Detail Diplomarbeit Zalami
Variantendiskussion zur Aufbereitung saliner Grubenwässer mittels Umkehrosmose
Betreuung:
- Prof. Dr. rer. nat. Rolf Bracke
Fachhochschule Bochum, Institut für Wasser und Umwelt - Dr.-Ing. Stefan Panglisch
IWW, Rheinisch-Westfälisches Institut für Wasserforschung, Mülheim a. d. Ruhr
Zusammenfassung:
Die Entwässerung von in Betrieb befindlichen aber auch von stillgelegten Kohlebergwerken führt in der Regel kontaminiertes Wasser zu Tage. Das abgepumpte Wasser, das auch als Grubenwasser bezeichnet wird, ist durch anthropogene und geogene Bedingungen meist salin bis hoch salin. Die Einleitung dieses Wassers in den Vorfluter stellt eine Umweltbelastung dar.
Auch das Überfluten von stillgelegten Gruben kann zu Umweltproblemen führen, da durch das Aufsteigen des meist hoch salinen Tiefengrundwassers, Produkte aus den Verwitterungsprozessen der Grubengesteine herausgespült werden. Diese Gesteine sind größtenteils sulfidhaltig und somit werden die oberen Aquifer und Gewässer hierdurch kontaminiert. Um weitere Kontaminationen der Umwelt zu verhindern, müssen die Grubenwässer vor einer Einleitung in ein Gewässer behandelt werden. Dabei können thermische, chemische, oder mechanische Verfahren zum Einsatz kommen, um die Schadstoffe auf ein Minimum zu reduzieren. Vorgeschriebene Grenzwerte einzelner Kontaminationsstoffe sind in den EU-Wasserrahmenrichtlinien zu finden.
Ein effektives Verfahren zur Behandlung von Grubenwässern ist das Membranverfahren auf der Basis der Umkehrosmose. In dieser Arbeit wird dieses Verfahren grundlegend beschrieben sowie auf konstruktive Ausführungsvarianten eingegangen. Anhand von Simulationsrechnungen zur Entsalzung von Grubenwasser werden verschiedene Anlagenkonfigurationen bewertet. Hierzu werden Grubenwässer mit drei unterschiedlichen Salinitätsgraden (gering, mittel und hoch) zugrunde gelegt. Es werden für die einzelnen Salinitätsstufen unterschiedliche Anlagen ausgelegt und im Hinblick auf die maximale Ausbeute an gereinigtem Wasser (Permeat) optimiert.
Die Arbeit beginnt mit einer Einführung in die Chemie der Grubenwässer. Dabei werden die Art der Entstehung kontaminierter Grubenwässer und deren Vorkommen näher erläutert. Ebenso wird die damit verbundene Umweltproblematik im Hinblick auf die EU-Wasserrahmenrichtlinie betrachtet. In den darauf folgenden Kapiteln werden die Grundlagen des Umkehrosmose-Membranverfahrens erläutert sowie auf spezielle triebkraftmindernde Effekte wie Scaling und Fouling eingegangen. Die konstruktive Umsetzung dieses Membranverfahrens wird anhand verschiedener Anlagenkonfigurationen und dem Aufbau von Membranmodulen beschrieben. Eine Übersicht unterschiedlicher Vorbehandlungsmethoden erfolgt im darauf folgenden Kapitel. Dabei werden die wesentlichen Merkmale für die Auswahl eines effizienten Vorbehandlungsverfahrens dargestellt.
Aufbauend auf den Grundlagen der Umkehrosmose und der ingenieurtechnischen Auslegung werden für ausgewählte Grubenwasseranalysen mehrere Simulationen durchgeführt und Verfahren optimiert, mit dem Ziel die höchste Ausbeute mit einem minimalen Konzentratanfall zu erreichen. Bei der Auslegung wird Scaling, ein triebkraftmindernder Effekt, der negative Auswirkungen auf den Prozess hat, berücksichtigt. Hierzu ist der Einsatz von chemischen Substanzen zur Vermeidung von Scaling erforderlich.
Durch die Gegenüberstellung der optimierten Simulationsfälle wird ersichtlich, dass das Umkehrosmoseverfahren für Grubenwässer mit geringer bis mittlerer Salinität effektiv eingesetzt werden kann, jedoch nicht für hoch saline Grubenwässer geeignet ist. Mit dem Umkehrosmoseverfahren kann der Gehalt an gelösten Inhaltstoffen (TDS) im Permeat (das entsalzte Grubenwasser) auf ein Maß reduziert werden, das eine weitere Aufbereitung zu Trinkwasser erlaubt.
Das Umkehrosmoseverfahren erzeugt als Abfallprodukt das so genannte „Konzentrat“ (Wasser mit einer erhöhten Salzkonzentration), welches weiterbehandelt und entsorgt werden muss. Die Aufbereitung und Entsorgung des anfallenden Konzentrats ist schwierig und kostenintensiv. Hierzu sind jedoch weitere Untersuchungen zu einer ökologisch und wirtschaftlich vertretbaren Behandlung und Entsorgung eines Kohlegrubenwasserkonzentrats erforderlich.
