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Dokumentenidentifikation DE10044261C2 09.01.2003
Titel Vorrichtung und Verfahren zur Stabilisierung der Wasserqualität fremdwassergefluteter Restlochseen von Braunkohlentagebauen
Anmelder NSG Sanierungsgesellschaft in der Niederlausitz mbH, 01994 Saalhausen, DE
Erfin.der Katzur, Hans-Joachim, Prof. Dr.sc., ?15907 Lübben?, DE;
Gabbert, Bernd-Uwe, Dipl.-Ing., 03096 Burg, DE;
Liebner, Cathrin, Dipl.-Chem., 15926 Bornsdorf, DE;
Liebner, Falk, Dr.rer.nat., 15926 Bornsdorf, DE
Vertreter Hanelt, Holger, Ing. Dipl.-Ing. Faching. f. Schutzrecht., Pat.-Anw., 03055 Cottbus
DE-Anmeldedatum 07.09.2000
DE-Aktenzeichen 10044261
Offenlegungstag 04.04.2002
Veröffentlichungstag der Paten.terteilung 09.01.2003
Veröffentlichungstag im Paten.tblatt 09.01.2003
IPC-Hauptklasse E21C 41/32

Beschreibung[de]

Die Erfin.dung betrifft Vorrichtung und Verfahren zur Sanierung des Landschaftswasserhaushaltes in grundwasserabgesenkten Gebieten der übertätigen Gewinnung von H1 und ist besonders geeignet, die Wasserqualität der bei der Eigenwasser- und/oder Fremdwasserflutung Tagebaurestlöcher entstehenden Restlochseen zu stabilisieren.

Durch die Entnahme von Erdstoffen und Bodenschätzen wie Braunkohle im Tagebauverfahren entsteht im Abbaugebiet ein Massendefizit, was dazu führt, daß bei der Aufgabe des Tagebaues eine oder mehrere Hohlformen, die sogenannten Tagebaurestlöcher einschließlich Tagebaurandschläuche entstehen, deren Sohlen in der Regel unter dem umgebenden Grundwasserspiegel liegen. Beim Abschalten der der Grundwasserabsenkung dienenden Pumpen steigt der Grundwasserspiegel wieder an, und die im Einwirkungsbereich des aufgehenden Grundwassers liegenden Hohlformen füllen sich mit Wasser.

Die Tagebaurestlochseen befinden sich entweder am Rande oder inmitten der vom Bergbau geschaffenen Kippenkomplexe. Damit die Restlochseen und die sie umgebenden Kippenflächen einer dauerhaften Nutzung zugeführt werden können, ist es notwendig, die durch Ablagerung des Abraumes entstandenen steilen Uferböschungen abzuflachen und durch Verdichtung gegen Abrutschen zu sichern.

Die durch Eigenwasseraufgang gefluteten Tagebaurestlochseen sind in der Regel extrem sauer (pH < 3,0 bis 1,7).

Bekannterweise werden die in den tertiären Sedimenten weit verbreiteten Eisendisulfide (Pyrit, Markasit) bei O2-Zutritt zu Schwefelsäure oxidiert. Die mikrobiell katalysierte Oxidation der Sulfide und die zumeist geringe Säureneutralisationskapazität der vorhandenen Sedimente bedingen, daß die Sickerwässer in der Aerationszone stark versauern, Silikate und Carbonate zerstört werden und die Perkolationslösungen hochgradig mit Al, Fe, Schwermetallen, Mangan, Arsen und SO4 kontaminiert sind. Obwohl die Lösungskonzentrationen der meisten Spezies mit der Zeit exponentiell abnehmen, sind die mit dem Sickerwasser in die Kippen-Grundwasserleiter eingetragenen Stoffmengen über mehrere Jahrzehnte von wasserwirtschaftlicher Relevanz. Das in dem vormals belüfteten Untergrund der Kippen aufgehende Grundwasser reichert sich ebenfalls mit den Reaktionsprodukten der Pyrit-/Markasit-, Silikat- und Carbonatverwitterung an.

