Abdichtung und Rekultivierung der ehemaligen Deponie für Hochofengasschlämme „Schlammdeponie Pluto“

Erstellung einer innovativ neuen Oberflächenabdichtung bestehend aus Bentomat Cl 1,0 und Droptec G 20 EX

Einleitung

Der Schalker Verein war ein integriertes Hüttenwerk der ehemaligen Thyssen Guss AG in Gelsenkirchen. Das Unternehmen wurde 1872 im Stadtteil Gelsenkirchen Bulmke von Friedrich Grillo gegründet und hatte seinen Verwaltungssitz im Stadtteil Schalke, was wiederum seinen Namen erklärt. Der erste Hochofen wurde 1884 in Betrieb genommen. Auf dem Werksgelände in Gelsenkirchen fanden sich später sechs Hochöfen, in denen Roheisen produziert wurde. Zur Blütezeit des Hüttenwerkes arbeiteten hier 6.000 Menschen. 2004 erfolgte die Überführung in die Stilllegungsphase.

Die bei der Nassreinigung des Hochofengases anfallenden Schlämme wurden mittels Druckrohrleitung transportiert und in die Erdbecken eingespült. Die Deponierung der Hochofengasschlämme erfolgte für das Werk Schalker Verein in der „Schlammdeponie Pluto“ im benachbarten Herne. Die Randdämme der „Schlammdeponie Pluto“ wurden zuvor aus Schlackenmaterialien sowie Bau- und Gießereischutt aufgeschüttet. Die einzelnen Becken wurden nacheinander beschickt. Nach Verdunstung des überschüssigen Wassers und der Abtrocknung der Becken folgten weitere Befüllungen. Die Verfahrensweise der Schlammablagerung erfolgte nach den damaligen allgemein anerkannten Regeln der Technik. Die Materialablagerung wurde Anfang der 80er Jahre eingestellt. Entsprechend überschlägigen Schätzungen beinhaltet die Deponie mehr als 500.000 m3 Schlamm. Charakteristisch für die abgelagerten Schlämme sind hohe Konzentrationen an Cyaniden sowie Schwermetallen. Um einen weiteren Schadstoffaustrag zu verhindern, wird derzeit die Abdichtung und Rekultivierung der Deponie durchgeführt. Um im Zuge des Deponieabschlusses eine dauerhaft standsichere Gestaltung zu erreichen, werden Materialien entsprechend der damals geltenden Deponieverwertungsverordnung zur Geländemodellierung unterhalb der Oberflächenabdichtung eingebaut. Es folgen das Aufbringen einer bis zu 2 m mächtigen Rekultivierungsschicht und eine Begrünung mit einer Einpassung in das regionale Landschaftsbild. Sämtliche Materialien können direkt von der naheliegenden Autobahnausfahrt der BAB 42 Gelsenkirchen - Bismarck über eine aufgelassene Eisenbahnstrecke angeliefert werden. Ein Transport sämtlicher Materialien über öffentliche Wohnstraßen konnte somit vermieden werden.


Standortbeschreibung

Blick auf den Zentralteil der Deponie im Bauzustand

Lage

Die ca. 14 ha große „Schlammdeponie Pluto“ liegt in Herne im Stadtteil Herne-Wanne. Die Grenze im Osten und Südosten bildet die Bergehalde Pluto. Im Süden liegt das ehemalige Steinkohlenbergwerk „Pluto“ mit den Schächten 2, 3 und 7. Im Norden grenzen eine Brachfläche und nachfolgend die Autobahn BAB 42 an das Gelände. Nördlich der Autobahn befindet sich das ehemalige Steinkohlenbergwerk „Unser Fritz“ mit den Schächten 1 und 4. Westlich der „Schlammdeponie Pluto“ fließt der Hüller Bach. Die nächstgelegene Wohnbebauung befindet sich in einer Entfernung rd. 350 m.


Geologie

Der tiefe Untergrund besteht aus den Schichten des Emscher Mergels. Mit zunehmender Tiefe gehen die Schichten der Oberkreide in harten Mergelstein über. Die Schichtgrenze zwischen Quartär und Oberkreide ist als ca. 0,5 m mächtige Verwitterungsschicht ausgebildet. Darüber folgt das Quartär mit einer Gesamtmächtigkeit von ca. 8 m. Das Projektgebiet ist dem Verbreitungsgebiet der quartären Flussablagerungen der Emscher sowie des Hüller Baches zuzuordnen. Es treten Wechsellagerungen von Fein- bis Mittelsandlagen mit Schluff-/Tonpaketen auf. Die Sandlagen weisen unterschiedliche Gehalte an Grobsand und Kies auf. Teilweise treten in den Schichtpaketen organische Beimengungen (Torfreste) auf. Bis zur Geländeoberfläche folgen die Ablagerungen von verschiedenen Aufschüttungen, die sich aus Bergematerial, Bauschutt, Schluffen, Sanden und Kiesen zusammensetzen. Die Mächtigkeit der abgelagerten Anschüttungsmassen im Projektgebiet erreicht bis zu 15 m.

