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

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

2 Internationaler Stand der in-situ Behandlung für
bergbauversauerte Wässer

3 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 bis Grubenwasseraustritte mit sauren Wässern existieren, von denen ein potenzielles Risiko für die Umwelt ausgeht. Wolkersdorfer, Younger & Bowell (2006)

4 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)

5 saures Sickerwasser gepuffertes Grundwasser gepuffertes Grundwasser

6 pH 4...6 pH < 3 gepuffertes Grundwasser

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

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

9 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)

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

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

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

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

14 0,0 40,0 80,0 120,0 - NP [mmol/L] 20 40 60 80 c SO4 gefördertes Grubenwasser in situ - Beschaffenheitsverteilung eventuell wegkürzen

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

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

17 kritische Parameter: Milieukomponenten Spurenkomponenten
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

18 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)

19 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 ?

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

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

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

23 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)

24 5. Welche in-situ Verfahren kommen international zur Anwendung ?
Beispiele Vom wetland zur (permeablen) Passiven Reaktiven Wand Alternative Erzeugung eines Untergrundreaktors Einsatz von Fe0 in Passiven Reaktiven Wänden Neutralisation am Beispiel Passiver Reaktiver Wände Immobilisierung durch Fällungen im Porenraum Barytverfahren

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

26

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

28 Alternative Erzeugung eines Untergrundreaktors
Dosiertechnik Förderbrunnen Schluckbrunnen Versuchsanlage am Südanstrom des Senftenberger Sees. Sulfatreduktion als Untergrundbehandlung: Eintrag von Substrat und Hilfsstoffen in den Grundwasserstrom

29 Messstelle zur Kontrolle
Anordnung der Brunnen und der Messstelle. Die Messstelle für den unbeeinflussten Zustans (B5) ist nicht eingezeichnet. potenziell saurer Kippengrundwasserstrom pH=4,3 NP= -7 mmolL

30 saniertes Grundwasser
Dosierung für Substrat, Hilfsstoffe saniertes Grundwasser Funktionsweise der Anlage substratangereicherter Bereich potenziell saurer Kippengrundwasserstrom

31 ADAG-Systeme Längsschnitt Kollektor Distributor Draufsicht

32 Einsatz von Fe0, z.B. in Passiven Reaktiven Wänden
- NP [mmol/L] Acid Rock Drain age - NP Bulk - Wässer 140,0 [mmol/L] 120 80,0 80 D R NP=0 Folgereaktion Sulfatreduktion 40 40,0 schwach versauert 0,0 Grundwässer 20 40 60 80 c [mmol/L] SO4 2,50 3,50 4,50 5,50 6,50 pH DRNP = 0 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

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

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

35 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)

36 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

37 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)

38 Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit
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