DE102004030966B4 - Verfahren zur multifunktionalen Steuerung der Wasserqualität an offenen Gewässern - Google Patents

Abstract

Verfahren zur multifunktionalen Steuerung der Wasserqualität an offenen Gewässern insbesondere durch Verringerung des Säureein- und/oder -austrags an offenen Gewässern, insbesondere an Tagebauseen, die nach Beendigung des aktiven Bergbaus entstanden sind und die durch Grundwasserströme miteinander verbunden sind oder verbunden werden und an Fließgewässern, die durch Grundwasserwiederanstieg ungünstig beeinflusst sind oder zukünftig beeinflusst werden, dadurch gekennzeichnet, dass in die Böschungs- und/oder die Kippenbereiche an Tagebauseen oder Fließgewässern in denen saures Grundwasser dem Oberflächenwasser zuströmt, feinkörnige alkalische Einsatzstoffe mit einer Korngröße von < 0,2 mm in einer Konzentration von < 10 % mit einer Schichtdicke von bis zu 5 m in den betreffenden Bodenbereich eingearbeitet oder im entsprechenden Gemisch mit Bodenmaterial aufgetragen oder aufgespült werden und an Tagebauseen im Austrittsbereich von Oberflächenwasser in das Grundwasser feinkörnige alkalische Einsatzstoffe mit einer Korngröße von < 2 mm in einer Konzentration von > 3 % mit einer Schichtdicke von bis zu 2 m in den...

Description

• Durch den offenen Bergbau entstandene Hohlräume werden meist durch Flutung mit Oberflächenwasser oder durch Selbstaufgang von Grundwasser gefüllt.
• Als Folgenutzung wird in der Regel eine Wasserspeicherbewirtschaftung oder die Schaffung von Bade- und Fischgewässern angestrebt.
• Nach Einstellung des offenen Bergbaus und der damit verbundener Einstellung der allgemeinen Grundwasserabsenkung durchströmt das wieder in Erscheinung tretende Grundwasser die vom Bergbau hinterlassenen Kippen. Insbesondere aufgrund von Pyritverwitterung im offenen Bergbau sind diese Kippen oft mit einem hohen Säurepotential angereichert. Das führt zur Versauerung der entstehenden Tagebauseen mit pH-Werten bis auf < 3. Saure Zuströmungen mit dem Grundwasser aus sauren Bergbauseen oder aus sauren Kippen führen ebenfalls zur Versauerung von bereits gefluteten oder neutralisierten Bergbauseen.
• Das wiederaufsteigende Grundwasser wird teilweise durch Entwässerungsgräben gesammelt und abgeleitet oder beeinflusst beim Zuströmen in Fließgewässern die vorhandenen Wasserqualität. Dabei kann es infolge des Säure- oder Eisengehaltes im Grundwasser zu einer ungünstigen Wasserqualität oder einer deutlichen Verschlechterung der Wasserqualität in derartige Fließgewässer kommen.
• Aus dem Stand der Technik ist bekannt, saure Wässer punktuell zum Beispiel an einem Seeauslauf durch Kalkung zu neutralisieren. Die Kalkung wird hier in Grubenwasseraufbereitungsanlagen (GWRA) praktiziert. Es ist prinzipiell der Einsatz von Branntkalk, Kalkhydrat und Kalkmilch bekannt. Bei der Behandlung der Ausläufe von sauren Seen in unterstromig gelegene Seen verbleibt der betreffende oberstromig gelegene See im sauren Zustand. Das saure Grundwasser strömt jedoch auch bei Nichtbetrieb der GWRA infolge von Oberflächenwassermangel weiter in den unterstromig gelegenden See und führt auch hier zur Versauerung.
• Bekannt ist weiterhin ein Verfahren, beschrieben in DE 199 61 243 A1 , nachdem die in einem Tagebausee vorhandenen eingespülten Kraftwerksaschen, die aus der Verbrennung von Braunkohlen stammen und am Boden eines Tagebausees sedimentiert sind, wieder aufzunehmen, zu verwirbeln und über Rohrleitungen im sauren Tagebausee und im Haupteintrittsbereich von sauren Grundwasserströmen und/oder sauren Zuflüssen zu verteilen und zur Neutralisation zu nutzen. Dieses Verfahren ist jedoch nur begrenzt nutzbar, wenn Altaschen im Gewässer vorhanden sind. Die Aktivität der Aschen und ihre Durchströmbarkeit ist relativ gering.
