DE10304009A1

DE10304009A1 - Verfahren zur Steuerung der Wasserqualität an offenen Gewässern

Info

Publication number: DE10304009A1
Application number: DE2003104009
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Chem. Rabe; Jörg Dipl.-Ing. Appelt; Günter Dr.-Ing. Scholz; Peter Dipl.-Ing. Kunze
Original assignee: ETA AG; Ebauchesfabrik ETA AG
Current assignee: Eta AG Engineering 03042 Cottbus De; Lausitzer und Mitteldeutsche Bergbau-Verwaltun De
Priority date: 2003-02-01
Filing date: 2003-02-01
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2023-02-02
Also published as: DE10304009B4

Abstract

Verfahren zur Steuerung der Wasserqualität in offenen sauren Gewässern, insbesondere in Tagebaurestseen, die nach Beendigung des aktiven Bergbaus entstanden sind. DOLLAR A Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass definierte Wasser-Substrat-Suspensionen, bei Nutzung des Gewässervolumens als Reaktionsraum auf wirksame Weise zur Neutralisation eingesetzt werden können. DOLLAR A Mit der erfindungsgemäßen Lösung können mit wirtschaftlichem Aufwand größere Wassermengen wirtschaftlich und effektiv entsäuert werden, wodurch für diese Gewässer eine Nutzung als Fisch- und Badegewässer möglich wird. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren ist eine ph-Wert-Anhebung bis auf einen pH-Wert von 6,0-8,0 und die Einstellung einer definierten Pufferkapazität gegenüber saueren Zuströmungen möglich.