Der für das Erreichen der Restseezielwasserstände erforderliche Zeitraum kann bis zu 40 Jahren betragen. In dieser Zeit ist wegen des Zuflusses großer Mengen an schwefelsaurem, stark reduziertem und daher Fe(II)-belasteten Grundwasser eine infrastrukturelle Nutzung der Restlochseen nicht möglich. Da auch die natürliche Entsäuerung der durch Eigenwasseraufgang gefluteten Restlochseen durch seeinterne biogene Alkalinitätsproduktion bis zum Erreichen nutzungsadäquater Ziel-pH-Werte von ≥ 6,0 einen Zeitraum von mehreren Jahrzehnten erfordert, können diese Gewässer unter Umständen mehr als 100 Jahre lang weder zur Speicherbewirtschaltung noch als Bade- oder Fischgewässer, sondern ausschließlich als Landschaftsseen genutzt werden.

Die schwefelsauren Kippen-Oberflächengewässer dürfen nicht an die öffentliche Vorflut angeschlossen werden. Dennoch gefährden die Infiltration von Wasser aus schwefelsauren Seen und der Zustrom von schwefelsaurem Kippen-Grundwasser die Beschaffenheit des Grundwassers im Umland und damit die öffentliche Vorflut durch Exfiltration aciditätsreichen Grundwassers. Langzeitiger Abstrom von schwefelsaurem Grundwasser würde zudem das Puffervermögen des Untergrundes aufbrauchen und zu irreversiblen Schäden führen können. Außerdem würden sich ohne die Ableitung von Seewasser in die öffentliche Vorflut in den Seen Wasserstände einstellen, die höher liegen als die Zielwasserstände und deshalb die Versumpfung des Geländes im Grundwasserabstrom der Seen noch verstärken. Aufgrund dieses Sachverhaltes sind zum Zwecke der Wiederherstellung eines landschaftsgerechten und langfristig stabilen Oberflächen-, Boden- und Grundwasserhaushalts die Tagebaurestlochseen an die öffentliche Vorflut an- und einzubinden, um die festgelegten Wasserspiegellagen in den Kippen-Grundwasserleitern und Restlochseen zu gewährleisten. Eine Voraussetzung hierfür ist, daß das schwefelsaure Wasser der Kippen-Oberflächengewässer vor seiner Einleitung in die öffentliche Vorflut aufbereitet wird bzw. die Formierung schwefelsaurer Restlochseen zum Zeitpunkt des Erreichens der Zielwasserstände vermieden werden kann.

Um eine Nutzung der durch aufgehendes Grundwasser gefluteten Restlochseen zu ermöglichen, wird seit längerem versucht, diese Gewässer durch den Eintrag von Kalk und/oder säurepuffernden Abfallstoffen (Bauschutt, Braun-, Steinkohlenasche, Kohletrübe u. a. m.) zu alkalisieren. Gängigste Methode ist, Kalk in streufähiger Form von Booten aus in die Seen zu applizieren oder als Aufschwemmung (Kalkmilch) mit zuströmendem Wasser in die Restlöcher einzuleiten. Die Seekalkung ist wie die Aufbereitung des schwefelsauren Wassers (pH-Anhebung, Enteisung, Sulfatrückhalt sowie Entfernung von Aluminium, Arsen und Schwermetallen) der Kippen-Fließgewässer vor ihrer Anbindung an die öffentliche Vorflut sehr kostenintensiv und müßte wegen des mehrere Jahrzehnte andauernden Zustroms schwefelsauren Kippen-Grundwassers über unabsehbare Zeiträume erfolgen. Abgesehen davon, daß mit diesem Verfahren keine gleichmäßige Alkalisierung der großflächig entstehenden Tagebaurestlochseen möglich ist, kommt es bei witterungs- und bewirtschaftunsbedingten Wasserspiegelschwankungen zu hohen Aciditätseinträgen. Während beim Absenken des Seewasserspiegels der Zustrom von schwefelsaurem Kippen-Grundwasser verstärkt wird, bewirkt das Anheben des Seewasserspiegels höhere Grundwasserstände im Restseeumfeld und demzufolge eine stärkere Ausspülung der Pyrit-/Markasit- und Silikatverwitterungsprodukte aus den oxidischen Kippenböschungsbereichen sowie den vormals belüfteten und nunmehr vom Grundwasser erfaßten Sedimenten. Der Aciditätseintrag in die Restlochseen wird durch Bodenabschwemmungen auf den Böschungsflächen (Niederschlags- und Wasserwellenerosion) sowie durch Fließrutschungen und Böschungsabbrüchen noch verstärkt. Den maßgebenden Aciditätseintrag in einen Tagebausee bewirkt jedoch der Grundwasserzustrom durch größere Kippenareale.