Hydrogeologie

Im Quartär lassen sich zwei, zumindest lokal ausgebildete, Grundwasserhorizonte unterscheiden. Die Porengrundwasserleiter werden durch Grundwassergeringleiter (Schluff-/Tonpaket) voneinander getrennt. Die Schichten der Oberkreide stellen einen Kluftgrundwasserleiter dar. Als hydraulische Trennung des Kluftgrundwasserleiters (Oberkreide) von den quartären Wässern wirkt die kretazische Verwitterungsschicht. Lokale, hydraulische Fenster können jedoch nicht ausgeschlossen werden. Das Grundwasser fließt in allen Grundwasserleitern von Südwesten nach Nordosten.


Beschreibung der abgelagerten Schlämme

Die Mächtigkeit und die Zusammensetzung der Schlammablagerungen variiert in den einzelnen Becken. Der Schlamm stellt sich im Allgemeinen als toniger, fein- bis mittelsandiger Schluff dar. Die Mächtigkeit schwankt zwischen 4 m bis zu 15 m. In der Anschüttung sind neben den Schlammablagerungen auch wechselnde Anteile an Asche und Bauschutt mit Mächtigkeiten bis zu 10 m enthalten. Eine Gasbildung aus noch vorhandenen organischen Bestandteilen ist aufgrund der Genese der Schlämme nicht mehr zu erwarten.

Die Deponie für Hochofengasschlämme ist als Monodeponie zu betrachten. Es wurden nur eisenproduktionstypische Massenabfälle aus der Hochofengasreinigung abgelagert, die nach Art, Schadstoffgehalt und Reaktionsverhalten ähnlich sind. Daher erfolgte auf Basis chemischer Analysen eine Einstufung, insbesondere hinsichtlich der Festlegung der Art der Oberflächenabdichtung, in die Deponieklasse I.


Planungskonzept

Die Oberfläche der ehemaligen „Schlammdeponie Pluto“ war nahezu eben. Unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften der abgelagerten Schlämme und um eine qualifizierte Oberflächenabdichtung aufbringen zu können, waren bautechnische Maßnahmen erforderlich. Diese beziehen sich auf die in den folgenden Kapiteln dargestellten Punkte.


Vorbereitung des Urgeländes für einen nachfolgenden Material-einbau

Die in den abgelagerten Schlämmen enthaltenen Schadstoffe (im Wesentlichen Schwermetalle und Cyanide) können in Abhängigkeit der umgebenden Milieubedingungen mobilisiert werden. Neben einem Schadstofftransfer in den Untergrund der Deponie sind auch Wechselwirkungen mit zusätzlich aufgebrachten Materialien und deren Auswirkungen auf das Umfeld, hier insbesondere das Schutzgut Grundwasser, zu betrachten. Daher musste es das Ziel der weiteren Baumaßnahmen sein, den Ist-Zustand im Deponiekörper in möglichst geringem Maße zu stören bzw. zu verändern. Zur Vermeidung eines direkten Materialkontaktes und zur Unterbindung von direkten Schadstoffmobilisierungsvorgängen (z.B. durch Änderungen des pH-Wertes) zwischen den Hochofengasschlämmen und dem Profilierungsmaterial wurde daher auf die bestehende Urgeländeoberkante eine ca. 0,50 m mächtige Schicht aus geogenem, bindigen Boden eingebaut. Durch diese wurde der Direktkontakt zwischen dem neu abgelagerten Material und den Schlämme auf ein Mindestmaß reduziert.

„Schlammdeponie Pluto“: Höhenlinienverlauf im Bauendzustand

Durchführung einer Gelände-modellierung mit extern angeliefertem Material

Im Rahmen des Deponieabschlusses war eine Geländemodellierung mit dem Ziel durchzuführen, auf diese die Oberflächenabdichtung aufzubauen. Die zu erstellenden Neigungsbeträge der neu anzulegenden Böschungen richteten sich im Wesentlichen nach den Anforderungen der TA Siedlungsabfall. Hier beträgt die Mindestneigung für die Entwässerungseinrichtungen > 5% im Bauendzustand. Zur Ermittlung der herzustellenden Neigungsbeträge wurden Setzungsberechnungen durchgeführt. Im Ergebnis dieser Berechnungen wurde ermittelt, dass die Böschungen mit Flankenneigungen von bis zu 10% zu erstellen waren. Die chemischen Qualitäten des Einbaumaterials richteten sich nach der damals geltenden Deponieverwertungsverordnung. Die grundsätzlichen bautechnischen Anforderungen an dieses Material betrugen im statisch durchgeführten Lastplattendruckversuch im EV2 > 45 MN/m2 bei einem Verhältniswert EV2 / EV1 < 3. Im Rahmen einer Mengenbilanz wurde das benötigte Material unterhalb der Oberflächenabdichtung auf ca. 515.000 m3 bestimmt.


