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Zusammenfassung Heft 43



Freiburger Bodenkundliche Abhandlungen

Schriftenreihe des
Instituts für Bodenkunde und Waldernährungslehre

der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg i.Br.
Schriftleitung: P. Trüby

Heft 43

Norbert Wolsfeld

Bodenphysikalische Eignung mineralischer Oberflächenabdichtungssysteme
für Monodeponien der Stahlindustrie

(Feldversuche zur Beurteilung der Leistungsbeiträge mineralischer
Konvektionssperren und einer zielgerichteten Rekultivierung an der
Systemleistung von Oberflächenbarrieren)


Freiburg im Breisgau 2005

ISSN 0344-2691


Zusammenfassung:


Anlass

Die spezifischen Eigenschaften werksinterner Deponien der Eisen- und Stahlindustrie lassen angepasste Alternativlösungen für die nach Deponierecht geforderten Oberflächenabdichtungen umwelttechnisch und wirtschaftlich sinnvoll erscheinen. Zur Substitution der in den vorgegebenen Regelabdichtungen vorgesehenen tonmineralischen Dichtung wurde seitens der Stahlindustrie der Einsatz von geeigneten Mineralstoffen aus der Stahl- und Schlacken-Produktion für die Herstellung von wirksamen Dichtungsbaustoffen geprüft.

In einem Betriebs-Forschungsvorhaben der AG der Dillinger Hüttenwerke wurden Untersuchungen zur bodenphysikalischen Eignung von alternativen Oberflächenabdichtungssystemen unter Nutzung solcher Dichtungsbaustoffe durchgeführt.

Methode

In 12 Lysimetern von je 200 m2 Oberfläche wurden in einem Feldversuch

• 6 Oberflächenabdichtungssysteme nach Deponieklasse 1  der Deponieverordnung mit mineralischen Dichtungsbaustoffen der Eisen- und Stahlindustrie,

• 3 Referenzoberflächenabdichtungssysteme sowie

• 3 Rekultivierungsvarianten

anhand ihres Wasserhaushaltes unter realen Witterungsbedingungen beurteilt. Gemessen wurden neben den meteorologischen Daten des Untersuchungszeitraumes für alle Varianten der Oberflächenablauf, der Drainagefluss und die Systemdurchsickerung. Die Beurteilung umfasste die Wirksamkeit der Dichtungsbaustoffe, den Leistungsbeitrag der Rekultivierung und den sich ergebenden Leistungsgrad der gesamten Dichtungssysteme in ihrer Entwicklung über einen Beobachtungszeitraum von 32 Monaten.

Ergebnisse

Die alternativen Dichtungsbaustoffe nutzen durch Mischung verschiedener eisenhüttenstämmiger Minerale dichtungswirksame Korngrößen-zusammensetzungen. Zusätzlich werden in Mineralmischungen mit kalkhaltigen Stahlwerksschlacken Prozesse der Einlagerungsverdichtung durch Bildung von CaCO3 in den CO2- und wasserleitenden Porenräumen wirksam.

Mischungen aus Pfannenschlacke und Feinststaub der Hochofengasentstaubung erreichten nach verdichtetem Einbau in den Versuchsfeldern kf-Werte von 3,6* 10" m/sec. Durch Einlagerungsverdichtung wurden kf-Werte um 5*10"n m/sec innerhalb von 32 Monaten erreicht. Das 95 %-Quantil der aus den Wasserhaushaltsdaten berechneten k-Werte für n = 976 Beobachtungstage lag für den Dichtungsbaustoff ,Pfannenschlacke : HO-Feinststaub 1:1' bei l,9*10"10 m/sec. Im Abdichtungssystem mit 100 cm mächtiger Rekultivierungsbodenschicht wurden von 1562 l/m2 Niederschlag im Ergebnis dieser Variante nur 2,05 l/m2 (= 0,13 %) Systemdurchsickerung gemessen.

Wasserglas-klärschlammvergütete Elektroofenschlacken wiesen bei Einbau kf-Werte um 1,9*10 s m/sec auf. Innerhalb des Untersuchungszeitraums nahm die Wasserleitfähigkeit jedoch aufwerte um k = 5,9*10"" m/sec ab. Über den gesamten Zeitraum wurde ein 95 %-Quantil von 3*10"10 m/sec eingehalten. Im Ergebnis des kompletten Abdichtungssystems mit 100 cm Rekultivierungsbodenschicht betrug die Systemdurchsickerung 2,50 l/m2 (=0,16 % des Niederschlagseintrages).

