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Geschlossenes Karbonatlösungssystem

Verfahrensbeschreibung

Abgedeckte Gräben/Rinnen, die mit karbonatischen Gesteinsbruchstücken gefüllt sind, mit denen das hindurchströmende Wasser in Kontakt tritt. Ziel ist primär die Erhöhung der Alkalinität der Wässer durch Calcit-Lösung bei gleichzeitigem Verbleib von Fe-II in Lösung. Dies wird durch eine vollständige Bedeckung mit einer undurchlässigen Ton- oder Bodenschicht erreicht, so dass gleichzeitig Sauerstoffzutritt und CO2-Freisetzung unterbunden werden.

Einsatzbereich
zinkreiche, circum-neutrale (pH 6,5 – 7,5) Grubenwässer mit geringen Eisenfrachten und geringen Volumenströmen
Behandlungsziel
Zinkabreicherung aus Grubenwässern
Verfahrensart
Bergbau
Überwachung
Prozessmonitoring, Anlagenmonitoring
Nachsorge
ggf. Belüftung um verbleibende Eisenfracht auszufällen
Relevante Prozesse
  • marginaler pH-Wertanstieg auf pH 8,0 - 8,2 zur Entfernung von Zink aus dem Wasser durch Smithsonitfällung (ZnCO3; auch Zinkspat genannt)
  • Auflösung von Kalkstein im geschlossenen System
  • Kohlensäurekonzentration nimmt mit fortschreitender Auflösung ab
  • mit steigendem pH-Wert nimmt die Konzentration von hydroxylgebundenen Spezies (Zn(OH)2) und carbonatgebundenen Spezies (ZnCO3, Zn(CO3)22-) zu, was zu einer Abnahme der Konzentration des freien Zinkions (Zn2+) und der sulfatgebundenen Spezies (ZnSO4) führt; erhöhte Konzentrationen von Karbonatspezies bei pH 8,2 führen zu einer optimalen Smithsonitsättigung (amorphes Zinkoxid ZnO ist bei diesem pH ebenfalls gesättigt)
Anwendungsstand
Stand der Technik
Zeitaufwand
kleiner 1 Jahr

Rechtliche Anforderungen

Genehmigungsfähigkeit
prinzipiell gegeben; Einsatz von calciumgetragenen alkalischen Produkten zur Neutralisation ist genehmigungsfähig

Bewertung

Anforderungen
  • Dimensionierung ähnlich ALD; variieren je nach der Höhe des Durchflusses und dem Gehalt an Schwermetallen
  • Retentionszeiten 4 - 14 h
  • Kalkstein der Größe 10-15 mm
  • Kalkstein mit hohem Kalziumkarbonatgehalt, da diejenigen, die reicher an Magnesiumkarbonat sind, eine geringere Löslichkeit aufweisen
Anforderungen an Umwelt
  • Fläachenbedarf
  • Ggf. Gefälle
Beispiele weltweit
  • Pilotanlage im ehemaligen Blei-Zink-Bergwerk, Nenthead, Cumbria
  • Geschlossener Karbonatlösungsreaktor im ehemaligen Blei-Zink-Bergwerk Tailrace Level, Durham; Besitzer: Environment Agency
Leistungsfähigkeit unter sächsischen Bedingungen
  • höhere Sulfatkonzentrationen macht das Grubenwasser aggressiver gegenüber Calcit, was wiederum die Smithsonitfällung fördert
  • Designverbesserung
  • Hinzufügen von Leitblechen, um Kurzschlüsse innerhalb des Systems zu verhindern
  • Integration eines Entgasungsschrittes in das System z. B. durch Verwendung von zwei Reaktoren anstelle von einem; hintereinander geschaltete Tanks in Reihe können Effizienz des Systems erheblichen steigern
Vorteile
  • kostengünstige Alternative zur Behandlung der Entwässerung stillgelegter Minen, insbesondere wenn eine konventionelle (aktive) Behandlung aus wirtschaftlichen oder praktischen Gründen nicht möglich ist
  • gleichzeitige Reduktion von Cadmium und Arsen möglich
Nachteile
  • AMD muss vorbehandelt sein (ciurcum-neutral – alkalisch, Fe-arm)
  • Reaktoren müssen nach einigen Stunden Verweildauer in die Atmosphäre entlüftet werden, um Kohlendioxidpartialdruck pCO2 auf relativ aggressive Werte zurückzuführen
  • mit fortlaufendem Betrieb Verringerung der reaktiven Kalksteinoberflächen durch Smithsonitbeläge
  • temperaturabhängiger Prozess
Investitionskosten
  • bisher keine full-scale-Anlage vorhanden
Kosten für laufenden Betrieb
  • bisher keine full-scale-Anlage vorhanden
Datenstand
01.01.2020

Literatur

  • Nuttall, C. & Younger, P. (2000): Zinc removal from hard, circumneutral mine waters using a novel closed-bed limestone reactor. Water Research 34: 1262–1268.
  • Nuttall, C. & Younger, P. (2000): Assessment and experimental passive treatment of zinc-rich net alkaline minewaters, Nent Valley, UK. Proceedings, 7th International Mine Water Association Congress: 456-463; Ustron.
  • Wolkersdorfer, C. & Younger, P. (2002): Passive Grubenwasserreinigung als Alternative zu aktiven Systemen. Grundwasser, Vol. 7 (2): 67-77.
  • Younger, P. (2012): The adoption and adaptation of passive treatment technologies for mine waters in the United Kingdom. Mine Water and the Environment, 19 (2): 84-97