Schwermetalltransport in Sandsteinen unter Bedingungen einer hochsalinaren Porenwasserlösung – Laborversuch und Modellierung

Kurzfassung

Im Ruhrgebiet werden schwermetallhaltige Reststoffe aus der Rauchgasreinigung in abbaugebleitende Hohlräume des Ruhrbergbaus verbracht. Im Rahmen der Bewertung der Langzeitsicherheit der untertägigen Verbringung wurden Laborversuche zur Migration von Schwermetallen unter den Bedingungen hochsalinarer Porenwasserlösungen durchgeführt. Die im Labor unter definierten hydrochemischen Randbedingungen mit Cadmium und Blei durchgeführten Multitracerexperimente belegen, daß sich Cadmium in natürlichen Klüften unter den im Ruhrkarbon vorherrschenden salinaren Milieubedingungen bei schwach basischem pH-Wert wie ein idealer Tracer ausbreitet. Im Gegensatz dazu wird Blei unter diesen Milieubedingungen praktisch immobil. Aufbauend auf den Ergebnissen wurde eine numerische, drei-dimensionale Modellierung der Laborversuche durchgeführt. Zuvor wurden im Labor gesteinsphysikalische Diffusions- und Sorptionsparamter sowie die Porosität der Gesteinsmatrix ermittelt. Die Durchführung der Versuche unter kontrollierten Fließfeldbedingungen gestattete die exakte Vorgabe physikalischer Randbedingungen für die numerische Modellierung. Die Modellierung ergab eine gute Übereinstimmung zwischen experimentellen Daten und numerischer Simulation.

Abstract

The subsurface storage of industrial residues in coal mines in the Ruhrgebiet/Germany requires evidence that dissolved heavy metals will not return to the biosphere via groundwater flow. The residues originate from coalfired power plants and consist of filter ashes which are injected behind the long wall faces. In order to investigate the migration of heavy metals two experiments using cadmium ald lead as solute and pyranine as tracer were performed in the laboratory. The experiments were performed under defined hydraulic boundary conditions, and the hydrochemical conditions correspond to a depth of approximately 1000 m. The results indicate that cadmium is mobile under saline conditions and ± neutral pH-values, whereas lead is immobile. The experimental results were used to calibrate a three-dimensional numerical model of the experimental array. The rock properties like diffusion-, sorption-coefficients and matrix porosity were evaluated in the laboratory. In combination with defined hydraulic boundary conditions the modelling achieved a good correspondence between experimental and simulated results.