Hintergrund: Qualitätsentwicklung der Bergbaufolgeseen

Qualitätsentwicklung der Bergbaufolgeseen - Stand und Verfahren (2008)

Senftenberg/Leipzig. Die hydrochemische Entwicklung der Bergbaufolgeseen wird vorrangig von den Stoffeinträgen aus dem zuströmenden Grundwasser und aus den Sedimenten der Böschungen geprägt, die versauernde Bestandteile der Schwermetallelemente Eisen und Sulfat eintragen.

Die Beschaffenheit des bisher zur Fremdflutung eingesetzten Wassers war gut bis sehr gut. Die Daten aus dem Montanhydrologischen Monitoring der LMBV werden zur Bestimmung der Güteentwicklung sowie zur Erstellung und bedarfsgerechten Anpassung von Gewässergüteprognosen verwendet. Die mit den Sanierungsplänen vorgegebenen Nutzungsziele sind zu garantieren.
Bisher wurden zur Verbesserung der Wasserqualität vor allem die Flutung der Restlöcher mit Fremdwasser und die Konditionierung der Wasserkörper mit alkalischen Substanzen eingesetzt. Durch den Verdünnungseffekt mit Oberflächenwasser werden auch die hohen Sulfatkonzentrationen im Seewasser verringert. Das ist auch nach jetzigem Stand der Technik für die Bergbauseen der wirtschaftlich effektivste Weg zur Reduzierung der Sulfatgehalte.

Mit der Fremdwasserflutung der Bergbauseen wurde im Jahr 1993 begonnen. Sei diesem Zeitpunkt wurden insgesamt 39 von 46 Bergbauseen in den Flutungsprozess einbezogen. Im Jahr 2007 wurde mit der Fremdwasserflutung der Restlöcher Meuro und Zwenkau begonnen. Damit befinden sich 43 von 51 Seen und Teilseen in Flutung oder haben bereits ihren Zielwasserstand erreicht. Vom bereits fertig gefluteten und aus der Bergaufsicht entlassenen ostsächsischen Olbersdorfer See liegen keine Analysenwerte mehr vor, da er nicht mehr Bestandteil des Montanhydrologischen Monitorings der LMBV ist.  Die Ergebnisse des Jahres 2007 bestätigen, dass längere Flutungsunterbrechungen noch zu einem Absinken der pH-Werte mit gleichzeitigem Verlust der Säurekapazität in den Bergbauseen führen. Bei Fortsetzung der Flutung steigen diese Werte wieder an.

20 von 31 zu flutender Seen und Teilseen in der Lausitz waren vor der Flutung durch saure und stark saure Verhältnisse gekennzeichnet. In Mitteldeutschland waren von 20 Seen und Teilseen vor Flutungsbeginn nur neun mit saurem oder stark saurem Wasserkörper vorhanden. Im Jahr 2007 haben in der Lausitz zwar noch 13 Seen und Teilseen einen sauren bis stark sauren Charakter; 17 Seen und Teilseen befinden sich aber bereits in den Kategorien schwach sauer und nicht sauer. Der überwiegende Teil der Mitteldeutschen Bergbauseen ist neutral und gut bzw. sehr gut gepuffert.

Die Verbesserung der Wasserqualität ist das Ergebnis langjähriger Flutung der Bergbauseen. Durch den Verdünnungseffekt der Fremdwasserzufuhr werden auch die Sulfatkonzentrationen im Seewasser verringert. Nach vorliegenden Monitoringergebnissen nahmen zwar die bergbaulichen Belastungen ab, trotzdem besteht noch Handlungsbedarf.

Chemische und biologische Behandlungsverfahren 

Aus den Prognosen zur Entwicklung der Wasserbeschaffenheit ist erkennbar, dass in begrenztem Umfang zusätzliche Wasserbehandlungsmaßnahmen erforderlich sind, um saure Wasserkörper zu neutralisieren bzw. eine Versauerung neutraler Wasserkörper zu verhindern. Dazu sollen neuartige und wirtschaftliche chemische und biologische Behandlungsverfahren eingesetzt werden.

Um die Entwicklung solcher Verfahren voranzutreiben, unterstützt die LMBV einerseits Vorhaben, welche die Grundlagen solcher Verfahren erforschen. Andererseits führt sie Pilot- und Demovorhaben durch, um die Forschungs- und Entwicklungsergebnisse in die Sanierungspraxis zu überführen.

