Projekt 18820/01

Adsorptive Wasserreinigung mit Huminsanden

Projektdurchführung

JENA-GEOS-Ingenieurbüro GmbH
Saalbahnhofstr. 25 c
07743 Jena

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Trotz einer Vielzahl angebotener Verfahren zur Abwasserbehandlung und Altlastensanierung gibt es noch Bedarf an kostengünstigen, effizienten Verfahren zur Reinigung schwach belasteter Wässer. Bei Standorten im nichturbanen Bereich mit mangelnder bzw. fehlender Infrastruktur (z. B. Deponie- und Grubenwässer, abgelegene Industriestandorte) können längerfristig anfallende, mäßig bis schwach belastete Wässer vor ihrem Eintritt in die Vorflut bzw. ins Grundwasser meist nur mit unverhältnismäßig hohem Aufwand abgereinigt werden.
Mit dem Projekt sollte eine Technologie entwickelt werden‚ mit der schwach kontaminierte Wässer vor ihrem Eintritt in die Vorflut auf effiziente Weise derart abgereinigt werden können, dass sie den wasserrechtlich geforderten Einleitwerten entsprechen. Dabei wurden natürliche Substanzen - Huminsande - erprobt, die über günstige adsorptive Eigenschaften verfügen und als passives Medium für den Durchfluss der belasteten Wässer ohne weitere Ansprüche an die Infrastruktur genutzt werden können.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenNach umfassender Recherche zu verfügbaren Vorkommen von Huminsanden in Deutschland wurden in der 1. Projektetappe umfangreiche Probennahmen durchgeführt. Parallel dazu wurden reine Quarzsande und huminstoffreiche Substrate (z. B. aus Mooren) beprobt, um halbsynthetische regenerierbare Huminsande für vergleichende Untersuchungen herzustellen.
Zur Bestimmung der maximalen Beladungskapazität wurden in der 2. Projektetappe an 10 ausgewählten Huminsandproben Säulenversuche durchgeführt. An beladenen Huminsanden wurde untersucht, inwieweit die sorbierten Stoffe vom Adsorbenten wieder abgetrennt werden können, um die Menge zu entsorgender Rückstände zu verringern.
Für den im Ergebnis der Kolonnenversuche geeignetsten Huminsand war schließlich ein Großversuch vorgesehen. In der 3. Projektetappe wurden zwei praxisnahe Großtests durchgeführt. In einem Altbergbaustollen bei Freiberg/Sachsen wurde Grubenwasser durch eine Pilotanlage mit Huminsand geleitet. Ein weiterer Großversuch wurde mit einem Cadmium-kontaminierten Grundwasser von einem Altlasten-standort durchgeführt.
Abschließend erfolgte eine umfassende Dokumentation, praxisbezogene und wissenschaftliche Auswertung der gewonnenen Primärdaten und die Bewertung der Versuchsergebnisse im Hinblick auf konkrete Anwendungsmöglichkeiten (Abschlussbericht).


