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Vortrag bei der Fachsektion Hydrogeologie in der DGG Darmstadt 21. Mai 2004

Prof. Dr. Ulrich Förstner. Tp0007//99. Vortrag bei der Fachsektion Hydrogeologie in der DGG Darmstadt 21. Mai 2004 Heilt die Zeit auch unsere Umweltschäden? Nachhaltigkeit aus der Sicht eines Geochemikers. Geochemie und Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Naturnahe Technologien.

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Vortrag bei der Fachsektion Hydrogeologie in der DGG Darmstadt 21. Mai 2004

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  1. Prof. Dr. Ulrich Förstner Tp0007//99 Vortrag bei der Fachsektion Hydrogeologie in der DGG Darmstadt 21. Mai 2004 Heilt die Zeit auch unsere Umweltschäden? Nachhaltigkeit aus der Sicht eines Geochemikers Geochemie und Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Naturnahe Technologien

  2. Geochemie und Nachhaltigkeit Befunde, Konzepte, Strategien

  3. Leitbild Nachhaltigkeit (1) – Rohstoffverbrauch Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Beispiel: Kiesbildung und Kiesnutzung im Raume Schweiz 109 m3 (1990) 109 m3 Quelle: Baccini (1992)

  4. Leitbild Nachhaltigkeit (2) – Schadstoffbelastung Standard Ecocapacity Trend bis 2040 notwendige Reduktion betrachteter Raum Indikator Cadmium 2 t/a 50 t/a 95 % national (NL) Kupfer 70 t/a 830 t/a 90 % national (NL) Blei 58 t/a 70 t/a 90 % national (NL) Zink 215 t/a 5190 t/a 95 % national (NL) 400 Säure- äquivalente / ha * a 2400 bis 3600 Säureäquivalente / ha * a 85 % Säureeintrag kontinental Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien besonders effizient ist die kombinierte Verminderung von Schwermetallen und Säureeinträgen Beispiel: Aufnahmekapazität der Böden in den Niederlanden Quelle: Weterings & Opschoor (1992)

  5. Befund und Konzept „Verzögerte Reaktionen“ – Stigliani (1988) Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien „Umweltschutz über Ökosysteme als Indikatoren ist eigentlich Späterkennung“ (Baccini & Bader 1996) Großer Elchsee Adirondacks NY Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien

  6. Konzept „Gekoppelte geochemische Faktoren“ - Salomons (1993) Langzeitprognose (Trennung, Anreicherung) Milieu- auswahl Zuschlagstoffe, Speicherminerale Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Freisetzungs-prozesse Steuer-prozesse Kapazitäten Kationen- austausch-, Sorptions-, Speicher-, Puffer- Kapazität Redox, pH Schad- stoffe

  7. Praxisbeispiele „Ingenieurgeochemie“ – Schuiling, v. d. Sloot u.a. Zeolith aus Kohleflugasche Quelle: Steenbruggen & Hollman (1998) Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Selbstverfestigung, Verdichtung, Selbstheilung von Klüften .... Mineralneubildung aus Reststoffen • 10-7 schichtförmige Anordnung 70 mm Flugasche 70 mm Jarosit von unten her durchströmt 10-8 Durchlässigkeitsbeiwert (m/s) • 10-9 • • • • 10-10 60 0 120 30 90 Alterungszeit (Tage) Quelle: Ding et al. (1998)

  8. Konzept „Innere Barrieresysteme“ – Bambauer & Pöllmann (1998) Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Innere Barrieresysteme aus neugebildetenn Speichermineralien und Porenfüllungen Reaktive Barriere Innere Barriere Äußere Barriere Geologische Barriere

  9. Bedeutung einzelner „Barrieren“ in Reaktor- u. Inertstoffdeponien Inertstoff- deponie ++++ + + ++++ + (+) Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Schadstoff- „Barriere“ Charakterisierung der Barrierewirkung Reaktor- Deponie 1 Vorbehandlung Schadstoffentnahme, Konditionierung + 2 Geologie Geowissenschaftliche Standortwahl ++ 3 Abdichtung Sohl-, Wand- u. Oberflächendichtung +++ 4 „Innere“ Barriere Immobilisierung von Schadstoffen + 5 Entsorgung +++ Sickerwasser-/Deponiegasbehandlung 6 Nachsorge Kontrolle und Überwachung ++