Durch Substitution von 50 Gew.-% des Tonanteils einer Standardtondichtung durch HO-Feinststaub entstand ein Dichtungsbaustoff mit einer nach Verdichtung erreichbaren Wasserleitfähigkeit von 1,4*10" m/sec. Trotz wassergehaltsabhängiger Schwankungen der Dichtungswirksamkeit zwischen k-Werten von 3,6 bis 1,7* 10"10 m/sec im Mittel der Jahre 2002 bis 2004 wurde ein 95 %-Quantil von 1,6* 10"9 m/sec eingehalten. Im Oberflächenabdichtungssystem mit 100 cm Rekultivierungsboden wurden in dieser Variante nur Systemdurchsickerungen von 13,41 l/m2 (= 0,86 % des Niederschlagseintrages) gemessen.

Im Vergleich erreichte die Regelabdichtung mit einer dreilagigen, relativ trocken eingebauten, kaolinitreichen Tondichtung nach Einbau kf-Werte um 9,3*10"" m/sec bei bislang eingehaltenem 95 %-Quantil der k-Werte von 1,8* 10"" m/sec. Das Referenzsystem wies im Ergebnis, ohne erkennbare Einbußen der Gebrauchstauglichkeit trotz Trockenjahr 2003, eine Systemdurchsickerung von 0,33 l/m2 (= 0,02 % des Niederschlagseintrages) auf.

Die systemare Betrachtungsweise der in kompletten Oberflächenabdichtungssystemen in situ untersuchten Dichtungsbaustoffe ließ Rückschlüsse auf den Leistungsbeitrag der Rekultivierungsschicht an diesen Ergebnissen zu.

Es konnte gezeigt werden, dass eine Rekultivierung mit locker geschüttetem (d. h. verdichtungsfrei mit Langarmbagger abgelegtem) Rekultivierungsboden bei einer Schichtmächtigkeit von 100 cm im Mittel der Varianten und Jahre 85 % des Niederschlagseintrages über Evapotranspiration aus dem Wasserhaushalt austragen konnte. Für die Rekultivierungsvarianten mit 200 cm mächtiger Bodenschicht wurden unter den Versuchsrandbedingungen sogar 94 % Evapotranspirationsaustrag ermittelt. In allen Dichtungsvarianten wurde ein zweischichtiger Rekultivierungsboden mit einem schluffreichen, zum Teil lehmigen Sand (Su2) mit ca. 23% kiesigem Bodenskelettanteil als Unterboden (jCv) sowie einem ebenfalls schluffreichen Sand, jedoch hohem Humusanteil, als geringmächtige Oberbodenauflage (jAh) verwendet.

Anhand von Wassergehalts-pF-Korrelationen und daraus abgeleiteten Porenäqui-valentdurchmesser-Entwicklungen konnte gezeigt werden, dass durch die lockere Schüttung Grobporen weitgehend erhalten blieben und das Gesamtporenvolumen zwischen den Beprobungen im März 2003 und August 2004 bis in 45 cm Bodentiefe signifikant von 41 % bis 45 % anstieg. Es kann erwartet werden, dass die weitere Bodenbildung und biologische Erschließung entlang der Grobporen beschleunigt abläuft und Schäden durch Bodenaushub, -Zwischenlagerung und Einbau schneller ausgeglichen werden als in strukturgestörten Rekultivierungsböden.

Die Systemleistungen eines einfachen Oberflächenbarrieresystems aus einer im gezeigten Maße wasserhaushaltswirksamen Rekultivierung mit 200 cm Bodenmächtigkeit über einer 25 cm mächtigen simulierten Deponiekörperschicht mit kf = 3,8* 10"9 m/sec erreichten unter den klimatischen Bedingungen des Versuchsstandortes in Dillingen eine verbleibende Systemdurchsickerung von 48,09 l/m2. Dies entspricht 3,06 % der 1562 l/m2 Niederschlagseintrag. Die Systemdurchsickerung beschränkte sich dabei auf Einzeldurchbrüche in der Winterperiode. In der Vegetationszeit erreichte in dieser Variante kein Sickerwasser die Drainageschicht.



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