DE4417012C3 - Verfahren zum Aufbereiten von Klärschlamm und Verwendung des Endprodukts - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines schüttfähigen, krümeligen Materials sowie dessen Verwendung für die Zwischenabdeckung von Altlasten oder Müllkörpern.

Es war bereits bekannt, Flugasche, insbesondere aus Braunkohlekraftwerken, durch Mischen mit Wasser und Einbringen von Energie durch Schütteln oder Rütteln steinhart und wasserundurchlässig zu machen. Auf diese Weise gelang es, Asche schadlos, d. h. gegen unerwünschtes Herauslösen schädlicher Substanzen, wie Sulfate, durch Regenwasser gesichert zu deponieren (DE 29 25 882). Dabei wurde auch schon daran gedacht, Abfallstof­ fe, wie Klärschlamm, in die erhärtende Asche einzubinden, damit auch der Schlamm wie die Asche schadlos deponiert werden konnte (DE 30 44 436).

Der nach diesem bekannten Verfahren mit Kalk stabilisierte Klärschlamm wird vorwiegend auf Deponien direkt abgelagert. Die mechanische Scherfestigkeit der abgelagerten Schlämme ist gering und nimmt außerdem mit fortschreitender Dauer der Deponierung kontinuierlich ab. Unter ungünstigen Voraussetzungen kann ein völliger Festigkeitsverlust eintreten.

Bekannt und angewandt wird auch das Verfahren zur Stabilisierung von Klärschlamm (DIN 4045). Durch Zugabe von Kalk oder anderen mineralischen Bestandteilen wird eine weitgehende Verringerung von geruchs­ bildenden Inhaltsstoffen, die Reduzierung organischer Schlammbestandteile sowie die Erhöhung der Flügel­ scherfestigkeit angestrebt.

Diese Verfahren finden insbesondere Anwendung, wenn der Klärschlamm deponiert werden soll. Der große Nachteil dieser Verfahren besteht in der Aufrechterhaltung der biologischen Aktivität. Dadurch tritt eine Veränderung der Stoffparameter ein und die abgelagerten Klärschlämme verlieren ihre Festigkeit. Die undrai­ nierte Scherfestigkeit im Deponiekörper sinkt ("Nürnberger Deponieseminar", 1993).

Die DE 39 34 085 A1 beschreibt ein Verfahren zur Einbindung und Verfestigung von festen und flüssigen Stoffen mit einem Gehalt an Schwermetallen unter Einsatz eines zumindest latenthydraulischen Bindemittelt. Das Bindemittel weist einen Wassergehalt zwischen 25 und 32 Gew.%, bezogen auf die Hydratphasen bildenden Substanzen, auf, dieses wird mit dem zu entsorgenden Stoff vermischt, verdichtet und härtet anschließend aus.

Die DE 39 43 163 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines deponiefähigen Erzeugnisses, in dem hy­ draulische und nichthydraulische Stoffgemische, insbesondere Abgänge aus Rauchgasentschwefelungen mit Feinstberge enthaltenen Abgängen vermischt der Wasseranteil verringert und das erhaltene Gemisch ausge­ härtet werden. Die hier eingesetzten feinstkörnigen Feststoffe, vorzugsweise Feinstberge, sind Abgänge aus der Rohstoffaufbereitung und anorganischer Natur.

Die DD 244 545 B5 betrifft die baustofftechnische Nutzung von Filterasche als Zuschlagstoff oder als Binde­ mittel. Neben der Filtertasche werden zur Herstellung von Betonmassen Industrieschlämme wie Schleifschlamm oder Rückstandsabscheiderschlamm aus der Bauindustrie eingesetzt. Die Industrieschlämme besitzen ein Was­ ser-Feststoff-Verhältnis < 1,3.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, organischen teilentwässerten Klärschlamm derart weiterzuverar­ beiten, daß ein nutzbringend einzusetzender Baustoff erhalten wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines schüttfähigen, krümeligen Materials, wobei organischem Klärschlamm, der auf einen Trockensubstanzgehalt zwischen 20 und 35 M.% entwässert ist, im Intensivmischer mit kalkreicher hydraulischer westelbischer Braunkohlenfilterasche in einer Menge von < 60%, bezogen auf die Trockensubstanz des Gemischs, vermischt wird.

Es wurde gefunden, daß sich die gestellte Aufgabe durch intensive Durchmischung von hochaktiven Flug­ aachen und entwässertem Klärschlamm lösen läßt. Das Mischprodukt wird durch ein sehr hohes Wasserspei­ chervermögen charakterisiert. Der Sättigungswassergehalt (bei dem alle Hohlräume zwischen den einzelnen Körnern der Festsubstanz mit Wasser gefüllt sind, w = (m_w × m_s ^-1) × 100% wird bei w < 140% erreicht [m_w = Masse Wasser; m_s = Masse Festsubstanz]. Eine Austrocknung bis auf Wassergehalte unter 47% führt zu keinen Schrumpfungen oder durchgehenden Rissen. In einer eingebauten, abgetrockneten Abdeckung des Mischproduktes können ca. 500 l/m³ gespeichert werden. Die Durchsickerung läßt sich dadurch auf niedrigste Werte einstellen.

