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Hydrogeochemie von Eisenausfällungen an Grundwasseraustritten der Abraumkippe Berrenrath (Rheinisches Braunkohlenrevier)

Chemistry of iron oxides at groundwater seepage sites of the lignite mine Berrenrath (Germany)

Zusammenfassung

Das Grundwasser der Kippe Berrenrath ist versauert, hoch mineralisiert und besitzt bei mittleren Eisenkonzentrationen von 588 mg/l eine sehr hohe Metallacidität. Die karbonatische pH-Pufferkapazität wurde bei der Grundwassergenese sowohl im Feststoff (CaCO3) als auch im Wasser (\(\mathrm{HCO}_{3}^{-}\)) nahezu vollständig aufgezehrt. In den randlichen Tieflagen der Kippe tritt ein Teilstrom des Grundwassers aus und wird über Gräben abgeführt.

Die durch Belüftung in den Entwässerungsgräben einsetzende Eisenfällung ist mit einer intensiven Versauerung der Oberflächengewässer verbunden (pH<3,0). Dadurch schwächt sich der Fällungsprozess auf dem Fließweg ab und verläuft trotz Sauerstoffsättigung unvollständig und langsam. Dennoch entstehen in den Gräben erhebliche Mengen schwermetallbelasteter Schlämme, die in Verbindung mit natürlichen Anlandungen von Blatt- und Astwerk die Gräben zusetzen und dadurch die Gewässerunterhaltung erheblich erschweren. Wie Messungen und Modellrechnungen zeigen, wird dieser Prozess noch viele Jahrzehnte andauern.

Die Hauptbelastung der Schlämme geht vom Schwermetall Nickel aus, das unter dem Schwefelsäureeinfluss bei der Bildung der Eisenoxide praktisch nicht in die Kristallstruktur eingebaut wird und in leicht mobilisierbarer Form vorliegt. Aufgrund des leicht löslichen Nickel- und Sulfatinventars ist eine Deponierung des bei der Gewässerunterhaltung anfallenden Baggerguts erforderlich (häufig DK 2 bis 3). Zur Zeit wird untersucht, ob durch eine Konditionierung der Schlämme eine Herabsetzung der notwendigen Deponieklasse erreicht werden kann.

Abstract

Groundwater at the abandoned lignite mine in Berrenrath (Germany) is acidic and highly mineralised. Average iron concentrations of 588 mg/l indicate a high potential for acidification. Furthermore, investigations revealed a complete depletion of the carbonate buffer capacity (CaCO3 and \(\mathrm{HCO}_{3}^{-}\)) during chemical groundwater evolution. Over the next few decades, no decrease of dissolved pyrite oxidation products is expected. On the contrary, within the drainage ditches at the edges of the dump, an intense precipitation of iron oxides is occurring. However, despite oxygen saturation, precipitation of iron oxides is incomplete due to strong acidification of the surface water (pH<3.0). The main contamination of the iron sludge is caused by high nickel concentrations. This element is only loosely bound to the iron oxides and is easily mobilised. Because of high nickel- and sulphate-concentrations, the excavated material has to be deposited in a controlled landfill (German dump category of 2 to 3).

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Abb. 1
Abb. 2
Abb. 3
Abb. 4

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Lenk, S., Wisotzky, F. & Cremer, N. Hydrogeochemie von Eisenausfällungen an Grundwasseraustritten der Abraumkippe Berrenrath (Rheinisches Braunkohlenrevier). Grundwasser 18, 35–45 (2013). https://doi.org/10.1007/s00767-012-0203-3

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Keywords

  • Pyrite oxidation
  • AMD
  • Groundwater
  • Iron oxides
  • Germany