststoffe carbonisiert werden. Die Biokohle wird in einen Filterschacht 1 eingelagert. Dieser Filterschacht 1 ist zwischen dem Grundwasser 3 und dem Tagebausee 4 angeordnet. Nach der Sättigung der Biokohle mit Eisenhydroxyd wird die Biokohle 2 mit dem Eisenhydroxyd und dem Sulfat in einem mechanischen Verfahren ausgehoben und neue unbelastete Biokohle 2 eingebracht. Dieser Prozess wird dauerhaft als Verfahrensablauf durchgeführt.
Durch die hohe Filtereigenschaft der Biokohle 2 wird erreicht, dass das Eisenhydroxyd und Sulfat in dem Filterprozess zwischen Grundwasser 3 und dem See 4 sowie im Oberflächenwasser eines Fließgewässers ausgefiltert werden.
Im offenen Fließgewässer wird dagegen ein Filterkorb, der dem Grabenprofil angepasst und ebenfalls mit Biokohle gefüllt ist, eingebracht. Ein minimaler Anstau, als Überlauf oder Grundablass, leitet das Grabenwasser durch den Filter. Diese Konstruktion ist gegebenenfalls kaskadenförmig im weiteren
Grabenverlauf zu wiederholen. Somit wird nicht belastetes Grund- und Oberflächenwasser in den See 4 bzw. in den nächsten Vorfluter geleitet. In der Figur 2 wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben, wo ein angestauter Oberlauf 14 mit Eisenhydroxyd belastetem Wasser an einer Wehranlage aus einem Betonprofil 10 angestaut wird und über eine Stauanlage 7, vorzugsweise aus Holzbohlen, über einen Biofilter 8 mit beinhalteter Biokohle 2 geleitet wird. Nach Durchfluss des Biofilters 8 mit der Biokohle 2 entsteht ein Unterlauf eisenhydroxydfrei 12, welcher dann in entsprechende Gewässer bzw. in stehende und fließende Gewässer weiterfließt. Die Stauanlage 7 lässt sich über einen Kleinstau mit Jalousietafel und Spindelaufzug realisieren. Größere Grabenbreiten erfordern serienmäßig hergestellte Stauanlagen 7, welche auch ein Betonprofil 10 aufweisen. Als Filterkorb kann ein Drahtkorb für Gabionen 250 x 100 x 30 cm verwendet werden, der mit wasserdurchlässigem Textilflies ausgekleidet wird, um das Auswaschen der Filterkohle zu verhindern. Der Korb kann nach Sättigung der Kohle komplett gegen einen neuen ausgetauscht werden. Dabei handelt es sich um den Biofilter 8. Um das Verfahren in einem größeren Umfang anzuwenden, können diese Filterkörbe, größenmäßig den örtlichen Gegebenheiten angepasst, auch an bereits vorhandenen Stauanlagen 7 angebracht werden.
Die Figuren 4 und 5 zeigen hierbei schematische Darstellungen, wie ein Betonprofil 10 in einer Wehranlage gegeben ist und dazu eine Stauanlage 7 aus Holzbohlen in einem Gelände integriert ist. In der Figur 4 wird eine Draufsicht einer Wasserwehranlage mit einem Betonprofil 10 gezeigt, wo man erkennen kann, dass eine Stauanlage 7 aus Holzbohlen und ein Biofilter 8 aus Biokohle 2 vom angestauten Oberlauf 14 zum Unterlauf 12 verwendet wird .
Aus der Figur 3 heraus ist ersichtlich, dass das gleiche Prinzip mit einem angestauten Oberlauf 14 und einem Unterlauf 12 stattfindet, wobei aber hier der angestaute Oberlauf 14 Grundwasser darstellt, welches gezwungen wird, durch die Stauanlage 7 im Grundwasserbereich im Biofilter 8 mit der Biokohle 2 zu fließen. In der Biokohle 2 wird das Eisenhydroxyd belastete Wasser gefiltert, und es entsteht ein Unterlauf 12 des Grundwassers, welches eisendydroxydfrei ist.
Durch Auswechslung des jeweiligen Filtermaterials der Biokohle nach Sättigung mit dem Eisenhydroxyd entsteht ein Eisenhydroxydschlamm, welcher nachhaltig weiter verwertet werden kann. Eisenhydroxyd (EHS) wird einer thermischen Behandlung unterzogen und letztendlich als Produkt und Zusatzstoff für den Straßenbau verwendet. In einem ersten
Verfahrensschritt wird das Eisenhydroxyd zunächst entwässert und getrocknet. Nach der Trocknung erfolgt die thermische Behandlung des Materials unter hohen Temperaturen, die mit Biokohle zu erreichen sind. Dabei verflüssigt sich das pulverförmige Material und wird zur Schlacke. Die Herstellung von Biokohle aus biogenen Abfallstoffen über das Pyrolyseverfahren ergibt als Endprodukt die so genannte Pyrokohle, die über einen physikalisch-chemischen Vorgang bei 350 bis 600 °C bei sauerstoffarmer Verbrennung entsteht. Nachfolgend wird sie als Biokohle benannt. Bei der hydrothermalen Carbonisierung wird bei 20 bar und 250 °C eine kohlenstoffreiche, schlammige Masse gefiltert, getrocknet und als HTC-Kohle gewonnen. Beide Kohlen, zusammenfassend als Biokohlen bezeichnet, besitzen annähernd die gleichen Filtereigenschaften, welche dem Patentanspruch unterliegen.
Bezugszeichen
Filterschacht
Biokohle
Grundwasser
See
Biokohleherstellung
Baumwuchs
Stauanlage
Biofilter
Betonprofil
Unterlauf
angestauter Oberlauf

Claims

Patentanspruch
Verfahren zur Reinigung von Grund- und Oberflächenwasser in ausgekohlten Tagebauen unter Verwendung von Biokohle, welche als Filter eingesetzt wird, und deren Verwendung der gesättigten Biokohle (2) dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Zufluss des Grund- und Oberflächenwassers eine Filterung in Form von Biokohle (2) zwischengeschaltet wird und nach Sättigung der Biokohle (2) ein Austausch dieser stattfindet und somit Eisenhydroxyd mit der Biokohle (2) gefiltert wird und nicht belastetes Grund- und Oberflächenwasser als Unterlauf (12) weitergeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die gesättigte Biokohle (2) zu einem Zeitpunkt ausgetauscht wird, welcher eine nachträgliche Aufladung mit
Pflanzennährstoffen und weiteren Spurenelementen möglich macht. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die mit Eisen gesättigte Biokohle (2) aus dem Filterprozess einer Aufladung in einem Fermentierungsprozess mit organischem Material unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass organische Materialien, wie Stallmist, Biotonnenmaterial, Gärreste und sonstige feuchte Biomasse sowie Gülle, verwendet werden .
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass nach der Mischung des organischen Materials und der gesättigten eisenhaltigen Biokohle (2) nachfolgend milchsäurebildende Mikroorganismen dazugegeben und verdichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass nach der Zugabe der milchsäurebildenden Mikroorganismen das Material nach circa einem Monat nochmals durchmischt, mit Sauerstoff angereichert und ein aerober Prozess mit Würmern und anderen Bodenlebewesen zur Bildung von Eisenerde und Dauerhumus durchgeführt wird.
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