Internationaler Stand der in-situ Behandlung für bergbauversauerte Wässer

Internationaler Stand der in-situ Behandlung für bergbauversauerte Wässer Ralph Schöpke amd = acid mine drainage engl. AMD = bergbauversauerte Wässer dt.

Internationaler Stand der in-situ Behandlung für bergbauversauerte Wässer

Über das Ausmaß der durch Altbergbau verursachten Schäden an Grund- und Oberflächengewässern gibt es keine zuverlässigen Statistik. Es ist jedoch davon auszugehen, dass in Europa mehrere 10.000 bis 100.000 Grubenwasseraustritte mit sauren Wässern existieren, von denen ein potenzielles Risiko für die Umwelt ausgeht. Wolkersdorfer, Younger & Bowell (2006)

Internationaler Stand der in-situ Behandlung bergbauversauerter Wässer (AMD) 1. Einleitung 2. Wie entstehen bergbauversauerte Wässer und wo treten sie auf ? • 3. Wie sind bergbauversauerte Wässer beschaffen ? • Analyse, Messung • Formen, Reaktivität • Milieufaktoren 4. Welche Behandlungsmöglichkeiten gibt es überhaupt ? 5. Welche in-situ Verfahren kommen international zur Anwendung ? 6. Wie ist der Stand ? (Zusammenfassung)

saures Sickerwasser gepuffertes Grundwasser gepuffertes Grundwasser

pH 4...6 pH < 3 gepuffertes Grundwasser

Acid Rock Drainage pH < 3 Bulk Wasser pH 4...6

H+ Fe3+ Korrosion Beschaffenheitsprobleme Säure Sulfat SO4 Toxische Inhaltstoffe Betonkorrosion

3+ Al Mn2+ 2+ 2+ Ca Fe 2+ Mg Na+, K+, NH4+ 2 - SO - - Cl Cl 4 mmol/L 50 K = S4,3 - ) c (HCO 3 - HSO 4 H+ Al 2+ Fe3+ 2+ Mg Ca 2 - SO 4 mmol/L 50 Pyritverwitterung anoxisches AMD pH= 4 ... 6 HCO3 Fe(OH)3 oxisches AMD pH < 3

Mn2+ + 1/2 O2 + H2O MnO2 + 2H+ H Cl NaOH Fe2+ + ¼ O2 + 5/2 H2O Fe(OH)3 + 2H+ Aciditätsmaß Neutralisationspotenzial nach Evangelou, angepasst Säurekapazität KS4,3 = -KB4,3 Die Reduktion der Aciditätsfunktion auf einen skalaren Wert ist für verfahrenstechnische Berechnungen notwendig.

Genese von AMD - NP [mmol/L] 40 20 AMD 10 20 c 30 SO4 [mmol/L] Pyritverwitterung Pufferung

- NP Pyritverwitterung [mmol/L] 120,0 80,0 40,0 0,0 c [mmol/L] 20 40 60 80 SO4 Pufferung in situ - Beschaffenheitsverteilung

- NP [mmol/L] 120,0 80,0 40,0 0,0 c [mmol/L] 20 40 60 80 SO4 gefördertes Grubenwasser in situ - Beschaffenheitsverteilung

Acid Rock Bulk - Wässer Drainage pH 2,50 3,50 4,50 5,50 6,50 oxidierend reduzierend - NP [mmol/L] 140,0 80,0 40,0 schwach versauert Grundwässer 0,0

0,0 Fe Ca - 2,0 SO4 Cl HCO3 Al Mg NH4 Mn U F - 4,0 As Co Sr Zn Th - 6,0 Ba NO3 Cu Cd PO4 - 8,0 Pb - 10,0 Ra - 12,0 Pb - 210 H+ log c

kritische Parameter: • Acidität als niedriger pH-Wert oder als • hohe Eisen(II)konzentration • Salzbelastung durch Sulfat Milieukomponenten • Schwermetalle, darunter • Arsen, Zink • Radioaktivität, speziell des • Radiums und des • Urans Spurenkomponenten

Internationaler Stand der in-situ Behandlung bergbauversauerter Wässer (AMD) 1. Einleitung 2. Wie entstehen bergbauversauerte Wässer und wo treten sie auf ? • 3. Wie sind bergbauversauerte Wässer beschaffen ? • Analyse, Schadstoffe, Messung • Formen, Reaktivität, • Milieufaktoren 4. Welche Behandlungsmöglichkeiten gibt es überhaupt ? 5. Welche in-situ Verfahren kommen international zur Anwendung ? 6. Wie ist der Stand ? (Zusammenfassung)

4. Welche Behandlungsmöglichkeiten gibt es überhaupt ? Wirkprinzipien: Verdünnung mit gepuffertem Wasser (auch Fremdflutung genannt) Neutralisation Sulfatreduktion Folgereaktionen Fällung Sorption Technologische Randbedingungen (nach Altlastensanierung): Was wollen wir behandeln ? Wo wollen wir behandeln ? Wie wollen wir behandeln ?

