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Dokumentenidentifikation DE102006028083A1 20.12.2007
Titel Verfahren zur Verbesserung der Grundwasserbeschaffenheit
Anmelder eta AG engineering, 03042 Cottbus, DE
Erfinder Rabe, Wolfgang, Dipl.Chem., 02994 Bernsdorf, DE;
Rohr, Thomas, Dipl.Ing., 03046 Cottbus, DE
DE-Anmeldedatum 19.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006028083
Offenlegungstag 20.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.12.2007
IPC-Hauptklasse C02F 1/66(2006.01)A, F, I, 20060619, B, H, DE
Zusammenfassung Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein effizientes und wirksames Verfahren zur Verbesserung der Grundwasserbeschaffenheit in Böden und Kippenbereichen insbesondere zum Abbau des Säurepotentials sowie des Schwermetallgehaltes zu finden.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in die betreffenden Bodenbereiche horizontal eine oder mehrere Öffnungen oder Rohrleitungen eingebracht werden und in diese beim Herausziehen einer Bohr-/Eintragsvorrichtung bzw. in stationären Rohrleitungen, die in den Bodenbereich eingezogen werden und mit Öffnungen versehen sind, eine Einsatzstoffsuspension aus alkalischen Einsatzstoffen aus einer Lager-, Transport- und Dosiereinheit mit einer Konzentration von 0,1 bis 30 Ma.-% in den betreffenden Bodenbereich einmalig oder wiederholt injiziert wird, wobei die im Bodenbereich eingebrachten Rohrleitungen mit Flüssigkeiten wie Wasser mit oder ohne gelöste Zusatzstoffe wie CO2 und/oder Gasen wie Luft oder CO2 nach der Einsatzstoffinjektion mindestens einmal gespült werden.

Beschreibung[de]

Der im Übertagebereich etablierte Bergbau hinterlässt in der Landschaftsstruktur gravierende Veränderungen. Zur Renaturierung dieses Gebietes bedarf es in der Regel vor allem wegen des tiefen Eingriffes in die Oberflächenstrukturen sowie in die Regime des Grundwassers und der Fließgewässer einer komplexen, interdisziplinären und nachhaltigen Herangehensweise. Nach den vorrangig im Sicherheitsbereich erforderliche Arbeiten müssen sich die Arbeiten zur Neugestaltung eines ehemaligen Bergbaugebietes wie des Lausitzer und Mitteldeutschen Braunkohlenbergbaus schwerpunktmäßig der Verbesserung der Kippeneigenschaften sowie eingeschlossen der Verbesserung der Wassergüte der Grundwasserkörper mit entsprechenden Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit der Wasserbeschaffenheit in den entstehenden Restseen zuwenden.

Das Hauptproblem der Güteentwicklung in den Kippengebirgen, den Grundwasserkörpern und in den entstehenden Restseen ist die extreme Versauerung infolge der Pyrit- und Markasitverwitterung in den belüfteten Kippenbereichen. Aufgrund der riesigen Säuremengen in den belüfteten, tertiärer Abraummaterialien und unter Berücksichtigung der bei der Eisenhydrolyse entstehenden Protonen muss ohne eine Behandlung mit einem Jahrzehnte anhaltendem Säureeintrag in die entstehenden Restseen bzw. Restseeketten gerechnet werden. Aus diesem Grund sind begleitende und nachsorgende Maßnahmen dringend erforderlich, um bereits in einem frühen Stadium des Grundwasserwiederanstieges in den Kippenarealen Einfluss auf die künftige Grund- und Oberflächengewässerqualität zu nehmen.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Pflüge (DD-PS 131 219, DD-PS 273 761, DD-PS 238 313, DE-OS 31 28 362, US-PS 405 021), Bodenfräsen (DD PS 91 145, US-PS 1 512 480, US-PS 361 173, US-PS 375 238, US-PS 4 102 402 und DE-OS 204 475), Schneckenwalzen (DD-PS 273 958) oder Meliorationsgrubber (DD-PS 98 010) für die Auflockerung des Bodens und ggf. für den simultanen Eintrag von vorher oder gleichzeitig aufgetragenen alkalischen Einsatzstoffen zu verwenden. Nachteilig bei allen diesen Ausführungsvarianten ist die geringe erreichbare Eindringtiefe von ca. 1 m, die ungenügende Homogenität der Durchmischung, der hohe Verschleiß und enorme Instandhaltungsaufwand.