Das Mischprodukt liegt nach dem Mischprozeß als schüttfähiges, krümeliges Material vor. Das verdichtete Material hat eine undrainierte Scherfestigkeit von über 140 kN/m², ein Verformungsmodul größer 35 MN/m², einen Winkel der inneren Reibung von 32 und kann eine Kohäsion von 60 kN/m² erreichen. Das verdichtete Material zeigt elastisches Verhalten. Die bodenmechanischen Kennwerte sind vom Einbauwassergehalt, Ver­ dichtungsverfahren und der Zusammensetzung der Mischung abhängig. Sie können an die geforderten Bedin­ gungen angepaßt werden.

Eine intensive Durchmischung, insbesondere im Wirbelbett, des entwässerten Klärschlamms (Trockensub­ stanzgehalt zwischen 20 und 35 M.%) mit einem sehr hohen Anteil (größer 60% bezogen auf die Trockensub­ stanz des Gemisches) hochaktiver Braunkohlenverbrennungsflugaschen aus dem mitteldeutschen Raum, westel­ bisch, führt zu einer Eigenschaft des Mischproduktes, die sich grundsätzlich von den bisher bekannten Mischpro­ dukten unterscheidet.

Das erhaltene bindige Material wird auf eine Altlast oder einen Müllkörper aufgebracht und verdichtet. Das als Zwischenabdeckung aufgebrachte Material kann mit einer Stampffußwalze soweit verdichtet werden, daß die erforderliche undrainierte Scherfestigkeit und Kohäsion für die Zwischenabdeckung vorliegt. Die Versicke­ rungsrate der Niederschläge kann soweit reduziert werden, daß das eindringende Niederschlagwasser für die anaeroben Prozesse verbraucht wird und keine Sickerwasserneubildung auftritt. Zur Verringerung der Wasser­ durchlässigkeit kann den verfestigten Gemischen Gelbildner zugegeben werden. Zur Begrünung mit Flachwurz­ lern kann die Abdeckung mit einigen Zentimetern Mutterboden abgedeckt werden. Durch das erfindungsgemä­ ße Verfahren erfolgt eine Mineralisierung und Hygienisierung von entwässertem Klärschlamm.

Die Besonderheiten bestehen im folgenden:

• 1. Die schnelle Reaktion mit den Braunkohlenflugaschen führt im Mischprodukt zu einer Hygienisierung des Klärschlamms.
• 2. Der sich einstellende hohe pH-Wert (< 11) führt zur biologischen Inertisierung. Über längere Zeiträume wurden kaum aerobe und anaerobe Prozesse beobachtet.
• 3. Im Mischprodukt bilden sich Ettringit, Gehlenit, Calcit und andere Alumosilikate und es entsteht eine Struktur, die eine gute Verdichtungsfähigkeit ermöglicht und günstige bodenmechanische Kennwerte sichert.
• 4. Die Mineralisierung im Mikrobereich führt zur Umbildung der organischen Schlämme, die anderenfalls nur in sehr großen Zeiträumen abläuft.

Das Mischprodukt ermöglicht auch den Aufbau von Abdeckungen mit sehr kleinem Durchlässigkeitsbeiwert. Der optimale Einbauwassergehalt sowie der lagenweise Auftrag mit anschließender Verdichtung durch eine Stampffußwalze führt zu k-Werten von 10^-8 bis 10^-10 m/s. Durch Zumischung von Gelbildnern (einige Prozent Gewichtsanteil) läßt sich stabil der von der TA Siedlungsabfall geforderte k-Wert für Oberflächensysteme von k < 5 × 10^-10 m/s erreichen.

Die organischen Bestandteile des Klärschlamms in dem Mischprodukt werden durch den stabilen hohen pH-Wert zwischen 11 bis 12 inertisiert. Biologische Umwandlungsprozesse konnten bisher nicht beobachtet werden.

Das Langzeitverhalten der Abdeckschicht bei Eintrag sauren Niederschlages wurde durch Aufnahme der Titrationskurve modelliert. Die Neutralisation einer 1 m Abdeckschicht erfordert große Zeiträume.

Der besondere Vorteil des Mischprodukts erweist sich bei seiner erfindungsgemäßen Verwendung als Ab­ deckmaterial für Deponien und Altlasten. Dadurch werden die beiden Reststoffe Braunkohlenflugasche und Klärschlamm kostengünstig verwertet.

Anhand eines Ausführungsbeispieles soll nachfolgend die Erfindung näher erläutert werden.

In einer mitteldeutschen Großstadt werden die organischen Klärschlämme der Abwasserreinigung in Stapel­ becken teilweise ausgefault und der anfallende Rohschlamm mit 2% Trockensubstanz mit ca. 50,5% Glühverlust auf einen Trockensubstanz-Gehalt von 29% mit Dekantern entwässert.

