Internationaler Stand der in-situ Behandlung für bergbauversauerte Wässer
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Internationaler Stand der in-situ Behandlung für bergbauversauerte Wässer
amd = acid mine drainageengl.
AMD = bergbauversauerte Wässerdt.
Ralph Schöpke
Internationaler Stand der Internationaler Stand der
in-situ Behandlung für in-situ Behandlung für
bergbauversauerte Wässerbergbauversauerte Wässer
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)
Über das Ausmaß der durch Altbergbau verursachten Schäden an Grund- und Oberflächengewässern gibt es keine zuverlässigen Statistik.
Internationaler Stand der in-situ Behandlung bergbauversauerter Wässer (AMD)
1. Einleitung
3. Wie sind bergbauversauerte Wässer beschaffen ?
Analyse, Messung
Formen, Reaktivität
Milieufaktoren
2. Wie entstehen bergbauversauerte Wässer und wo treten sie auf ?
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
4H 2SO Fe(OH) O3,5H 3,75O FeS -243222
2H 2SO FeOH 3,5O FeS 24
2222
2O
gepuffertes Grundwasser
OH 0,5 Fe H O 0,25 Fe 23
22
pH < 3pH 4...6
H 3 Fe(OH) O3H Fe 323
Acid Rock Drainage
pH < 3
Bulk Wasser
pH 4...6
BeschaffenheitsproblemeH+
Fe3+Säure
Sulfat SO4
)III(As,Cd,Cu,Ni,Zn,Al 22223
Toxische Inhaltstoffe
Korrosion
Betonkorrosion
Internationaler Stand der in-situ Behandlung bergbauversauerter Wässer (AMD)
1. Einleitung
3. Wie sind bergbauversauerte Wässer beschaffen ?
Analyse, Messung
Formen, Reaktivität
Milieufaktoren
2. Wie entstehen bergbauversauerte Wässer und wo treten sie auf ?
4. Welche Behandlungsmöglichkeiten gibt es überhaupt ?
5. Welche in-situ Verfahren kommen international zur Anwendung ?
6. Wie ist der Stand ? (Zusammenfassung)
Cl -
HC
O3
Ca 2+
SO 42-
50 mmol/L
Fe 2+ Al 3+
Cl -
Mg 2+
K S4,3 =
c(HCO 3-)
Mn2+
Na+, K+, NH4+
50 mmol/L
Fe3+Ca 2+ Mg 2+
SO 42-
Al H+
HSO 4-
H2SO2FeOHO5,3FeS 24
2222
Pyritverwitterung
anoxisches AMD
pH= 4 ... 6
oxisches AMD
pH < 3
H2OHFeOH5,2O25,0Fe 3222
Fe(OH)3
BasenstarkeSäurenstarkeAci 4NHMgCaNaF3NO4SOCl cc2c2cccc2cAci
2Mn2Fe3Al3,4S c2c2c3KNP
Die Reduktion der Aciditätsfunktion auf einen skalaren Wert ist für verfahrenstechnische Berechnungen notwendig.
Mn2+ + 1/2 O2 + H2O MnO2 + 2H+
Fe2+ + ¼ O2 + 5/2 H2O Fe(OH)3 + 2H+
H3OHAlOH3Al 323
3HCO3Fe4HSOH cc3cc
H Cl
Na OH
Aciditätsmaß
Säurekapazität KS4,3 = -KB4,3
4NHMgCaNaF3NO4SOCl cc2c2cccc2cAci
2Znc2
Neutralisationspotenzial nach Evangelou, angepasst
AMD
-NP [mmol/L]
cSO4
[mmol/L]
10 20 30
20
40 Pyritverwitterung
Pufferung
H2SO2FeOHO2
7FeS 2
42
222
OHCOCaH2CaCO 222
3
22 MeXH2H2MeX
Genese von AMD
0,0
40,0
80,0
120,0
-NP [mmol/L]
20 40 60 80 cSO4 [mmol/L]
Pyritverwitterung
Pufferung
in situ - Beschaffenheitsverteilung
0,0
40,0
80,0
120,0
-NP [mmol/L]
20 40 60 80 cSO4 [mmol/L]
gefördertes Grubenwasser
in situ - Beschaffenheitsverteilung
0,0
40,0
80,0
140,0
-NP [mmol/L]
pH2,50 3,50 4,50 5,50 6,50
Acid Rock Drainage
Bulk -Wässer
schwach versauert Grundwässer
OH75,2CO25,0FeOCH25,0H2OHFe 222
23
oxidierend reduzierend
H+
Ca
Mg
Sr
Ba
Al
Fe
Mn
SO4 Cl
F
HCO3 NH4
NO3 PO4
Co
Cu
Zn
Cd
-12,0
-10,0
-8,0
-6,0
-4,0
-2,0
0,0
Pb
Pb-210
log c
Th
U
Ra
As
HclogpH
•Acidität als niedriger pH-Wert oder als
hohe Eisen(II)konzentration
•Salzbelastung durch Sulfat
•Schwermetalle, darunter
Arsen, Zink
•Radioaktivität, speziell des
Radiums und des
Urans
kritische Parameter:
Milieukomponenten
Spurenkomponenten
Internationaler Stand der in-situ Behandlung bergbauversauerter Wässer (AMD)
