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Der hohe Eisen- und Sulfatgehalt ist eine Spätfolge der Stilllegung von Tagebauen.
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Vor Jahren brachten die Braunkohlebagger bei abgesenktem Grundwasser die Minerale Pyrit und Markasit ans Tageslicht. Durch den Kontakt mit Sauerstoff zerfielen sie in Eisenhydroxyd und Sulfat. Mit dem ansteigenden Grundwasser in der Bergbaufolgelandschaft werden jetzt Eisenhydroxyd und Sulfat in die Fließgewässer und die Tagebaurestlöcher gespült.
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Die vorhandenen Belastungen mit Säuren, Eisen, Sulfat und untergeordnet auch einer Reihe von Schwermetallen, wie Arsen und Aluminium, haben ihre Ursache in der Pyrit- und Markasitverwitterung und der damit verbundenen Versauerung.
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Pyrit und Markasit sind vorwiegend als Beimengungen in den tertiären geologischen Schichten zu finden, die in der Lausitz den Hauptteil der Abraummassen bilden, da überwiegend nur geringmächtige quartäre Deckschichten ausgebildet sind. Auch im Mitteldeutschen Revier nehmen die Anteile der tertiären Schichten in den Abraummassen von Süd nach Nord zu. Unabhängig davon sind insbesondere die Kippen- und Haldenbereiche aufgrund der inhomogenen Verstürzung der Abraummassen auch im Mitteldeutschen Revier durch eine starke Tendenz zur Versauerung und als Sulfat- und Eisenquelle gekennzeichnet.
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Diesem Phänomen der Versauerung und Verockerung bei ausgekohlten Tagebauen will die diesseitig genannte Erfindung entgegensteuern.
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Erfindungsgemäß liegt die Aufgabe darin begründet, ein Verfahren zur Reinigung von Grund- und Oberflächenwasser unter Verwendung von hochporösem, nach bereits bekannten Verfahren der Pyrolyse bzw. HTC hergestelltem Filtermaterial zu finden, wobei die Anwendung von Biokohle als Filtermaterial ausgeführt wird.
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Der Patentanspruch 1 wird wie folgt ausgeführt:
„Verfahren zur Reinigung von Grund- und Oberflächenwasser in ausgekohlten Tagebauen unter Verwendung von Biokohle, welche als Filter eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Zufluss des Grund- und Oberflächenwassers eine Filterung in Form von Biokohle zwischengeschaltet wird und nach Sättigung der Biokohle ein Austausch dieser stattfindet und somit Eisenhydroxyd mit der Biokohle gefiltert wird und nicht belastetes Grund- und Oberflächenwasser als Unterlauf weitergeleitet wird.”
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Die besonderen physikalischen Eigenschaften der Biokohle, insbesondere ihre große und hochporöse Oberfläche, veranlassen die technische Lösung dahingehend, dass die Eigenschaft der Biokohle als Filtermaterial geeignet ist.
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Die Gewinnung von Biokohle ohne Flächeninanspruchnahme erfolgt durch die Verwendung des Baum- und Strauchaufwuchses in den Tagebaurestlöchern, welche dem Flutungsprozess unterliegen. Dieses Material wird bereits gewonnen und kann als Biokohlematerial verwendet werden. Weitere Möglichkeiten der Gewinnung von Biomasse ergeben sich aus der Nutzung von Material aus der Forstpflege und Bestandsverjüngung in den Waldbeständen der Rekultivierung sowie aus dem Material von Agro-Forst-Systemen und aus dem Krautungsmaterial von Flüssen und anderer Hauptvorfluter.
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Des Weiteren ist es möglich, aus Baum-, Strauch- und Rasenschnitt aus der privaten und kommunalen Bestandspflege die entsprechende Gewinnungsmöglichkeit von Biokohle zu aktivieren. Die dafür benötigten Anlagen sind vorhanden. Es sollte sich aber um dezentrale Anlagen handeln, um unmittelbar neben der anfallenden Biomasse die Biokohle herzustellen.