• Nach dem Verfahren gemäß DE 102 27 951 A1 soll zur Steuerung der Wasserqualität an offenen Gewässern mittels Aufspülen einer Wasser-Wirkstoffsubstrat-Suspension im Ufer- und Böschungsbereich im und am Tagebausee im Austrittsbereich von Grundwasserströmungen eine Seekolmationswand oder im Eintrittsbereich von sauren Grundwasserströmen und/oder sauren Zuflüssen eine Seereaktionswand errichtet werden. Der Nachteil dieses Verfahren besteht darin, dass die aufgespülten Wirkstoffsus pensionen durch Erosion und Abrasion infolge Starkniederschläge und Wellenschlag aus dem Böschungsbereich entfernt werden können und damit die angestrebte Wirkung verloren geht.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein wirksames, effizientes und einfach zu realisierbares Verfahren für die Verringerung des Säureeintrags mit Grundwasser in offene Gewässer sowie des Wasser- und Säureaustritts aus offenen Gewässern in das Grundwasser zu finden.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, in dem zur Verringerung der Wasser- und Säureabströmmenge aus offenen sauren Gewässern, insbesondere aus Tagebauseen, die nach Beendigung des aktiven Bergbaus entstanden sind und die durch Grundwasserströme und/oder oberirdischen Verbindungen miteinander verbunden sind, in den Ufer- und Böschungsbereich im und am Tagebausee und an oberirdischen Verbindungen im Austrittsbereich ins Grundwassers eine multifunktionale Seekolmationswand durch Einspülung oder Einarbeitung von feinkörnigen alkalischen Einsatzstoffen mit einer Korngröße von < 2 mm in einer Konzentration von > 3 % mit einer Schichtdicke von bis zu 2 m in den betreffenden Böschungsbereich unter- und/oder oberhalb des vorhandenen oder zu erwartenden Wasserspiegels errichtet wird. Vorzugsweise kommen in diesen Bereichen als Einsatzstoffe gebrannte Kalk- oder Dolomitprodukte zum Einsatz, die eine Körnung von < 0,2 mm aufweisen. Diese Einsatzstoffe werden bei der Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem Auf- oder Eintrag in den betreffenden Böschungsbereich mit einem Geotextil und/oder mit einer gestuften Steinschüttung überlagert oder ober- und unterhalb des Wasserspiegels in eine körnungsgestufte Steinschüttung und/oder auf ein Geotextil eingespült.
• Die Multifunktionalität der Kolmationswand ist durch die Abdichtung der Grenzschicht See-Gebirge infolge Verringerung des k_f-Wertes und damit Verringerung des Abströmvolumens von saurem Seewasser unter gegebenen hydraulischen Randbedingungen, durch eine Beeinflussung der Wasserqualität des betreffenden Gewässers durch eine anteilige Reaktion mit dem Einsatzstoff und dem Seewasser und durch Veränderung der Wasserqualität im abströmseitigen Bereich des Gewässers bis zum Erreichen der vollständigen Kolmation gegeben.
• Insbesondere bei nicht gefüllten Tagebauseen kann in den zukünftig überfluteten Böschungsbereichen der potentielle zukünftig zu erwartenden Abstrom wirksam und einfach reduziert werden. Damit kann Neutralisationsaufwand und die erforderliche Flutungswasserbereitstellung deutlich gegenüber dem Zustand ohne die erfindungsgemäße Lösung reduziert werden.
• Erfindungsgemäß wird zur Verringerung des Säureeintrags in offene Gewässer und an Fließgewässern, die durch sauren Grundwasserzustrom ungünstig beeinflusst sind oder zukünftig beeinflusst werden, in die Böschungs- und/oder die Kippenbereiche in denen saures Grundwasser dem Oberflächenwasser zuströmt, eine Reaktionswand/Reaktionsteppich/Reaktionsböschung durch die Einarbeitung oder den Auftrag oder die Aufspülung im entsprechenden Gemisch mit durchströmbaren Bodenmaterial von feinkörnigen alkalischen Einsatzstoffen mit einer Korngröße von < 0,2 mm in einer Konzentration von < 10 % bis in eine Tiefe von 5 m bewirkt. Bei der Durchführung des Verfahrens kommen als Einsatzstoff vorzugsweise carbonathaltige ungebrannte Kalk- oder Dolomitprodukte zum Einsatz.