  10. Indikatoren Zeitskalen für Grundwasserverunreinigungen, medien- und flussgebietsübergreifende Schäden

  11. Indikatoren für das Leitbild „Nachhaltige Entwicklung“ Produktgestaltung Verhaltensweisen Handlungs- strategien Ressourcen- schonung Abfallvermeidung Schadstoffminderung Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Sachbilanz Input Output Material Energie Wasser Abfall Emissionen Abwasser Wirtschaft und Gesellschaft Wirkungs- abschätzung 10 Kategorien für die Abschätzung von Umwelteffekten Rohstoffverbrauch, Flächenverbrauch, Treibhauseffekt, Bildung von Photooxidantien, Ozonabbau, Ökotoxizität, Humantoxizität, Lärm, Versauerung, Eutrophierung Bewertung

  12. Zeitskalen von Grundwasserverschmutzungen Sulfate, Schwermetalle Monate/ Jahre Saure Sickerlösungen aus Bergbauabfällen Jahre Deponiesickerwässer Bor, Sulfat, Arsen Jahrzehnte Calcium, Aluminium, Schwermetalle Intensivversauerung von Waldböden Jahrhunderte Nutzungsänderung von Land- zur Forst-wirtschaft (pH-Senkung) Schwermetalle Jahrtausende Sickerwässer aus Schlackendeponien Schwermetalle ? Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Dauer Ursache – Prozess Indikator – Schadstoff Tage/ Wochen Straßenstreusalz,Unfälle, Leckagen Chloride, Öl, Benzol, Chlorkohlenwasserstoffe Wochen/ Monate Landwirtschaft Nitrat, Pestizide

  13. Medienübergreifende Effekte – Reaktionen mit Feststoffphasen Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Wasser / Abwasser Luftbelastung Abfall / Boden Anreicherung von gelösten und feindispersen Schad- stoffen an Feststoffen Baggerschlamm 1 Klärschlamm 2 Schadstoffe + Luftimmissionen Säure Bodenreaktion 2a Sickerwasser Reaktionen in 3 Grundwasser Altlasten und Deponien 3a Deponiegas

  14. Cadmiumaufnahme mit Nahrungsmitteln – Rhein-Einzugsgebiet Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Saure Niederschläge sind im Rhein-Einzugsgebiet eher ein mittelfristiges Problem Quelle: Stigliani und Jaffe

  15. Auswirkungen von Klimaänderungen auf Böden und Gewässer Hydrodynamik Niederschlag (episodisch) § Erosion § Umlagerung partikulärer Schadstoff- Transport Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Klimaänderung Niederschlag Temperatur Wasserbilanz (jährlich und saisonal) mikrobielle Prozesse Bodenfeuchtigkeit Sickerwasserrate Bewässerung Nitrifikation organische Substanz Bodenstruktur KAK pH Redox Versalzung pH Bodenstruktur Quelle: Stigliani

  16. Überflutungssedimente – Beispiele und übliche Maßnahmen Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien übliche Maßnahmen Messung der Belastung in Böden, Sedimenten, sowie im Grundwasser; zeitweilige Nutzungs-beschränkungen Flutereignisse Rhein 1992, Oder 1997, Elbe 2002 Bergbau-Unfälle Guadiamar 1998, Vasar/Theiss 2000 Überflutung vonDeichvorländern Auen und Marschen als Senken fürbelastete Flusssedimente, z. B. Elbe Spittelwassergebiet und Mulde Dioxine/Furane [ng PCDD/F / kg] Ortschaft Greppin bis 5.590 ng/kg Ortschaft Jessnitz bis 2.540 ng/kg Muldenaue bis 57.700 ng/kg Flussbänke bis 27.600 ng/kg Hafenschlick Hamburg

  17. Langzeitprognosen für Deponien, Sickerwässer und Untergrund

  18. Steuer- potentiale Matrix- eigenschaften • Matrixkapazität • Redoxpuffer • Säurepuffer • Sorptionskapazität • verbraucht? Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Langzeitprognosen im Leitbild „Nachhaltige Entwicklung“ Faktor „Zeit“ kontaminierte Feststoffe Belastungsgrenzen überschritten? Zeitraffer- experimente Langzeitprognosen

  19. Langzeitprognose: Redoxkapazität in Fluss- und Grundwässern Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Quelle: Heron et al. (1994)

