Die Kunst der Dekontaminierung

Radioaktive Reinigung: eine nicht ganz unmögliche Mission
Geschichte und Fotos
TAB_1_MAU00192-Edit.jpg

Das Wasser auf einer sizilianischen Phosphorgips-Deponie war so kontaminiert, dass niemand wusste, wie man es reinigen kann – bis Ulrich Bäuerle seine einzigartige Aufbereitungsanlage entwickelte.

Ein Blick auf die chemische Analyse des Wassers auf der Phosphorgips-Deponie in Gela, Sizilien, und die meisten Wassertechnologen wären vor Entsetzen zurückgeschreckt. Dieses verunreinigte Wasser zeigte einen hohen Salzgehalt kombiniert mit erhöhten Konzentrationen von verschiedenen Schwermetallen, Phosphorsäure, Flouriden und radioaktiven Elementen.

Ulrich Bäuerle ist nicht zurückgeschreckt. Er sah darin eine Herausforderung und eine Chance. Sein Unternehmen, Clear Water Technologies (CWT) aus Grafenrheinfeld in der Nähe von Frankfurt/Main, Deutschland, ist spezialisiert auf schwierige Wasseraufbereitungsprojekte.

„Man muss die Chemie verstehen“, sagt Ulrich Bäuerle. „Die meisten Leute würden sich das Wasser anschauen und sagen, dass es unmöglich aufbereitet werden kann. Aber wir und unser Partnerunternehmen Servizi Technologici per l'Ecologia Srl Uninominale (STE) haben unsere Erfahrung genutzt und so lange nach Lösungen gesucht, bis wir eine gefunden haben, die funktioniert.“

FOTO: Carmelo Curvà geht durch die Anlage in Gela, Sizilien, die stark verunreinigtes, radioaktiv kontaminiertes Wasser aus der Produktion von Phosphorsäure für Düngemittel wiederaufbereitet.


„Die meisten Leute würden sich das Wasser anschauen und sagen, dass es unmöglich aufbereitet werden kann. Aber wir und unser Partnerunternehmen STE haben so lange nach Lösungen gesucht, bis wir eine gefunden haben, die funktioniert.“

Ulrich Bäuerle, Clear Water Technologies

TAB_1_MAU00459-Edit.jpg

Das für die Produktion von Phosphorsäure für Düngemittel verwendete Phosphat (siehe Reiter „Phosphat: ein Muss für die Ernährung“ beinhaltet in der Natur oft radioaktive Elemente, wie es auch bei natürlichen Steinen der Fall ist. Bei der Herstellung von Phosphorsäure entsteht als Nebenprodukt Phosphorgips. „Durch seine Entsorgung auf einer Deponie wird mit der Zeit das angestaute Regenwasser kontaminiert“, erzählt Ulrich Bäuerle.

Die besagte Produktionsanlage für Phosphorsäure wurde in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts betrieben und in den 1990ern aus industriellen und wirtschaftlichen Gründen stillgelegt. Die Probleme mit der Phosphorgips-Deponie auf Sizilien sind aber geblieben.

Dieses Problem gibt es nicht nur in Gela in Italien. Anlagen, die Phosphatstein für die Produktion von Dünger verarbeiten, gibt es auf allen Kontinenten. Laut einer Studie von Greenpeace aus dem Jahr 2012 wächst dieses Problem sehr schnell. Die Qualität des Gesteins nimmt durch den gestiegenen Abbau der Phosphate für den gestiegenen Düngemittelbedarf ab. Pro Jahr werden etwa 110 Millionen Tonnen Phosphorgips hergestellt.

FOTO: Die CWT-/STE-Anlage kann das Wasser zu 99.9 Prozent aufbereiten. Zuvor enthielt es laut der Internationalen Atomenergie-Organisation Schwermetalle und radioaktive Isotope von Uran, Blei, Polonium, Radium und Kalium.

Das Sickerwasser in der Phosphorgips-Deponie enthält Schwermetalle und radioaktive Isotope von Uran, Blei, Polonium, Radium und Kalium, von denen Alpha-, Beta- und Gammastrahlung ausgeht.

Ein zunehmendes Problem
Die Verunreinigung in Gela ist ein so großes Problem, dass sich die Internationale Atomenergie-Organisation (IAEO) dafür interessiert, die angibt, dass sich 15 Millionen Tonnen an Material auf der 55 Hektar großen und 20 Meter tiefen Phosphorgips-Deponie befinden. Trotz der Stützmauern, die tief in dem Lehmboden verankert sind, besteht immer noch das Risiko, dass Strahlung in das Grundwasser gelangt. Deshalb wird Oberflächenwasser in zwei riesige künstliche Seen neben dem Standort gepumpt.

Im Jahr 2010 hat die IAEO erhebliche Mühen dafür aufgewandt, zu bestimmen wie man das Risiko an dem Standort messen und wie man mit der Radioaktivität in der Deponie selbst umgehen kann. Das Sickerwasser enthält normalerweise Schwermetalle und radioaktive Isotope von Uran, Blei, Polonium, Radium und Kalium, von denen Alpha-, Beta- und Gammastrahlung ausgeht.