• Die vorgeschlagene Reaktionswand im Böschungsbereich wirkt multifunktional im Uferbereich unterhalb der Wasseroberfläche bei der Behandlung des Zustroms von saurem Grundwasser vor dem Eintritt in den Wasserkörper, in der Staulamelle durch Erosion und Freisetzung des Neutralisationsmittels infolge des Einflusses des Wellenschlags im unmittelbaren Uferbereich, im Uferbereich oberhalb des Seespiegels im Zusammenhang mit Erosion, Niederschlägen und der damit verbundenen Freisetzung von Neutralisationsmittel sowie einer Grundwasserneubildung mit guter Wasserqualität und im Uferbereich mit vegetativer Beeinflussung durch Grundwasserneubildung mit einer angestrebten Wasserqualität. Insbesondere vor der Flutung oder vor dem Grundwasseraufgang oder in nicht vollständig gefüllten Gewässern kann das Verfahren auf einfache kostengünstige Weise realisiert werden. Die Auslegung kann dabei derartig erfolgen, dass eine Nachhaltigkeit für Jahrzehnte gegeben ist.
• Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens wird die Nutzung von lebensfeindlichen sauren Gewässern, wie beispielsweise von sauren Tagebauseen zur Erholung, Bewirtschaftung und als Zwischenspeicher mit relativ geringem wirtschaftlichem Aufwand schneller und nachhaltig ermöglicht und gleichzeitig die Pufferkapazität des Gewässers deutlich angehoben.
• Das Prinzip der Erfindung soll im folgenden näher erklärt werden.
• Ein Tagebausee mit einem Volumen von 25 Mio. m³ enthält saures Wasser mit einem pH-Wert von 2,8 und einem k_b4,3-Wert von ca. 3 mmol/l. Dieser Tagebausee liegt im Endwasserstand im Wasserspiegel 8 m höher als ein Tagebausee in 1 km Entfernung, der mit 20 Mio. m³ bereits neutralisiertem Wasser gefüllt ist. Bedingt durch den Höhenunterschied fließt ein saurer Grundwasserstrom von 500 m³/h und einem k_b6-Wert von ca. 4 mmol/l durch das verbindende Kippengelände in den neutralisierten Tagebausee. Zum Gegensteuern müssten ca. 2000 m³/h gepuffertes Oberflächenwasser kontinuierlich durch diesen See als Nachhaltigkeitswasser strömen. Da Oberflächenwasser nur zeitweise ausreichend vorhanden ist, kommt es ohne zusätzliche Maßnahmen zu einer Wiederversauerung des Gewässers. Alternativ müssten Neutralisationsmittel im betreffenden Gewässer mit einem jährlichen Aufwand von 500 T EURO eingebracht werden.
• Zur Reduzierung des Abstromes aus dem höher gelegenen Tagebausee wird vor Erreichen des Endwasserstandes eine Seekolmationswand im Bereich des betreffenden Böschungsbereiches angelegt. Diese muss insbesondere im Wellenbereich in der Staulamelle sowie bei noch ansteigendem Wasserspiegel im Uferbereich vor der Zerstörung gesichert werden. Dazu wird auf die Böschung ein Geotextil eingebaut und dieses mit einer 20 cm Schicht Mineralgemisch 0-45 mm überlagert. Darüber erfolgt als 3. Schicht die Auflage von 40 cm Wasserbausteinen mit 200 bis 300 mm Durchmesser. Nach Realisierung der Böschungssicherung wird mittels einer Wasser-Wirkstoff-Suspension in einer Konzentration von 30 Ma.-% an gebranntem Dolomit mit einer Körnung von < 0,2 mm mit einer mobilen Misch-, Pump- und Einspüleinheit vom Uferbereich der Böschungsteil oberhalb des Wasserspiegels und mit einer schwimmenden ortveränderlichen Einspüleinheit vom Wasser aus der Böschungsteil unterhalb des Wasserspiegels aufgespült. Zur Verringerung der Kosten ist von einer mobilen Silo-, Misch- und Pumpeinheit und von 2 Zoll-Rohrleitungen auszugehen, die zum Teil als Schlauch verlegt werden können. Mit einer Gesamtmenge von ca. 30 m³/h können stündlich bis zu 10 t Wirkstoff ausgebracht werden. Bei einer Dicke der Alkalisierungsmittelschicht von ca. 3-5 cm können mit 1 t Einsatzstoff bei einer Schüttdichte von ca. 1 g/cm³ ca. 25 m² oder stündlich ca. 250 m² behandelt werden. Ca. 25 % des eingebrachten Produktes werden bei der Verspülung in Lösung gehen und die Wasserqualität des betreffenden Gewässers verbessern. Es wird deshalb eine um 25 % erhöhte Produktmenge als die für die Kolmationswand benötigte aufgebracht. Über Gütepegel wird die mögliche Veränderung der Höhe des Grundwasserspiegels sowie die Wasserqualität des abströmenden Wassers im Grundwasserstrom überwacht. Die Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit kann zusätzlich auch über Tracerversuche kontrolliert werden.