Aktuell werden die Tagebaurestlöcher mit alkalisiertem Oberflächenwasser geflutet. Bei zügiger Flutung der Restlöcher steigt der Restseewasserspiegel schneller als der Grundwasserspiegel und wird das saure Kippen-Grundwasser aus dem Restseeumfeld verdrängt. Diese sogenannte Fremdflutung mit gut gepuffertem Wasser führt zu dem gewünschten Alkalitätseintrag. Am Ende der Fremdwasserflutung müssen Mindest-pH-Werte von 4,5 bzw. 6,5 erreicht sein, damit den Versauerungstendenzen durch seeinterne biologische Selbstreinigungsmechanismen (Neutralisation durch Desulfurikation) entgegengewirkt werden kann.

Die Versauerungstendenz der fremdwassergefluteten Restlochseen resultiert aus dem für mehrere Jahrzehnte nicht völlig auszuschließenden Zustrom von sauren Sickerwässern aus den Kippenböschungsbereichen und von saurem Kippen-Grundwasser. Der Gefahr der Wiederversauerung bereits alkalisierter Restlochseen muss durch Nachsorgemaßnahmen (Zulaufwasserkonditionierung, In-Lake-Maßnahmen und Förderung der biologischen Selbstreinigungsmechanismen) während der Restlochbewirtschaftung begegnet werden. Diese Nachsorge- und/oder Vorsorgemaßnahmen sollten nachhaltig wirksam und wirtschaftlich effizient sein.

Im Zuge der Flutungsmaßnahmen ist von Interesse, dass der in der gesättigten Zone tertiärer Sedimente inkludierte und/oder im zuströmenden Wasser gelöste Sauerstoff nach kurzer Zeit durch oxidative Prozesse verbraucht ist. Die dann verstärkt einsetzenden reduktiven Prozesse sind mit einer Abnahme der Protonenkonzentration und damit einer natürlichen Entsäuerung der Bodenlösung bzw. des Kippen-Grundwassers verbunden. Während in der Aerationszone die Oxidation von Eisendisulfid bis zur Erschöpfung seiner Vorräte andauert, kommt sie in den wassergesättigten Kippenbereichen infolge O2-Mangel bzw. -Freiheit zum Erliegen. Demzufolge sind Säureschübe unterhalb der Aerationszone im wesentlichen auf die Hydrolyse von Eisen- und Aluminiumsulfaten zurückzuführen.

Die aus der Eisendisulfidoxidation und dem Eintrag schwefelsaurer Sickerwässer in die Kippen-Grundwasserleiter resultierenden Belastungen sind solange von wasserwirtschaftlicher Bedeutung wie sie nicht durch immobilisierende Prozesse, vorzugsweise durch Eisen- und Schwefelreduktion sowie die Bildung von Eisensulfiden, kompensiert werden können. Die mikrobiell gesteuerte Reduktion von Fe(III)-Verbindungen beginnt sehr bald nach Wassersättigung und ist vermutlich erst abgeschlossen, wenn die mikrobiell reduzierbaren Fe(III)-Vorräte aufgebraucht sind. Die eisenreduzierenden Bakterien sind selbst bei pH-Werten von 1,5 stoffwechselaktiv und werden in ausreichend hohen Lebendzellzahlen in den tertiären Sedimenten nachgewiesen. Die Eisenreduktion bewirkt zwar einen Anstieg der pH- Werte im Grundwasserleiter, aber beim Eintritt solchen Grundwassers in die Oberflächengewässer werden durch die Fe(II)-Oxidation und nachfolgende Fe(OH)3-Bildung erneut Protonen freigesetzt. Der dadurch verursachte Aciditätseintrag kann rund 50 Jahre nach Einstellung des Tagebaues durchaus noch 26 mmol H+ pro Liter Grundwasserzustrom betragen. In dem gegebenen Beispiel sinkt der pH-Wert des mit 730 mg Fe2+/l kontaminierten Grundwassers von 5,1 auf 1,6 ab. In diesen oder ähnlichen Fällen besteht permanent die Gefahr der Wiederversauerung der mit alkalisiertem Oberflächenwasser gefluteten Restlochseen. Diese Gefahr ist vor allem dann gegeben, wenn die Restlochseen grundwasserunterstromig zu den Kippenkomplexen angeordnet sind. Die Wasserqualität wiederversauernder Restseen läßt sich zwar durch permanente Zuleitung unbelasteter basenreicher Oberflächenwasser und/oder direkte Konditionierung des Restseewassers mit Alkalisierungsmitteln stabilisieren, jedoch ist das mit hohen Aufwendungen verbunden. Auch läßt sich bisher kaum ein Zeithorizont für die Behandlungsdauer abschätzen, denn das Versäuerungspotential vieler Kippenkomplexen ist extrem hoch.