Bekannt ist weiterhin ein Verfahren, beschrieben in DE-OS 41 05 595, nach dem das Meliorationsmittel für schwefelsaure Tagebaukippen mengendosiert auf die Kippenoberfläche aufgebracht und mittels Schaufelradbagger verstürzt wird. Gleichfalls wird nach DE-OS 43 15 858 ein kontinuierliches Verfahren zur Kippenmelioration unter Verwendung eines Schaufelradbaggers nach Auftrag von einzusetzenden Substarten auf die Kippenoberfläche beschrieben. Nachteilig bei diesen Verfahrensvorschlägen ist, dass diese bei dem eigentlichen Bergbaubetrieb anwendbar sind, jedoch für die nachträgliche Behandlung von versauerten Kippenböden nur begrenzt, mit sehr hohem wirtschaftlichem Aufwand oder gar nicht geeignet sind.

Nach dem Verfahren gemäß DE 102 27 951.9 soll zur Steuerung der Wasserqualität an offenen Gewässern mittels Aufspülen einer Wasser-Wirkstoffsubstrat-Suspension im Ufer- und Böschungsbereich im und am Tagebausee im Austrittsbereich von Grundwasserströmungen eine Seekolmationswand oder im Eintrittsbereich von sauren Grundwasserströmen und/oder sauren Zuflüssen eine Seereaktionswand errichtet werden. Der Nachteil dieses Verfahren besteht darin, dass die aufgespülten Wirkstoffsuspensionen durch Erosion und Abrasion infolge Starkniederschläge und Wellenschlag aus dem Böschungsbereich entfernt werden können und damit die angestrebte Wirkung verloren geht.

In DE-OS 100 44 261 wird ein Verfahren beschrieben nach dem vor zu schützende Gewässer in Grundwasserfließrichtung Einrichtungen wie Schluckbrunnen, Rütteldrucklanzen oder Injektionslanzen zum Eintrag von alkalischen Flüssigkeiten in den Grundwasserbereich angeordnet sind. Das Problem besteht bei diesen Vorschlägen darin, dass mit Einsatzstoffüberschuss gearbeitet wird und es dabei nachweislich zu Kolmationserscheinungen kommt. Bei einer Verdichtungsarbeiten wie mit Rüttellanzen werden die kf-Werte und die Durchströmbarkeit der Böden reduziert. Die negativen Wirkungen wurden bei großtechnische Einsatzversuchen bestätigt. Die Grundwasserleiter mit derartigen Einrichtungen exakt zu treffen ist auf Grund der Inhomogenität der Kippenböden eher unwahrscheinlich.

Weiterhin ist ein Verfahren nach DE-OS 10 2004 030 966 bekannt, wo nach durch einen definierten Substratein- bzw. -auftrag, bestehend aus ungebrannten und gebrannten Kalk- und/oder Dolomitprodukten in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung des Grundwassers Kolmations- und/oder Reaktionswände in den Ufer- und Böschungsbereich im Eintritts- und/oder im Austrittsbereich von Grundwasserströmungen errichtet werden. Dieses Verfahren ist nur dort einsetzbar, wo eine Aufspülung von alkalischen Einsatzstoffen oder eine flächenhafte Einarbeitung mit Bodenfräsen mit den bereits o.g. Nachteilen möglich ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein effizientes und wirksames Verfahren zur Verbesserung der Grundwasserbeschaffenheit in Böden und Kippenbereichen insbesondere zum Abbau des Säurepotentials sowie des Schwermetallgehaltes zu finden, mit dem große Flächenbereiche sowie ungünstig zugänglichen Stellen (Kippenbereiche, Böschungen, Feuchtgebiete, Uferbereiche) behandelt werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, in dem in die betreffenden Bodenbereiche horizontal eine oder mehrere Öffnungen oder Rohrleitungen in einem Abstand von 1 m bis 50 m bis in eine Tiefe von 10 m und bis zu einer annähernd horizontalen Gesamtlänge von 2.000 m eingebracht werden. In diese Öffnungen werden beim Herausziehen einer Bohr-/Eintragsvorrichtung einmalig bzw. in verlegten stationären Rohrleitungen, die in den Bodenbereich eingezogen und die mit einem Innendurchmesser von 10 bis 250 mm mit Öffnungen in der Rohrwandung von 0,1 bis 10 mm ausgeführt sind, einmalig oder wiederholt bis zu 25 mal pro Jahr eine Einsatzstoffsuspension aus alkalischen Einsatzstoffen aus einer Lager-, Transport- und Dosiereinheit mit einer Konzentration von 0,1 bis 30 Ma.% in den betreffenden Bodenbereich mit einem Druck von 1 bis 250 bar injiziert.

Erfindungsgemäß werden die im Bodenbereich eingebrachten Rohrleitungen nach dem Eintrag der Einsatzstoffsuspension in den Bodenbereich mit Flüssigkeiten wie mit Wasser mit oder ohne gelöste Zusatzstoffe wie CO2 und/oder Gasen wie Luft oder CO2 nach der Einsatzstoffinjektion mindestens einmal gespült.

