Projekt 33012/02

Modellhafte Anwendung und Weiterentwicklung eines naturnahen, passiv-biologischen Verfahrens ohne Energie- und Chemikalieneintrag zur nachhaltigen Aufbereitung kontaminierter Bergbauabwässer – Nachbewilligung

Projektträger

BASE TECHNOLOGIES GmbH
Josef-Felder-Str. 53
81241 München
Telefon: +49 89 820 80 85-46

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Belastung von Oberflächen- und Grundwasser durch bergbauliche Aktivitäten ist eines der größten
und kostspieligsten Umweltprobleme weltweit. Insbesondere die Oxidation sulfidischer Minerale führt zu
einer Freisetzung von Eisen, Säure, Sulfat und assoziierten Metall(oid)en in schädlichen Konzentrationen
(sog. „Acid Mine Drainage“). Die sukzessive Neutralisation des Grubenwassers führt zur Ausfällung
von Eisenhydroxiden (sog. „Verockerung“) und damit zu einer verminderten Nutzbarkeit von Wasserressourcen
und einer vollständigen Zerstörung aquatischer Ökosysteme. Ziel des Förderprojektes war die
Einführung und Weiterentwicklung eines nachhaltigen und umweltfreundlichen Verfahrens für die Aufbereitung
pH-neutralen Grubenwassers. Entscheidender Vorteil im Vergleich zur aktuellen Praxis ist dabei
der vollständige Verzicht auf den dauerhaften Einsatz von Energie und Chemikalien, wodurch der ökologische
Fußabdruck bei der Nachsorge für bergbauliche Ewigkeitslasten deutlich verringert wird. Der Fokus
der Wasseraufbereitung liegt auf der natürlichen, physikalischen und biogeochemischen Immobilisierung
des im Bergbau omnipräsenten Eisens. Übergeordnetes Ziel des Projektes war es insofern, durch
Optimierung und Einführung einer nachhaltigen Technologie in Deutschland einen Beitrag zu den umwelttechnischen
und sozioökonomischen Folgen des aktiven und nachsorgenden Bergbaus zu leisten.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Zuge einer Pilotstudie wurden Prozesse und Mechanismen, die zur natürlichen Entfernung der Eisenfracht
beitragen, erforscht und quantifiziert. Zu diesem Zweck wurde an einem geeigneten Standort mit
bergbautypischer Wasserchemie eine Pilotanlage installiert und hinsichtlich der maßgeblichen Einflussfaktoren
überwacht. Das innovative Konzept der Pilotanlage sah neben einem mehrstufigen Aufbau (Absetzbecken,
Wetlands, Sedimentfilter) auch drei weitgehend identische, parallele Züge vor, sodass durch
gezielte Variation des Volumenstroms bislang fehlende Vergleichsdaten gewonnen wurden. Die unter
realen Bedingungen erhobenen Daten erlauben einen numerischen Bezug zwischen Prozesskinetik und
Anlagenbemessung. Parallel zur Pilotstudie wurden im Labor ergänzende Säulenversuche zur Untersuchung
und Parametrisierung der maßgeblichen, natürlichen Mechanismen zur Entfernung der (partikulären)
Eisenfracht durchgeführt. Zwecks Vergleichbarkeit von Labor- und Felddaten wurden die Sedimentationsversuche
mit aus der o.a. Pilotanlage entnommenen Eisenhydroxiden durchgeführt. Die Versuche
dienten dazu, das Zusammenspiel von Aggregierung und Sedimentation sowie v.a. auch die Limitierung
der natürlichen Entfernung der Eisenfracht in Absetzbecken zu erforschen und zu parametrisieren.


Ergebnisse und Diskussion

Mittels der Pilotanlage konnte die dauerhafte Leistungsfähigkeit und Betriebssicherheit des mehrstufigen
passiven Systems demonstriert werden. Die Ergebnisse des Pilotprojektes zeigen eine hervorragende
Reinigungsleistung der mehrstufigen Anlage von fast 98%, was mit der am Projektstandort betriebenen,
konventionellen Anlage vergleichbar ist. Über die gesamte Laufzeit der Pilotstudie wurde der standortspezifische,
strenge Grenzwert für Eisen von 1 mg/L unter realen Bedingungen durchgängig eingehalten
bzw. mit im Mittel 0,20(±0,07) mg/L im Ablauf sogar deutlich unterschritten. Neben Eisen wurden auch
abfiltrierbare Stoffe, Mangan und Ammonium sowie weitere Spurenstoffe (Arsen, Aluminium) zuverlässig
verringert. Somit konnte für das mehrstufige System der Nachweis für Eignung und Betriebssicherheit
erbracht werden. Für sekundäre Schadstoffe wie Mangan und Ammonium konnte die Reinigungsleistung
im Vergleich zur konventionellen Anlage sogar deutlich verbessert werden. Aufbauend auf den umfangreichen
Monitoringdaten und Laborergebnissen wurde ein quantitatives Verständnis der passiven Entfernung
von Eisen aus neutralem Grubenwasser abgeleitet und damit der Grundstein für eine wissenschaftlich
fundierte Konzipierung und Bemessung passiv-biologischer Systeme gelegt. Dabei handelt es sich
um eine im Bereich der Ingenieurökologie typische, konservative Abschätzung der erforderlichen Anlagengröße
basierend auf sowohl empirischen Daten als auch daraus abgeleiteten Erkenntnissen der zugrundeliegenden
Kinetik. Der Ansatz erlauben nunmehr eine maßgeschneiderte Bemessung der einzelnen
Anlagenkomponenten auch bei geringen Konzentrationsniveaus und/oder strengen Ablaufkriterien.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse und Erkenntnisse aus dem Forschungsprojekt wurden auf Fachtagungen präsentiert und
in einschlägigen wissenschaftlichen Organen publiziert. Für das Projekt wurde ein kompakter Abschlussbericht
erstellt, der einen Überblick über die wesentlichen Ergebnisse und Erkenntnisse gibt.


Fazit

Die vorliegend abgeleiteten qualitativen und quantitativen Erkenntnisse zur Konzipierung und Bemessung
passiver Systeme gehen deutlich über den etablierten Stand der Technik hinaus. Dies gilt insbesondere
für (1.) gering belastete Grubenwässer und (2.) die maßgeschneiderte Bemessung mehrstufiger
Systeme auch für strenge Grenzwertniveaus im Bereich der Bergbaunachsorge. Die Vorteile ingenieurökologischer,
passiver Technologien für Klima- und Ressourcenschutz sowie Kostenminimierung liegen
v.a. für moderate Schadstoff- und Volumenströme im Rahmen der langfristigen Nachsorge bergbaulicher
Ewigkeitslasten auf der Hand und gewinnen für die nachhaltige Wasser-/Gewässerbewirtschaftung im
Rahmen der WRRL massiv an Bedeutung. Das größte Anwendungspotential ergibt sich naturgemäß im
großflächigen Braunkohletagebau, bei dem infolge des Kohleausstiegs für die kommenden Jahrzehnte
mit einem schnell wachsenden Nachsorgebedarf zu rechnen ist. Durch die steigenden Anforderungen an
die chemische, biologische und ökologische Wasser- bzw. Gewässerqualität im Rahmen der WRRL
ergibt sich jedoch auch für Bergbaualtlasten mit hohem Emissionspotential in historischen Bergbauregionen
ein zunehmender Handlungsbedarf. Durch passive Technologien kann insofern im Bereich der
langfristigen Bergbaunachsorge eine wirksame Entlastung der öffentlichen Hand erreicht werden.