Description

Durch den offenen Bergbau entstandene Hohlräume werden durch Flutung mit Oberflächenwasser oder durch Selbstaufgang von Grundwassers gefüllt.
Als Folgenutzung wird in der Regel eine Wasserspeicherbewirtschaftung oder die Schaffung von Bade- und Fischgewässern angestrebt.
Nach Einstellung des offenen Bergbaus und der damit verbundener Einstellung der allgemeinen Grundwasserabsenkung durchströmt das wieder in Erscheinung tretende Grundwasser die vom Bergbau hinterlassenen Kippen. Insbesondere aufgrund von Pyritverwitterung im offenen Bergbau sind diese Kippen oft mit einem hohen Säurepotential angereichert. Das führt zur Versauerung der entstehenden Tagebaurestseen mit pH-Werten bis auf < 3. Saure Zuströmungen mit dem Grundwasser aus sauren Bergbaurestseen oder aus sauren Kippen führen ebenfalls zur Versauerung von bereits gefluteten oder neutralisierten Bergbaurestseen.
Durch Flutung mit Oberflächenwässern wird der Versauerung entgegengewirkt. Bei hohen Säuregraden oder bei Flutung von bereits teilweise gefüllten Tagebauseen reicht das geringe Neutralisationspotential von Oberflächenwasser nicht aus und die Seen verbleiben im sauren Zustand.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, saure Wässer punktuell zum Beispiel an einem Seeauslauf durch Kalkung zu neutralisieren. Die Kalkung wird hier in Grubenwasseraufbereitungsanlagen praktiziert. Dabei verbleibt der See jedoch in einem versauerten Zustand und ist wirtschaftlich und touristisch nicht nutzbar.
Bekannt ist weiterhin ein Verfahren, beschrieben in DE 199 61 243 , nachdem die in einem Tagebaurestsee vorhandenen eingespülten Kraftwerksaschen, die aus der Verbrennung von Braunkohlen stammen und am Boden eines Tagebaurestsees sedimentiert sind, wieder aufzunehmen, zu verwirbeln und über Rohrleitungen im sauren Restsee zur Neutralisation zu nutzen. Dieses Verfahren ist jedoch nur begrenzt nutzbar, wenn Altaschen im Gewässer vorhanden sind. Die Aktivität der Aschen und ihre Durchströmbarkeit ist relativ gering.
Anlagen und Verfahren zur Neutralisation von Oberflächengewässern sind ansonsten nicht bekannt (Grundwassergüteentwicklung in den Braunkohlegebieten der neuen Länder, Vortragsband des 3. GBL-Kolloquium vom 19.-21.02.1997, Heft 4, Seite 17, Verlag E. Schweizerbart'sche Verlagsbuchhandlung Stuttgart, 1997).
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine mobile wirtschaftliche und einfach zu realisierende Lösung für die Steuerung der Wasserqualität in sauren offenen Gewässern, insbesondere in Tagebauseen zu finden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie in den Patentansprüchen dargelegt, dadurch gelöst, dass aus einem mobilen Silo, angeordnet am Rand eines sauren Gewässers, ein festes feinkörniges Neutralisationsmittel, wie gebrannter Kalk oder Dolomit oder Weißkalkhydrat über flexible Rohrleitungen oder Schläuche zu einem Injektor und/oder einen Mischbehälter ausgetragen und mittels eines Injektors und/oder eines Mischbehälters dieses Neutralisationsmittel in Wasser suspendiert wird. Dazu wird mittels einer im Wasserkörper angeordneten Tauchpumpe oder einer anderen geeigneten Pumpe unter einem Druck von 1 – 10 bar die Zuführung von 10 m³ – 100 m³ Wasser zum Injektor und/oder einem Mischbehälter über eine Rohrleitung realisiert und das Wasser bei Anwendung eines Injektors über einen Treibanschluss in den Injektor eingeleitet. Über einen zweiten Anschluss erfolgt die Zudosierung des festen feinkörnigen Neutralisationsmittels in einer Menge von 1 – 25 t/h zum Injektor oder zum Mischbehälter. Nach der Einspeisung des Feststoffs im Injektor oder im Mischbehälter wird die Suspension saugseitig über den Volumenstrom von 1 – 10 weiteren Tauchpumpen oder anderen geeigneten Pumpen mit einer Gesamtleistung von 100 m³ – 1500 m³ in eine Verteilleitung mit einer Länge von 50 m – 2000 m eingebracht, wobei die Verteilleitung eine Nennweite von 50 – 400 mm aufweist und die Suspension in der Verteilleitung dabei mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 5 m/s transportiert wird. Die Verteilrohrleitung wird vorzugsweise durch Auftriebskörper schwimmend im See verlegt und durch Verankerungen fixiert. Die eigentliche Verteilung der Suspension im Wasserkörper erfolgt im Verlauf der Leitung und/oder zum Ende der Zuführungsrohrleitung mit 3 bis 30 Abgängen wobei hierdurch eine Verteilfläche von > 100 m², vorzugsweise von > 1000 m² bewirkt wird. Der elektrische Antrieb aller Anlagen erfolgt im Sinne der Mobilität vorzugsweise über ein oder mehrere Notstromaggregate.
Durch die Ausmaße der Rohrleitung wird erreicht, dass die Rohrleitung als zusätzlicher Reaktions-/Aufbereitungsraum für die Suspension genutzt wird und durch die Sicherung einer Mindestgeschwindigkeit wird die Ablagerung von nicht umgesetzten Neutralisationsstoffen während des Transportes weitgehend vermieden. Durch einen Aussetzerbetrieb von > 2 h/d wird ein zusätzliches Freispülen bzw. Auflösung von festen Einsatzstoffen zusätzlich bewirkt.
Zur Sicherung der Mobilität der Anlage, mit schneller Herstellung der Einsatzbereitschaft, schnelles Rückbauen bzw. Umsetzen, wenn erforderlich, können einzelne Anlagenkomponenten wie Injektor, Mischbehälter, Pumpen, Stromerzeuger (Notstromaggregat), Kompressor zu einer kompakten Einheit zusammengefasst werden. Die Stationierung kann problemlos auf einen Hänger bzw. in einem Container erfolgen.
Erfindungsgemäß kann zur Verbesserung des Gesamtverfahrens in die Rohrleitung nach der Einspeisung des Feststoffs im Injektor oder im Mischbehälter zur Beeinflussung der Suspension hinsichtlich ihrer Wirksamkeit eine Ultraschallsonde eingebracht wird. Diese bewirkt durch gezielte Kavitation eine Vergrößerung der Oberflächen der festen feinkörnigen Neutralisationsmittel und gleichzeitig eine Ablösung von bei Reaktion mit dem Suspensionswasser gebildeten Reaktionsprodukten. Der Wirkungsgrad der Anordnung kann damit um > 10 % verbessert werden.
Zur verbesserten Verteilung wird die Verteilleitung der Suspension wird die Verteilleitung mit Verteilsystem im Gewässer bewegt. Das kann beispielsweise durch die Energie des Suspensionsaustritts, durch ein Motorboot oder durch Seilwinden erfolgen. Auf diese Weise kann die Wirkfläche im See mehr als verdoppelt werden.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Verfahrens wird die Verteilleitung zusätzlich in Abhängigkeit von Wetterverhältnissen wie der Windrichtung, der Windstärke und der Seemorphologie so positioniert, das für das eingebrachte Neutralisationsmittel den vorhandenen Bedingungen entsprechende optimale Verhältnisse für die Umsetzung erreicht werden. So kann die Verteilleitung so positioniert werden, dass das eingebrachte Neutralisationsmittel nicht in Tieflagen von tiefer als 15 m gelangt und die Windrichtung so ausgenutzt wird, dass die Verteilfläche möglichst groß wird.
Die vorgeschlagene Anordnung hat mehrere Vorteile:

– Höhe Mobilität,
– Keine stationäre Anlagen,
– Hohe Wirksamkeit durch definiertes und kontrolliertes flächenhaftes Ausbringen auf relevante Bereiche,
– Geringe Kosten für die Errichtung und den Betrieb,
– Geringe Zufahrts- und Logistikprobleme,
– Kein zusätzlicher Geländebedarf,

Mit Hilfe der vorgeschlagenen Anordnung wird die Nutzung von lebensfeindlichen sauren sulfathaltigen Gewässern, wie beispielsweise von sauren Tagebaurestseen zur Erholung, Bewirtschaftung und als Zwischenspeicher mit relativ geringem wirtschaftlichem Aufwand ermöglicht und gleichzeitig die Pufferkapazität deutlich angehoben.
Das Prinzip der Erfindung soll im folgenden näher erklärt werden.
Ein Tagebaurestsee mit einem Volumen von 25 Mio. m³ enthält saures Wasser mit einem pH-Wert von 3,0 und einem k_b7,0-Wert von ca. 2,5 mmol/l.
Für die Neutralisation des Wasserkörpers ist bei Annahme eines Wirkungsgrades von 70 % bezogen auf das Einsatzprodukt feinkörniger Dolomit mit einer Körnung von < 0,2 mm eine Einsatzmenge von 2500 t erforderlich.
Die Anordnung zur Steuerung der Wasserqualität in offenen sauren Gewässern ist als mobile Einrichtung konzipiert, um ein schnelles und einfaches Aufbauen und Umsetzen zu gewährleisten:

– Silofahrzeug mit pneumatischer Austragsvorrichtung zum Anliefern des Einsatzstoffes,
– Stationärer/mobiler Behälter (Depot, Puffer) mit einem Fassungsvermögen von ca. 30 m³,
– pneumatische Austragsvorrichtung (Gebläse, Kompressor) für Zwischenspeicher,
– flexible Rohrleitung oder Schlauch vom Behälter zum Injektor/Mischer,
– Injektor/Mischer (Zusammenführung Feststoff und Wasser),
– 4 Pumpen (Ansaugen Wasser aus dem See, Transport Suspension),
– Pumpenponton ca. 2 × 3 m,
– Rohrleitung (DN 250; Länge 500 m),
– Verteileinrichtungen (6 Starkregner mit Regnerweite von je 50 m),
– Auftriebskörper für die schwimmende Verlagerung der Rohrleitung auf dem See,
– Stromerzeuger (Notstromaggregat),
– Wasserfahrzeug (Motorboot),
– Anker, Bojen usw.,
– allgemeine Baustelleneinrichtung