Auf diese Weise kann eine Auflösung von sich gebildeten Kolmationsprodukten, ein Aufbrechen vorhandenen festen Strukturen und eine Schaltung von neuen Reaktionsflächen bewirkt werden wodurch die Ausnutzung der Reaktivität der eingebrachten Einsatzstoffe und die Nachhaltigkeit des Verfahrens weiter verbessert wird.

Die horizontalen Öffnungen im Bodenbereich unterhalb der Oberfläche und/oder Rohrleitungen für den Eintrag von alkalischen Einsatzstoffsuspensionen werden bei der Durchführung des Verfahrens mittels Horizontalbohrung, Grabenfräsen oder Pflug eingebracht.

Als Einsatzstoffe bei der Durchführung des Verfahrens kommen für die Herstellung von Einsatzstoffsuspensionen vorzugsweise carbonathaltige ungebrannte Kalk- oder Dolomitprodukte oder gebrannte Kalk- oder Dolomitprodukte oder Mischungen dieser Einsatzstoffe zum Einsatz. Dabei weisen carbonathaltige Einsatzstoffe eine geringe und gebrannte Einsatzstoffe eine hohe Reaktivität auf. In Vorabuntersuchungen wird die erforderliche Produktqualität und -menge ermittelt.

Die Lager-, Transport- und Dosiereinheit für die Einsatzstoffsuspension sowie die Bohr-/Eintragseinrichtung oder die eingebrachte Rohrleitung sind über bewegliche flexible Einrichtungen miteinander verbunden und mobil ausgeführt.

In einer Variante der Verfahrensdurchführung kann das in den im Bodenbereich eingebrachten Rohrleitungen anfallende Wasser, welches über Öffnungen in der Rohrleitung aus dem umgebenen Bodenbereich einsickert vor oder nach dem Eintrag einer Einsatzstoffsuspension aus dieser abgepumpt und gesondert abgeleitet oder aufbereitet werden.

Der vorgeschlagene Eintrag der Einsatzstoffsuspension wirkt multifunktional im Uferbereich von Seen und sonstigen Oberflächengewässern. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können wirksame Barrieren gegen den Abstrom von Wasser aus Tagebausseen und gegen den Zustrom von größeren sauren Grundwassermengen aufgebaut werden, wodurch die Wiederversauerung von Tagebauseen eingeschränkt und der Bedarf an Neutralisationspotential und Flutungswasser vermindert wird.

Der vorgeschlagene Eintrag der Einsatzstoffsuspension in den Untergrund führt bei einer Grundwasserneubildung zu einer verbesserten Grundwasserqualität.

Die Auslegung kann dabei derartig erfolgen, dass eine Nachhaltigkeit für Jahrzehnte gegeben ist.

Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens gelingt es, auf einfache, wirksame und ökologisch unbedenkliche Weise, saure unfruchtbare Kippenböden in rekultivierbare Böden für Wald- Acker- und Grünlandflächen sowie saure schwermetallhaltige Grundwasserströme in biologisch unbedenkliche Wasserreservoire mit allgemein nutzbarer Wasserbeschaffenheit zu überführen, die beim Einströmen in Oberflächengewässer wie Seen und Flüsse keine negativen Auswirkungen verursachen. Das mobile universell einsetzbare System zur Pufferung von Kippenbereichen sichert einen ortsunabhängigen Einsatz mit extrem kurzer Zugriffszeit.

Das Prinzip der Erfindung soll im folgenden Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Aus einem oberstromg mit einem Wasserspiegel bei 120 mNN gelegenen Tagebausee fließt in einen unterstromig gelegenen Tagebausee über eine Entfernung von 1.600 m durch ein rolliges Kippenmaterial ein saurer Grundwasserstrom mit einer potentiellen Säurekapazität von 5 mmol/l und einem Gehalt an gelöstem Eisen von 60 mg/l. Das rollige Kippenmaterial wirkt wie eine Drainage und sammelt in Summe einen Grundwasserstrom von 1 Mio.m3/a. Dieser führt zu einer nachhaltigen Versauerung des unterstromig gelegenen Tagebausees.

Zur Vermeidung dieser Auswirkungen soll eine Grundwasserbehandlung entsprechend der vorgeschlagenen erfinderischen Lösung realisiert werden. Im Ergebnis der Voruntersuchungen zum Grundwasserzustrom und zur Grundwasserbeschaffenheit wurde eine Aufwandsmenge an alkalischen Einsatzstoffen von CaCO3 in einer Menge von 250 t/a bzw. von Weißkalkhydrat von 110 t/a ermittelt. Da aus Sicherheitsgründen mit einem Wirkungsgrad von 50 % gerechnet eine Nachhaltigkeit für 5 Jahre konzipiert wird und eine schnell wirkende Komponente mit einer nachhaltig wirkenden Komponente kombiniert werden soll, erfolgt im betreffenden Bereich der Grundwasserströmung ein Einsatz aus einer Mischung aus 50 % Kalksteinmehl mit 1250 t und 50 % Weißkalkhydrat mit 550 t bei einer Körnung von jeweils < 0,09 mm.