• Im Rahmen des Gesamtverfahrens erfolgt zusätzlich an der Grundwassereintrittsseite des tiefer gelegenen Tagebausees, die zukünftig überflutet wird, auf einer Fläche von 10 ha die Errichtung einer Seereaktionswand. Das Verfahren beinhaltet mehrere technologische Teilschritte. Zuerst wird mittels regelbarer Streueinheit der in den Boden einzuarbeitende Einsatzstoff Kalksteinmehl in einer Körnung von < 0,09 mm gleichmäßig auf die Oberfläche aufgebracht. Die Menge von 250 t/ha wurde aus der Zusammensetzung des Kippenmaterials sowie des Grundwasserstromes (Menge und Qualität) ermittelt und garantiert eine nachhaltige Behandlung des sauren Grundwasserstromes über 10 Jahre. Anschließend erfolgt das Einarbeiten des Stoffes in den Boden mit einer Bodenfräse mit mehreren Durchläufen bis in eine Tiefe von 80 cm. Die Konzentration an Einsatzstoff wird auf 3 % eingestellt. Nach dem Einfräsen wird die Fläche durch einen Grader abgezogen. Um Erosionen durch Windeintrag zu verhindern und um die stark aufgelockerte Oberfläche zu verdichten, erfolgt abschließend ein Anwalzen. Der Technikeinsatz mit Luftbereifung ist für die Bearbeitung von Böschungen mit einer max. Neigung von bis zu 1:10 problemlos und bis 1:6 eingeschränkt möglich. Steilere Böschungen machen für die auf der Böschung arbeitenden Maschinen Kettenantriebe notwendig, um den entstehenden Schlupf zu überwinden. Die Qualität der Ausführung der Reaktionswand wird durch Sondierungen geprüft. Die Wirkung der Reaktionswand wird mittels Probenahme des Grundwassers mit Saugkerzen im Böschungsbereich in unterschiedlichen Tiefen und analytischer Ermittlung der Zusammensetzung überprüft.
• Mit Hilfe der ausgeführten Verfahrenslösung wird die sonst erforderliche zusätzliche Zufuhr von Flutungswässern durch Wasserabdriftung in das Grundwasser oder auf Grund der Wiederversauerung von Tagebauseen und der Einsatz von zusätzlichen chemischen Neutralisationsmitteln mit einem hohem Wirkungsgrad nachhaltig über lange Zeiträume vermieden.

Claims (4)

1. Verfahren zur multifunktionalen Steuerung der Wasserqualität an offenen Gewässern insbesondere durch Verringerung des Säureein- und/oder -austrags an offenen Gewässern, insbesondere an Tagebauseen, die nach Beendigung des aktiven Bergbaus entstanden sind und die durch Grundwasserströme miteinander verbunden sind oder verbunden werden und an Fließgewässern, die durch Grundwasserwiederanstieg ungünstig beeinflusst sind oder zukünftig beeinflusst werden, dadurch gekennzeichnet, dass in die Böschungs- und/oder die Kippenbereiche an Tagebauseen oder Fließgewässern in denen saures Grundwasser dem Oberflächenwasser zuströmt, feinkörnige alkalische Einsatzstoffe mit einer Korngröße von < 0,2 mm in einer Konzentration von < 10 % mit einer Schichtdicke von bis zu 5 m in den betreffenden Bodenbereich eingearbeitet oder im entsprechenden Gemisch mit Bodenmaterial aufgetragen oder aufgespült werden und an Tagebauseen im Austrittsbereich von Oberflächenwasser in das Grundwasser feinkörnige alkalische Einsatzstoffe mit einer Korngröße von < 2 mm in einer Konzentration von > 3 % mit einer Schichtdicke von bis zu 2 m in den betreffenden Böschungsbereich eingearbeitet oder eingespült werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Bereichen, in denen saures Grundwasser zuströmt als Einsatzstoffe vorzugsweise carbonathaltige ungebrannte Kalk- oder Dolomitprodukte zum Einsatz kommen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Bereichen, in denen saures Wasser abströmt als Einsatzstoff vorzugsweise gebrannte Kalk- oder Dolomitprodukte zum Einsatz kommen und die Körnung vorzugsweise < 0,2 mm beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Bereichen, in denen saures Wasser abströmt der Einsatzstoff ober- und unterhalb des Wasserspiegels in eine körnungsgestufte Steinschüttung und/oder auf ein Geotextil eingespült wird oder oberhalb des Wasserspiegels nach dem Auf- oder Eintrag in den Böschungsbereich mit einem Geotextil und/oder mit einer gestuften Steinschüttung überlagert wird.