DepoCarb - Stabilisierung von Schlackendeponien durch Carbonatisierung

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 685.05.22

Schlüsselwörter (Deutsch)

Schlackendeponien, Carbonatisierung, Schwermetallfixierung.

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die aus der Kehrichtverbrennung ausgetragene Asche ("KVA-Schlacke") wird in Deponien entsorgt. Die frisch ausgetragene KVA-Schlacke hat einen hohen pH-Wert und enthält Schwermetalle, die zunächst als schwerlösliche Hydroxide fixiert sind. Jedoch im Laufe von Jahrzehnten sinkt wegen der fortschreitenden Auswaschung von Calciumhydroxid der pH-Wert auf einen intermediären Wert, wodurch die Schwermetalle mobilisiert und schliesslich mit dem Sickerwasser ausgetragen werden mit negativen Folgen für die Umwelt. Eine Schlackendeponie ist also langfristig nicht chemisch «inert». Diesem Prozess entgegen wirkt die natürliche Carbonatisierung. CO₂ aus der Luft löst sich in feuchter KVA-Schlacke. Das gelöste CO₂ liegt im stark alkalischen Bereich als Carbonat-Ion vor und kann somit Calziumhydroxide zu Kalkstein und analog Schwermetallhydroxide zu Schwermetallkarbonate carbonatisieren. Schwermetallkarbonate sind stabile erzbildende Minerale, sie können in Kalkstein eingebaut oder an dessen Oberfläche adsorbiert werden.  Die Mobilität von Schwermetallkarbonaten bei intermediärem pH-Wert ist um ein Vielfaches geringer als die Mobilität der Schwermetallhydroxide. Ein weiterer Vorteil der Carbonatisierung ist das Bilden einer Calcitschicht um die Schlackepartikel, welche die mit Wasser in Kontakt stehende, reaktive Oberfläche verringert und somit die Menge an ausgewaschenen Schwermetallen reduziert.

Um dem natürlichen Prozess der Carbonatisierung zu verstärken, bestehen mehrere Möglichkeiten: die KVA-Schlacke kann mit CO₂ begast werden und/oder als Carbonationenquelle kann ein wasserlösliches Salz verwendet werden. Da die Diffusion von CO₂ in Wasser ein langsamer Prozess ist, wird bei diesem Projekt der Fokus auf die Verwendung eines wasserlöslichen Salzes gelegt. Die Eignung von Natriumbicarbonat und/oder Natriumcarbonat zur langfristigen Schwermetallfixierung durch Carbonatisierung soll im Pilotmassstab untersucht werden. 

Das Projekt wurde aufgrund des Beitragsgesuchs vom 15.09.2021 an der Sitzung der Koko UT vom 24.11.2021 genehmigt.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1. Laborversuche an verschiedenen KVA-Schlacken zeigen, dass die Schlackecarbonatisierung die Auswaschung von Schwermetallen bei intermediären pH (6-8) reduziert. Die aus der Theorie zu erwartenden Reaktionen wurden im Labor experimentell verifiziert. Meilenstein 1
   
   
2. Das Ausmass der natürlichen Carbonatisierung durch die jahrzehntelange Exposition der KVA-Schlacke gegenüber Umgebungsluft und das Potenzial für eine «künstliche Carbonatisierung» der KVA-Schlacke sind bekannt. Meilenstein 2
   
   
3. Die «künstliche Carbonatisierung» der verschiedenen KVA-Schlacken wurde anhand von CO₂-Begasung und/oder Addition von gut löslichem Natriumcarbonat und/oder Natriumbicarbonat gemacht. Die Versuche im Labor und auf der Deponie zeigen, dass mit der «künstlichen Carbonatisierung» die Löslichkeit von Schwermetallen geringer ist als ohne. Meilenstein 3
   
   
4. Die technische Machbarkeit der «künstlichen Carbonatisierung» von KVA-Schlacke, deren Kosten und der mittels Ökobilanzen ermittelte Umweltnutzen sind beurteilt und dokumentiert unter Zuhilfenahme des spezifischen Ökonutzenindikators SEBI (Specific-Eco-Benefit-Indicator).
   
   
5. Ein Schlussbericht mit Darstellung der Ergebnisse aus 1 bis 4 und dem weiteren Vorgehen ist redigiert und dem BAFU abgegeben.
   
   
6. Textbausteine, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien
   (genauere Angaben s. Beilage 4) für die Verwendung in öffentlichen Publikationen sind bereitgestellt und dem BAFU abgegeben.
   
   
7. Eine Präsentation der Ergebnisse mit entsprechender Power-Point Darstellung wird am Schluss des Projektes für interessierte Personen aus dem BAFU durchgeführt.

Projektziele (Deutsch)

KVA-Schlacken sollen im Labormassstab und auf der Deponie aktiv beschleunigt („künstlich“) carbonatisiert werden, wodurch deren Schwermetalle langfristig fixiert bleiben. 

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Im Projekt DepoCarb wurde die natürliche sowie künstlich forcierte Karbonatisierung von nass ausgetragener KVA-Schlacke umfassend untersucht. Die Analysen zeigten, dass entlang dem Lebensweg der Schlacke in den ersten Wochen nach Austrag rund zwei Drittel des enthaltenen Ca(OH)2 durch CO2 zu CaCO3 umgesetzt werden – dies senkt den pH-Wert signifikant und führt zu einer Stabilisierung gegenüber Schwermetallauswaschungen. In abgelagerter Schlacke schreitet die Karbonatisierung aufgrund mangelnden Luftkontakts kaum fort. Insgesamt bestätigt das Projekt die ursprüngliche Hypothese, dass eine möglichst vollständige Karbonatisierung vor der Deponierung entscheidend zur chemischen Langzeitstabilität der Schlacke beiträgt.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Die Projektergebnisse liefern konkrete Handlungsempfehlungen für Deponiebetreiber und KVA-Betreiber: Nass ausgetragene Schlacke sollte nach Aufbereitung möglichst in dünnen, lockeren Schichten gelagert und lange offen gehalten werden, um eine weitgehende natürliche Karbonatisierung zu ermöglichen. Dadurch kann ein stabiler Kalkpuffer aufgebaut werden, welcher langfristig die Versauerung des Sickerwassers verhindert und die Freisetzung von Schwermetallen minimiert.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Durch künstliche Begasung von aufbereiteter KVA-Schlacke mit CO2, könnte ein Beitrag zum Klimaschutz erbracht werden, wenn durch die technische Massnahme CO2 in der Schlacke verhaftet wird, dass auf natürlichem Weg nicht aufgenommen würde. In einem Nachfolgeprojekt mit der Industrie wird das Potential der CO2 Speicherung in KVA-Schlacke weiter untersucht. Dabei stehen insbesondere die Langzeitstabilität der Speicherung, die Identifikation der beteiligten mineralischen Phasen und der Einfluss auf das Sickerwasser im Fokus. Der Nachweis einer stabilen und irreversiblen Bindung von CO2 in Schlacke wäre ein bedeutender Beitrag zur CO2-Senkenstrategie (CCS).