DE102008024989A1

DE102008024989A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Neutralisation und Aufpufferung saurer und versauerungsgefährdeter Gewässer

Info

Publication number: DE102008024989A1
Application number: DE200810024989
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Rabe; Guenter Scholz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-05-24
Filing date: 2008-05-24
Publication date: 2009-11-26

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Neutralisation und Aufpufferung saurer und versauerungsgefährdeter Gewässer mit Verbesserung der Wasserbeschaffenheit insbesondere die Erhöhung der Säurekapazität durch Eintrag von Einsatzstoffen in suspendierter Form. Ziel und Aufgabe der Erfindung bestehen darin, eine Lösung auf der Grundlage der Inlake-Behandlung zu finden, nach der die Einsatzstoffe zur pH-Wertanhebung und/oder zur Aufpufferung sehr effektiv, mit hohem Reaktionswirkungsgrad, mit geringem Zeitaufwand und geringen Betriebskosten im gesamten Gewässer zur Anwendung gelangen können. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass über eine Landanlage zur Herstellung und Förderung einer Suspension, alkalische Stoffe und Stoffe zum Pufferaufbau in flüssiger, gelöster oder suspendierter Form mit Wasser direkt über ein bewegliches Rohrverteilungssystem über ein an der Wasserstoffoberfläche oder unter Wasser befindliches bewegliches Rohrsystem, ausgestattet mit Austrittsöffnungen, in unterschiedliche Tiefenbereiche, in Abhängigkeit von ausgewählten Parametern, eingebracht werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Anhebung des pH-Wertes und die Verbesserung der Wasserbeschaffenheit saurer Aufpufferung saurer oder versauerungsgefährdeter Oberflächengewässer, insbesondere auf die Erhöhung der Säurekapazität.
Nach der Beendigung des Bergbaus werden Hohlräume in der genutzten Landschaft geschaffen, die sich nach und nach mit Grund- und Oberflächenwasser füllen. In vielen Fällen werden durch das wieder aufgehende Grundwasser sowie die damit verbundenen geologischen und chemischen Bedingungen im neu geschaffenen Deckgebirge Seen geschaffen, die durch saure Wässer mit hohen Schwermetallgehalten, insbesondere mit hohen Eisen- und Aluminiumgehalten gekennzeichnet sind.
Haupteintragsquelle für gelöste Stoffe und Säuren in einen derartigen Tagebausee sind das Grundwasser und das Kippenmaterial. Das Säurepotential des Kippenmaterials beruht in der Regel auf der Verwitterung der enthaltenen Eisendisulfide durch die Umlagerung der Kohledeckschichten im Tagebaubetrieb. Das so genannte Abraummaterial wird dadurch intensiv den Verwitterungsfördernden Komponenten Luft (Sauerstoff) und Wasser ausgesetzt. Das abgelagerte und verwitterte Kippenmaterial wird im Laufe der Zeit durch Grund- und Sickerwasser ausgewaschen, die so mobilisierten Stoffe abtransportiert und beispielsweise in Tagebauseen beim Grundwasserwiederanstieg eingebracht. Eine zweite Eintragsquelle ist die Erosion von Ufern aus Kippenmaterial. Die Mobilisierung erfolgt hier durch Wellenschlag, Regenwasser etc. Resultat der Verwitterung und Auswaschung ist ein hoch mineralisiertes saures Wasser, in dem als Säureträger Sulfat- und Eisenionen dominieren.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, derartig saure Wässer vor Anbindung dieser Gewässer an die Vorflut mittels so genannter Grubenwasserreinigungsanlagen (GWRA) zu behandeln, Das eigentlich saure Gewässer verbleibt jedoch in diesem Falle in seinem sauren lebensfeindlichen Milieu und ist in seiner Nutzbarkeit eingeschränkt.
Bekannt sind des Weiteren Inlake-Verfahren, wie z. B. in DE 103 04 009.9 beschrieben, nach dem unter Nutzung der Inlake-Verfahrenstechnik, Injektor- und Mischtechnik sowie feinkörniger Neutralisationsmittel und intelligenter Verteiltechnik über schwimmende Rohrleitungen ein verbesserter Effekt beim Einsatz von Neutralisationsmitteln erreicht wird. Eine gute Vermischung des Neutralisationsmittels und die Verteilung der Suspensionen auf der Seeoberfläche sind begrenzt im Wirkungsgrad, beim Stoffumsatz und damit bei der Kostenoptimierung derartiger Verfahren. Für das Erreichen hoher Wirkungsgrade sind große Volumenströme zu bewegen, wodurch sehr hohe Betriebskosten verursacht werden.
