Belüftungskaskade
Verfahrensbeschreibung
Für die Eisenoxidation benötigter Sauerstoff wird (wenn relieftechnisch möglich) über eine Belüftungskaskade eingetragen.
Belüftungskaskaden gewährleisten den Gasaustausch eines Wassers durch Eintrag von Luftsauerstoff. Ziel ist es, das aufzubereitende Rohwasser hinsichtlich CO2 und O2 weitgehend mit der Atmosphäre ins Gleichgewicht zu bringen (Austreiben der überschüssigen Kohlensäure und Anreicherung von Sauerstoff). Belüftungssysteme können zweiwertig vorliegende Metallionen oxidieren, so dass sie der Hydrolyse zur Verfügung stehen. Die nachfolgende Behandlung wird dann durch den verringerten Gehalt an Schwermetallen vereinfacht.
Die Belüftungskaskade ist ein Anlagenelement der klassischen Grubenwasserreinigung bei Platzmangel bzw. wenn Gefälle vorhanden ist. Sie gilt auch als Vorbehandlungseinheit bei passiver Grubenwasserbehandlung oder wird direkt in das belastete Fließgewässer eingebaut.
Einsatzbereich
Netto-alkalische, eisenhaltige, sauerstoffarme Grubenwässer bzw. Oberflächengewässer
Behandlungsziel
Sauerstoffeintrag zur Erhöhung der Konzentration an gelöstem Sauerstoff z.B. zur Gewährleistung einer vollständigen Eisenoxidation
Verfahrensart
Bergbau
Umwelteinflüsse
Mittlerer Flächenbedarf, starkes Gefälle
Überwachung
Monitoring des Zu- und Ablaufs der Anlage, ggf. Fließgewässermonitoring
Nachsorge
Monitoring des Zu- und Ablaufs der Anlage, ggf. Fließgewässermonitoring
Relevante Prozesse
- Ziel ist die Konzentrationserhöhung des gelöst vorliegenden Sauerstoffs. Um den Übertritt des Gases in die aquatische Phase zu steigern, muss die Gas-Lösungs-Trennfläche maximiert werden. Dabei ist a) die technologisch erzeugte Größe von Gasblasen und b) die durch Gasblasengröße, reaktionsbeckeninterne Strömung und Turbulenz bestimmte Aufenthaltszeit der Blasen in der aquatischen Phase entscheidend. Je kleiner die Gasblasen der eingetragenen Luft sind, desto größer ist die transportwirksame Luft-Wasser-Oberfläche, desto langsamer steigen die eingetragenen Gasblasen wieder an die Wasseroberfläche auf und desto größer ist der in die aquatische Phase eingetragene Anteil an O2.
- Der durch den Sauerstoffeintrag bewirkte Mischenergieeintrag wird im Reaktionsbecken meist gleichzeitig genutzt, um das Neutralisationsmittel im Grubenwasser zu verteilen und um die entstehenden Feststoffe in Schwebe zu halten.
- Freisetzung von CO2 und damit einhergehend eine Anhebung des pH-Werts
Anwendungsstand
Stand der Technik
Zeitaufwand
kleiner 1 Jahr
Rechtliche Anforderungen
Arbeitsschutz
- TRGS 524
- DGUV-Regel 101-004 „Kontaminierter Bereiche“
- Gefahrstoffverordnung GefStoffV
- Materialienband „Leitfaden zum Arbeitsschutz bei der Altlastenbehandlung“ des Freistaates Sachsen
- DIN-Vorschriften der VOB Teil C in der aktuellen Fassung
Erforderliche Genehmigungen
| Gesetz | Notwendig |
|---|---|
| Abfallrecht | u. U. |
| Baurecht | Ja |
| Immissionsschutzrecht | Nein |
| Wasserrecht | Ja |
| Sonstige | u. U. |
Bewertung
Eignungsgrad für Schadstoffe
gut
- basisches Wasser
bedingt
- Schwebstoffe mit adsorbierten Schadstoffen
- Schwermetalle
- Saures Wasser
ungeeignet
- Aliphatische, aromat. KW
- MKW (Diesel, Schmieröle)
- Leichtflüchtige KW (BTEX)
- PCB
- PAK (< 4 Ringe)
- PAK (> 4 Ringe)
- LHKW
- Dioxine, Furane
- Phenole und Alkohole
- Pestizide
- Arsen
- Blei
- Cadmium
- Cobalt
- Kupfer
- Nickel
- Quecksilber
- Zink
- Zinn
- Cyanide (komplex)
- Sulfate
- Phosphate
- Fluoride
- Chrom
- MTBE
- PAK
- Schwefelwasserstoff
Umweltauswirkung
| hoch | mittel | gering | ohne | |
|---|---|---|---|---|
| Flächenbedarf | X | |||
| Bodenbelastung | X | |||
| Grundwasserbelastung | X | |||
| Luftbelastung | X | |||
| Lärmbelastung | X | |||
| Transportaufkommen | X | |||
| Abfallaufkommen | X |
Anforderungen
- Belüftungssysteme können auch als alleinige Behandlungsverfahren verwendet werden, solange das Grubenwasser alkalisch und Eisen die einzige Kontaminante ist, die entfernt werden soll!