Ergebnisse und Diskussion

Unter Huminsanden werden Sande mit fest am Korn haftenden Huminstoffen verstanden. Sie treten in Deutschland fast ausschließlich im Zusammenhang mit Braunkohlevorkommen auf und stellen in Ab-baubetrieben ein bislang nicht verwertbares Nebengestein dar, dass bei der Kohlegewinnung verkippt wird. Geeignete Huminsandvorkommen in Deutschland existieren in der Niederrheinischen Bucht, im Subherzynen Becken und nördlichen Harzvorland, in der Leipziger Tieflandsbucht und in der Niederlausitz. Es wurden 39 repräsentative Proben von 11 Standortbereichen entnommen. Nach einer Voruntersuchung wurden 10 Proben für Säulenversuche mit schwermetallkontaminierten Wässern ausgewählt.
Bei allen 10 ausgewählten Proben konnte mit den Säulenversuchen in der zweiten Projektetappe eine signifikante Abtrennwirkung hinsichtlich der Schwermetalle Pb, Cd, Cu, Ni, Zn sowie Ra nachgewiesen werden. Die besten Sorptionseigenschaften wiesen Huminsande aus dem Braunkohletagebau Cottbus-Nord (Brandenburg) und aus dem Tagebau Nochten (Sachsen) auf.
Die Rangfolge der sorbierten Metalle kann nach den vorliegenden Ergebnissen wie folgt aufgestellt werden: Pb = Cu > Zn > Ni > Cd >> Ra. Die maximale Beladung mit dem jeweiligen Metall ist von der Konzentration im Wasser abhängig.
An beladenen Huminsanden wurde untersucht, inwieweit die sorbierten Stoffe vom Adsorbenten wieder abgetrennt werden können, um die Menge zu entsorgender Rückstände zu verringern. Im speziellen Fall konnten mit Salzsäure zwischen 70 und 81 % der sorbierten Metallmengen wieder vom Huminsand abgelöst werden.
Erste Kapazitätstests an synthetisch hergestellten Huminsanden ergaben vergleichsweise schlechtere Sorptionseigenschaften als bei den natürlich vorkommenden.
In der dritten Projektetappe wurde ein praxisnaher Säulengroßversuch mit einem Cadmium-kontaminierten Grundwasser von einem Altlastenstandort durchgeführt. Während des 71tägigen Säulengroßversuches war kein Durchbruch des Cadmiums zu verzeichnen. Das im Wasser gelöste Cadmium wurde vollständig vom Huminsand adsorbiert. Das Grundwasser war annähernd pH-neutral.
Bei einem weiteren Großtest wurde in einem Altbergbaustollen bei Freiberg/Sachsen Grubenwasser durch eine Pilotanlage mit Huminsand geleitet. Aufgrund der dominanten Zinkkonzentration im Grubenwasser lag die Beladung für Zink deutlich über den Laborergebnissen, das gute Sorptionsverhalten war jedoch bereits nach wenigen Tagen erschöpft. Der niedrige pH-Wert des Grubenwassers wirkte sich zudem negativ auf die Abtrennleistung aus.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse sind im dreibändigen Abschlussbericht dargestellt. Es ist vorgesehen, mit Fachvorträgen und Publikationen die Ergebnisse der Fachöffentlichkeit vorzustellen und damit potenzielle Interessenten für eine Anwendung zu gewinnen. Die JENA-GEOS®-Ingenieurbüro GmbH strebt an, die Ergebnisse des erfolgreichen Projektes unmittelbar zu verwerten.


Fazit

Huminsande bewirken beim passiven Durchlauf gering schwermetallkontaminierter Wässer eine signifikante Abtrennung der Schadstoffe unter neutralen bis schwach sauren Bedingungen. Die Ergebnisse zeigen, dass Einsatzmöglichkeiten für Huminsande als wirksame Adsorbenten zwar eingeschränkt sind, geeignete Anwendungsfälle aber ‚akquiriert werden können.
Im Ergebnis der Untersuchungen werden für Huminsande Einsatzmöglichkeiten als Füllstoff in sorptionsreaktiven Wänden, als reaktive Trennschicht an der Gewässersohle von Oberflächengewässern, als Komponente von Multibarrieresystemen zur Basisabdichtung von Deponien, als Versatzmaterial wasserführender untertägiger offenlässiger Stollensysteme sowie allgemein zur Feinreinigung gering schwermetallbelasteter Wässer gesehen. Gute Sorptionsleistungen sind vor allem bei gering mineralisierten, neutralen bis schwach sauren Wässern zu erwarten. Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen müssen jedoch einzelfallbezogen auf der Basis von Vorversuchen aufgestellt werden.
Eine erste praktische Anwendung soll im Rahmen einer Altlastensanierung in Südthüringen erfolgen.