Studie zu aktuellen Reinigungsverfahren von Grundwasser und Oberflächengewässern in Braunkohlerevieren Dr. Felix Bilek Dresden,

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1 Grundwasser-Zentrum Dresden Studie zu aktuellen Reinigungsverfahren von Grundwasser und Oberflächengewässern in Braunkohlerevieren Dr. Felix Bilek Dresden, DGFZ Dresdner Grundwasserforschungszentrum Folie 1 e.v.

2 Eine Projektstudie im Auftrag des Im Rahmen des EU-geförderten sächsischtschechischen Ziel 3-Projektes In Bearbeitung durch das DGFZ Dresdner Grundwasserforschungszentrum e.v. Folie 2

3 Hintergrund Kippen Restseen Fließgewässer Landesgrenze Sachsen/Brandenburg Grundwassrabsenkung 1990 ca km 2 Spree Brandenburg Schwarze Elster Sachsen km Folie 3

4 Struktur des Vortrages Hydraulische/Geochemische Folgen des Kohlebergbaus Nutzbare Prozesse für die Aufbereitung bergbaubeeinflusster Wässer Fallbeispiele in der Lausitz Folie 4

5 Hintergrund Braunkohlentagebau: seit Mitte des 19ten Jahrh. Höhepunkt: ca. 312 Mio. Tonnen im Jahre 1985 Nach 1990 verminderter Bedarf: 58 Mio. t im Jahre 2006 Grundwasservolumendefizit im Jahre 1990: ca. 4,5 Mrd. m 3 + ca. 2,5 Mrd. m 3 in Restlöchern Grundwasservolumendefizit im Jahre 2010: ca. 1,0 Mrd. m 3 + 0,6 Mrd. m 3 in den Restlöchern Absenkungstriechter1990: ca km 2 ( + Aktivbergbau: 730 m 2 ) Wiederauffüllung durch Fremdwasserzufuhr (seit 2004 ca. 150 Miom 3 /a) Heute Wiedernutzbarmachungder in Anspruch genommenen Flächen durch die Lausitzerund Mitteldeutschen Bergbauverwaltungsgesellschaft (LMBV mbh) Förderung der Braunkohle durch Vattenfall Europe Mining & Generation Ziel: Gefahrenabwehr und Wiedernutzbarmachungsowie die Wiederherstellung eines ausgeglichenen, sich selbst regulierenden Wasserhaushaltes nach Menge und Beschaffenheit. Abnehmendes Wasserdefizit => zunehmende Ankoppelung des Grund-und Oberflächenwasserhaushaltes an den überregionalen Wasserhaushalt. Folie 5

6 Hintergrund Zunehmender Stoffaustrag von bergbaubedingt mobilisierten Stoffen erhöhte Stoffkonzentrationen insbesondere von Sulfat und Eisenund damit auch durch teilweise hohe Aziditäten Zum Schutz der Grundwasserkörper und Oberflächenwasserkörper besteht großer Bedarf an finanzierbaren und praktikablen Reinigungstechnologien, die dem grubenwasser-typischen Stoffspektrum und den großen Stofffrachten angemessen ist. Ziel der Studie: Erfassung des aktuellen Standes der internationalen und nationalen Entwicklungen auf dem Gebiet der Reinigung und Aufbereitung bergbaubeeinflusster Wässer Darstellung am Beispiel des LausitzerReviers Aufzeigen von Anknüpfungspunkten und Möglichkeiten für die weitere Entwicklungsarbeit Folie 6

7 Hydraulische/Geochemische Folgen des Kohlebergbaus Grubenwasserentstehung / Grundwasserwiederanstieg Oxidationsmitteleintrag (O 2, Fe(III), NO 3 ) Sulfidoxidation ph- Erniedrigung Erhöhte (Fe(III)- Lösung Ungesättigte Kippe Pufferprozesse Stoffeintrag mit dem Sickerwasser Fe SO 4 Sekundärmineralbildung Grundwasserspiegel-Anstieg Gesättigte Kippe Stoffeintrag durch Rücklösung Ca Mg Si K Al C Stoffeintrag durch Überstau Zeitachse Folie 7

8 Hydraulische/Geochemische Folgen des Kohlebergbaus Grubenwasserentstehung / Grundwasserwiederanstieg Beschaffenheiten bergbaulich beeinflusster Kippengrundwässer mittlere Konzentrationen maximale Konzentrationen LFV 2798 ph 5.3 mmol/l mg/l mmol/l mg/l Ca Cl Fe(+2) K Mg Mn Na Si Sulfat TIC Folie 8