Was:Herd - Pfad - end of pipe Wo: in-situ - ex-situ Herd Pfad end of pipe Wie:technisch - naturnah

diffus, technisch, technisch, in - situ ex - situ in - situ Wie:technisch - naturnah technisch naturnah

Grubenwasserbehandlung Natural Attenuation Passive Reaktive Wand Barytverfahren Diffuser Untergrundreaktor Passive Behandlungsverfahren Was pump and treat pump and treat Passive Verfahren zur AMD-Behandlung Bodenaushub Natural Attenuation (NA, MNA, ENA) Immobilisierung, Einkapselung, Abbau Dichtwände Passive Reaktive Wände oder Reaktive Barrieren einschl. funnel and gate-Verfahren Diffuse Untergrundreaktoren pump and treat mit Untertagereaktoren Wo

5. Welche in-situ Verfahren kommen international zur Anwendung ? Beispiele Vom wetland zur (permeablen) Passiven Reaktiven Wand Alternative Erzeugung eines Untergrundreaktors Einsatz von Fe0 inPassiven Reaktiven Wänden Neutralisationam BeispielPassiver Reaktiver Wände Immobilisierung durch Fällungen im PorenraumBarytverfahren

Passive Verfahren zur AMD-Behandlung am Beispiel von wetlands organisches Material CaCO3 - NP - NP [mmol/L] [mmol/L] 140 120 80 80 40 40 0 c [mmol/L] 0 20 40 60 80 SO4 pH 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5

Passive Reaktive Wände oder auch Permeable Reaktive Wände - NP - NP [mmol/L] [mmol/L] 140 120 80 80 40 40 0 Bau einer Reaktiven Wand c [mmol/L] 0 20 40 60 80 SO4 pH 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5

Alternative Erzeugung eines Untergrundreaktors Dosiertechnik Förderbrunnen Schluckbrunnen Sulfatreduktion als Untergrundbehandlung: Eintrag von Substrat und Hilfsstoffen in den Grundwasserstrom

Messstelle zur Kontrolle potenziell saurer Kippengrundwasserstrom pH=4,3 NP= -7 mmolL

Dosierung für Substrat, Hilfsstoffe saniertes Grundwasser substratangereicherter Bereich potenziell saurer Kippengrundwasserstrom

ADAG-Systeme Längsschnitt Kollektor Distributor Draufsicht

Einsatz von Fe0,z.B. inPassiven Reaktiven Wänden Acid Rock Bulk - Wässer Drain age D NP=0 R Folgereaktion Folgereaktion Sulfatreduktion Sulfatreduktion DRNP = 0 - NP [mmol/L] - NP 140,0 [mmol/L] 120 80,0 80 40,0 40 schwach versauert 0 0,0 Grundwässer pH c [mmol/L] 2,50 3,50 4,50 5,50 6,50 20 40 60 80 SO4 starkes Reduktionsvermögen Cr(VI)  Cr(III,)Fällung als Cr(OH)3 U(VI)  U(IV) Fällung als UO2 Tc(VII)  Tc(IV) Hg(II)  Hg(I) oder Hg(0) Se(VI, IV)  Se(0) oder Se(-2) Cu(II)  Cu(0) V(V)  V(IV) oder V(III) Pu(V,VI)  Pu(IV) Pu(III) löslich! NP(V)  NP(IV) Te(IV)  Te(0) Po(II)  Po(0) Ag(I)  Ag(0) Pd(II)  Pd(0) Rh(III)  Rh(0) Uranylreduktion und Fixierung als UO2 Arsen, Schwermetalle als Sulfide Schwermetalle als Carbonate, Hydroxide Radium sorptiv (?) Halogenkohlenwasserstoffe

Neutralisation am Beispiel Passiver Reaktiver Wände - NP - NP [mmol/L] [mmol/L] 140 120 80 80 40 40 0 c [mmol/L] 0 20 40 60 80 SO4 pH 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 HSO4 - Fe – Al - HCO3 Puffer Kalkstein, Dolomit Braunkohlefilterasche Bauxsol™, behandelter Rotschlamm Sodalith aus Rotschlamm

Immobilisierung durch Fällungen im PorenraumBarytverfahren - NP - NP [mmol/L] [mmol/L] 140 120 80 80 40 40 0 c [mmol/L] 0 20 40 60 80 SO4 pH 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5

6. Wie ist der Stand ? (Zusammenfassung) Es wurden über 270 Zitate zur Behandlung von AMD ausgewertet: • Hauptwirkprinzipien sind: • Reduktion, speziell die Sulfatreduktion, • die Neutralisation • Sorption • Fällung

Am häufigsten werden Passive Reaktive Wände angewendet. Die eingesetzten reaktiven Materialien und die Bemessung der Wände erfolgt standortabhängig optimiert. Jede durchgeführte erfolgreiche Sanierung stellt damit einen Einzelfall dar. Die Ergebnisse der jeweiligen wissenschaftlichen Begleitung lassen sich aber auf ähnliche Fälle anwenden. z.B. über Parameter für geochemische Berechnungen (mit PhreeqC)

Literatur (Auswahl) Koch, R.; Schöpke, R. (2006): Recherche zu innovativen Entwicklungen und Verfahren zur in-situ-Grundwassersanierung - für die Wismut AG, Chemnitz Wolkersdorfer, C.; Younger, P.L. (2002): Passive Grubenwasserreinigung als Alternative zu aktiven Systemen; Grundwasser 7 (2002) 2, S.78-86 Schöpke, R.(1999): Erarbeitung einer Methodik zur Beschreibung hydrochemischer Prozesse in Kippengrundwasserleitern; Dissertation BTU Cottbus LS Wassertechnik, Schriftenreihe Siedlungswasserwirtschaft und Umwelt, Heft 2 Evangelou, V.P. (1995): Pyrite oxidation and its control; CRC Press Boca Raton New York London Tokio Ich danke der Gruppe des LS Wassertechnik & Siedlungswasserbau unter Leitung von Professor R. Koch, den Gutachtern, den Geldgebern, **** der ganzen Welt. Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit notfalls beantworte ich auch noch Fragen

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