Die mikrobielle Sulfatreduktion und die sulfialische Bindung von Fe(II) und weiteren Schwermetallen sind der sicherste Weg, um die für die Stabilisierung der Wasserqualität notwendige Alkalität in den Kippen-Grundwasserleitern dauerhaft zu initiieren. Der auf diesem Wege erzielbare Alkalitätsanstieg ist vielfach ein sehr langwieriger Prozeß. In situ Messungen haben gezeigt, dass > 40 Jahre nach Flutungsbeginn die SO4-Konzentration des Kippen- Grundwassers immer noch bei rund 3200 mg/l liegen kann. Hiernach geht die natürliche Entsäuerung des Kippengrundwassers durch Desulfurikation sehr langsam vonstatten. Die Ursachen sind extrem niedrige pH-Werte oder hohe Redoxpotentiale und/oder sehr niedrige Lebendzellzahlen sulfatreduzierender Bakterien.

Das Wasser, das die Tagebaurestlöcher durch spontanen Zufluss über Kippengrundwasserleiter füllt ist auf Grund der pH-Werte weder direkt als Bade- oder Fischgewässer noch indirekt als Brauchwasser für die Industrie oder Landwirtschaft nutzbar.

Es hat deshalb schon eine Vielzahl von Versuchen gegeben, das Wasser durch chemische, elektrochemische oder biochemische Verfahren aufzubessern.

So wird in der DE 196 24 023 A1 ein Verfahren zur Anhebung des pH-Wertes sauerer Wässer, zur Sanierung saurer, ggf. schwermetallhaltiger Abwässer, vorzugsweise Gruben-, Halden- und Bergbauabwässer, sowie insbesondere auch saurer Wässer aus Tagebaurestlochgewässern beschrieben, bei dem das zu reinigende saure Wasser einer Elektrolyse in geteilten Elektrolysezellen, unter Verwendung eines porösen Separators oder einer Ionenaustauschermembran zur Trennung der Zellen, unterzogen wird, wobei das zu behandelnde Wasser nur in den Katodenraum eingespeist wird, während im Anodenraum eine Lösung ein- oder zweiwertiger Anionen der Elemente der 6. oder 7. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente eingesetzt wird. Im Katodenprozess werden dabei Wasserstoffionen entladen, und im Wasser gelöster Sauerstoff wird unter Verbrauch von Wasserstoffionen reduziert. In der DE 197 40 615 A1 wird vorgeschlagen, sulfathalige Wässern eine Mischung aus einer wasserunlöslichen Aluminiumverbindung in Form eines aluminiumhydroxidhaltigen Schlammes und Calcium zusetzt um die Sulfate auszufällen.