Gemäß eines Vorschlages nach Aktenzeichen DE 103 44 857.8 wird durch Gestaltung der Verteileinrichtung, die Einstellung der Stoffkonzentration auf < 1% auf der Seeoberfläche und der pH-Wert-Einstellung in Abhängigkeit vom Einsatzstoff im Wasserkörper die Erzielung eines hohen Wirkungsgrades erreicht. Insbesondere bei morphologisch ungünstigen Gewässern mit überwiegend Flachwasserbereichen und/oder tiefen Schläuchen sowie stark gegliederten Gewässern ggf. mit Inselbereichen hat dieses Verfahren seine Grenzen.
Auch in den Offenlegungsschriften DE 4124073 A1 und WO 02/16272 A1 sind Verfahren zur Behandlung saurer Wässer beschrieben. Die Anwendung bei größeren Tagebauseen erfordert jedoch einen unverhältnismäßig hohen technisch-ökonomischen Aufwand und ist hier nicht geeignet.
In DE 20 2004 002 159.5 ist eine Anordnung beschrieben, die durch eine Kombination von Tank-/Silofahrzeug, Zwischenlagerbehälter, einer schwimmenden mobilen und beweglichen/fahrbaren Lager- und Eintragseinheit mit einem Verteilsystem gekennzeichnet ist und mit der Neutralisationsmittel auf ein saures Gewässer transportiert und verteilt werden sollen. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass diese Anordnung nur an Gewässern einsetzbar ist, deren Uferbereich zumindest stellenweise entsprechend befestigt ist. Durch den erforderlichen Transportaufwand sind große und kostenintensive schwimmende Einrichtungen erforderlich. Die komplexe Lager- und Eintragseinheit muss eine hohe Tragfähigkeit aufweisen und verursacht einen hohen Energiebedarf.
Nach einem weiteren Verfahrensvorschlag nach DE 10 2004 032 404 soll die Stoffkonzentration der jeweils eingesetzten Neutralisationsmittel durch die Geschwindigkeit einer schwimmenden mobilen und beweglichen Lager-/Transport- und Eintragseinheit auf der Gewässeroberfläche bis in einem Meter Tiefe auf < 0,2% eingestellt werden. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass nach der Entleerung der Lager- und Transportvorrichtung das System leer über den Wasserkörper fahren muss und die Effektivität des Systems zusätzlich durch erforderliche Umschlagsprozesse verringert ist. Insgesamt sind dadurch die Betriebskosten im Vergleich zu den Produktkosten erheblich. Das komplexe System muss eine hohe Tragfähigkeit aufweisen und ist damit sehr aufwändig in der Herstellung und verursacht hohe Betriebskosten.
Nach DE 10 2006 024 386 A1 wird eine Landanlage zur Herstellung und Förderung einer Suspension aus Konditionierungsmittel und Wasser mit direkter Kopplung über ein schwimmendes Leitungssystem mit einer schwimmenden, mobilen und beweglichen Eintragseinheit, die über einen eigenen Antrieb sowie eine Verteileinrichtung für den Konditionierungsmittelsuspensionsaustrag in das betreffende Oberflächengewässer verfügt, vorgeschlagen. Für das Erreichen günstiger Wirkungsgrade sind große Volumenströme zu fördern und das Verteilsystem auf der Wasseroberfläche zu bewegen, wodurch sehr hohe Betriebskosten verursacht werden. Die Wirkung auf den gesamten Wasserkörper kann nur unvollständig erfolgen.