9 Hydraulische/Geochemische Folgen des Kohlebergbaus Grubenwasserentstehung und Belastungs-Minderung Tagebauaufschluss Bergbau Bildung von Abraum Grundwasserspiegelabsenkung Zunahme der exponierten Oberfläche, und Schaffung hoher Porositäten und Permeabilitäten durch Zerkleinerung (Umlagerung, Brechen, Mahlen) Erhöhter Durchzug von Sickerwasser Erhöhter Stofftransport 1 Frühzeitige Haldenabdeckung zur Minimierung der GW-Neubildung Erhöhte Konzentrationsgradienten und intensivierte Lösungsprozesse Erhöhter Oxidationsmittel- (Sauerstoff) Zutritt während und nach dem Um- und Ablagerungsprozess Verstärkte Verwitterung Verstärkte Lösung von Sulfiden 2 Frühzeitige Wiederaufsättigung und Halden-Abdeckung zur Minimierung des O 2 -Zutrittes 3 Stabilisierung des ph-wertes in der ungesättigten Zone des Haldenkörpers durch alkalische Zuschlagstoffe Absenkung des ph-wertes 4 Grubenwasser- Aufbereitung Hohe Stoffkonzentrationen in bergbaubeeinflussten Wässern Erhöhte Löslichkeit von Fe(III) und Schwermetallen Folie 9

10 Hydraulische/Geochemische Folgen des Kohlebergbaus Grubenwasserentstehung / Grundwasserwiederanstieg Eingriffs-,und Steuermöglichkeiten (begrenzt) Schutzgut: (z.b. Gebäude) z.b. In-situ- Behandlung z.b. In-lake- Behandlung Schutzgut (z.b. Bauwerke) z.b. GWRA GW-Abstrom GW-Aufgang Grundwasserkörper Seewasserkörper Stoffspeicher Abstrom Stoffspeicher Fließgewässer Stoffspeicher Quelle Pfad Schutzgut Folie 10

11 Bergbauspezifische Wasserbeschaffenheiten Genese und Charakteristika verschiedener Wässer 7 Beginn der Grundwasser-Absenkung Beginn des Grundwasser- Wiederanstiegs ph-wert 3 Redox-Potential Beginn der Belüftung und Oxidation 2 Sümpfungswasser Restsee Deckgebirge 3 Sickerwasser Grundwasserspiegel 4 Kippe Oberflächengewässer Kippengrundwasser 1 Sümpfungsbrunnen Flöz Liegendes ph-wert 3 7 Aufschluss Betrieb Sanierung/Renaturierung Zeitachse Folie 11

12 Aufbereitungstechnologien für Bergbauwässer Kriterien für die Auswahl bestimmter Reinigungsverfahren Faktoren, die die Auswahl eines Reinigungsverfahrensbestimmen, sind: Schadstoffspektrum => Technologien, Quellvolumen, und Quellmasse und die räumliche Ausdehnung der (des) Schadherde(s) Transportpfade, => Ausdehnung einer möglichen Stoffsenke (Fassungsanlagen, Ableitungssystem, wetland etc.), mobilisierbarer Stoffmengenanteil => zu behandelnde Stoffmenge, Freisetzungsprozess, => zeitabhängige Freisetzungsrate, Stofffracht und initiale Stoffkonzentration die Senkenentlang des Transportpfades, technologische und wirtschaftliche Möglichkeiten für eine Wasserbehandlung räumliche Verhältnisse, in Abh. v. Klima, Morphologie, Geologie und Landnutzung Verfügbarkeit von Betriebsmittelnwie Energie, Rohstoffe (Chemikalien, Zuschlagstoffe, Baumaterial, bergbaueigene Produkte) und Deponieraum aber auch Personal, der durch gesetzliche Vorgaben einforderbarefinanzielle Rahmen, der für eine Sanierungs-, Schutz- oder Behandlungslösung zur Verfügung steht, der rechtliche Rahmen, => qualitative Einordnung der Wässer, Festlegung der Ablauf- Beschaffenheiten, Festlegung des Ortes der Messung und Zuordnungder Verantwortlichkeiten. Folie 12