Auf biologischem Wege soll gemäß der DE 198 20 320 C2 die Anhebung des pH-Wertes in Gewässern mit hohem Sulfat- und Eisengehalt bewirkt werden, indem mindestens ein kohlenstoffhaltiges Substrat derart in das Gewässer eingebracht wird, dass sich im Bereich des Substrates weitgehend anaerobe Zonen für Desulfurikanten, insbesondere sulfatreduzierende Bakterien, bilden. Wegen des hohen Aufwandes an Energie, teuren Chemikalien oder vergegenständlichter Arbeit, sind diese Verfahren nur auf Spezielle Einsatzgebiete beschränkt. Die in der DE 199 61 243 A1 vorgeschlagene Lösung versucht die für die Neutralisation der Oberflächenwässer notwendigen Substanzen kostengünstiger bereitzustellen, indem hierfür die Kraftwerksaschen aus der Verbrennung von Braunkohlen verspült wurden. Die Entsäuerung des durch aufgehendes Grundwasser versauerten Tagebaurestsees erfolgt durch gezielte Aufwirbelung und Wiedereinleitung von aufgenommenem Kraftwerksaschesediment unter Berücksichtigung der Auswertung von Messdaten bezüglich der Wassergüte. Mit dem erfin.dungsgemäßen Verfahren können in relativ kurzer Zeit größere Wassermengen entsäuert werden, wodurch der Tagebaurestsee schneller auf eine spätere Nutzung vorbereitet wird. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren soll eine pH-Wert-Anhebung bis auf einen pH-Wert von 6-9 möglich sein.

Wen man bedenkt, dass die Tagebaurestlöcher Flächen in der Größenordnung von bis zu mehreren Quadratkilometern bedecken und bis zu 50 m Tiefe aufweisen ist vorstellbar, dass auch der hierfür benötigte Energieaufwand immens wird.

Aufgabe der Erfi.ndung ist es somit, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit denen möglichst mit Beginn der Flutung der Tagebaurestlöcher ein für eine weitestgehende Nutzung verwendbares Oberflächenwasser bereitgestellt wird.

Erfi.ndungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, indem das natürliche Selbstreinigungspotential der Kippenaquifer gestärkt und der Eintrag schwefelsauren Kippen-Grundwassers in die mit alkalisiertem Oberflächenwasser gefluteten Restlochseen durch die im Hautanspruch 1 beschriebene Anordnung verhindert wird.

Hierzu wird im Kippenareal (2) in Grundwasserfließrichtung (F) vor dem zu schützenden Gewässer (S) in einer oder mehreren, quer zur Grundwasserfließrichtung verlaufenden Reihen eine Anzahl von Einrichtungen zum Eintrag von Flüssigkeiten, beispielsweise von Kalkmilch und/oder Nährlösungen mit Desulfurikanten in den Grundwasserbereich angeordnet werden. Ziel dieser Maßnahme ist die Initiierung und Förderung mikrobiell katalysierter und sich selbst verstärkender Reduktionsprozesse, die eine irreversible Eliminierung von Säureäquivalenten durch die Ausfällung von Eisensulfiden im Kippen-Grundwasser bewirken.

Als Einrichtungen zum Eintrag von neutralisierenden Flüssigkeiten in die Grundwasserleiter werden Schluckbrunnen (5) und/oder Injektionslanzen verwendet. Ebenso können Brunnen (5), die vormals zum Zweck der Grundwasserabsenkung eingerichtet wurden, für die Grundwassersanierung genutzt werden. Die in einer Reihe angeordneten und nach Bedarf mit Alkalisierungsmittel zu beschickenden Einrichtungen bilden eine aktive hydrogeochemische Barriere. Letztlich ist es auch im Sinne der Erfi.ndung, wenn diese Barriere im Nahbereich der kippenseitigen Uferzone durch eine passive hydrogeochemische Barriere ergänzt wird. Zu diesem Zweck wird anstelle der bei der Rütteldruckverdichtung verwendeten Boden- und/oder Wasserzusätze beispielsweise die zuvor erwähnte Kalkmilch über die Bohrlanzen in den wassergesättigten Untergrund eingepreßt.

Die Auslaßöffnungen der maximal bis zum Liegendstauer reichenden Infiltrationseinrichtungen (41) sollten im Bereich der vorhandenen oder zu erwartenden Grundwasserschichten angeordnet sein.