Die Suspendierung erfolgt bei Einsatz von Magnesiumbranntkalk mit saurem Seewasser. Mittels im Wasserkörper auf einem Ponton installierter Tauchpumpe wird die Zuführung des Wassers zum Injektor über eine Rohrleitung realisiert.
Der Pumpenponton hat eine Abmessung von ca. 2 × 3 Meter und ein Gesamtgewicht von max. 3,5 t. Das Einsetzen des Pumpenpontons erfolgt durch einen Mobilkran. Über eine entsprechende Verankerung wird der Ponton in Ufernähe bei ausreichender Wassertiefe fest platziert. Die Tauchpumpe zur Suspensionserzeugung ist mit einer Leistung von 100 m³/h ausgelegt.
Im sogenannten Injektor wird das Neutralisationsmittel in Wasser suspendiert. Bei dem Injektor handelt es sich um eine spezielle Wasserstrahl-Feststoffpumpe. Unter Druck wird das Wasser über einen Treibanschluss in den Injektor eingeleitet. Über einen zweiten Anschluss erfolgt die Zudosierung des Neutralisationsmittels. Auf dem weiteren Strömungsweg entsteht durch Impulsaustausch die Suspension.
Nach der Einspeisung des Feststoffs mit einer Menge von 10 t/h im Injektor wird die Suspension saugseitig in den Volumenstrom der 3 Pumpen mit je 200 m³/h in die Verteilleitung eingebracht.
In diese Rohrleitung vom Injektor zur Pumpstation ist ein Ultraschallgenerator mit einer Frequenz von 30 kHZ und einer Leistung von 400 Watt eingebaut. Dies führt zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Anordnung bezogen auf das Neutralisationsvermögen des Einsatzproduktes von 60 % ohne Ultraschalleinsatz auf 70 %.
Die Verteilleitung ist eine 500 m lange Rohrleitung DN 250. Die gesamte (Seewasser + Suspension) Durchflussmenge beträgt 200 – 600 m³/h. Die installierte Pumpenleistung der Verteilleitung beträgt max. 600 m³/h und wird über 3 parallel geschaltete Pumpen (ebenfalls auf Pumpenponton) realisiert.
Die Rohrleitung wird durch Auftriebskörper schwimmend im See verlegt und ist durch Verankerungen fixiert. Die Verteilung der Suspension erfolgt zum Ende der Zuführungsrohrleitung mit 6 Abgängen ( Starkregner). Der Verteiler ist ebenfalls schwimmend im See verlagert und durch Verankerungen fixiert. Sowohl der Verteiler wie auch die Rohrleitung werden durch Lösen der Fixierung neu im See platziert werden. Zur Platzierung wird ein Motorboot benutzt.
Die Verweilzeit der Suspension in der Rohrleitung beträgt mind. 2,5 min bei einer Strömungsgeschwindigkeit von ca. 3,4 m/s (Q = 600 m³/h, I = 500 m). Dadurch wird garantiert, dass die Rohrleitung als zusätzlicher Reaktions-/Aufbereitungsraum für die Suspension genutzt wird und es zu keinen Ablagerungen während des Transportes kommt.
Im Sinne der Mobilität der Anlage (schnelle Herstellung der Einsatzbereitschaft, schnelles Rückbauen bzw. Umsetzen wenn erforderlich) sind einzelne Anlagenkomponenten wie Injektor, Stromerzeuger (Notstromaggregat), Kompressor zu einer kompakten Einheit auf einen Hänger zusammengefasst.
Mit Hilfe der realisierten Verfahrenslösung wird die Neutralisation des Tagebausees auf einfache und wirtschaftliche Weise möglich. Somit wurde eine technische Lösung gefunden, mit der eine Erhaltung oder Verbesserung der Güte großer Wassermengen in sauren Restseen möglich ist und die Grundlagen für die Nachnutzungsziele wesentlich schneller und nachhaltig geschaffen werden können.

Claims

Verfahren zur Steuerung der Wasserqualität in offenen sauren Gewässern, insbesondere in Tagebaurestseen, die nach Beendigung des aktiven Bergbaus entstanden sind, wobei das Verfahren nach folgenden Schritten abläuft: – mittels eines Injektors und/oder eines Mischbehälters wird aus einem mobilen Silo ein festes feinkörniges Neutralisationsmittel in Wasser suspendiert, – unter einem Druck von 1 – 10 bar wird mittels einer im Wasserkörper angeordneten Tauchpumpe die Zuführung von 10 m³ – 300 m³ Wasser zum Injektor über eine Rohrleitung realisiert und das Wasser über einen Treibanschluss in den Injektor eingeleitet, – über einen zweiten Anschluss erfolgt die Zudosierung eines festen feinkörnigen Neutralisationsmittels in einer Menge von 1 – 25 t/h, – nach der Zudosierung des festen feinkörnigen Neutralisationsmittels im Injektor wird die Suspension, die saugseitig mit einem Volumenstrom aus zusätzlich weiteren 1 – 6 Pumpen, die eine Gesamtleistung von 100 m³ – 1000 m³ aufweisen, in eine Verteilleitung mit einer Länge von 50 m – 2000 m eingebracht, wobei die Verteilleitung eine Nennweite von 50 – 500 mm aufweist und schwimmend im See verlegt ist, – und die Suspension in der Verteilleitung mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 5 m/s transportiert wird, – wobei die Verteilung der Suspension über die gesamte Länge der Verteilleitung und/oder zum Ende der Verteilleitung mit 3 bis 30 Abgängen erfolgt und hierdurch eine Verteilfläche von größer 100 m², bis größer 1000 m² entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension in die Rohrleitung nach der Einspeisung des Neutralisationsmittels im Injektor mittels Ultraschallsonde beeinflusst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Einspeisung des Feststoffs im Injektor die Suspension direkt über Rohrleitungen und Verteilsysteme in den sauren Seekörper eingebracht werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur verbesserten Verteilung die Verteilleitung im Gewässer bewegt und die Suspension flächenhaft verteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Aussetzerbetrieb von größer 2 h/d ein zusätzliches Freispülen bzw. die Auflösung von abgelagerten festen Einsatzstoffen bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilleitung in Abhängigkeit von der Windrichtung und von der Seemorphologie positioniert wird.