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

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

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Internationaler Stand der in-situ Behandlung für bergbauversauerte Wässer

amd = acid mine drainageengl.

AMD = bergbauversauerte Wässerdt.

Ralph Schöpke

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Internationaler Stand der Internationaler Stand der

in-situ Behandlung für in-situ Behandlung für

bergbauversauerte Wässerbergbauversauerte Wässer

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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.

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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)

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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

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gepuffertes Grundwasser

OH 0,5 Fe H O 0,25 Fe 23

22

pH < 3pH 4...6

H 3 Fe(OH) O3H Fe 323

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Acid Rock Drainage

pH < 3

Bulk Wasser

pH 4...6

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BeschaffenheitsproblemeH+

Fe3+Säure

Sulfat SO4

)III(As,Cd,Cu,Ni,Zn,Al 22223

Toxische Inhaltstoffe

Korrosion

Betonkorrosion

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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)

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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

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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

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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

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0,0

40,0

80,0

120,0

-NP [mmol/L]

20 40 60 80 cSO4 [mmol/L]

Pyritverwitterung

Pufferung

in situ - Beschaffenheitsverteilung

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0,0

40,0

80,0

120,0

-NP [mmol/L]

20 40 60 80 cSO4 [mmol/L]

gefördertes Grubenwasser

in situ - Beschaffenheitsverteilung

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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

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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

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•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

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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)

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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

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Wie: technisch - naturnah

Wo: in-situ - ex-situ

Was: Herd - Pfad - end of pipe

Pfad

Herd

end of pipe

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technisch, ex-situ

technisch, in-situ

diffus, in-situ

technisch

naturnah

Wie: technisch - naturnah

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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

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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)

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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 ?

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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

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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

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Alternative Erzeugung eines Untergrundreaktors

Förderbrunnen

Schluckbrunnen

Dosiertechnik

Sulfatreduktion als Untergrundbehandlung:

Eintrag von Substrat und Hilfsstoffen in den Grundwasserstrom

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potenziell saurer Kippengrundwasserstrom

pH=4,3 NP= -7 mmolL

Messstelle zur

Kontrolle

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potenziell saurer Kippengrundwasserstrom

Dosierung fürSubstrat, Hilfsstoffe

saniertes Grundwasser

substratangereicherter Bereich

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ADAG-Systeme

Kollektor Distributor

Längsschnitt

Draufsicht

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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)

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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

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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

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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)

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Hauptwirkprinzipien sind:

•Reduktion, speziell die Sulfatreduktion,

•die Neutralisation

•Sorption

•Fällung

Es wurden über 270 Zitate zur Behandlung von AMD ausgewertet:

6. Wie ist der Stand ? (Zusammenfassung)

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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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Ich danke für Ihre Ich danke für Ihre AufmerksamkeitAufmerksamkeit

notfalls beantworte ich auch noch Fragen

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.