Forschungs- und Entwicklungsvorhaben der LMBV

Im Jahr 2007 wurden von der LMBV folgenden BMBF-Forschungsvorhaben fachlich unterstützt und zu folgenden Ergebnissen geführt:  

  • Aktives Drain & Gate-System (ADAG): Autotrophe Sulfatreduktion
    Es wurde eine Technologie zur in-situ Abreinigung von sulfat- und eisenhaltigem Grundwasser mittels chemolithoautotropher Sulfatreduktion im Labor- und Technikumsmaßstab getestet. Es wurden H2 und CO2 als Elektronendonator bzw. Kohlenstoffquelle durch Injektion direkt in den gesättigten, durchströmten Untergrund für die Sulfatreduktion bereitgestellt. Es zeigte sich, dass die vollständige Fe(II)- und teilweise Sulfat- Abreinigung eines bergbaubeeinflussten Grundwassers unter Grundwasserbedingungen (10°C, 2.5 bar) mit einer Rate von ca. 0.007 mmol/( l*h) möglich ist. Diese Rate wurde durch die Wasserstoffverfügbarkeit und durch die Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft limitiert. Im Technikumsversuch war eine vier- bis fünffache Überdosierung der stöchiometrisch notwendigen Wasserstoffmenge zur Sulfatreduktion erforderlich. Die Abscheidung des überschüssigen Sulfides aus der wässrigen Phase wurde durch Strippung und anschließende Rückoxidation des Sulfides zu elementarem Schwefel erfolgreich demonstriert.
  • Aktives Drain & Gate-System (ADAG): Heterotrophe Sulfatreduktion
    Zur Abreinigung von sulfat- und eisenhaltigem Grundwasser mittels heterotropher Sulfatreduktion in technischen in-situ-Reaktoren wurden Versuche im Labor- und Technikumsmaßstab durchgeführt. Zielstellung war eine dauerhafte Sulfatabreinigung auf Restgehalte von 250 mg/l. Es wurde eine Umsatzrate von 0,05 mmol/(l*h). erreicht. Weiterhin wurden Untersuchungen zur Deponierung von Eisensulfid-Schlämmen durchgeführt. Der Kontakt mit sauren Wässern und mit milden Oxidationsmitteln ist demnach unkritisch. Dagegen führen starke Oxidationsmittel zur Rückversauerung, wobei die Wirkungsmechanismen identisch zur Pyritverwitterung ablaufen. Weiterhin wurden Einflussgrößen auf die Stabilität von Eisensulfid-Schlämmen mit Modellrechnungen untersucht. Es wurden kostengünstige Kohlenstoffquellen (Glycerin) für die mikrobielle Sulfatreduktion ausgewählt. Die Abreinigung von Eisensulfiden, die im Reaktor mit dem Eisenvorrat des Grundwassers gefällt wurden, konnte durch Rückspülung mit gutem Wirkungsgrad realisiert werden. Es wurden Eisenhydroxid-Pellets zur Abreinigung der überschüssigen Sulfide eingesetzt.
  • Natural Attenuation (NA): Naturnahe Reinigungsprozesse zur In-situ-Reinigung schwefelsaurer Grundwässer
    Die natürlichen Selbstreinigungsprozesse (Neutralisation und Entschwefelung des Kippengrundwassers) bzw. deren mögliche gezielte technische Beeinflussbarkeit ("enhanced natural attenuation" ENA-Prozesse) in Abraumkippen wurden durch Standortcharakterisierung, Prognose- Modellierungen und Monitorings untersucht. Schwerpunkte dabei waren: die Quantifizierung der NA- Prozesse mit der Stoffumsatzleistungen der Mikroorganismen, die Ausweisung der Gefährdungsverringerung durch NA-, ENA-Prozesse und die Analyse der technischen Beeinflussbarkeit der NA-Prozesse. Nach Beendigung des Projektes liegen wesentliche Erkenntnisse zum NA-Prozessverständnis vor. Die Versuche zum Anschub der natürlichen Schadstoffminderungsprozesse (ENA) weisen erfolgreich den Rückhalt durch Sulfatreduktion/ Sulfidbildung auf.

Neben der finanziellen Förderung von Projekten durch die LMBV wurde eine Reihe weiterer Forschungsprojekte durch die Bereitstellung von Daten oder die Beantragung bergrechtlicher Genehmigungen unterstützt.

Hierzu zählt beispielsweise das folgende Forschungsprojekt:

  • In situ-Sanierung: Seit 1998 wurde im Restloch 111 ein Verfahren zur mikrobiologischen Neutralisierung des Seewassers getestet. Durch Zugabe von Nährstoffen wird die Vermehrung der säurezehrenden Mikroorganismen beschleunigt. Im vergangenen Hauptversuch wurden mit einem Bioreaktor etwa 500 m³ Wasser bei einer Maximalen Durchsatzleistung von 5 m³/d behandelt. Es zeigte sich jedoch, dass ein Großteil der Bruttoreduktion von Sulfat und Eisen(III) durch Rückoxidation bei der Durchmischung des Sees wieder zunichte gemacht werden. 2007 wurde darum mit fachlicher Unterstützung der LMBV ein neuer Versuch gestartet, in dem eine Rückoxidation der gebildeten Eisensulfide verhindert werden sollte.