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Der Einsatz von Biokohle zur Reinigung von eisenhydroxydbelastetem Grund- und Oberflächenwasser ist neu bzw. nicht vorbekannt. Das seit Jahren bestehende Problem der Gewässerbelastung durch Eisenhydroxyd und Sulfat lässt sich durch die enorme Filterwirkung von Biokohle bereinigen, wenn diese als Filter von dem Grund- und Oberflächenwasser durchflossen wird.
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Die technologischen Verfahren reichen von Bodenfiltern nach dem Prinzip der Schlitzwand, wie in dem Patentanspruch 1 beschrieben, die vom Grundwasser durchströmt wird, bis zu Filteranlagen in offenen Gewässern. Auch die Kombination mehrerer Verfahren, zum Beispiel mit Drainung, ist möglich.
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Für die Verfahrensanwendung wird eine große Menge von Biokohle benötigt, welche nach den bekannten Verfahren der Carbonisierung oder Pyrolyse hergestellt wird.
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In der Herstellung einer technologischen Einheit zwischen
- – Biomasseanfall,
- – standortnaher, dezentraler Anlagen der Carbonisierung aus der Biomasse und
- – Verwendung der Biokohle als Wasserfilter
wirken sich die Vorteile des komplexen Verfahrens auch auf die Ökonomie aus. Darüber hinaus gibt es zahlreiche, weitere Anwendungsmöglichkeiten für diese Biokohle. Ein Kohle-Wasser-Gemisch könnte als Alternative zu Kalkmilch in Grubenwasserreinigungsanlagen zum Einsatz kommen.
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Die belastete Biokohle als Filtermaterial kann nachfolgend in einem Kompostierungsprozess mit Pflanzennährstoffen angereichert werden. Damit wäre der gesamte Kohlenstoff des Ausgangsmaterials dauerhaft im Boden als CO2-Senke gebunden und ein kleiner Beitrag gegen den Klimawandel geleistet.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrens, wobei die Gewinnung des Biomassematerials aus dem Baumaufwuchs 6 zur Biokohleherstellung 5 eingebracht wird. Darüber hinaus können auch andere biogene Reststoffe carbonisiert werden. Die Biokohle wird in einen Filterschacht 1 eingelagert. Dieser Filterschacht 1 ist zwischen dem Grundwasser 3 und dem Tagebausee 4 angeordnet.
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Nach der Sättigung der Biokohle mit Eisenhydroxyd wird die Biokohle 2 mit dem Eisenhydroxyd und dem Sulfat in einem mechanischen Verfahren ausgehoben und neue unbelastete Biokohle 2 eingebracht. Dieser Prozess wird dauerhaft als Verfahrensablauf durchgeführt.
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Durch die hohe Filtereigenschaft der Biokohle 2 wird erreicht, dass das Eisenhydroxyd und Sulfat in dem Filterprozess zwischen Grundwasser 3 und dem See 4 sowie im Oberflächenwasser eines Fließgewässers ausgefiltert wird.
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Im offenen Fließgewässer wird dagegen ein Filterkorb, der dem Grabenprofil angepasst und ebenfalls mit Biokohle gefüllt ist, eingebracht. Ein minimaler Anstau, als Überlauf oder Grundablass, leitet das Grabenwasser durch den Filter. Diese Konstruktion ist gegebenenfalls kaskadenförmig im weiteren Grabenverlauf zu wiederholen. Somit wird nicht belastetes Grund- und Oberflächenwasser in den See 4 bzw. in den nächsten Vorfluter geleitet.
