Projekt 04600/01

Sanierung saurer Bergbauabwässer aus Altablagerungen des Schieferbergbaus

Projektdurchführung

Landratsamt Saale-Orla-Kreis
Oschitzer Str. 4
07907 Schleiz

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Belastung von Oberflächen- und Grundwasser durch Sickerwasser aus Bergbauhalden ist eine generelle Begleit- und Folgeerscheinung des Bergbaus. Auch in den Halden des Thüringer Schieferbergbaus führen Prozesse der Verwitterung von Pyrit zur Bildung von Schwefelsäure, welche die im Schiefer enthaltenen Mineralien auslaugt und so die Mobilisierung von Aluminium und einigen Spurenelementen (Mn, Cu, Ni, Zn) bewirken. Da die Verknüpfung zwischen chemischer Reaktion der Pyritverwitterung, dem geochemischen Milieu in der Halde sowie deren Umfeld und den hydrologischen Verhältnissen eine entscheidende Voraussetzung für die Ableitung sinnvoller Handlungsschritte ist, sollte am Beispiel dieser Bergehalden das Ausmaß der Gewässerbelastung ermittelt, die Transportmechanismen von Aluminium und Sulfat aus den Halden ins Grund- und Oberflächenwasser untersucht und Möglichkeiten zur naturnahen Behandlung nicht vermeidbarer Sickerwässer getestet werden. Vorrangiges Ziel des Projektes war es, die wissenschaftlichen Grundlagen für die Sanierung solcher Halden und der betroffenen Fließgewässer zu erarbeiten.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn der ersten Phase wurden das Ausmaß der Gewässerbelastung ermittelt, eine mineralogische und petrographische Charakterisierung des Haldengesteins durchgeführt und die Entstehungsmechanismen der sauren Haldensickerwässer untersucht.
In der zweiten Projektphase wurde die Stoffdynamik im Abstrom einer Schieferhalde bei verschiedenen hydrologischen Situationen (Trockenperiode, Starkniederschlag, Schneeschmelze) an Hand von Wasser- und Stoffbilanzen sowie durch Markierungsversuche und durch Untersuchung der in den Bächen ausfallenden aluminiumhaltigen Präzipitate ermittelt.
Parallel dazu wurden die Möglichkeiten zur naturnahen Behandlung nicht vermeidbarer Haldensickerwässer untersucht und im Ergebnis von Laborversuchen eine Freilandversuchsanlge zur Teilstrombehandlung von 1,5 m³/h Haldensickerwasser errichtet und unter Feldbedingungen getestet.


Ergebnisse und Diskussion

Die Beeinträchtigung der Fließgewässer im Schieferabbaugebiet um Lehesten erfolgt vor allem durch die Absenkung des pH-Wertes und durch Aluminium, welches zunächst noch überwiegend im Wasser gelöst vorliegt, aber bei Ansteigen des pH-Wertes als Aluminiumhydroxid und Aluminiumhydroxosulfat ausfällt. Die Fällungsprodukte verursachen eine Belagbildung im Bachbett, die zu einer Blockierung des Lebensraumes für Makroinvertebraten führt, so daß es in den betroffenen Bachabschnitten zu einer biologischen Verödung des Gewässers kommt.
Die Auswaschung saurer Verwitterungsprodukte der Sulfidoxidation aus den Schieferhalden wird gesteuert durch die hydrologisch-klimatischen Randbedingungen im Zusammenhang mit den standortspezifischen hydraulischen und geochemischen Haldeneigenschaften. Die Dauer der Trockenperiode zwischen Niederschlägen bestimmt das Potential an akkumulierten Verwitterungsprodukten. Niederschlagsintensität und -dauer bestimmen maßgeblich, ob und in welchem Ausmaß die Auswaschung erfolgt. Bereits unter Basisabflußbedingungen führt langsam dränendes Sickerwasser, das aus der ungesättigten Zone des Haldenkörpers stammt, zu einem stetigen, relativ konstantem Austrag von Verwitterungsprodukten. Regen- oder Schneeschmelzereignisse, die ergiebig genug sind, um eine Infiltrationsfront bis an die Haldenbasis durchbrechen zu lassen, können starke Säureschübe initiieren. Ausschlaggebend ist hierbei die Mobilisierung von wasser- und schadstoffgesättigten Bereichen im Basisbereich der Halde durch den steigenden Grundwasserspiegel in der Halde.
In der Freilandversuchsanlage wurde ein naturnahes Verfahren realisiert, welches eine kostengünstige Behandlung nicht vermeidbarer Sickerwässer zuläßt. Die Anlage besteht aus drei Hauptbehandlungsstufen: Kalksteindränage, Absetzbecken und Makrophytenanlage (aerobes Wetland). In der Kalksteindränage erfolgt die Entsäuerung des Wassers und die Ausfällung von Aluminiumhydroxid und Aluminiumhydroxosulfat. Durch kurzzeitige Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit werden die Fällungsprodukte aus der Kalksteinschüttung ausgetragen und sedimentieren in dem nachgeschalteten Absetzbecken. Zur Endreinigung durchläuft das Wasser ein mit Makrophyten bewachsenes Feuchtgebiet, in dem Mangan als vierwertiges Manganoxidhydrat aus dem Wasser ausgefällt sowie Zink und Nickel an den eingebrachten Substraten sorbiert werden. Mit dieser Anlage wurde in einem Teilstrom von etwa 1,5 m³/h eine Anhebung des pH-Wertes von 4,2 auf Werte um 7,5 und eine weitgehende Abtrennung der Metalle Aluminium, Kupfer, Mangan und Zink und Nickel aus dem mit Verwitterungsprodukten belasteten Sickerwasser erreicht.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Eine Liste der Veröffentlichungen und Zwischenberichte kann bei den im Projekt beteiligten Kooperationspartnern (G.E.O.S. Freiberg Ingenieurgesellschaft mbH und Universität Bayreuth, Limnologische Forschungsstation) angefordert werden.
Die Ergebnisse zur naturnahen Behandlung der Haldensickerwässer in der Freilandversuchsanlage (Ergebnisbericht incl. umfangreicher Anlagen) liegen in einer mit Internet-Browsern lesbaren Form auf CD-ROM vor. Eine begrenzte Auflage dieser CD-ROM kann bei der G.E.O.S. Freiberg Ingenieurgesellschaft mbH angefordert werden.


Fazit

Die im Projekt mit der Freilandversuchsanlage erzielten Ergebnisse haben gezeigt, daß mit dem realisierten naturnahen Verfahren eine weitgehende Eliminierung bergbautypischer Schadstoffe aus Haldensickerwässern bei relativ kleinen Volumenströmen möglich ist.
Sanierungsansätze zur Verminderung des Austrages von Verwitterungsprodukten aus den Schieferhalden und zur Verbesserung der Wasserqualität in den Fließgewässern sollten insgesamt folgende Maßnahmen umfassen:
- Minimierung der Fließkomponenten
- Abfangen von Belastungsspitzen und
- naturnahe Behandlung nicht vermeidbarer Sickerwässer.
Auf diese Weise können die Menge der zu behandelnden Wässer verringert, Schadstofffrachten vergleichmäßigt und der Eintrag von Verwitterungsprodukten in Fließgewässer minimiert werden.