1. Einleitung
3. Wie sind bergbauversauerte Wässer beschaffen ?
Analyse, Schadstoffe, Messung
Formen, Reaktivität,
Milieufaktoren
2. Wie entstehen bergbauversauerte Wässer und wo treten sie auf ?
4. Welche Behandlungsmöglichkeiten gibt es überhaupt ?
5. Welche in-situ Verfahren kommen international zur Anwendung ?
6. Wie ist der Stand ? (Zusammenfassung)
Verdünnung mit gepuffertem Wasser (auch Fremdflutung genannt)
Neutralisation
Sulfatreduktion
Wirkprinzipien:
Fällung
Sorption
4. Welche Behandlungsmöglichkeiten gibt es überhaupt ?
Technologische Randbedingungen (nach Altlastensanierung):
Was wollen wir behandeln ?
Wo wollen wir behandeln ?
Wie wollen wir behandeln ?
Folgereaktionen
Wie: technisch - naturnah
Wo: in-situ - ex-situ
Was: Herd - Pfad - end of pipe
Pfad
Herd
end of pipe
technisch, ex-situ
technisch, in-situ
diffus, in-situ
technisch
naturnah
Wie: technisch - naturnah
Herdbehandlung Pfadbehandlung / end of pipe
ex-situ
in-situ
Bodenaushub
pump and treat pump and treat
Passive Verfahren zur AMD-Behandlung
Immobilisierung,
Einkapselung,
Abbau
Natural Attenuation (NA, MNA, ENA)
Dichtwände Passive Reaktive Wände oder Reaktive Barrieren einschl. funnel and gate-Verfahren
Diffuse Untergrundreaktorenpump and treat mit Untertagereaktoren
Natural Attenuation
Grubenwasserbehandlung
Passive Behandlungsverfahren
4
24
2 SOBaSOBa
Barytverfahren
Wo
Was
Diffuser UntergrundreaktorPassive
Reaktive Wand
Internationaler Stand der in-situ Behandlung bergbauversauerter Wässer (AMD)
