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| GLIEDERUNG | |
| Zusammenfassung | 3. Ergebnisse |
| 1. Einleitung | 4. Diskussion und Ausblick |
| 2. Untersuchungsprogramm | Literatur |
| ABBILDUNGEN & TABELLEN | ||
Abb. 1 |
Abb. 2 |
Abb. 3 |
Abb. 4 |
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Abb. 5 |
Abb. 6 |
Tab. 1 |
Tab. 2 |
Tab. 3 |
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Die Langzeituntersuchungen wurden zur Klärung der weiteren wichtigen Fragestellung bezüglich des Einsatzes von Carboton initiiert – der Pyritverwitterung und deren Auswirkung auf die mineralische Dichtungsschicht in der Oberflächenabdichtung. Hierzu wurden insgesamt 24 Carboton-Probekörper mit künstlichem Sickerwasser (GDA 1993) und natürlichem Niederschlagswasser perkoliert.
Feststoffanalysen nach drei, sechs und zwölf Monaten erlauben Aussagen über Umfang und Auswirkung der Pyritoxidation (Abb. 4) und lassen Rück-schlüsse auf mögliche Wechselwirkungen mit dem in den Proben enthaltenen Kohlenstoffverbindungen zu.
Weitere Untersuchungen umfaßten bisher die Ermittlung der in den technischen Anleitungen TA-Siedlungsabfall (TA-Si), TA-Abfall (TA-A) und der nord-rhein-westfälischen LWA-Richtlinie Nr. 18 vorgeschriebenen Parameter, die Materialien als mineralische Dichtung im Oberflächenabdichtungssystem erfüllen müssen (Tab. 1).
Die Ergebnisse zeigen, daß nach einer Perkolationszeit von einem Viertel Jahr keine Versauerung der Carboton-Proben durch die einsetzende Pyritoxidation und eine damit verbundene Mobilisierung der geogen im Carboton enthaltenen Schwermetallgehalte festzustellen ist. Die regelmäßig analysierten Eluate, auch der noch laufenden Langzeitperkolationsversuche, sind basisch (Abb. 5) und weisen trotz Abnahme der Pyritgehalte in den oberen Probekörpersegmenten (Abb. 4) keine erhöhten Schwermetallgehalte auf.
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Abb. 1: Durchschnittlicher semiquantitativer Mineralbestand von Carboton aus dem Bergwerk Prosper-Haniel |
Um eine Aufhaldung zu verhindern und natürliche Ressourcen zu schonen, wurde Carboton auf die in Tab. 1 zusammengestellten Richtwerte untersucht. Die darin genannten Kriterien entsprechen weitestgehend den Anforderungen, die in Eingangsprüfungen für Materialien zum Bau einer mineralischen Dichtungsschicht in der Oberflächenabdichtung verlangt werden.
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Tab. 1: Materialanforderungen an die mineralische Oberflächendichtungsschicht (Übersicht aus Nienhaus 1996) |
Der RC-Gehalt wird mit einem Restriktionsfaktor korrigiert, da bei der Bestimmungsmethode durch Tempern der Probe im N2-Strom nicht nur bereits in der Probe vorhandener, sondern auch während der Temperung neugebildete Kokskohlenstoff detektiert wird (Tab. 2).
Aufgrund der Erfahrungen mit den Auswirkungen der Pyritverwitterung auf das Grundwasser bei der Rekultivierung von Braunkohletagebaurevieren (Wisotzky 1994; Friedrich 1997) und mit Waschbergematerial aus der Steinkohleförderung (RUHRKOHLE MONTALITH GMBH 1996) wurden die Pyritgehalte von Carboton nach DIN 51 724 vor (Abb. 4, Nullprobe) und nach der Perkolation (Abb. 4) mit künstlichem Sickerwasser (GDA 1993) mit einem pH von 4,5 bzw. natürlichem Niederschlagswasser (pH wechselnd von » 5,5 bis 7) bestimmt.