- Anzahl der Kaskaden entscheidend, wieviel Sauerstoff im Wasser gelöst werden kann
- Abstromig installiertes Wehr; oft als V-Wehr konstruiert
Anforderungen an Umwelt
- starkes Gefälle
- Flächenbedarf; gegenüber Sedimentationsbecken jedoch deutlich geringerer Flächenbedarf
Beispiele weltweit
- Anlagenteil der passiven Behandlung Metsämonttu
- Oxidationskaskade der passiven Grubenwasserreinigungsanlage Neville Street, Neuschottland, Kanada (Durchfluss etwa 1 m³/s; Höhe der einzelnen Kaskadenstufen etwa 0,6 m)
- Oxidationskaskade des Ventilatorstollens an der Leitzach, Oberbayern (Durchfluss etwa 2 m³/min, Breite des Kanals etwa 1 m)
- GWRA Rainitza
Leistungsfähigkeit unter sächsischen Bedingungen
- Einsatz in Grubenwasserreinigungsanlagen, wenn Geländegefälle vorhanden ist
- Einsatz als passive Vorbehandlung bzw. als in-situ Variante
Vorteile
- Einfach und günstig – häufig eingesetzte Methode
- Ohne Chemikalien
- Kaum Wartungsaufwand
- Stark netto-alkalisches Grubenwasser kann ausschließlich mit Belüftung und einem Absetzbecken passiv gereinigt werden
- Zusätzlicher positiver Effekt: Freisetzung von CO2 und damit einhergehend eine Anhebung des pH-Werts
Nachteile
- Einsatz einer Belüftungskaskade für die Verringerung der CO2 – Konzentration eines Wassers nicht geeignet
- Bei stark saurem Grubenwasser erreicht alleine die Belüftung keinen positiven Effekt, sondern erniedrigt den pH-Wert noch
Investitionskosten
- Niedrig; Bau zumeist als Betonelement
- Ggf. Grundstückskauf und Genehmigung
Kosten für laufenden Betrieb
- Gering
Kosten für Chemikalien
- Keine
Datenstand
17.01.2020
Literatur
- Wolkersdorfer, C. (2017): Reinigungsverfahren für Grubenwasser – Bewertung und Beschreibung von Verfahren. Tshwane University of Technology, Südafrika - Lappeenranta University of Technology, Laboratory of Green Chemistry, Finland.
- van Halem, D. (2016). Drinking Water Treatment 1 - Aeration and gas stripping. (TU Delft, Hrsg.) Von OpenCourseWare: https://ocw.tudelft.nl/courses/drinking-watertreatment-1/subjects/3-aeration-gas-stripping/ abgerufen
- Younger, P. L. (2002). Mine Water Pollution from Kernow to Kwazulu-Natal: Geochemical Remedial Options and their Selection in Practic. Geoscience in south-west England, 10, pp. 255-266.
- Geroni, J., Sapsford, D., & Florence, K. (2011). Degassing CO2 from mine water: implications for treatment of circumneutral drainage. Proceedings of the 11th International Mine Water Association Congress IMWA, 04-11 Sept. 2011. Aachen, Germany.