13 Nutzbare Prozesse für die Aufbereitung bergbaubeeinflusster Wässer Neutralisation Kalkstein (CaCO 3 ):Preisgünstig, reagiert träge; phbis 7,5 => für aktive Behandlung ungeeignet; Einsatz in lime stone drains und Inlake-Behandlung bis ph 5. Tests zur ph- Anhebungbis ph7,5 mit sehr stark aufgemahlenemkalksteinmehl. Mahlkosten? Tests an Lausitzer Weichwasser-See. Übertragbarkeit auf die für die Lausitzer Bergbaufolgeseen?. Kalkhydrat (Ca(OH) 2 ):Feststoff mit Schüttdichte v. ca. 0,5-0,6 t/m 3 Lagerung in Tanks. Einsatz als Kalkmilch mit 5-10% Feststoffanteil. Preisgünstig; In GWRA und bei der Inlake- Behandlungab ph5,0 häufig eingesetzt. Branntkalk(CaO): Pulver, welches abgelöscht werden muss (Investition); heftige exotherme Reaktion mit Wasser Lagerung in geschlossenen Silos. Kosteneinsparung durch Preis und hohe Schüttdichte (ca. 1,0 t/m 3 ) Einsatz in den GWRA Pösnitzund Tzschelln. Magnesiumhydroxid(Mg(OH) 2 )reagiert langsamer wie Kalkhydrat => größere Aufenthaltszeiten. Einsatz sinnvoll, wenn Vergipsung vermieden werden soll. Natronlauge (NaOH)wird in flüssiger Form eingesetzt. Teuer, jedoch hinsichtlich der Lagerung und Dosierung kostengünstig. Eignung zur temporären, mobilen und prozessangepassten Neutralisation speziell im Umfeld aktiver Bergbaue. Soda (Na 2 CO 3 )Feststoff; Teuer; Einsatz wenn einfache Lösung nötig bzw. wenn der Eintrag von Calcium vermieden werden soll. Folie 13

14 Nutzbare Prozesse für die Aufbereitung bergbaubeeinflusster Wässer Neutralisation Neutralisationsmittel Reaktor Möglichkeit 1: aktive Fassung und -behandlung des Grundwasseranstromes See Fassungsanlage f. d. Grundwasseranstrom Eisenhydroxid-Schlamm-Deposition z.b. im See Neutralisationsmittel Reaktor Möglichkeit 2: Inlake- Behandlung des Grundwasseranstromes See Ungehinderter Grundwasseranstrom Eisenhydroxid-Schlamm- Deposition im See Folie 14

15 Nutzbare Prozesse für die Aufbereitung bergbaubeeinflusster Wässer Neutralisation Möglichkeit 3: Ausleiter/Vorfluter-Behandlung See Neutralisationsmittel Reaktor Ungehinderter Grundwasseranstrom Eisenhydroxid-Schlamm- Deposition im Ausleiter Möglichkeit 4: Behandlung des Auslaufes Neutralisationsmittel Reaktor See Eisenhydroxid-Schlamm-Deposition z.b. im See Folie 15

16 Nutzbare Prozesse für die Aufbereitung bergbaubeeinflusster Wässer Oxidation und Reduktion SO 4 Me A Metallsulfid- Fällung Sulfid (aq o. g) 1 SO 4 2 Fe-Sulfid Sulfat-R. e - -Donator Me B SO 4 e - -Donator 1 Sulfid (aq o. g) Sulfat-R. Metallsulfid- Fällung 2 Me-Sulfid C Ca(OH) 2 Sulfid (aq o. g) e - -Akzeptor e - -Donator Sulfidrückoxidation 4 Sulfid (g) SO 4 Me 0 Gips-Fällung ph-anhebung SO 4 Me 1 SO 4 2 Metallsulfid- Fällung Sulfat-R. Sulfid (aq) 3 Sulfid- Strippung Gips, (Hydroxide, Mg(OH) 2 ) Me-Sulfid Folie 16

17 Nutzbare Prozesse für die Aufbereitung bergbaubeeinflusster Wässer Elektrochemische Verfahren und Membrantechnologien Mikrofiltration 1 bis 5 bar Partikel, Zellen Ultrafiltration 1 bis 10 bar Polymere, Proteine, Viren Nanofiltration 5 bis 40 bar kleine Moleküle Umkehrosmose 30 bis 200 bar Ionen Wasser Quelle: INAP-(international Network for Acid Prevention) Studie (2003): Treatment of Sulphate in Mine Effluents von LORAX Environmental Folie 17

18 Nutzbare Prozesse für die Aufbereitung Elektrochemische Verfahren bergbaubeeinflusster Wässer und Membrantechnologien Zulauf des gemischten Fluids Kondensatorische Deionisierung Spülstrom Gereinigter Ablaufstrom Rührer Zulauf-Pumpe 1 Kreislauf-Pumpe 2 Zulaufstrom Mischbecken Kreislauf Kontaktbecken Absetzbecken Überlauf turbulente Gipskristall- Suspension Ausschleusung des Feststoffes Gips-Feststoff Folie 18