Ziel und Aufgabe der Erfindung bestehen darin, eine Lösung auf der Grundlage der Inlake-Behandlung saurer oder versauerungsgefährdeter Gewässer zu finden, nach der die Einsatzstoffe zur pH-Wertanhebung und/oder zur Aufpufferung sehr effektiv, mit hohem Reaktionswirkungsgrad, mit geringem Zeitaufwand und geringen Betriebskosten im gesamten Gewässer zur Anwendung gelangen können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe, dadurch gelöst, dass eine mobile oder ortsfeste Landanlage zur Herstellung und Förderung einer Suspension aus alkalischen Stoffen und Stoffen zum Pufferaufbau wie von Kalkprodukten, Natronlauge, Soda und Kohlendioxyd in flüssiger, gelöster oder suspendierter Form oder deren Kombinationen mit Seewasser und/oder mit Fremdwasser betrieben wird und die in der Landanlage erzeugte Einsatzstoffsuspension direkt über ein > 100 bis 3000 m langes Rohrvertei lungssystem mit einem an der Wasseroberfläche oder unter Wasser befindlichen beweglichem Rohrsystem, welches mit einer Anzahl von bis zu 50.000 Austrittsöffnungen ausgestattet ist, in das betreffende Gewässer eingetragen wird und welches dabei in der Höhe über dem Gewässerboden oder unterhalb der Wasseroberfläche in Abhängigkeit vom pH-Wert und Gehalt an gelöstem Eisen so eingestellt wird, dass bei pH-Werten von 3–7 und Gehalten an gelöstem Eisen von ≥ 3 mg/l im Bereich von der Wasseroberfläche bis in 5 m Tiefe dieses Rohrverteilungssystem an der Wasseroberfläche bis in 3 m Tiefe und bei pH-Werten von 3–7 und einem Gehalt an gelöstem Eisen von ≥ 3 mg/l im Bereich von einer Tiefe von 5 m bis zum Gewässerboden dieses Rohrverteilungssystem im Bereich zwischen einer Tiefe von 5 m und dem Gewässerboden angeordnet wird und wobei die Anordnung in den Tiefenbereichen wechselseitig erfolgen kann.
Erfindungsgemäß wird das bewegliche Rohrverteilungssystem zusätzlich entsprechend den morphologischen Gegebenheiten des Gewässers und den Temperaturverhältnissen in den Vollzirkulationsphasen im Epilimnion und in den Stagnationsphasen sowohl Epilimnion als auch im Hypolimnion des betreffenden Gewässers positioniert.
In der vorgeschlagenen Vorrichtung sind die Austrittsöffnungen für die Verteilung der alkalischen Stoffe im Gewässer am Umfang der Verteilungsrohrleitung so angeordnet sind, dass stets eine räumliche Verteilung der alkalischen Stoffe um das Rohrverteilungssystem gegeben ist.
Die Austrittsöffnungen im Rohrverteilungssystem weisen Öffnungen mit einer Weite im Bereich von 1 bis 50 mm auf.
Die Austrittsgeschwindigkeit aus den Austrittsöffnungen im Rohrverteilungssystem wird bei der Durchführung des Verfahrens im Bereich von 0,5 bis 5 m/s eingestellt.
Durch eine am Seeboden und/oder an schwimmenden Einrichtungen, wie an Bojen oder Pontons befindliche Verankerung des beweglichen Rohrverteilungssystems kann die Positionierung desselben in einem Bereich von der Seeoberfläche bis zum Gewässergrund in beliebiger Höhe über dem Gewässergrund bewirkt werden.
Die dem Rohrverteilungssystem zuzuführende Alkalitätsmenge, kann bei der Durchführung des Verfahrens, über gemessenen Parameter, wie Wassergeschwindigkeit der durch Wind induzierten Seeströmung, pH-Wert, Eisengehalt und elektrische Leitfähigkeit, mittels Sensoren in der Umgebung des Rohrsystems gesteuert werden.
Das bewegliche Rohrverteilungssystem wird zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades in der Arbeitsstellung vorzugsweise quer zur jeweiligen Seeströmung positioniert.
Durch die Steuerung der Lage der Eintragsvorrichtung in Abhängigkeit vom pH-Wert und Eisengehalt wird eine innige Durchmischung von alkalischer Suspension bzw. Pufferlösung mit Seewasser bewirkt, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit für die Reaktionen der betreffenden Ionen und damit der Ausnutzungsgrad der eingesetzten Stoffe gegenüber bisherigen Verfahrens- und Vorrichtungslösungen deutlich erhöht wird.