  20. Änderung von Wasser- und Feststoffeigenschaften unter Deponien sulfidisch Änderung der festen Eisen- spezies Fe(III)-Oxide Fe(II)in 5M HCl Fe(III) nicht extrahierbar 0 m 500 m Quelle: Christensen et al. (2000) Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien bioverfügbare organische Substanz aerob methanogen sulfidisch Fe/Mn-Reduktion NO3-Reduktion Grundwasser

  21. Arsen-Freisetzung aus Deponien und Böden 2. Boden/Grundwasser „Die größte Massenvergiftung der Geschichte“ (nach WHO) ist eine Arsen-Verschmutzung im Trinkwasser von über 30 Millionen Menschen in Bangladesh. Als Ursache wird auch hier die Auflösung von Eisenoxiden als bevorzugte Arsen-Träger durch überhöhte Einträge von organischen Substanzen in den Boden angesehen (Harvey et al., 2002). Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien KF Bor Ammonium 1. Deponie/Grundwasser Freisetzung von Arsen aus dem Deponiekörper als Folge von Reduktionsprozessen während der frühen anaeroben Phase in der Entwicklung einer sog. „Reaktordeponie“. Die Eisenoxide als bevorzugte Arsen-Senken werden aufgelöst. 60 Abstrom KF = Zustrom 50 40 Arsen Konzentrationsfaktor KF im Grundwasser Nitrat 30 20 Chlorid Cadmium 10 0 Quelle: Arneth et al.

  22. Erkenntnisse zum Leitbild „Endlager* in der Abfallwirtschaft“ Corg Cl- N Zn 1 a 10 a 100 a 1000 a abgeschätzte Zeitspannen (Jahre), bis umweltverträgliche Frachten im Sickerwasser erreicht werden Quelle: Belevi & Baccini Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Abschätzung der jährlichen Konzentrationszunahme im Grundwasser**, nachdem die Abdichtungen der Deponie nicht mehr funktionstüchtig sind (50 Jahre) ** Modellregion „Metaland“ (Baccini et al. 1992) * „Eine Deponie, deren Stoffflüsse in die Umwelt (Luft, Wasser und Boden) sowohl kurz- wie langfristig ohne Nachbehandlung umweltverträglich sind“ (Schweizerisches Bundesamt für Umweltschutz 1986) „Organische Stoffe gehören nicht in ein Endlager“

  23. Stabilität von Müllverbrennungsresten unter Deponiebedingungen Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Ca-Silikate, HCO3- Ca(OH)2 , u.a. Basen CaCO3 Hagenholz 3 Monate Waldstraße Uster 6 Jahre Waldstraße Maur 17 Jahre Deponie Riet 10 Jahre Quelle: Baccini et al. (1993) 0,5 1,0 1,5 0 Pufferkapazität, mmol/g Müllverbrennungsschlacke

  24. Prognose: Sickerwässer aus Müllschlacken-Deponien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Quelle: EKESA (1992)

  25. Langzeitentwicklungen von Reaktor- und Inertstoffdeponien Salz-lösung MVA CASH-Minerale Sickerwasser Schlackendeponie (Karbonat-Lösung) Kolloid- transport Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Monate Jahre Jahrzehnte Jahrhunderte Jahrtausende Deponie-Sickerwasser saure Phase Deponie-Sickerwasser Methanphase Erosions- und Glazial-Ereignisse Sulfid- oxidation Sickerwasser postmethanogere Reaktordeponie Zunahme der Prognose-Unsicherheit

  26. Naturnahe Technologien für Böden und Gewässersedimente

  27. Sedimentprobleme in einem Flusseinzugsgebiet Bergwerk Niederschlag See Hof Rückhaltebecken Deponie Blei-Schrot Stausee Stadt Kläranlage Altdeponie Baggergut-Spülfeld Baggergut-verklappungs-gebiete Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien In-Situ-Bindung Luftemissionen Monitored Natural Attenuation Subaquatisches Depot + Aktive Abdeckung Schadstoff-Anreicherungen

  28. Vor-Ort-Reinigung von Bergbauwässern mit passiven Barrieren Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Elbe Mulde- stausee Erste Phase Zweite Phase

  29. Materialien für den Einsatz in Reaktions- und Sorptionswänden Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Mikroorganismen Zeolithe Torf 2% 6% Sägemehl 6% Chitosan 2% 2% Branntkalk 5% Null- wertiges Eisen 45% Nullwertiges Fe & schwefelhaltige Materialien 2% Tensidmodifizierte Silikate 2% Geochemische Fixierung 5% andere 17% Eisen(III)-Oxidhydroxid Schwefelwasserstoff 2% 4% Quelle: Birke (2002)