19 Nutzbare Prozesse für die Aufbereitung bergbaubeeinflusster Wässer Sorptionsprozesse Beispiele für Anwendungsfälle: Abreinigung von Arsen oder Schwermetallen Grundsätze: Gleichgewicht zwischen gelöster Phase und Festphase => Restkonzentration und evtl. Desorption bei Konzentrationsänderung Jede Sorption erfolgt in Konkurrenz mit anderen Sorbenten, Mit Sorbentenbelegtes Material steht für eine weitere Reaktion nicht mehr zur Verfügung und muss regeneriert oder sicher deponiert werden. Vorteilhaft bei der Grubenwasseraufbereitung: Nutzung von Eisen- Hydroxiden. Folie 19

20 Einordnung verschiedener Technologien Passiv on-site Aktiv on-site Passiv in-situ Aktiv in-situ Folie 20

21 Aktive und passive Technologien Definition Definition passive Verfahren Younger et al. (2002) : Passive treatment is the deliberate improvement of water quality using only naturally-available energy sources (gravity, microbial metabolic energy, photosynthesis), in systems which require only infrequent maintenance in order to operate effectively over the entire system design life Definition aktive Verfahren Volumen-und Stoffströme werden durch hydraulische Einrichtungen gesteuert und geregelt sowie messtechnisch kontinuierlich erfasst, Kontinuierliche, gesteuerte und geregelte Stoffzu- und Abfuhr, Regelmechanismen zur kurzfristigen Wiederherstellung der SOLL-Werte. Interesse an passiven Technologien speziell im Bergbau-Umfeld, da oft genügend Fläche hierfür vorhanden ist, bergbaubeeinflusste Wässer auch nach Beendigung des aktiven Bergbaus anfallen und dadurch großer Kostendruck durch die fehlende Gewinnerwirtschaftung entsteht und der dauerhafte Verbleib der abzuscheidenden Stoffe in Grubennähe aufgrund ihres geogenen Charakters in einigen Fällen genehmigungsfähig wird. Folie 21

22 Aktive und passive Technologien Definition Investitions- und Betriebskosten Passive Verfahren Verschieden: Stark abhängig vom Personalbedarf und der Standzeit Aktive Verfahren Hoch: stark abhängig von den Betriebsmitteln und den Personalkosten Energieeinsatz Gering Hoch Maschineneinsatz Gering Hoch Einsatz v. umweltgefährd. Reagenzien Kaum Häufig Personeller Einsatz Verschieden Hoch Wartungsaufwand Verschieden Hoch Prozessidentifikation Aufwändig, Site-spezifisch; hoher Analysebedarf; schlechte Bemessungsmöglichkeiten Standardisiert; geringer Analysebedarf; vorhandene Bemessungsmöglichkeiten Prozesskontrolle Schlecht Gut Flexibilität hinsichtlich der Zulaufwasser- Qualität und -Quantität Gering Hoch Folie 22

23 Aktive und passive Technologien Definition Platzbedarf Hoch: z.b. 15 g Fe /(m 2 d) * 4 kg Fe /h = 6400 m 2 *) Gering Behandelbare Volumenströme Meist gering 10 bis 100 m 3 /h Variabel; meist hoch: 100 bis 3000 m 3 /h Abreinigbare Stofffrachten Gering: z.b. 20m 3 /h * 200 g Fe /(m 2 h) = 4 kg Fe /h; Hoch; z.b. 2000m 3 /h * 200 g Fe /(m 2 h) = 400 kg Fe /h; an verschiedene Zulaufbeschaffenheiten adaptierbar Abfuhr der Produkte Verbleib im Reaktionsraum oder diskontinuierlich Kontinuierliche Abfuhr notwendig Investitions- und Betriebskosten Verschieden: Stark abhängig vom Personalbedarf und der Standzeit Hoch: stark abhängig von den Betriebsmitteln und den Personalkosten *) Younger et al. (2002): Typische Abreinigungsrate für ein alkalines GW in einem passiven Verfahren Folie 23

24 Aktive und passive Technologien Kontinuum aktiver und passiver Verfahren Passive Technologien Aktive Technologien Zunehmende Metallionen-Konzentration, Abnehmende Aufenthaltsdauer Abnehmender Flächenbedarf Zunahme des technologischen Aufwandes (z.b. des Chemikalien- und Energie-Einsatzes, der benötigten Oberflächen, der Steuerung) Mn-in-situ-ME Fe-in-situ-ME Katalyse an mikrobiell gebildeten Mn- Oxiden Katalyse an künstlichen Mn- Oxiden Mikrobielle Katalyse Biomasse/Biofilm- Oberfläche Oberflächenchem. Katalyse Reaktive/sorbtive Oberfläche Oxidation Redox-Potential Alkalinisierung Bevorzugte Realisierung in Raumfiltern Bevorzugte Realisierung in freier Lösung/ Suspension ph-wert Pufferkapazität SAPS On-site Trinkwasser- Enteisenung On-site Industriewasser-Enteisenung u. Entmanganung Schwermetall- Hydroxidfällung z.b. Aube et al. (2009) Verfahrenselemente Änderung von Folie 24