Die Zuführung der Flüssigkeiten von einem Vorratsbehälter (1) oder einer Lösestation für das Neutralisierungsmittel, bei schwefelsauren Grundwasser beispielsweise Kalkmilch, zu den stationären Infiltrationseinrichtungen erfolgt mittels Pumpen (3) über ein Rohrleitungssystem (4). Dabei ist der Eintrag von Luftsauerstoff möglichst zu vermeiden bzw. auf das mögliche Maß zu begrenzen.

Die bei der Neutralisation entstehenden Fällungsprodukte können bei diskontinuierlicher Fahrweise der Anlage durch Abpumpen der Suspension über die Injektionseinrichtungen entfernt werden.

Bei den passiven hydrogeochemischen Barrieren werden Depots von langsam löslichen Alkalisierungsmitteln quer zum Grundwasserzustrom und, falls erforderlich, parallel zu den Kippen-Uferböschungen angelegt. Um den schnellen Abbau der Säureneutralisationskapazität solcher hydrogeochemischer Barrieren zu verhindern, ist es sinnvoll, diese durch grundwasseroberstromig angeordnete aktive hydrogeochemische Barrieren zu ergänzen.

Die erfin.dungsgemäßen Einrichtungen zum Eintrag von Neutralisationsmitteln und/oder sulfatreduzierenden Bakterien in die Kippen-Grundwasserleiter werden in Abhängigkeit vom Versauerungspotential und Flutungsstadium der Kippenkomplexe modifiziert und zum Zwecke der Vor- und/oder Nachsorge gegen die Versauerungstendenzen fremdwassergefluteter Tagebaurestlochseen sowie des Grundwasser- und Gewässerschutzes im Umland der technogenen Geokomplexe eingesetzt, indem zur Immobilisierung von Schwermetallen und Säuren geeignete Neutralisierungsmittel in angemessener Menge als wäßrige Lösung bzw. Suspensoren und/oder sulfatredzierende Bakterien zusammen mit ihrer Nährlösung in den wassergesättigten Untergrund eingepreßt werden. Erfin.dungsgemäß wird vorgeschlagen, Ca(OH)2- und/oder CaCO3-haltige wäßrige Lösungen oder Suspensoren als Neutralisierungsmittel zu verwenden.

Die Applikation von Alkalisierungsmitteln wird so lange betrieben, bis sich im abströmigen Grundwasserbereich die für die Lebenstätigkeit der Desulfurikanten optimalen Milieuverhältnisse herausgebildet haben und die Neutralisation des Grundwassers durch Desulfurikation, gegebenenfalls gefördert durch Applikation von sulfatreduzierenden Bakterien, nachgewiesen ist. Danach dient die Einspeisung der Alkalisierungsmittel, beispielsweise von Kalkmilch, nur noch der Aufrechterhaltung der im Grundwasserleiter angestrebten Reaktionsverhältnisse. Sie kann eingestellt werden, wenn der durch Grundwasserzustrom und Sickerwasserbildung verursachte Aciditätseintrag in den Grundwassersanierungsbereich durch die mikrobiell gesteuerten Immobilisierungsprozesse kompensiert wird. In den Kippenkomplexen mit einem extrem hohen Versauerungspotential ist es unter Umständen zweckmäßig, quer zur Grundwasserfließrichtung mehrere aktive hydrogeochemische Barrieren einzurichten. Auf diesem Wege werden der Reaktionsraum vergrößert und der Sanierungszeitraum verkürzt.

Die aktiven hydrogeochemischen Barrieren können durch die sogenannten passiven hydrogeochemischen Barrieren ergänzt und in Sonderheit auch ersetzt werden. Bei diesen werden die neutralisierenden Substanzen im Kippenkörper deponiert, indem bei der Rütteldruckverdichtung rutschungsgefährdeter Uferzonen die Neutralisierungsmittel, beispielsweise Kalkmilch mittels der verwendeten Rütteldrucklanzen in die wassergesättigten Schichten eingelagert werden. Neben der dadurch bewirkten Neutralisierung der Schwefelsäure tritt als Nebeneffekt eine Verfestigung der Sedimente durch den gebildeten Gips ein.

Die Erfi.ndung soll im folgenden anhand von Zeichnungen und zwei Ausführungsbeispielen dargestellt werden.

