Diplomarbeit

Auswirkung des Grundwasserzustroms auf die Aziditätsflüsse in Sedimenten: Säulenversuche und chemische Gleichgewichtsmodellierung

Klaus-Holger Knorr (01/2005)

Betreuer: Christian Blodau

Stark versauerte Seen in Bergbaufolgelandschaften des Braunkohletagebaus haben schon seit einiger Zeit das Interesse der Forschung auf sich gezogen. Insbesondere die Prozesse im Sediment standen dabei oft im Mittelpunkt, da sich hier auf natürliche Neutralisationsprozesse abspielen, die vielleicht die Basis für eine Sanierung auf natürlichem Wege sein könnten. Die wichtigsten aziditätsverbrauchenden Prozesse in Sedimenten dieser Restseen sind Sulfat- und Eisenreduktion, wobei sich eine nennenswerte Aziditätsfestlegung nur dann einstellt, wenn Eisensulfide und anderes zweiwertiges Eisen im Sediment dauerhaft festgelegt werden und vor der Rückoxidation geschützt sind. Es konnte bisher gezeigt werden, dass die mikrobiell katalysierten Prozesse der Sulfat- und Eisenreduktion stark vom lokalen pH-Wert im Sediment und von den vorliegenden Eisenfestphasen abhängen. Bisher praktisch nicht untersucht wurde dabei der Einfluss des heterogenen Grundwasserzuflusses. Je nach Art und auch nur Menge des einfließenden Grundwassers können sich lokal völlig unterschiedliche Bedingungen im Sediment einstellen. So wurde bei bisherigen Arbeiten eine erhöhte Sulfatreduktion und Festlegung reduzierter Schwefelspezies und zweiwertigen Eisens dort festgestellt, wo höherer Grundwasserzufluss auftritt. Dies führte zu gegenüber dem Grundwasser deutlich erhöhten pH-Werten im Sediment (>5 gegenüber 4,5). An Stellen mit wenig bis keinem Zufluss wurden hingegen deutlich niedrigere pH-Werte als im Grundwasser festgestellt (<3 gegenüber 4,5). Außerdem fand die langsame Umwandlung von Schwertmannit zu Goethit, die weitere Azidität freisetzt, nur an den stark sauren Standorten ohne Grundwasserzufluss statt, bei den höheren pH-Werten im Bereich mit starkem Zufluss hingegen fand eine bisher noch nicht zu erklärende Verhinderung der Umwandlung statt. Nach bisheriger Kenntnis sollte die Umwandlung bei höheren pH-Werten beschleunigt sein.

Diese Beobachtungen sollen in dieser Diplomarbeit über die Durchführung von kontrollierten Säulenexperimenten im Labor untersucht werden. Dabei wird Sediment aus Bereichen ohne Grundwasserzufluss verschiedenen Flussbedingungen unterworfen. Als Steuerungsfaktoren wurden zwei verschiedene pH-Werte (2.8 und 5) und Fließgeschwindigkeiten (5 und 20 mm/d) gewählt.