25 Aktive und passive Technologien Onsite und in-situ-verfahren C Sulfid (aq o. g) e - -Donator SO 4 Me 1 2 SO 4 Metallsulfid- Fällung Sulfat-R. e - -Donator Fe-Sulfid Volumenstrom Massenstrom A SO 4 Me e - -Donator SR Me-Sulfid B SO 4 Me Sulfat-R. Me-Sulfid Folie 25

26 Aktive und passive Technologien Onsite und in-situ-verfahren See Schritt 3: Sulfid- Entfernung Schritt 1: FeS-Fällung und Sedimentation Kollektor: Grundwasser- Aufnahme Schritt 2: Sulfatreduktion Aquifer Distributor: Grundwasser- Verteilung Reaktoren zur Grundwasser-Behandlung Folie 26

27 Fallbeispiele in der Lausitz Übersicht Folie 27

28 Fallbeispiele in der Lausitz Grundwasserbehandlungstechnologien Skadodamm Heterotrophe Sulfatreduktion Biochemisches Verfahren (aktives) in-situ Verfahren Quelle: Schöpke, R., Gast, M., Walko, M., Regel, R., Koch, R., Thürmer, K. (2011): Wissenschaftliche Auswertung von Sanierungsversuchen zur Untergrundsulfatreduktion im ehemaligen LausitzerBergbaurevier. Schriftenreihe Siedlungswasserwirtschaft und Umwelt der BTU Cottbus, Heft 21 Folie 28

29 Fallbeispiele in der Lausitz Grundwasserbehandlungstechnologien Skadodamm Quelle: Schöpke, R., Gast, M., Walko, M., Regel, R., Koch, R., Thürmer, K. (2011): Wissenschaftliche Auswertung von Sanierungsversuchen zur Untergrundsulfatreduktion im ehemaligen LausitzerBergbaurevier. Schriftenreihe Siedlungswasserwirtschaft und Umwelt der BTU Cottbus, Heft 21 Folie 29

30 Fallbeispiele in der Lausitz Grundwasserbehandlungstechnologien Skadodamm Quelle: Schöpke, R., Gast, M., Walko, M., Regel, R., Koch, R., Thürmer, K. (2011): Wissenschaftliche Auswertung von Sanierungsversuchen zur Untergrundsulfatreduktion im ehemaligen LausitzerBergbaurevier. Schriftenreihe Siedlungswasserwirtschaft und Umwelt der BTU Cottbus, Heft 21 Folie 30

31 Fallbeispiele in der Lausitz Grundwasserbehandlungstechnologien 2 Autotrophe Sulfatreduktion Biochemisches Verfahren Aktives in-situ Verfahren 1 Q zu 1 3 Q rück Fe-Sulfid Q zu + Q rück Elektroenergie zur Wasserspaltung 2 H 2 O 2 Q zu Sulfidstrippung Sulfidrückoxidation 3 H 2 S Fe, SO 4 SO 4 autotrophe HS - Eisensulfidfällung Sulfatreduktion Q zu = Q ab Folie 31

32 Fallbeispiele in der Lausitz Grundwasserbehandlungstechnologien Autotrophe Sulfatreduktion Elektrolyse von Wasser H 2 O 2 Nährstoffe S FeS HS - (aq) - Teilrückstrom HS - (aq) sulfat- und eisenhaltiges Grundwasser 1. Eisensulfidfällung Gaskreislauf Filter 2. autotrophe Sulfatreduktion 3. Sulfidoxidation Filter Abstrom eisenfreien und sulfatarmen Grundwassers in den Restsee Tagebaurestsee 4. FeS- Ablagerung Kollektor Distributor Hydraulische Trennstromlinie Folie 32

33 Fallbeispiele in der Lausitz Seewasserbehandlungstechnologien Die in der Lausitz bisher getesteten In-Lake Verfahren hatten folgende verschiedene Zielstellungen: Entschwefelungdes Seewassers und dessen ph-anhebungdurch Forcierung der Sulfatreduktion, ph-anhebung und Metallfällung durch Eintrag von alkalinitätstragenden Stoffen Neutralisation und Konditionierungdes Seewasserkörpers durch Kombination von Neutralisationsmitteleintrag und CO 2, die Senkung der Ammoniumkonzentrationdurch Schaffung vorteilhafter Bedingungen für Nitrifizierer. Folie 33