Zusammen mit der Methode nach Leuchs (1997), die zur Bestimmung der Pufferkapazität angewandt wurde, ist eine Gefährdungsabschätzung möglich, ob die zu erwartende Pyritverwitterung ausreichend gepuffert werden kann (Abb. 4). Die Auswertung der Langzeitversuche, bei denen insgesamt 24 Perkolationszellen mit Carboton-Proben bestückt und über ein Jahr mit einem hydraulischen Gradienten von 30 durchströmt werden, soll abschließend klären, ob und unter welchen Bedingungen Flotationsbergematerialien als mineralische Dichtungsschicht in Oberflächenabdichtungssystemen eingesetzt werden können. Hierfür werden die Eluate aus den Perkolationszellen in regelmäßigen Abständen auf Schwermetallgehalt und pH-Wert (Abb. 5) untersucht. Weiterhin wurden nach drei Monaten Perkolationsdauer die Feststoffproben auf Pyrit- (Abb. 4) und Kohlenstoffgehalt (Abb. 3), sowie auf pH-Wert und Pufferkapazität (Abb. 4) analysiert. Nach sechs und zwölf Monaten Gesamtperkolationsdauer werden diese Bestimmungen wiederholt und gegebenenfalls um andere Parameter, beispielsweise die Prüfung von Erosions- und Suffosionserscheinungen, erweitert. Zugleich werden Langzeitdurchlässigkeitsversuche mit den Prüfmedien destilliertes Wasser, künstliches Sickerwasser und natürliches Niederschlagswasser vorgenommen, um die dauerhafte Dichtigkeit von Carboton zu testen.
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Tab. 2: Unterscheidung der "Organikgehalte" nach Kohlenstoffverbindungen in Gew.-% Nienhaus 1996) |
Für alle untersuchten Proben gilt, daß die Steinkohlebruchstücke selten größer 50 mm (Abb. 2) sind und sich zum Teil als Kohlestaub fein verteilt an die mineralischen Komponenten anlagern.
Carboton aus dem Bergwerk Prosper-Haniel hat durchgehend einen Gesamtkarbonatgehalt von etwa 6 Gew.-%, der auch immer calzitisch dominiert ist.
Die Glühverluste von durchschnittlich etwa 30 Gew.-% (Tab. 2) ließen sich mit detaillierteren Analysen unter Einatz eines Kohlenstoffanalysators (RC-412 der Fa. LECO) in biologisch abbaubaren organische Kohlenstoff (AOC), organisch (TOC) und anorganisch gebundenen Kohlenstoff unterteilen (Tab. 2).
Mit simultanen Thermoanalysen (STA 409, Fa. Netzsch) konnten außerdem keine organischen Substanzen, die als Flotationshilfsmittel in der Aufbereitung eingesetzt werden (Sammler und Schäumer), detektiert werden (Weiler, Oberdorfer & Aldenkortt 1998). Der Gesamtkohlenstoffgehalt ist überwiegend organisch und mit weniger als einem Gewichtsprozent anorganisch gebunden (Tab. 2).
Die anorganischen Kohlenstoffgehalte wurden hierzu sowohl im O2-Strom, Differenz der Gehalte vor und nach einem Säureauszug, als auch im N2-Strom übereinstimmend ermittelt. Die Ergebnisse sind mit der Gesamtkarbonatbestim-mung nach Scheibler korrelierbar.
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Abb. 2: REM- Aufnahme von Carboton (Prosper-Haniel) mit Kohlebruchstück (umkreist) |
Setzt man den AOC-Gehalt gleich der organischen Substanz, die nicht mehr als 5 Gew.-% betragen darf, so genügt Carboton den Anforderungen der TA-A und TA-Si (Tab. 1). Während der ersten Phase der Langzeituntersuchungen (Perkolationsdauer 3 Monate) kam es in den oberen Probenkörpersegmenten (Top bis 6 cm) zu einer etwa 30 %-igen Pyritabnahme (Abb. 4). Zugleich ist aus Abb. 3 zu entnehmen, daß der Karbonatgehalt (anorganischer Kohlenstoff) nicht entsprechend dem von Kölling (1990) angegebenen stöchiometrischen Verhältnis zur Abpufferung der einsetzenden Pyritoxidation abnimmt. Statt 4 Mol Calzit wurden nach den vorliegenden Ergebnissen nur 1 bis 3 Mol Calzit bei der Oxidation von 1 Mol Pyrit umgesetzt, so daß sich die Pufferkapazität in den obersten Probekörpersegmenten deutlich erhöhte (Abb. 4).
Diese Ergebnisse wurden in Parallelproben und sowohl bei der Perkolation mit natürlichem Niederschlagswasser als auch mit künstlichem Sickerwasser erzielt.
Die Gehalte an biologisch abbaubarem organischem Kohlenstoff (AOC) blieben in allen betrachteten Proben während der ersten Perkolationsphase konstant < 5 Gew.-% (Abb. 3).
Die untersuchten Eluate hatten für alle eingesetzten Perkolationsmedien durchgehend basischen Charakter (Abb. 5). Diese Beobachtung setzte sich auch bis zur zweiten Ausbauphase nach 6-monatiger Perkolationsdauer unverändert fort (die Feststoffanalysen waren zum Redaktionsschluß noch nicht abgeschlossen).