  30. Mechanismen für den natürlichen Rückhalt von Schadstoffen „Diagenese“ „Natürlicher Rückhalt“ Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Wirkung Ursache (Beispiel) Kompaktion Abnahme der Entwässerung • Erodierbarkeit • Durchlässigkeit Konsolidation Porenmodifikation • Reaktivität Rekristallisation Adsorption verringerte Schadstoff- Absorption • Mobilität Mitfällung • Verfügbarkeit Okklusion • Giftigkeit Dünnschliff-Foto: Dr. Joachim Gerth

  31. Arsenbindung an Eisenoxidoberflächen – Einfluss der Kontaktzeit 30 25 20 Immobilisiertes Arsen [%] 15 16 h 10 168 h 5 0 2 4 6 8 10 pH Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Gerth et al. (2001) ( Gerth et al. 2001)

  32. Arsenbindung an Eisenoxidoberflächen – Einfluss der Verdünnung 100 80 60 % Sorption 5 µmol/g 25 µmol/g 40 50 µmol/g 100 µmol/g 20 250 µmol/g 500 µmol/g 0 3 5 7 9 11 pH Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Gerth et al. (2001) ( Gerth et al. 2001)

  33. Sicherung kontaminierter Sedimente – Aktive Barriere Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Quelle: Jacobs (2003)

  34. Subaquatisches Depot + Aktive Barriere – Projekt Hitzacker/Elbe Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Elbe Quelle: Jacobs & Förstner (2002)

  35. Zeolith als chemische Barriere – Prüfung der Rückhaltewirkung Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Quelle: Jacobs (2003)

  36. Ausbreitung von Schadstoffen aus subaquatischen Depots Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Dispersion von γ-HCH in 10.000 Jahren: Prognose für Schlickdepot Hollandse Diep Quelle: DEPOTEC (2002)

  37. von den grundlegenden Erfahrungen zu Problemlösungen Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Befunde und Konzepte 1) Verzögerte Reaktionen (Großer Elchsee) Langzeitprognosen 2) Medienübergreifende Effekte (Boden-pH) Frühwarnindikatoren Mess-Strategien und Maßnahmen 1) Steuerprozesse und Pufferkapazitäten Technische Geochemie 2) Indikatoren u.a. für Deponiesickerwässer Sickerwasserprognose Technische Geochemie • Vorbehandlung (Inertstoffdeponie) • Milieuauswahl (Unterwasserdepot) • Speicherminerale • Reaktionswände • natürlicher Rückhalt und Abbau

  38. Forschungsprogramme zum Boden- und Grundwasserschutz • Deutsche Forschungsgemeinschaft • DFG-Schwerpunkt „Geochemische Steuerprozesse mit Langzeitfolgen • im anthropogen beeinflussten Sickerwasser und Grundwasser“ (1996 – 2002) • Bundesministerium für Bildung und Forschung • BMBF-Verbund „Langzeitverhalten von Deponien“ (1993 – 1997) • BMBF-Verbund „Sickerwasserprognose“ (2001 – 2004) • BMBF-Verbund „Reaktive Wände“ (RUBIN, 2001 – 2005) • BMBF-Verbund „Kontrollierter Rückhalt und Abbau“ (KORA, 2003 - 2006) • Forschungsprogramme der Europäischen Kommission • Verbundprojekt „AQUATERRA“ im 6. EU-Rahmenprogramm (ab 2004) Herzlichen Dank!

  39. Forschungsprogramme zum Boden- und Grundwasserschutz • Deutsche Forschungsgemeinschaft • DFG-Schwerpunkt „Geochemische Steuerprozesse mit Langzeitfolgen • im anthropogen beeinflussten Sickerwasser und Grundwasser“ (1996 – 2002) • Bundesministerium für Bildung und Forschung • BMBF-Verbund „Langzeitverhalten von Deponien“ (1993 – 1997) • BMBF-Verbund „Sickerwasserprognose“ (2001 – 2004) • BMBF-Verbund „Reaktive Wände“ (RUBIN, 2001 – 2005) • BMBF-Verbund „Kontrollierter Rückhalt und Abbau“ (KORA, 2003 - 2006) • Forschungsprogramme der Europäischen Kommission • Verbundprojekt „AQUATERRA“ im 6. EU-Rahmenprogramm (ab 2004) Herzlichen Dank!

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