34 Fallbeispiele in der Lausitz Seewasserbehandlungstechnologien Inlake-Behandlung zur Sulfatlast-und Aziditätsminderung Biologisch-Chemisches Verfahren Passives/Aktives Verfahren Folie 34

35 Fallbeispiele in der Lausitz Seewasserbehandlungstechnologien Inlake-Behandlung durch Neutralisation Chemisches Verfahren Aktives Verfahren Sodaneutralisation Bockwitz Neutralisation Hainerund Haubitzer See Quelle: Folie 35

36 Fallbeispiele in der Lausitz Seewasserbehandlungstechnologien Inlake-Behandlung durch Neutralisation Inlake-Behandlungam Tagebaufolgesee Koschen(2004 und 2005): Neutralisation mit auf dem Seegrund abgelagerter Kalkschlamm => Saugspülbagger => Verteilungsleitung => Starkregnern; 1,9%tigen Suspension; windgetriebene Konvektion => zur Verteilung. Speicherbecken Burghammer Verteilung einer Aschesuspension ( ): Neutralisation mit alkalischem Aschesediment => Saugspülbagger => Druckrohrleitung. Speicherbecken Burghammer Verteilung von CaCO3 und Ca(OH) 2 (2009):Schiffe mit Wasserwerfern; Zuerst CaCO 3 -Suspension, nach Erreichen von ph5 Ca(OH) 2 - Suspension; => Wiederholte Behandlungsmaßnahmen. Horstteich (2005): Neutralisationsmitteleintrag über die Gewässeroberfläche mit Wasserwerfer. Bockwitz (2004): Sodaapplikation direkt vom Silofahrzeug; Initialneutralisation: 2004, Nachsorgephase 2007). => neutrale Seewasserbeschaffenheit bei schwacher Pufferung; unvollständige Einlösung; evtl. Seebodensediment als Aziditätsspeicher. HainerSee ( ): ph-anhebungvon 3,1 auf 6,2 Die Neutralisation des Restsees Scheibe durch eine landgestützte Neutralisationsanlage findet aktuell statt: Eintrag und Verteilung der Kalkmilchsuspension mittels Eintragsleitung über Düsen nach dem Prinzip der Freistrahlen. Folie 36

37 Fallbeispiele in der Lausitz Seewasserbehandlungstechnologien Reaktive Teppiche Chemisches Verfahren Passives Verfahren Dünne Schichten reaktiven permeablen Materials, welches vom zu behandelnden Wasser durchflossen wird. Ziel: Wasserbeschaffenheitsänderung oder Kolmation Prinzip: Material des Teppichs wechselwirkt mit dem Wasser während seiner Aufenthaltszeit im Teppich Prozesse: Lösung, Fällung, Änderung des geochemischenmilieus, Umsatz organischen Materials => Zielreaktionen (z.b. Fällung von Sulfiden) Aller für die Reaktion notwendige Stoff muss im Teppich bevorratet werden. Alle aus dem Wasserstrom abgeschiedenen Stoffe werden im Teppich abgelagert. Hauptschwierigkeit: Vermeidung präferentieller Fließwege, das Nachlassen der Permeabilität und die Inertisierung der Oberflächen. Folie 37

38 Fallbeispiele in der Lausitz Seewasserbehandlungstechnologien Reaktive Teppiche Chemisches Verfahren Passives Verfahren Einlagerung der Reaktanten und der Produkte Folie 38

39 Fallbeispiele in der Lausitz Seewasserbehandlungstechnologien Reaktive Teppiche Folie 39

40 Fallbeispiele in der Lausitz Seewasserbehandlungstechnologien Inlake-Behandlung durch Konditionierung Chemisches Verfahren Aktives Verfahren CO 2 (g) Stoffzugabe bzw. -abgabe CO 2 (aq) + H 2 O H 2 CO 3 0 H + + HCO 3-2 H + + CO 3 2- Hydrogencarbonat als alkalinitäts-tragende Spezies ph-stabilisierung im Neutralbereich begrenzende Reaktion + 2 OH - + Ca 2+ Ca(OH) 2 (s) CaCO 3 (s) Stoffzugabe bzw. - abgabe Heterogene Reaktionen Gasphase aquatische Phase Festphase Homogene Reaktionen Folie 40

41 Fallbeispiele in der Lausitz Seewasserbehandlungstechnologien Bisher: Burghammer (2007) Redlitzer See (2009) Inlake-Behandlung durch Konditionierung Folie 41