Der entwässerte, organische Klärschlamm wird mit Containern zur zentralen Mischanlage im Bereich der Deponie transportiert und auf einer Bereitstellungsfläche 100 t täglich abgelagert.

Über einen mengengesteuerten Schlammdosierbehälter wird der organische Klärschlamm einem Intensivmi­ scher zugeführt.

Das Bindemittel, eine mitteldeutsche Braunkohlenfilterasche (s. Tabelle 1), wird aus dem Silo durch eine Zentraldosiereinrichtung mit einem Masseanteil von 41%, bezogen auf organischen Klärschlamm, ebenfalls in den Mischer über eine Förderschnecke zudosiert.

Tabelle 1

Zusammensetzung der Braunkohlenflugasche des mitteldeutschen Kraftwerkes

Nach 1,2 min. Mischzeit im Wirbelbett wird aus dem Mischer ein krümeliges, schüttfähiges Produkt ausgetra­ gen und in 10 m³-Mulden aufgegeben.

Die sich während des Mischprozesses im Mischer bildenden Gase, insbesondere Ammoniak, werden abge­ saugt und in einem Biofilter gereinigt.

Die schnelle Hydratisierung des Freikalkes führt im Mischprodukt das ca. 30 min. im Container aufbewahrt wird, zu einer Temperaturerhöhung auf ca. 75°C. Der austretende Wasserdampf und das Ammoniakgas werden ebenfalls über den Biofilter geleitet.

Das Mischprodukt wird auf dem Deponiekörper abgekippt und nach einer Lagerzeit von ca. 9 Stunden als 40 cm starke Schicht planiert und nach weiteren 3 Stunden mit einer Stampffußvibrationswalze verdichtet.

Der arbeitstäglich aufgeschüttete Müllkörper läßt sich mit dem anfallenden Mischprodukt abdecken. In der unmittelbaren Umgebung der Zwischenabdeckung aus dem Mischprodukt wurden Luftkeimzahlen ermittelt, die im unteren Bereich der für Außenluft typischen Werte (450 kBEim³ bis 2.000 kBEim³) liegen.

Das krümelige Schüttprodukt wird mit einem Trockensubstanzgehalt von ca. 54% eingebaut. Die Trocken­ dichte des verfestigten, organischen Klärschlammes in der Abdeckschicht beträgt ca. 0,7 t/m³.

Durch Auftrag einer zweiten Schicht aus dem Klärschlamm-Asche-Gemisch wird nach der Verdichtung eine Gesamtstärke der Abdeckung von ca. 60 cm erreicht. Der erreichte Verformungsmodul E_v2 < 25 MN/m² für die Abdeckschicht sichert eine gute Befahrbarkeit mit dem LKW.

In dem Mischprodukt zeigt die mineralogische Untersuchung ausgeprägte Ettringitbildung. Die rasterelektro­ nenmikroskopischen (REM) Aufnahmen zeigen im Mischprodukt eine durch Hydratisierung stark angegriffene, rauhe, poröse Oberflächenbeschaffenheit von Aschepartikeln sowie stenglige Bildungen.

Durch Lysimeterversuche wurde nachgewiesen, daß die Versickerungsrate der Niederschläge ca 5% beträgt. Die über mehrere Monate gemittelte Verdunstungsrate lag über 1 I/m^2*d.

Das Eluatverhalten des in der Abdeckschicht eingebauten verfestigten, organischen Klärschlammes wurde entsprechend TA Abfall Anhang H ermittelt. Die durchschnittlichen Eluatwerte sind auf Tabelle 2 angeführt.

Tabelle 2

Durchschnittliche Eluatwerte des verfestigten Klärschlammes (Proctorzylinder, Trogeluation) entsprechend TA Abfall, Anhang H

Durch die Anwendung dieses neuen Verfahrens werden die organischen, z. T. belasteten Klärschlämme einer Großstadt und ein Anteil der in unmittelbarer Nähe anfallenden Flugasche kostengünstig verwertet und positive Effekte für die Deponie erreicht.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung eines schüttfähigen, krümeligen, Ettringit enthaltenden, bindigen und verdichtungs­ fähigen Materials mit hohem Wasserspeichervermögen, dadurch gekennzeichnet, daß man organischen Klärschlamm auf einen Trockensubstanzgehalt zwischen 20 und 35% entwässert und im Intensivmischer mit kalkreicher hydraulischer westelbischer Braunkohlenfilterasche in einer Menge von < 60%, bezogen auf die Trockensubstanz des Gemischs, vermischt.

2. Verwendung eines nach dem Verfahren des Anspruchs 1 erhaltenen schüttfähigen, krümeligen Materials für die Zwischenabdeckung von Altlasten oder Müllkörpern, wobei das Material aufgebracht und verdichtet wird.