An dieser Stelle geben die meisten Ingenieure auf, doch nicht Ulrich Bäuerle. Er musste eine Pilotanlage bauen und seine Wasseraufbereitungslösung einem Expertenausschuss vorführen. Dabei wurde jede Stufe des Prozesses von zwei unabhängigen Laboren geprüft.

Auf der von SET, den italienischen Partnern von CWT, betriebenen Anlage ist die erste Stufe - von Ulrich Bäuerle entworfen und von SET gebaut - die chemische Vorbehandlung. Die zweite Stufe, von CWT für STE gebaut, behandelt das übrige Wasser physikalisch.

„Bei der Vorbehandlung wird der Großteil an Salzen, Schwermetallen, Phosphoren und Fluoriden entfernt“, erklärt Ulrich Bäuerle, „während in der zweiten Stufe der Rest der gelösten Salze und anderen löslichen Stoffe entfernt wird.“

TAB_1_MAU00101-Edit.jpg
TAB_1_MAU00112-Edit.jpg

Explosionsartiges Algenwachstum
Die Vorbehandlung beinhaltet chemische Prozesse, um gelöste Schadstoffe in Feststoffteilchen umzuwandeln. Diese können durch Filtertücher in einer großen Kammerfilterpresse von dem Wasser getrennt werden. Da die biologische Kontamination in den folgenden Prozessschritten Probleme verursachen kann, muss die chemische Behandlung an die Quantität der Algen und Bakterien angepasst werden, die sich in den Rückhaltebecken befinden.

„Während der Vorbehandlung entsteht auf festen Platten weißer Schlamm, der eine leicht grüne Färbung annehmen kann, wenn viele Algen vorhanden sind“, sagt Ulrich Bäuerle. „Durch die Vorbehandlung werden fast alle problematischen Bestandteile entfernt, die dazu führen könnten, dass die Membranbehandlung in der zweiten Stufe nicht den gewünschten Erfolg erzielt. Nun kommt klares Wasser zum Vorschein. Allerdings beinhaltet es immer noch alle löslichen und teilweise radioaktiven Salze.“

Der feste Schlamm wird zurück zu der Deponie gebracht.

TAB_1_CWT process_v2.jpg

Funktionsweise
In der Zwischenzeit wird das Wasser zu der Aufbereitungsanlage weitergeleitet, die sich fein säuberlich verpackt in zwei Seecontainern befindet. Das ist eine Spezialität von CWT: Die Anlagen werden in Grafenrheinfeld in Standard-Verschiffungscontainern montiert und können auf diese Weise transportiert und dort, wo sie benötigt werden, schnell aufgebaut werden. Im Fall von Gela hat die Installation der isolierten und klimatisierten Container nur sechs Wochen gedauert.

Da viele der konkreten Vorgänge in der Aufbereitungsanlage geheim sind, erklärt Ulrich Bäuerle hier den grundsätzlichen Ablauf (siehe Abbildung).

Bei dem ersten Filter in dem Container handelt es sich um eine poröse Membran – ein physischer Filter, der so fein ist, dass er Schwebstoffe sowie Bakterien und Viren entfernt. Das Wasser durchläuft dann eine Umkehrosmose (UO), in der es durch drei Membrane gepresst wird. Bei jeder Membran wird das Konzentrat der Schadstoffe und Chemikalien zu einer vorherigen Membran zurückgeführt, sodass es erneut aufbereitet werden kann. Ulrich Bäuerle überwacht den Betrieb der Anlage aus seinem Büro in Deutschland. Dafür benutzt er eine webbasierte Steuerungsschnittstelle. Damit kann er dem Ingenieur vor Ort Anpassungen empfehlen.

FOTO: Radioaktives Wasser hinein – sauberes Wasser heraus. Hier wird die Wasseraufbereitungsanlage von CWT dargestellt.

99.9 Prozent entfernt
Am Ende dieses Prozesses wurden alle Schwebstoffe und 99.9 Prozent der Salze entfernt. Die 13,000 Kilogramm/Stunde Oberflächenwasser wurden zu 10,000 Kilogramm/Stunde Reinwasser, 2,500 Kilogramm/Stunde UO-Konzentrat und etwa 710 Kilogramm/Stunde Kammerfilterpressenschlamm. Das Konzentrat wird zurück auf die Deponie gebracht. Durch die neue und patentierte Re-Infiltrationstechnologien der deutschen IEG Technologie GmbH werden Wasserkurzschlüsse vermieden und es wird eine gleichmäßige Verteilung über das Gipsvolumen hinweg sichergestellt.

Das Wasser ist jetzt sauber genug, um die durch Umweltbehörden festgelegten Ableitungsgrenzwerte zu erreichen, und wird in einen nahegelegenen Strom geleitet.

Es hat sich jedoch herausgestellt, dass eine einzelne Aufbereitungsanlage nicht ausreicht. Mittlerweile arbeiten zwei identische Anlagen 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche, mit einer Gesamtkapazität von 600 Kubikmetern Wasser pro Tag.

