Heilt die Zeit auch unsere Umweltschäden? 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 Prof. Dr. Ulrich Förstner Tp0007//99

Geochemie und Nachhaltigkeit Befunde, Konzepte, Strategien

Leitbild Nachhaltigkeit (1) – Rohstoffverbrauch Beispiel: Kiesbildung und Kiesnutzung im Raume Schweiz Geogen Anthropogen Zeitperiode 100.000 – 10.000 v.u.Z. 1850 – 1990 Dauer 105 Jahre 102 Jahre Bildungsrate 105 m3/ Jahr Nutzungsrate 107 m3/Jahr Lager 1010 m3 (1850) „verfügbar“ (1990) a a gemäß heutigen Nutzungsplänen 109 m3 (1990) 109 m3 Quelle: Baccini (1992) Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien

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

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

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

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

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

Bedeutung einzelner „Barrieren“ in Reaktor- u. Inertstoffdeponien ++++ + (+) 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 ++ Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien

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

Indikatoren für das Leitbild „Nachhaltige Entwicklung“ 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 Produktgestaltung Verhaltensweisen Abfallvermeidung Schadstoffminderung Ressourcen- schonung Handlungs- strategien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien

Zeitskalen von Grundwasserverschmutzungen Dauer Ursache – Prozess Indikator – Schadstoff Tage/ Wochen Straßenstreusalz, Unfälle, Leckagen Chloride, Öl, Benzol, Chlorkohlenwasserstoffe Wochen/ Monate Landwirtschaft Nitrat, Pestizide Monate/ Jahre Saure Sickerlösungen aus Bergbauabfällen Sulfate, Schwermetalle Bor, Sulfat, Arsen Deponiesickerwässer Jahre Jahrzehnte Intensivversauerung von Waldböden Calcium, Aluminium, Schwermetalle 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

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

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

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

Überflutungssedimente – Beispiele und übliche Maßnahmen Flutereignisse Rhein 1992, Oder 1997, Elbe 2002 übliche Maßnahmen Messung der Belastung in Böden, Sedimenten, sowie im Grundwasser; zeitweilige Nutzungs-beschränkungen Bergbau-Unfälle Guadiamar 1998, Vasar/Theiss 2000 Überflutung von Deichvorländern Auen und Marschen als Senken für belastete 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 Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien

für Deponien, Sickerwässer und Untergrund Langzeitprognosen für Deponien, Sickerwässer und Untergrund

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

Oberflächengewässer* Langzeitprognose: Redoxkapazität in Fluss- und Grundwässern Oberflächengewässer* Grundwasser** Konzen-tration OxiKap (equiv/m3) RedKap O2 10 mg/l 1,25 10 mg/l 0,44 Mnfest 1 mg/l 0,002 0,3 mg/l 18 Mngelöst 0,01 mg/l 0,0004 0,0001 Fefest 50 mg/g 0,09 6 mg/g 175 Fegelöst 0,05 mg/l 0,002 0,1 mg/l 0,001 S(II)fest – 0,3 mg/g 12 *für Schwebstoffgehalt von 50 mg/l **für Porosität 0,35, Dichte 1,6 kg/l Quelle: Heron et al. (1994) Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien

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

Arsen-Freisetzung aus Deponien und Böden 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 = 50 Zustrom 40 Arsen 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). Konzentrationsfaktor KF im Grundwasser Nitrat 30 20 Chlorid Cadmium 10 Quelle: Arneth et al. Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien

Erkenntnisse zum Leitbild „Endlager* in der Abfallwirtschaft“ Abschätzung der jährlichen Konzentrationszunahme im Grundwasser**, nachdem die Abdichtungen der Deponie nicht mehr funktionstüchtig sind (50 Jahre) 1 a 10 a 100 a 1000 a Zn Corg Cl- N abgeschätzte Zeitspannen (Jahre), bis umweltverträgliche Frachten im Sickerwasser erreicht werden Quelle: Belevi & Baccini Corg mg/l Cl- Zn µg/l Sickerwasser nach 50 Jahren 600 500 unbelastetes Grundwasser 0,5 3 5 jährliche Zunahme (mg/l) 0,24 0,20 jährliche Zunahme (%) 50 % 7 % 5 % ** 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“ Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien

Stabilität von Müllverbrennungsresten unter Deponiebedingungen 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 Pufferkapazität, mmol/g Müllverbrennungsschlacke Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien

Prognose: Sickerwässer aus Müllschlacken-Deponien Phase 1 pH 8,3 und höher Calcium 520 mg/l Chlorid 100 – 5000 mg/l Sulfat Chrom 13 µg/l Zink 4 µg/l Dauer Jahrzehnte Phase 2 7,3 – 8.3 16- 60 mg/l < 100 mg/l wenig verändert? unverändert Jahrhunderte Phase 3 < 5- 6 < 16 mg/l < 100 mg/l wie Phase 2 hoch Jahrtausende Quelle: EKESA (1992) Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien

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

Naturnahe Technologien für Böden und Gewässersedimente

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

Vor-Ort-Reinigung von Bergbauwässern mit passiven Barrieren Elbe Mulde- stausee Erste Phase Zweite Phase Säureneutrali- sationskapazität Spezifische Oberfläche Flugasche 29 mMol/g 10,3 m2/g Rotschlamm 3,25 mMol/g 27,8 m2/g Calcium-Bentonit 0,56 mMol/g 55,1 m2/g Zeolith 0,005 mMol/g 15,0 m2/g Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien

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

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

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

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

Behandlung kontaminierter Überflutungssedimente (Beispiele) Art der Behandlung Schadstoffe Technisches Konzept Stimulierung von mikrobiellen Abbau- prozessen organische Schad- stoffe (PAK, Mineralöl, etc.) verstärkter Schadstoffabbau durch veränderte Milieu bedingungen: Intensivierung in der Nähe von Pflanzen Sorption und Immobi- sierung an Feststoffen Metalle Bindung an Hydroxide oder schwerlösliche Komplexe im Nahfeld von Pflanzenwurzeln (Phytostabilisierung) reduzierte Advektion zum Oberflächenwasser alle Schadstoffe Verringerung der Ufer- Erosion und generell von Aus- wasch Effekten durch eine verstärkte Durchwurzelung verringerter Transport in das Grundwasser alle Schadstoffe Erhöhung des hydraulischen Widerstands durch eine Abschirmung aus Ton bzw. tonigen Sedimenten Quelle: Joziasse & Van der Gun (2000) Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien

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

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

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

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

von den grundlegenden Erfahrungen zu Problemlösungen 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 Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien

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!

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!