Eine Mobilisierung der geogenen Schwermetallgehalte, die alle kleiner als der vorläufige Prüfwert für die Fläche I (Wohngebiete, Klein- und Hausgärten) in NRW sind (Kowalewski 1996), wurde bisher nicht festgestellt (Abb. 6). Die Boden pH-Werte sind auch nach der Perkolation mit künstlichem Sickerwasser und natürlichem Niederschlagswasser neutral, da durch Pyritoxidation neu gebildete Schwefelsäure insgesamt neutralisiert wird. Die Langzeitdurchlässigkeitsversuche nach DIN 18 130 T1 mit hydraulischen Gradienten von 30 und den Prüfmedien destilliertes Wasser, Sickerwasser und Niederschlagswasser sind konstant kleiner 5 · 10-10 ms-1.
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Abb. 3: Entwicklung der unterschiedlichen Kohlenstoffgehalte nach 3-monatiger Perkolation mit natürlichem Niederschlagswasser einer Carboton-Probe (Prosper-Haniel) |
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Abb. 4: Pyritgehalt und Verhältnis Pufferkapazität/Pyritgehalt der Ausgangsprobe und in unterschiedlichen Probekörpersegmenten nach 3-monatiger Perkolation einer Carboton-Probe (Prosper-Haniel) mit natürlichem Niederschlagswasser |
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Abb. 5: pH-Werte der Eluate von Carboton-Proben (Prosper- Haniel) während 6-monatiger Perkolation mit natürlichem Niederschlagswasser (-Regen) und künst-lichem Sickerwasser (-Test) |
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Abb. 6: Geogen im Carboton (Prosper-Haniel) enthaltene Schwermetalle (vier Parallelproben) |
Weitere Aspekte des Probefeldes sind der Nachweis der Verarbeitbarkeit (Dibt 1995) des Materials, wie es vom Bergwerk angeliefert wird, Tests zum Austrocknungsverhalten und die Standsicherheitsprüfung.
Bezüglich der Oberflächenabdichtung kann aufgrund der bisherigen Zwischenergebnisse die unflotierte Steinkohle als inert gegenüber Oberflächeneinwirkungen bewertet werden. Der AOC-Gehalt blieb als Kriterium für die herkömmlichen "organische Substanz" (Tab. 1) kleiner 5 Gew.-% (Abb. 3, Tab. 2) und Carboton ist dementsprechend in der mineralischen Dichtungsschicht einsetzbar.
Für die Baustellenpraxis wird eine Korrelation zwischen Glühverlust und AOC-Gehalt in Form eines Faktors erarbeitet, da AOC-Bestimmungen zu zeit- und kostenintensiv für einen geregelten Bauablauf mit Eigen- und Fremdüberwachung sind.
Weiter ist zu klären, wie sich der Steinkohleanteil außer auf die Korndichte (Tab. 3) auch auf andere bodenphysikalische und geotechnische Parameter auswirkt und welche Vorkehrungen für die Baustellenpraxis daraus abzuleiten sind. Hierzu sind Reihenuntersuchungen geplant, die es erlauben, die Qualitätsprüfung anhand des Aschegehalts am Aufbereitungsstandort durchzuführen.
Der Steinkohleanteil im Carboton bietet zugleich Ansätze, das Material auch auf seine Adsorptionseigenschaften zu untersuchen. Aufgrund der geringen Korngröße (Abb. 2) der Kohlebruchstücke (< 50 mm ) ist mit hohen spezifischen Oberflächen zu rechnen, die besonders bei der Adsorption organischer Schadstoffe wirksam werden könnten. Bestätigt sich die hohe Adsorptionskapazität erster Voruntersuchungen auch in weiteren Batch- und Perkolationsversuchen, ist es vorstellbar, Carboton auch in der Deponiebasis einzusetzen.
Der Pyritumsatz nimmt nach den gemessenen Profilen nach unten ab, wofür nach Prein (1993) die mangelnde Sauerstoffnachfuhr verantwortlich sein dürfte. Abweichend vom Reaktionsmuster nach dem die Pyritoxidation unter dem Einfluß von Sauerstoff aus Luft und Wasser mit Calzit im stöchiometrischen Verhältnis von 1 : 4 erfolgt, dissoziieren durchschnittlich weniger als 3 Mol Calzit pro Mol Pyrit.
Die gleichbleibenden Gesamtschwefelgehalte in den Feststoffproben und der pH der Eluate (Abb. 5) sprechen außerdem gegen einen Austrag von Schwefel, so daß ein weiterer Forschungsschwerpunkt auf dem Ablauf der Pyritoxidation und der damit möglicherweise verbundenen Wechselwirkung mit der unflotierbaren Steinkohle gelegt wird.
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Tab. 3: Bodenphysikalische und bodenmechanische Parameter einer aus den Kammerfilterpressen entnommenen Carboton-Mischprobe vom Bergwerk Prosper-Haniel |
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