Aufbringen einer qualifizierten Oberflächenabdichtung mit anschließender Rekultivierung der Gesamtfläche

Auf die Geländeprofilierung mit dem Material gemäß der damals gültigen Deponieverwertungsverordnung wird das eigentliche Oberflächenabdich-tungssystem einschließlich mineralischer Drainage und Rekultivierungsschicht aufgelegt. Die Neigungsverhältnisse der Oberflächenabdichtung sind identisch mit denen der Geländeprofilierung. Die geplanten Geländeverhältnisse können der Abbildung 2 entnommen werden.


Überwachung der Arbeiten

Sämtliche Arbeiten werden über einen zuvor behördlich genehmigten Qualitätssicherungsplan durch den Fremdüberwacher überwacht.


Das innovativ neue Oberflächenabdichtungssystem

Im Zuge der Abstimmungsgespräche bezüglich des Oberflächenabdichtungssystems mit den Behördenvertretern wurde die Forderung nach einem redundant ausgelegten System gestellt. Hierbei wurde behördlicherseits die Vorstellung entwickelt, auf eine einlagige Bentonitmatte noch zusätzlich eine verschweißte Kunststoffdichtungsbahn (KDB) aufzulegen. Somit müssten unterschiedliche Versagensmechanismen auftreten, die eine Durchlässigkeit dieses Systems bewerkstelligen. Dieser Forderung nach Art der Ausbildung der Oberflächenabdichtung wurde seitens des Grundstückseigentümers nicht gefolgt. Vielmehr wurde ein innovatives Produkt entwickelt, vorgeschlagen und zur Genehmigung eingereicht, welches beide Systeme (Bentonitmatte und Kunststoffdichtungsbahn) in einem einzigen Produkt und in einem einzigen Verlegungsgang bündelt. Hierbei handelt es sich um das Produkt Bentomat Cl 1,0 der Fa. Beco Bermüller aus Nürnberg, welches im Folgenden dargestellt und beschrieben werden soll. Dieses Produkt wurde behördlicherseits genehmigt und wird derzeit eingebaut.


Innovatives Abdichtungselement: Bentomat CL 1,0

Bentomat Cl 1,0 ist ein Kombinationsprodukt aus einer dreischichtigen geosynthetischen Tondichtungsbahn, bestehend aus Vliesstoff, Bentonitgranulat und Geogewebe) und einer glatten 1,0 mm starken PEHD-Kunststoffdichtungsbahn (Abbildung 3 und 4). Die Tondichtungsbahn wird durch vollflächige Vernadelung zu einem homogenen Produkt verbunden. Die PEHD-Dichtungsbahn wird mit einem Spezialkleber in einem separaten Arbeitsgang auf die Tondichtungsbahn aufkaschiert.

Die Bentonitmatte verfügt über eine hohe, natürliche Dichtwirkung. Eine positive Eigenschaft des Bentonitgranulats ist die Möglichkeit, kleinere Beschädigungen der Matte selbstständig wieder abzudichten. Die 1,0 mm starke Kunststoffdichtungsbahn bildet in diesem System eine zusätzliche Abdichtung, welche die grundsätzliche Austrocknungs- und Durchwurzelungssicherheit gewährleistet. Somit vereint diese "Kombinationsdichtung" die Vorteile der Ton- und Kunststoffdichtungsbahn in einem einzigen Produkt mit einem einzigen Verlegungsgang. Durch die Anordnung sowohl einer Bentonitmatte als auch einer Kunststoffdichtungsbahn konnte der Forderung nach einem redundanten System nachgekommen werden. Weiterhin ergab sich zusätzlich eine Kostenersparnis in diesem Spezialfall von ca. 30%.

Bentomat Cl 1,0 bietet auch während der Einbauphase technische und wirtschaftliche Vorteile. Da bei Bentomat Tondichtungsbahnen ausschließlich natürlicher Natriumbentonit in Granulatform verwendet wird, entsteht kein unerwünschter Pulverstaub. An Schnittkanten und in den Randbereichen der Matte treten ebenfalls keine Materialverluste auf. Hinzu kommt, dass durch die werksseitig aufgebrachte Kunststoffdichtungsbahn bei der Verlegung ein zusätzlicher Arbeitsgang entfällt. Windsicherung, Ausrichtung und Verschiebung der Kunststoffdichtungsbahn werden so überflüssig.