Der aktive Eintrag der Einsatzstoffe erfolgt bei der Durchführung des Verfahrens im Gewässer mit dem Ziel eine optimalen Verteilung im Gewässerkörper sowie eines hohen Ausnutzungsgrad dieser. Mit Hilfe der vorgeschlagenen Lösung, mit Kombination einer landgestützten Suspensionsherstellung direkt mit einer schwimmenden Unterwassereintragseinheit ist es möglich mit hohen Wirkungsgraden im Vergleich zu bekannten Lösungen auch den Tiefenbereich des Gewässers zu beeinflussen. Auf diese Weise werden mit geringem Energieaufwand und mit wirtschaftlichem Betrieb die Sanierungszielstellungen erreicht. Somit wurde eine technische Lösung gefunden, mit der eine Verbesserung und Erhaltung der Güte großer Wassermengen insbesondere in sauren oder versauerungsgefährdeten Tagebauseen möglich ist und die Grundlagen für das Erreichen der Nachnutzungsziele wesentlich schneller und nachhaltig geschaffen werden können.
Das Prinzip der Erfindung soll anhand des folgenden Anwendungsbeispiels näher erläutert werden.
Ein saurer Tagebausee, mit einer Fläche von 2 km², einem mittleren Durchmesser von 1,6 km, einer mittleren Seetiefe bis 30 m und einem Volumen von 30 Mio. m³, der einen pH-Wert von 3,0 sowie einen Gesamteisengehalt von 25 mg/l aufweist, soll mit einer Suspension aus Kalksteinmehl und Seewasser neutralisiert werden. Anschließend soll mittels Kohlendioxydeinsatz und Kalksteinmehl ein Säurepuffer von K_S4,3 von > 1 mmol/l eingestellt werden.
Aus einem 80 m³ Silo mit geregeltem Austrag werden 10 t/h Kalksteinmehl in einen Mischbehälter mit Rührwerk eingetragen. In diesen Mischbehälter werden gleichzeitig 200 m³/h Seewasser mittels einer Tauchpumpe zugeführt und so eine 5%ige Suspension erzeugt. Eine Standmessung regelt die Zufuhr an Seewasser.
Mittels einer Kreiselpumpe wird diese Suspension mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 2,2 m/s über eine flexible Leitung mit einem Innendurchmesser von 180 mm und mit einer Leitungslänge von 800 m in das Gewässer gefördert. Die flexible Leitung weist im Bereich der hinteren 400 m gleichmäßig über den Umfang und die Länge 1.200 Ausströmöffnungen mit einem Durchmesser von 5 mm auf (3 Öffnungen/m). Die Ausströmgeschwindigkeit aus den Ausströmöffnungen beträgt 2,4 m/s.
Die flexible Rohrleitung mit Rohrverteilungssystem ist bei Beginn der Behandlung des Gewässers in einer Tiefe von 1,5 m über die Befestigung an schwimmenden Bojen angeordnet. Das Rohrverteilungssystem wird im Laufe der Behandlung bei Beibehaltung der Tiefe von 1,5 m horizontal im Gewässer bewegt, bis der pH-Wert im Bereich bis 5 m Tiefe einen Wert von 7 und der Gesamteisengehalt von < 3 mg/l erreicht. Danach erfolgt eine Verlagerung des Rohrverteilungssystems in eine Tiefe von 15 m bis im gesamten Wasserkörper der pH-Wert einen Wert von 7 und der Gesamteisengehalt einen Wert von < 3 mg/l erreicht. Messungen ergeben, dass bei pH 7 der Säurepuffer in Form des K_S4,3-Wertes 0,4 mmol/l beträgt. Zur Anhebung des Säurepuffers wird über das Rohrverteilungssystem eine Kohlendioxidmenge von 500 kg/h in gelöster Form mit 200 m³/h Seewasser in einer Tiefe von 15 m in das Gewässer eingetragen. Bei pH-Wertreduzierung im Gewässer auf < 6 wird wechselseitig die Kalksteinmehlsuspension eingebracht, bis der Säurepuffer K_S4,3 im Gewässer einen Betrag von > 1 mmol/l überschreitet.
Durch die mittels der gefundenen Lösung mögliche günstige Ausnutzung der chemisch-physikalischen Triebkräfte zwischen der Kalksteinmehl-/Kohlendioxidsuspension einerseits und den Bestandteilen des zu behandelnden Gewässers andererseits wird das Sanierungsziel mit hohem Wirkungsgrad erreicht.