1. Einleitung
3. Wie sind bergbauversauerte Wässer beschaffen ?
Analyse, Messung
Formen, Reaktivität
Milieufaktoren
2. Wie entstehen bergbauversauerte Wässer und wo treten sie auf ?
4. Welche Behandlungsmöglichkeiten gibt es überhaupt ?
5. Welche in-situ Verfahren kommen international zur Anwendung ?
6. Wie ist der Stand ? (Zusammenfassung)
Vom wetland zur (permeablen) Passiven Reaktiven Wand
Neutralisation am Beispiel Passiver Reaktiver Wände
Immobilisierung durch Fällungen im Porenraum Barytverfahren
Einsatz von Fe0 in Passiven Reaktiven Wänden
Alternative Erzeugung eines Untergrundreaktors
Beispiele
5. Welche in-situ Verfahren kommen international zur Anwendung ?
organisches Material
CaCO3
Passive Verfahren zur AMD-Behandlung am Beispiel von wetlands
0
40
80
120
-NP [mmol/L]
20 40 60 80 cSO4 [mmol/L]
0
40
80
140
-NP [mmol/L]
pH 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5
OH75,2CO25,0FeOCH25,0H2OHFe 222
23
OH2CO2FeSOCH2SOFe 22224
2
OHCOCaH2CaCO 222
3
4
24
2 CaSOSOCa
0
40
80
120
-NP [mmol/L]
20 40 60 80 cSO4 [mmol/L]
0
40
80
140
-NP [mmol/L]
pH 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5
OH2CO2FeSOCH2SOFe 22224
2
OHCOCaH2CaCO 222
3
Bau einer Reaktiven Wand
Passive Reaktive Wände oder auch Permeable Reaktive Wände
Alternative Erzeugung eines Untergrundreaktors
Förderbrunnen
Schluckbrunnen
Dosiertechnik
Sulfatreduktion als Untergrundbehandlung:
Eintrag von Substrat und Hilfsstoffen in den Grundwasserstrom
potenziell saurer Kippengrundwasserstrom
pH=4,3 NP= -7 mmolL
Messstelle zur
Kontrolle
potenziell saurer Kippengrundwasserstrom
Dosierung fürSubstrat, Hilfsstoffe
saniertes Grundwasser
substratangereicherter Bereich
ADAG-Systeme
Kollektor Distributor
Längsschnitt
Draufsicht
RNP = 0
Einsatz von Fe0, z.B. in Passiven Reaktiven Wänden
H2FeH2Fe 20s
0
40
80
120
-NP [mmol/L]
20 40 60 80 cSO4 [mmol/L]
RNP=0
0,0
40,0
80,0
140,0
-NP [mmol/L]
pH 2,50 3,50 4,50 5,50 6,50
Acid Rock Drainage
Bulk-Wässer
schwach versauert Grundwässer
starkes Reduktionsvermögen
Folgereaktion Sulfatreduktion
Folgereaktion Sulfatreduktion
Uranylreduktion und Fixierung als UO2
Arsen, Schwermetalle als Sulfide
Schwermetalle als Carbonate, Hydroxide
Radium sorptiv (?)
Halogenkohlenwasserstoffe
Cr(VI) Cr(III,)Fällung als Cr(OH)3U(VI) U(IV) Fällung als UO2Tc(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)
0
40
80
120
-NP [mmol/L]
20 40 60 80 cSO4 [mmol/L]
0
40
80
140
-NP [mmol/L]
pH 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5
Neutralisation am Beispiel Passiver Reaktiver Wände
HSO4 - Fe – Al - HCO3
Puffer
Kalkstein, Dolomit
Braunkohlefilterasche
Bauxsol™, behandelter Rotschlamm
Sodalith aus Rotschlamm
0
40
80
120
-NP [mmol/L]
20 40 60 80 cSO4 [mmol/L]
0
40
80
140
-NP [mmol/L]
pH 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5
Immobilisierung durch Fällungen im Porenraum Barytverfahren
4
24
2 SOBaSOBa
NaOH2SiOOHSiONa am2232
Internationaler Stand der in-situ Behandlung bergbauversauerter Wässer (AMD)
1. Einleitung
3. Wie sind bergbauversauerte Wässer beschaffen ?
Analyse, Messung
Formen, Reaktivität
Milieufaktoren
2. Wie entstehen bergbauversauerte Wässer und wo treten sie auf ?
4. Welche Behandlungsmöglichkeiten gibt es überhaupt ?
5. Welche in-situ Verfahren kommen international zur Anwendung ?
6. Wie ist der Stand ? (Zusammenfassung)
Hauptwirkprinzipien sind:
•Reduktion, speziell die Sulfatreduktion,
•die Neutralisation
•Sorption
•Fällung
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6. Wie ist der Stand ? (Zusammenfassung)
Jede durchgeführte erfolgreiche Sanierung stellt damit einen Einzelfall dar.
Die Ergebnisse der jeweiligen wissenschaftlichen Begleitung lassen sich aber auf ähnliche Fälle anwenden.
Am häufigsten werden Passive Reaktive Wände angewendet.
Die eingesetzten reaktiven Materialien und die Bemessung der Wände erfolgt standortabhängig optimiert.
z.B. über Parameter für geochemische Berechnungen (mit PhreeqC)
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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 dankeder Gruppe des LS Wassertechnik & Siedlungswasserbau unter Leitung von Professor R. Koch,
den Gutachtern,
den Geldgebern,****der ganzen Welt.