Für den Eintrag werden in einem Abstand von 15 m 3 perforierte Rohrleitungen mit einem Innendurchmesser von 90 mm in den Bodenbereich in eine Tiefe von 2 m jeweils über eine Länge von 1.400 mittels eines Vibrationspfluges eingebracht.

Für die Durchführung des Verfahrens wird eine Kalkmilch mit den Kalkprodukten mit einer Konzentration von 5 Ma. % erzeugt und über mobile Transportbehälter, die mit Rührwerk ausgerüstet sind und ein Fassungsvermögen von 30 m3 aufweisen, am Einsatzort bereitgestellt. Die Zuführung der Suspension von den Transport- und Lagerbehältern zu den perforierten Rohrleitungen erfolgt mittels Kolbenpumpe mit 60 bar über eine flexible Rohrleitung.

In diese Rohrleitungen werden in einem Abstand von 2 Monaten insgesamt 5mal jeweils über 10 Tage und jeweils über 10 h 25 m3/h Kalkmilch verpresst. Auf diese Weise werden insgesamt 36.000 m3 in den Untergrund eingebracht. Nach jedem Einsatz wird jede Rohrleitung mit insgesamt 100 m3 Wasser gespült. Auf diese Weise werden Versetzungen des Systems vermieden, bzw. beseitigt und das Eindringen der Einsatzstoffsuspension in die betreffenden Bodenbereiche verbessert.

Zur Auflockerung der Bodenstruktur, zur Beseitigung von möglichen Kolmationserscheinungen durch Abtransport von Reaktionsprodukten und Schaffung von neuen Reaktionsflächen werden nach Behandlung des Geländes vierteljährlich weitere Spülungen mit jeweils 100 m3 Wasser vorgenommen. Der Behandlungserfolg wird über eingebrachte Grundwasserpegel kontrolliert. Im Bedarfsfall kann über die installierten Rohrleitungen weitere Kalkmilch gezielt in den Untergrund eingebracht werden.


Anspruch[de]
Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der Grundwasserbeschaffenheit insbesondere der oberflächennahen Grundwasserbeschaffenheit in bergbaulich beeinflussten Regionen mittels einer Einsatzstoffsuspension aus alkalischen Stoffen, dadurch gekennzeichnet, dass in die betreffenden Bodenbereiche horizontal eine oder mehrere Öffnungen oder Rohrleitungen in einem Abstand von 1 m bis 50 m bis in eine Tiefe von 10 m und einer annähernd horizontalen Gesamtlänge von bis zu 2.000 m eingebracht werden und in diese beim Herausziehen der Bohr-/Eintragsvorrichtung bzw. in stationären Rohrleitungen, die in den Bodenbereich eingezogen werden und die mit einem Innendurchmesser von 10 bis 250 mm mit Öffnungen in der Rohrwandung von 0,1 bis 10 mm ausgeführt sind, die Einsatzstoffsuspension aus alkalischen Einsatzstoffen aus einer Lager-, Transport- und Dosiereinheit mit einer Konzentration von 0,1 bis 30 Ma.% in den betreffenden Bodenbereich einmalig oder wiederholt bis zu 25 mal pro Jahr mit einem Druck von 1 bis 250 bar injiziert wird wobei die im Bodenbereich eingebrachten Rohrleitungen nach dem Eintrag der Einsatzstoffsuspension in den Bodenbereich mit Flüssigkeiten wie Wasser mit oder ohne gelöste Zusatzstoffe wie CO2 und/oder Gasen wie Luft oder CO2 nach der Einsatzstoffinjektion mindestens einmal gespült werden. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen und/oder Rohrleitungen für den Eintrag von alkalischen Einsatzstoffsuspensionen mittels Horizontalbohrung, Grabenfräsen oder Pflug eingebracht werden. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungen für den Eintrag von alkalischen Einsatzstoffsuspensionen für den Eintrag auf Rollen angeordnet sind. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lager-, Transport- und Dosiereinheit für die Einsatzstoffsuspension sowie die Bohr-/Eintragseinrichtung oder die eingebrachte Rohrleitung über bewegliche flexible Einrichtungen miteinander verbunden und mobil ausgeführt sind. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in den im Bodenbereich eingebrachten Rohrleitungen anfallende Wasser vor oder nach dem Eintrag einer Einsatzstoffsuspension abgepumpt und gesondert abgeleitet oder aufbereitet wird.






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