Das nach dem vorgeschlagenen Verfahren behandelte Gewässer kann touristisch und fischwirtschaftlich genutzt werden und besitzt Ausleitungsqualität in öffentliche Gewässer bei gleichzeitiger Anregung der biologischen Selbstregulierung im Gewässer.
Bei einer nachfolgenden Flutung des behandelten Gewässers mit Flusswasser des Einzugsgebietes wird sämtliches biologisches Leben und vorhandene biologische und chemische Alkalisierungspotential, welches in den natürlichen Flutungswässern, vorhanden ist, weitgehend erhalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10304009 [0005]
- DE 10344857 [0006]
- DE 4124073 A1 [0007]
- WO 02/16272 A1 [0007]
- DE 202004002159 [0008]
- DE 102004032404 [0009]
- DE 102006024386 A1 [0010]

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Neutralisation und Aufpufferung saurer und versauerungsgefährdeter Gewässer, insbesondere von Bergbaurestseen, mittels alkalisch wirkender Stoffe und Stoffe zum Pufferaufbau, dadurch gekennzeichnet, dass die alkalischen Stoffe und Stoffe zum Pufferaufbau wie Kalkprodukte, Natronlauge, Soda und Kohlendioxyd in flüssiger, gelöster oder suspendierter Form über ein bewegliches Rohrverteilungssystem mit einem an der Wasseroberfläche oder unter Wasser befindlichen beweglichem Rohrsystem, welches mit einer Anzahl von bis zu 50.000 Austrittsöffnungen ausgestattet ist, in das betreffende Gewässer eingetragen werden und welches in der Höhe über dem Gewässerboden oder unterhalb der Wasseroberfläche in Abhängigkeit vom pH-Wert und Gehalt an gelöstem Eisen so eingestellt wird, dass bei pH-Werten von 3–7 und einem Gehalt an gelöstem Eisen von ≥ 3 mg/l im Bereich von der Wasseroberfläche bis in 5 m Tiefe dieses Rohrverteilungssystem an der Wasseroberfläche bis in 3 m Tiefe und bei pH-Werten von 3–7 und einem Gehalt an gelöstem Eisen von ≥ 3 mg/l im Bereich von einer Tiefe von 5 m bis zum Gewässerboden dieses Rohrverteilungssystem im Bereich zwischen einer Tiefe von 5 m und dem Gewässerboden angeordnet wird und wobei die Anordnung in den Tiefenbereichen wechselseitig erfolgen kann.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Rohrverteilungssystem entsprechend den morphologischen Gegebenheiten des Gewässers und den Temperaturverhältnissen in den Vollzirkulationsphasen im Epilimnion und in den Stagnationsphasen sowohl Epilimnion als auch im Hypolimnion des betreffenden Gewässers positioniert wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen für die Verteilung der alkalischen Stoffe im Gewässer am Umfang der Verteilungsrohrleitung so angeordnet sind, dass stets eine räumliche Verteilung der alkalischen Stoffe gegeben ist.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die am Seeboden befindliche Verankerung des beweglichen Rohrverteilungssystems die Positionierung desselben in einem Bereich von der Seeoberfläche bis zum Gewässergrund gestattet.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die an schwimmenden Einrichtungen, wie an Bojen oder Pontons befindliche Verankerung des beweglichen Rohrverteilungssystems die Positionierung desselben in einem Bereich von der Seeoberfläche bis zum Gewässergrund gestattet.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen im Rohrverteilungssystems Öffnungen mit einer Weite im Bereich von 1 bis 50 mm aufweisen.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsgeschwindigkeit aus den Austrittsöffnungen im Rohrverteilungssystems auf 0,5 bis 5 m/s eingestellt wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Rohrverteilungssystem zuzuführende Alkalitätsmenge über mittels Sensoren gemessenen Parameter, wie Wassergeschwindigkeit der durch Wind induzierten Seeströmung, pH-Wert, Eisengehalt und elektrische Leitfähigkeit, in der Umgebung des Rohrsystems gesteuert wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Rohrverteilungssystem in der Arbeitsstellung vorzugsweise quer zur jeweiligen Seeströmung positioniert wird.