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In der 2 wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben, wo ein angestauter Oberlauf 14 mit Eisenhydroxyd belastetem Wasser an einer Wehranlage aus einem Betonprofil 10 angestaut wird und über eine Stauanlage 7, vorzugsweise aus Holzbohlen, über einen Biofilter 8 mit beinhalteter Biokohle 2 geleitet wird. Nach Durchfluss des Biofilters 8 mit der Biokohle 2 entsteht ein Unterlauf eisenhydroxydfrei 12, welcher dann in entsprechende Gewässer bzw. in stehende und fließende Gewässer weiterfließt. Die Stauanlage 7 lässt sich über einen Kleinstau mit Jalousietafel und Spindelaufzug realisieren. Größere Grabenbreiten erfordern serienmäßig hergestellte Stauanlagen 7, welche auch ein Betonprofil 10 aufweisen. Als Filterkorb kann ein Drahtkorb für Gabionen 250 × 100 × 30 cm verwendet werden, der mit wasserdurchlässigem Textilflies ausgekleidet wird, um das Auswaschen der Filterkohle zu verhindern. Der Korb kann nach Sättigung der Kohle komplett gegen einen neuen ausgetauscht werden. Dabei handelt es sich um den Biofilter 8. Um das Verfahren in einem größeren Umfang anzuwenden, können diese Filterkörbe, größenmäßig den örtlichen Gegebenheiten angepasst, auch an bereits vorhandenen Stauanlagen 7 angebracht werden.
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Die 4 und 5 zeigen hierbei schematische Darstellungen, wie ein Betonprofil 10 in einer Wehranlage gegeben ist und dazu eine Stauanlage 7 aus Holzbohlen in einem Gelände integriert ist.
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In der 4 wird eine Draufsicht einer Wasserwehranlage mit einem Betonprofil 10 gezeigt, wo man erkennen kann, dass eine Stauanlage 7 aus Holzbohlen und ein Biofilter 8 aus Biokohle 2 vom angestauten Oberlauf 14 zum Unterlauf 12 verwendet wird.
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Aus der 3 heraus ist ersichtlich, dass das gleiche Prinzip mit einem angestauten Oberlauf 14 und einem Unterlauf 12 stattfindet, wobei aber hier der angestaute Oberlauf 14 Grundwasser darstellt, welches gezwungen wird, durch die Stauanlage 7 im Grundwasserbereich im Biofilter 8 mit der Biokohle 2 zu fließen. In der Biokohle 2 wird das Eisenhydroxyd belastete Wasser gefiltert, und es entsteht ein Unterlauf 12 des Grundwassers, welches eisendydroxydfrei ist.
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Durch Auswechslung des jeweiligen Filtermaterials der Biokohle nach Sättigung mit dem Eisenhydroxyd entsteht ein Eisenhydroxydschlamm, welcher nachhaltig weiter verwertet werden kann. Eisenhydroxyd (EHS) wird einer thermischen Behandlung unterzogen und letztendlich als Produkt und Zusatzstoff für den Straßenbau verwendet. In einem ersten Verfahrensschritt wird das Eisenhydroxyd zunächst entwässert und getrocknet. Nach der Trocknung erfolgt die thermische Behandlung des Materials unter hohen Temperaturen, die mit Biokohle zu erreichen sind. Dabei verflüssigt sich das pulverförmige Material und wird zur Schlacke.
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Die Herstellung von Biokohle aus biogenen Abfallstoffen über das Pyrolyseverfahren ergibt als Endprodukt die so genannte Pyrokohle, die über einen physikalisch-chemischen Vorgang bei 350 bis 600°C bei sauerstoffarmer Verbrennung entsteht. Nachfolgend wird sie als Biokohle benannt. Bei der hydrothermalen Carbonisierung wird bei 20 bar und 250°C eine kohlenstoffreiche, schlammige Masse gefiltert, getrocknet und als HTC-Kohle gewonnen. Beide Kohlen, zusammenfassend als Biokohlen bezeichnet, besitzen annähernd die gleichen Filtereigenschaften, welche dem Patentanspruch unterliegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Filterschacht
- 2
- Biokohle
- 3
- Grundwasser
- 4
- See
- 5
- Biokohleherstellung
- 6
- Baumwuchs
- 7
- Stauanlage
- 8
- Biofilter
- 10
- Betonprofil
- 12
- Unterlauf
- 14
- angestauter Oberlauf