Dabei zeigen

Fig. 1 eine erfi.ndungsgemäße Einrichtung als Vertikalschnitt und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer aktiven hydrogeochemischen Barriere.

Beispiel 1

Die Flutung eines Tagebaurestloches erfolgt durch Einleitung von alkalisiertem Oberflächenwasser und nach Abschaltung der Pumpen zur Grundwasserabsenkung durch Grundwasserwiederanstieg bis die Zielwasserstände im Rostlochsee und im Grundwasserleiter erreicht sind. Das aufgehende Grundwasser aus dem vormals belüfteten Untergrund und die Sickerwässer aus der Aerationszone tertiärer Sedimente reichem sich mit den Produkten der Eisensulfid- und Silikatverwitterung an. Um die Wiederversauerung der fremdwassergefluteten Restlochseen durch Zustrom von schwefelsaurem Grundwasser zu verhindern, wird auf der Abraumkippe grundwasseroberstromig zum Restlochsee eine aktive hydrogeochemische Barriere quer zur Grundwasserfließrichtung eingerichtet. Zu diesem Zweck wird in einem Abstand von 50 bis 120 m zum geplanten Seeufer eine Doppelreihe von Schluckbrunnen im Grundwasserleiter installiert. Der Abstand der Schluckbrunnen in der Reihe beträgt je nach Fließgeschwindigkeit und Stofffrachten des Grundwassers 10 bis 50 m. Neben den hierfür speziell gebohrten Brunnen können auch die Brunnen verwendet werden, die zur Grundwasserabsenkung genutzt wurden.

Die Auslaßöffnungen der Schluckbrunnen (41) befinden sich im Bereich des Grundwasserpegels (GP) respektive der Zielwasserstände und reichen bis zum Liegendstauer (LS).

Die Brunnen (5) werden über die Pumpe (3) und Rohrleitungen (4) mit dem Vorratsbehälter für Kalkmilch verbunden. Die in den Kippen-Grundwasserleiter einzuspeisende Kalkmilchgabe wird nach der mit dem Grundwasser zuströmenden Protonenmenge für PH ≥ 4,5 dosiert, so daß die Schwefelsäure unter Bildung von Gips neutralisiert wird. Dieser kristallisiert im weiteren Verlauf der Strömung aus. Der überschüssige Kalk wird in den grundwasserabstromigen Bereich verlagert und allmählich steigt auch hier der pH-Wert an. Nach einer gewissen Zeit werden sich die für die mikrobiell katalysierte Reduktion von Fe3+ zu Fe2+ und in der Folge sukzessiv von SO42- zu HS- und H2S notwendigen Redoxpotentiale einstellen, und es kommt zur Sulfidbildung. Diese Reduktionsprozesse werden durch Bakterien vermittelt, die nahezu übiquitär sind und sich vermehren, sobald die für ihre Stoffwechselaktivitäten geeigneten Redoxpotential-Bereiche sich eingestellt haben. Das wichtigste Reduktionsmittel ist dabei der in tertiären Aquifern reichlich vorhandene organische Kohlenstoff.

In Sonderheit und wenn keine bzw. nur eine sehr geringe Anzahl an Lebendzellen sulfatreduzierender Bakterien (SRB) im Aquifer nachgewiesen werden können, sollten SRB zusammen mit ihrer Nährlösung in den Grundwasserleiter appliziert werden.

Zur Einstellung der Kalkmilch-Durchsatzmenge und zur Kontrolle der Grundwasserbeschaffenheit ist es sinnvoll, wenn in ausreichendem Abstand vor und hinter der hydrogeochemischen Barriere Grundwassermeßstellen zur kontinuierlichen Bestimmung ausgewählter Parameter eingerichtet werden. Diese Meßstellen wurden nicht in die Funktionsskizze eingetragen.

Beispiel 2

Im Rahmen der Ausformung von Uferbereichen des künftigen Tagebausees ist es üblich, rutschungsgefährdete Bereiche durch Rütteldruckverdichtung zu verdichten. Es wird erfi.ndungsgemäß vorgeschlagen, das hierzu eingesetzte Wasser zusätzlich mit einer Kalktrübe zu mischen und diese über die verwendeten Rütteldrucklanzen in den Untergrund bis zur Kippenoberfläche einzupressen. Darüber hinaus kann der im Rahmen der Rütteldruckverdichtung eingebrachten Bodensubstanz ein weiteres Neutralisierungsmittel beispielsweise ein Kalk zugemischt werden.