Pilot- und Demovorhaben

Um die Ergebnisse der Forschungsvorhaben zu verifizieren und auf einen größeren Maßstab zu übertragen, werden von der LMBV Pilot- und Demovorhaben durchgeführt, welche wissenschaftlich begleitet und mit Hilfe eines umfangreichen Monitorings ausgewertet werden. Im Jahr 2007 waren die folgenden fünf Pilot- und Demoprojekte in der Umsetzung:

  • •Einbringen von Kalkmilch bei Massenumlagerung im RL Lohsa II
    Im Jahr 2007 erfolgte während der geotechnisch notwendigen Massenumlagerung mittels Saugbagger die Herstellung reaktiver Teppiche im Bereich der Uferzonen der Insel (Bereich der zukünftigen Wasserwechselzone). Es wurden im Jahr 2007 ca. 3500 t Kalkproduktgemisch (12 Masse % Branntkalk, 88 Masse % Kalkstein) auf einer Fläche von ca. 77 000 m2 verspült. Die Mächtigkeit des reaktiven Teppichs beträgt im Mittel ca. 1,30 m. Der angestrebte Kalkgehalt von 1,2 Masse % wurde im Durchschnitt erreicht. Der im Kalkgemischprodukt enthaltende Branntkalk wurde vollständig verbraucht. Im Porenwasser wurde ein pH – Wert erreicht, der günstig für die Entwicklung benthischer Organismen ist. Die im reaktiven Teppich eingesetzten Kalkprodukte sind während des bisherigen Beobachtungszeitraumes chemisch aktiv. Es konnte somit ein wirksames alkalisches Depot geschaffen werden.
  • •Elektrochemische Sulfatabtrennung
    Ziel des Demonstrationsvorhabens ist die Neutralisation saurer Bergbauwässer und die Reduzierung der darin enthaltenen hohen Sulfatkonzentrationen mittels Elektrolyse. Seit Dezember 2006 wurden mehrere Prozessphasen mit unterschiedlichen Endprodukten (Ammoniumsulfatprozess, Schwefelsäureprozess, Peroxidsulfatprozess) erprobt. Der mittlere Zellendurchsatz beträgt 1,3 m3/h. Mit 5 Zellen wurden dementsprechend etwa 6,6 m³/h aufbereitet. Der spezifische Energieverbrauch lag bei etwa 0,9 kWh/m3. Die Ablaufwerte zeigten neutrale Verhältnisse. Für Eisen und Aluminium wurden Konzentrationen von <1 mg/l erreicht. Die Sulfatkonzentration konnte beim Ammoniumsulfatprozess bis zu ca. 16 %,  beim Schwefelsäureprozess um 17 - 18 % vermindert werden. Die Prozesse waren im Dauerbetrieb störungsresistent.
  • •Wasserbehandlung mit Soda in Bockwitz
    Um die biologische Selbstreinigung in der Nachsorge zu ermöglichen, gilt es, ein Tagebaugewässer in einen neutralen Bereich zu bringen. Hier ist zurzeit ein Verfahren in der Umsetzung, bei dem durch den Eintrag von Soda eine aufbereitungslose Ausleitung ermöglicht werden soll. Im RL Bockwitz hat sich seit der Wasserbehandlung mit Soda ab März 2004 der hydrochemische Zustand des Bergbausees deutlich verbessert. Im Jahr 2007 wurde, wie schon im Vorjahr, noch einmal nachdosiert. Mit Beginn der Herbstzirkulation 2007 hat sich ein pH-Wert von 6,5 bis 7 mit einer schwachen Pufferung eingestellt. Damit konnte eine restriktionsfreie Ausleitung des Überschusswassers in den Vorfluter Mordgrundbach realisiert werden.

Zur Unterstützung der LMBV wurde 2004 als Berater- und Konsultationsgremium für die Geschäftstelle des Steuerungs- und Budgetausschusses und der Finanziers der Wissenschaftlich- Technische Beirat „Wasserwirtschaftliche Maßnahmen“ gebildet. Er vereinigt externen Sachverstand aus Universitäten und wissenschaftlichen Einrichtungen auf dem Gebiet der Wasserwirtschaft unter Einbeziehung der Bund- Länder- Geschäftsstelle für die Braunkohlesanierung und der LMBV. Durch ihn wurden bisher ca. 50 Maßnahmen zur wasserwirtschaftlichen Sanierung geprüft und bewertet. Daraus resultieren Empfehlungen an die LMBV zur Anwendung bzw. zur Umsetzung neuer Technologien und Verfahren.  Im Jahr 2008 wurde mit dem Einsatz von „Sanierungsschiffen“ begonnen.(Siehe dazu auch Pressemitteilungen der LMBV auf http://www.lmbv.de/)

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