Für höchste Anforderungen an das Dichtsystem wurde Bentomat Cl 1,0 entwickelt. Bei diesem innovativen Produkt wird die Bentonitmatte mit einer Kunststoffdichtungsbahn flächig verbunden, sodass man Bentomat Cl 1,0 mit gutem Grund als „Kombinationsdichtung“ bezeichnen kann.

Die zusätzliche 1,0 mm starke Kunststoffdichtungsbahn bietet dabei mehrere Vorteile:

  • Eine Austrocknung der Bentonitmatte wird verhindert.
  • Die gesamte Abdichtung ist wurzelfest.
  • Die Dichtwirkung von Bentomat Cl 1,0 ist über den Faktor 100 höher als bei herkömmlichen Abdichtungssystemen

Im Rahmen der projektspezifischen Betrachtungen konnte im Rahmen eines Gleichwertigkeitsnachweises festgestellt werden, dass unter den dargestellten Betrachtungen und Anforderungsprofilen die vorgesehene Kombidichtungsmatte Bentomat CL 1,0 als gleichwertig zur mineralischen Dichtung zu betrachten ist. Auch zeigte sich, dass eine auf 0,10 m reduzierte mineralische Drainage mit einer Entwässerungsbahn den Anforderungen genügt.


Drainelement: Droptec G 20 EX

Ein funktionierendes Abdichtungssystem erfordert immer eine leistungsfähige Entwässerung. Diese Anforderung erfüllt die kombinierte Schutz- und Drainagebahn Droptec G 20 EX. Der Geoverbundstoff besteht aus Polyethylen-Schaumflocken in unterschiedlicher Körnung und einem aufkaschierten, mechanisch verfestigten Vliesstoff als Filterlage. Die Polyethylen-Schaumflocken sind Primärrohstoffe, die in einem thermischen Prozess, ohne Verwendung von Kleber oder chemischen Zusätzen, dauerhaft verbunden werden. Längsrillen an der Unterseite der Bahn sorgen für eine hohe Entwässerung in der Ebene. Der verwendete PE-Schaum ist dauerelastisch und widerstandsfähig. Auch bei höheren Schütthöhen und grobkörnigerem Material ist der Schutz der Abdichtung dauerhaft optimal gewährleistet.


Standsicherheitsberechnung

Die Oberseite der hier verwendeten Bentomat Cl 1,0 ist glatt. Um daher die Böschungsstandsicherheit im Vorfeld sicher nachzuweisen, wurde ein direkter Scherversuch zur Bestimmung der Kennwerte in der Fuge Bentomat Cl 1,0 vs. Droptec G 20 EX durchgeführt. Der Prüfbericht vom Institut für textile Bau- und Umwelttechnik, tBU Greven, mit der Bestimmung des Scherverhaltens zwischen Bentomat CL 1,0 (Folienseite) und Droptec G 20 EX (Unterseite) zeigt einen Kontaktreibungswinkel von d = 10,6° und eine Adhäsion von a = 3,3 kPa. Eine vereinfachte Betrachtungsweise erlaubt für den Endzustand, ohne Berücksichtigung der Adhäsion (konservative Annahme), die Verlegung von Bentomat CL 1,0 und Droptec G 20 EX auf Böschungen bis zu einer Neigung von ca. b = 8 ° (Neigung ca. 1 : 7, entsprechend ca. 14%). Um in Zukunft auch Böschungen mit größeren Neigungen mit diesem System abdichten zu können, wird derzeit ein Produkt entwickelt, welches eine sandrauhe Oberfläche aufweist.


Rekultivierungsschicht

Einbau der Rekultivierungsschicht

Der Rekultivierungsboden wurde nach den Vorgaben des landschaftspflegerischen Begleitplanes auf die mit einem Vlies abgedeckte mineralische Drainage im Vor-Kopf Einbau aufgebracht. Im Bereich der geplanten Waldflächen mit Bäumen zweiter Ordnung beträgt die Mächtigkeit ca. 2 m, in den übrigen Bereichen ca. 1 m. Für die Rekultivierungsschicht ist es in ausgewählten Bereichen vorgesehen, Trocken- bzw. Magerstandorte aufzubauen. Weiterhin ist die Anlage von mehreren Feuchtbereichen und eines Wegesystems vorgesehen, welches von der Öffentlichkeit genutzt werden kann.

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