Dies war eine Herausforderung für CWT. Obwohl CWT sich immer mit kompliziertem Wasser auseinandersetzt, war dies eine neue Herausforderung.

„Es gibt etwa 20 weitere Standorte auf der Welt mit denselben Problemen“, sagt Ulrich Bäuerle, „und bis jetzt wusste niemand, wie man damit umgeht. Jetzt wollen wir unsere Lösung woanders hinbringen. Wir können diese Erfahrung für die Verwendung an ähnlich komplizierten Standorten nutzen, auch wenn sie andere Probleme haben.“

MAU00136-Edit.jpg

„Es gibt etwa 20 weitere Standorte auf der Welt mit denselben Problemen. Bis jetzt wusste niemand, wie man damit umgeht.“

Ulrich Bäuerle, Clear Water Technologies

FOTO: Ultrafiltrationsaggregate im Inneren des Containers in der Aufbereitungsanlage von CWT/STE in Gela, Sizilien.

Bericht von Michael Lawton
Fotos von Maurizio Camagna
Illustration von Valja Infodesign

Phosphat: ein Muss für die Ernährung
TAB_2_MAU00086-Edit.jpg

FOTO: Die Phosphorgips-Deponie auf Sizilien wurde mit einer mehrschichtigen undurchlässigen Abdeckung bedeckt, um ihre Bestandteile vollständig von der Umwelt zu isolieren.

Wir benötigen Phosphat, um unsere wachsende Weltbevölkerung zu ernähren. „Man muss danach graben – das ist die einzige Möglichkeit, um es zu bekommen“, sagt Brian Birky, Interim-Geschäftsführer des Florida Industrial and Phosphate Research Institute. Das Institut ist eines der besten Zentren für Phosphatexpertise der Welt.

"Wir brauchen Phosphat, um die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren. Der Bergbau ist die einzige Möglichkeit, es zu bekommen."

Brian Birky, Florida Industrial and Phosphate Research Institute.

Es gab mal eine Zeit, in der Florida ein Viertel aller Phosphatdünger weltweit produziert hat. Der Abbau hat dort vor etwa einem Jahrhundert begonnen. „Damals gab es nur Spitzhacken und Maultiere“, sagte Brian Birky, „und so kam man nur an die einfachen, hochwertigen Ablagerungen heran.“ Heute ist das Erz, das noch übrig ist, von geringerer Qualität und Florida ist hinter anderen Bergbauregionen zurückgeblieben, wie zum Beispiel Marokko.

„Es wurde viel geforscht, um herauszufinden, welche die sichersten Höchstmengen in Bezug auf Umweltauswirkungen und öffentliche Gesundheit sind“, sagt er. Die Werte der Verunreinigung sind von Standort zu Standort weltweit sehr unterschiedlich.

„Hier in Florida“, sagt Brian Birky, „befinden wir uns bei Uran im oberen, doch bei Cadmium im untersten Quartil.“ Jetzt wird Phosphat mit einem größeren Bewusstsein für das Risiko von Verunreinigungen abgebaut und verarbeitet. Brian Birky gibt zu, dass es keine Möglichkeit gibt, Verunreinung zu vermeiden. „Man muss anerkannte Verfahren entwickeln, um die Werte so niedrig wie möglich zu halten. Und die Werte, die wir haben, sind Werte, mit denen wir gut leben können“, sagt er.

Komplettangebot von Grundfos

Der Aufbereitungsprozess von Clear Water Technologies (CWT) benötigt 26 verschiedene mehrstufige Blockpumpen aus Edelstahl sowie zehn digitale Dosierpumpen für die zehn hochwichtigen Injektionsstellen. CWT-Geschäftsführer Ulrich Bäuerle berichtet, dass er Grundfos als Lieferanten für das gesamte Sortiment gewählt hat, da er wusste, dass deren Pumpen zuverlässig im Dauerbetrieb funktionieren. Er war außerdem mit dem Service sehr zufrieden.

TAB_3_MAU00249-Edit.jpg

„Die Vorlaufzeit für die zweite Anlage wurde von 16 auf 12 Wochen reduziert“, sagt er. „Sechzehn Wochen waren bereits eine kurze Zeit, aber Grundfos hat es sogar geschafft, schon nach zwölf Wochen zu liefern. Die letzte Pumpe wurde an den Standort geliefert. Dort wurde sie direkt in den Container eingebaut.“

Pumpentypen von Grundfos, die an CWT geliefert wurden:
CRNE 32-2
CRNE 15-14
CRNE 15-03
CRN 45-1-1
CRN 15-02
DDI 60-10 AR
DDI 20-3 AR
DDI 0.4-10 AR
NBE 80-200/196
NBE 80-160/161
NB 40-250/260

FOTO: Eine der digitalen Dosierpumpen von Grundfos innerhalb des Wasseraufbereitungscontainers von CWT in Gela, Sizilien.





    Facebook Twitter LinkedIn Technorati