Abschnitt 5 - Tonrohstoffe im Umweltschutz

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1 Seite 5-1 Abschnitt 5 - Tonrohstoffe im Umweltschutz Haupteinsatzgebiete im Umweltschutz Geologische Barriere: Tonschichten aller Art in geologischen Bildungen als natürliche Barrieren zum Schutz des Grundwassers. Dichtungsmaterial: Tonschichten als technisch-konstruktive Elemente zum Schutz des Grundwassers und der Luft. Adsorbermedien: Beseitigung wassergefährdender Stoffe durch Fixierung der chemischen Verbindungen an der Oberfläche. Geologische Barriere Merkmale / Eigenschaften: Rückhaltevermögen gegenüber der Schadstoffausbreitung räumliche Ausdehnung (Mächtigkeit, Fläche) hydraulische Eigenschaften (Wasserdurchlässigkeit) < 10-8 m/s Diffusionsgeschwindigkeit nach dem Konzentrationsgefälle geochemische Eigenschaften: - Schadstofffixierung - Adsorption / Desorption - chemische Reaktionen (Fällung) - Zerfallsreaktionen Bewertung des Rückhaltevermögens gegenüber der Schadstoffausbreitung: D - Diffusionskoeffizient c - Porenwasserkonzentration k - Durchlässigkeitsbeiwert i - hydraulischer Gradient S - Sorptionsbeiwert t Zeit Horizontale und vertikale Abdichtung einer Deponie [5-1]. Stofftransportgleichung [5-2].

2 Seite 5-2 Geologische Barriere Transportmodellierung einer Durchbruchskurve der Stoffemission [5-3]. Rückhaltevermögen einer Barriere und Stoffaustrag aus der Deponie [5-3]. Geologische Barriere - Langzeitverhalten Eigenschaften müssen über lange Zeiträume unverändert erhalten bleiben. Zeitliche Veränderungen der Durchlässigkeit der geologischen Barriere. Einflussfaktoren: Änderungen in der Lagerung der Gesteine und in der Wirksamkeit des Trennflächengefüges durch die Auflast der Deponie. Mikroskopische Gefügeänderungen durch die Wirkung des Sickerwassers (Ionenumbelegung, Aggregatbildungen). Beständigkeit der Minerale gegenüber dem Sickerwasser (Lösung, Fällung). Einfluss des Elektrolytgehaltes auf das Gefüge einer Tonschicht [5-1]. Dichtungsmaterial Tonschichten als technisch-konstruktive Elemente zum Schutz des Grundwassers und der Luft Einsatzgebiete: Bauwesen Altlastensanierung (Einkapselungsverfahren) Deponiebau - Übertagedeponie - Untertagedeponie Arten der technischen Barrieren: Basisabdichtung Oberflächenabdichtung Vertikale Abdichtungen Sonderformen (Formkörper)

3 Seite 5-3 Dichtungsmaterial Merkmale / Eigenschaften: Rückhaltevermögen gegenüber der Schadstoffausbreitung wie geologische Barriere. räumliche Ausdehnung (Mächtigkeit, Fläche) hydraulische Eigenschaften (k f < 10-8 m/s) geochemische Eigenschaften - Schadstofffixierung - Adsorption / Desorption - chemische Reaktionen - Zerfallsreaktionen Langzeitverhalten Stoffemission und Durchlässigkeitsbeiwert [5-2]. Dichtungsmaterial - Deponieabdichtungen Schnitt durch die Deponie Georgswerder [5-4]. Begriffe im Deponiebau [5-5]. Basisabdichtung (schematisch) [5-5]. Oberflächenabdichtung (schematisch) [5-5].

4 Seite 5-4 Dichtungsmaterial - Deponieabdichtungen - TA Siedlungsabfall

5 Seite 5-5 Dichtungsmaterial - Rohstoffe und Produkte Rohstoffe: Kaolinittone aller Art Dreischichtsilikattone Bentonite - Na-, Ca-belegt - Organoclays Produkte: Rohtone geschnitzelt Mahltone Bentonit aktiviert und gemahlen Bentonitmatten Dichtungsmaterial - Langzeitverhalten - Übersicht Langzeitverhalten: Alterungsprozess mit Erhöhung der Wasserdurchlässigkeit um mehrere Größenordnungen. Qualitätsprobleme beim Rohstoff und Bau. Basisabdichtung durch: Sickerwassereinwirkung Temperatureinwirkung Auflast Oberflächenabdichtung durch: Bioturbation / Gefügeauflösungen Rissbildungen bei Austrocknung Rissbildung durch Austrocknung beim Dichtungsbau [5-4]. Erhöhte Wegsamkeiten bei mineralischen Abdichtungen (schematisch). Dichtungsmaterial - Langzeitverhalten - Basisabdichtung Temperaturwirkung: Temperaturerhöhung durch mikrobielle Zersetzung des Mülls (Selbstentzündung) Sickerwassertemperatur > 30 C Erhöhung der Durchlässigkeit durch Absenkung der Viskosität des Wassers Austrocknung der Dichtung unter der Folie Temperaturgradient an der OK der Dichtung Wasserentzug durch Dampfdiffusion Schrumpfung und Rissbildung Temperatureinwirkungen einer Deponie auf die Dichtungsschichten (schematisch) [5-6].