42 Fallbeispiele in der Lausitz Behandlung eines Oberflächenwasserstromes Oxidative Grubenwasserreinigung Chemisch-Physikalisches Verfahren Aktives Verfahren Neutralisation Oxidation Fällung Sorption Sedimentation Schlamm-Rückführung 5 1) Steigerung der homogenen und heterogenen Oxidationsraten durch ph-anhebung 2) Feststoffbildung als Voraussetzung zur Sorption weiterer Ionen, der heterogenen Oxidationskatalyse und für die Bildung von sedimentierbaren Flocken 3) ph-anhebung und Oxidation als Voraussetzung für die Feststoff Metallhydroxidbildung und zu deren Beschleunigung 4) ph-anhebung zur Steigerung der Sorptionskapazität 5) Schlammrückführung zur besseren Ausnutzung des Neutralisationsmittels, zur Steigerung der heterogen katalysierten Oxidationsraten und zur Steigerung der Schlammdichte Folie 42

43 Fallbeispiele in der Lausitz Behandlung eines Oberflächenwasserstromes Oxidative Grubenwasserreinigung A Sedimentationsbecken Neutralisationsmittel Oxidationsmittel Zulauf Ablauf Reaktionsbecken B Neutralisationsmittel Oxidationsmittel Flockungshilfsmittel Schlammabzug Zulauf Ablauf Reifekammer Mischkammer 1 Mischkammer 2 Paddelwerk Sedimentationsbecken Reaktionsbecken Schlammrückführung Restschlammabzug Folie 43

44 Fallbeispiele in der Lausitz Behandlung eines Oberflächenwasserstromes Oxidative Grubenwasserreinigung Quelle: de/internet/service/ umweltinfos/files/rpl pdf Folie 44

45 Fallbeispiele in der Lausitz Behandlung eines Oberflächenwasserstromes Nanofiltration Membrantechnologie Aktives Verfahren Quelle: Preuß et al. (2010): Reduction of Sulphate load by nanofiltration Processdevelopmentin benchscale. IMWA 2010 Folie 45

46 Fallbeispiele in der Lausitz Behandlung eines Oberflächenwasserstromes Membranelektrolyse Membrantechnologie Aktives Verfahren e - Ablauf e - 6H 2 O + 6e - => 3H 2 + 6OH - 3H 2 O + 6e - => 1.5O 2 + 6H + Kathodenraum Fe(II), Fe(III) SO 4 2- Membran 3 SO 4 2-3H 2 SO 4 Anodenraum Kopplungsprodukte Quelle: VKTA Rossendorf Standort: GWRA Rainitza Fe(OH) 3 Zulauf saures, metall- und sulfathaltiges Wasser Folie 46

47 Verfahren der Wasseraufbereitung mit passivem Charakter Reaktionsteppiche: Grundwasseranstrom See Reaktionswände: Grundwasseranstrom Sonderform: ADAGS-Technologie Reaktionszonen: Grundwasseranstrom Wetlands und Filtersysteme: zur Oberflächenwasserbehandlung Folie 47

48 Verfahren der Wasseraufbereitung mit passivem Charakter Aerobe Wetlands Quelle: verändert nach: INAP-(international Network for Acid Prevention) Studie(2003): Treatment of Sulphate in Mine Effluents von LORAX Environmental Aerobic Wetland Wetland Soil or Organic Matter Einsaz zur mikrobiell- und oberflächenkatalysierten Abscheidung von Metallhydroxiden aus gering versauerten, alkalinen oder neutralisierten Wässern Passive Variante einer GWRA Nötig: ausreichender Sauerstoffinput während der Aufenthaltszeit von mehreren Stunden bis Tagen (z.b. durch Gefällestufen) Folie 48

49 Verfahren der Wasseraufbereitung mit passivem Charakter Aerobe Wetlands ph-spanne Passive Behandlung Nur microbiell katalysierte Fe-Oxidation Limitiert durch Kinetik Microbielle und chemische Fe-Oxidation Chemische Fe-Oxidation Limitiert durch Saueratoff-Transport Folie 49

50 Verfahren der Wasseraufbereitung mit passivem Charakter Wetlands mit anaeroben Stufen RAPS (reducing and alkalinity producingsystem): Abhängig von der Ausgangswasserbeschaffenheitkönnen einzelne Behandlungsschritte auch separat oder wiederholt eingesetzt werden. Funktion der Pflanzen: mechanische Filtration, Bildung von Fe(III)-Hydroxid- Oberflächen=> Sorptionweiteren Eisens, Katalyse der Oxidation. Pflanzen begünstigen Mikrobiologie (Aufwuchskörper, Sorptionsflächen, Katalyse), Bildung von Komplexbildnern Metallaufnahme spielt keine Rolle. Lösung gut bioverfügbaren Kohlenstoffes Reduktion of Fe(III) zur Verhinderung der Inhibierung nachfolgender Prozessschritte (Kalksteinlösung) Sulfatreduktion => Zunahme der Alkalinität Abnahme der Metallkonzentrationen Abnahme der Sulfatkonzentration Kalksteinlösung => Zunahme des ph und der Alkalinität CO 2 -Ausgasung => ph Zunahme Oxische fällung verbleibender Hydroxide Folie 50