Auf diesem Wege wird im verdichteten Kippenbereich ein Kalkdepot (6) angelegt, das als passive hydrogeochemische Barriere die mit dem Grundwasserzustrom eingetragenen Säureanteile neutralisiert.

Die Säureneutralisationskapazität solchermaßen geschaffener passiven hydrogeochemische Barrieren ist eingeschränkt. Deshalb ist es sinnvoll diese mit den zuvor beschriebenen aktiven hydrogeochemische Barrieren zu kombinieren.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur Stabilisierung der Wasserqualität fremdwassergefluteter Restlochseen von Braunkohlentagebauen, dadurch gekennzeichnet, dass

    im Kippengelände (2) in Grundwasserfließrichtung (F) vor dem zu schützenden Gewässer (S) in einer quer zur Grundwasserfließrichtung verlaufenden Reihe eine Anzahl von Einrichtungen zum Eintrag von alkalischen Flüssigkeiten in den Grundwasserbereich angeordnet sind,

    deren Auslassöffnungen (41) im Bereich der Grundwasserschichten angeordnet sind,

    deren Zulauf über eine Pumpe (3) und Rohrleitungen (4) mit einem Behälter (1) oder einer Lösestation für Kalkmilch verbunden ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Einrichtungen zum Eintrag von alkalischen Flüssigkeiten in den Grundwasserbereich Schluckbrunnen (5) oder Injektionslanzen angeordnet sind.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Einrichtungen zum Eintrag alkalischer Flüssigkeiten in den Grundwasserbereicht Brunnen (5), die zur Grundwasserabsenkung genutzt wurden, verwendet werden.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Einrichtung zum Eintrag alkalischer Flüssigkeiten in den Grundwasserbereich Bohrlanzen bei der Rüttelverdichtung verwendet werden.
  5. 5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Eintrag von langsam löslichen Substanzen zur Neutralisierung passive hydrogeochemische Barrieren im durchströmten Untergrundquerschnitt angeordnet werden.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die passiven hydrogeochemische Barrieren im durchströmten Untergrundquerschnitt angeordnet sind und durch aktive hydrogeochemische Barrieren aus kontinuierlich arbeitenden Injektionseinrichtungen ergänzt werden.
  7. 7. Verfahren zur Stabilisierung der Wasserqualität fremdwassergefluteter Restlochseen von Braunkohlentagebauen, dadurch gekennzeichnet, dass schwefelsaure Kippen-Grundwässer im angrenzenden Kippengelände (2) saniert werden, indem quer zur Grundwasserfließrichtung (F) in ein flächiges Volumen zur Immobilisierung von im Grundwasser vorhandenen und im Restlochsee schädigend wirkenden Substanzen ein geeignetes Neutralisationsmittel in angemessener Menge als wässrige Lösung oder Suspension eingepresst wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Neutralisationsmittel kalziumhydroxid- und/oder kalziumkarbonathaltige wässrige Lösungen oder Suspensionen verwendet werden.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 7 und/oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einpressung der neutralisierenden Substanzen kontinuierlich über einen längeren Zeitraum bis zum Abschluss der Flutung oder bis zur Stabilisierung der Seewasserqualität erfolgt.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 7 und/oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einpressung der neutralisierenden Substanzen als Depot erfolgt, indem bei der Verdichtung der rutschungsgefährdeten Zonen der späteren Uferbereiche mittels Rütteldruckverdichtung über die verwendeten Rüttellanzen Suspensionen von langsam löslichen, zur Neutralisation geeigneten Substanzen in die durchströmten Schichten eingelagert werden.
  11. 11. Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl bei der Eigenwasser- als auch bei der Fremdwasserflutung von Tagebaurestlochseen nach Einstellung der für die Sulfatreduktion erforderlichen Redoxpotential-Bereiche die Kippen-Grundwasserleiter über die vorhandenen Injektionseinrichtungen mit sulfatreduzierenden Bakterien geimpft werden.



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