6 Seite 5-6 Dichtungsmaterial - Langzeitverhalten - Basisabdichtung Sickerwassereinwirkung: Sickerwasser stark mineralisiert Deponie wirkt als Reaktor mit Abbau organischer Substanzen organische / anorganische Säuren Kohlenwasserstoffe Schwermetallsalze Wechselwirkung mit den Mineralen des Tones - Lösung (Karbonate) - Ionenaustausch (Smektite) - Mineralneubildungen (Fällung) - Gefügeauflockerung (Rissbildung) Veränderung der Wasserdurchlässigkeit - keine / positiv / negativ Dichtungsmaterial - Langzeitverhalten - Oberflächenabdichtung Gefügeauflösungen durch Bioturbation - Durchwurzelung - wühlende Organismen klimatisch bedingte Rissbildungen bei Austrocknung Selbstheilung? Erhöhung der Durchlässigkeit um mehrere Größenordnungen, wenn die Dichtungsschicht nicht geschützt wird! Legende: 1-Gras; 2-Rekultivierungsschicht lehmiger Sand; 3- Geotextil; 4-Entwässerungsschicht (Grobsand/Feinkies); 5-Bentonitmatte; 6-Dichtung (Geschiebemergel, sandiger Lehm; 7-Kapillarschicht (Feinsand); 8- Auffangdrän; 9-Auffangwanne (PEHD Schichtaufbau von Testfeldern auf der Altablagerung Georgswerder [5-7]. Erläuterungen: Bilanzzeiträume jeweils vom 1. Januar eines Jahres bis zum gleichen Termin des Folgejahres, Verdunstung als Differenz zwischen Niederschlag und der Summe aller Abflüsse berechnet; Änderung des Bodenwasserhaushaltes nicht berücksichtigt Wasserhaushalt des Testfeldes S1 Georgswerder im Mittel der Jahre 1993 bis 1995 [5-7].

7 Seite 5-7 Dichtungsmaterial - Langzeitverhalten - Oberflächenabdichtung Jahressummen der Durchsickerung der bindigen mineralischen Dichtungen in den Testfeldern S 1 und F 1 auf der Altdeponie Hamburg-Georgswerder 1200 Durchsickerung der Dichtung (mm/a) Jahr Testfeld F 1 Testfeld S 1 Niederschlag Jahressummen der Durchsickerung der bindigen mineralischen Dichtungen auf den Testfeldern auf der Altablagerung Georgswerder [5-7]. Wirkungsgrad der bindigen mineralischen Dichtungen, der Kombinationsdichtung und der Kapillarsperre - Testfelder Georgswerder [5-7]. Dichtungsmaterial - vertikale Abdichtungen Schlitzwände bis 40 m Tiefe Einphasen-Dichtwand Zweiphasen-Dichtwand (Austausch) Kombinationsdichtwand Dichtwandmassen Bentonit-Zement-Suspensionen Schema einer Schlitzwandfräseinrichtung [5-8]. Schematische Darstellung einer Einkapselung mittels Schlitzwand [5-8].

8 Seite 5-8 Dichtungsmaterial - vertikale Abdichtungen - Schlitzwandverfahren nach [5-9]

9 Seite 5-9 Dichtungsmaterial - vertikale Abdichtungen - Kombinationsdichtwand Kombinationsdichtwand [5-1]. Kombinationsdichtwand mit gläsernen U-Profilen in unterschiedlicher Ausführung [5-10]: links - einreihige Labyrinthwand mit einfacher Schlossdichtung Mitte - einreihige Labyrinthwand mit zweifacher Schlossdichtung rechts - mehrreihige Labyrinthwand mit mehrfacher Schlossdichtung Literatur / Quellenangaben zum Abschnitt 5 [5-1] JASMUND, K.; LAGALY, G.: Tonminerale und Tone. - Steinkopf Verlag, Darmstadt 1993 [5-2] FINSTERWALDER, K.; MANN, U.: Stofftransport durch mineralische Abdichtungen. - Neuzeitliche Deponietechnik. 2. Deponie-Seminar, Bochung S [5-3] MATSCHULLAT, J.; MÜLLER, G.: Geowissenschaften und Umwelt. - Springer Verlag, Heidelberg 1994, S. 329 [5-4] Sanierung Deponie Georgswerder. - Umweltbehörde Hamburg, April 1988 [5-5] MESECK, H.: Bautechnische Lösungen für neue Deponien. - Zeitschrift der Tiefbau Berufsgenossenschaft, Sonderheft 1990, S. 4-8 [5-6] DÖLL, P.; STOFFREGEN, H.: Gefährdung der Basisabdichtung von Deponien mit Wärmeentwicklung. Modellierung der Austrocknung der mineralischen Dichtschicht. - GeoCongress, Köln 2(1996). - S [5-7] MELCHIOR, S.: Zeit- und vegetationsabhängige Veränderungen der Wirksamkeit von Abdeckschichten. - Materialien zu Strahlenschutz/Umweltradioaktivität, Radebeul 5(1997). - S. IX/1 - IX/4 [5-8] Sanierung der Deponie Bielefeld-Brake. - Firmenprospekt Bilfinger+Berger [5-9] Schlitz- und Dichtwände. - Firmenprospekt Bauer [5-10] WINKLER, U.: Gläserne Dichtwand kapselt Grundwasservorkommen. - Wasserwirtschaft Wassertechnik 42(1992)1. - S