51 Verfahren der Wasseraufbereitung mit passivem Charakter Wetlands mit anaeroben Stufen Quelle: verändert nach: INAP-(international Network for Acid Prevention) Studie(2003): Treatment of Sulphate in Mine Effluents von LORAX Environmental Anaerobic Wetland Organic Matter Limestone Anoxic Limestone Drain Air-Tight Cap Settling Pond Vertical-Flow System Settling Pond Folie 51

52 Verfahren der Wasseraufbereitung mit passivem Charakter Planung passiver Verfahren - Durchfluss bestimmen - Wasserchemie analysieren - Stofffrachten berechnen Quelle: verändert nach: INAP-(international Network for Acid Prevention) Studie(2003): Treatment of Sulphate in Mine Effluents von LORAX Environmental Alkalisches Wasser Saures Wasser Bestimmen der O 2 -Konzentration Fe +2 /Fe +3 -Verhältnis Absetzteich c(o 2 ) <2 mg/l Fe +3 <10% Feges Al +3 <25 mg/l Anoxisches Kalksteingerinne Alkalisches Wasser Saures Wasser c(o 2 ) 2-5 mg/l Fe % Aerobe oder anaerobe Wetlands oder SAPS Austreiben des O 2, Fällung von Fe +3 -Hydroxiden geringer Durchfluss (<200 L/min) ph >4,5 ph <4,5 c(o 2 ) >5 mg/l Fe +3 >25% Feges hoher Durchfluss (>200 L/min) Offenes Kalksteingerinne belüften Aerobe Wetlands Werden Ausleitgrenzwerte erreicht? Absetzteich Anaerobe Wetlands oder SAPS Absetzteich Ja Ableiten nein Chemische Behandlung oder Rezirkulation durch ALD, SAPS, OLC, Wetlands, etc. Folie 52

53 Weitere in der Lausitz noch nicht realisierte Verfahren Kondensatorische Deionisierung Ettringitfällung Bariumsulfat-Fällung Gipsfällung Quelle: verändert nach: INAP-(international Network for Acid Prevention) Studie(2003): Treatment of Sulphate in Mine Effluents von LORAX Environmental Ammoniumoxidation(in Vorbereitung) Folie 53

54 Zusammenfassung Stand der Entwicklung Verfahren zur Sulfatlast- Kontrolle Ettringitfällung Inlake-Behandlung (Sulfatreduktion) Passive Verfahren/ anaerobe Wetlands Seekörperkonditionierung Kondensatorische Deionisierung Nanofiltration Autotrophe Sulfatreduktion Membranelektrolyse HeterotropheSulfatreduktion im Grundwasserleiter HeterotropheSulfatreduktion Onsite Eisenhydroxisulfat-Fällung Inlake-Behandlung(Neutralisation) Oxidative Eisenabscheidung (GWRA) Technikum Pilottest im Feld Stand der Technik Folie 54

55 Zusammenfassung 1) Die jeweilig notwendigen Sanierungs-Handlungen werden stark von der jeweiligen Gesetzeslage bestimmt. Die Abscheidung eines Großteils der Problemstoffe oft mit einfachen Mitteln möglich. Für Erreichung des Zielwertes oft aufwändige Technologie notwendig. Kosten steigen überproportional zur abscheidbaren Stofffracht an. 2) Rein chemisch-oxidativarbeitende on-site-verfahrensind Stand der Technik 3) Bei Verfahren zur Sulfatabscheidung besteht noch großer Entwicklungsbedarf. Pilotmaßstab und lässt jeweils hohe Behandlungskosten erwarten. => weiterer Entwicklungsbedarf. Genehmigungsrechtliche Aspekte. 4) Standard-Lösungen sind nur in wenigen Fällen anwendbar. 5) Investitions und Betriebskostenschätzungen für den Einsatz von Full-scale Verfahren sind aus dem Betrieb von Technikums-und Pilotanlagen nur sehr bedingt ableitbar. Investitionskosten proportional ungleich höher als für eine full-scale-anlage. Testbetrieb einer Pilotanlage bedarf prozessbgleitender Analytik sowie interne und externe Überwachung. Folie 55

56 wir arbeiten daran Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Folie 56