Hydrogeochemische Reaktionen im Sicker- und Grundwasserbereich von Braunkohlentagebaukippen

Kurzfassung

Die Veränderungen der chemischen Zusammensetzung von wäßriger Phase und Festphase im Sicker- und Grundwasserbereich von Braunkohlentagebaukippen, die von intensiver Pyritoxidation betroffen sind, werden dargestellt und modelliert. Bei pH-Werten unterhalb von pH 4 sind die Pyritoxidationsprodukte Eisen(II) und Sulfat mobil und werden im stöchiometrischen Verhältnis im Sickerwasser beobachtet. Bei massiver Pyritoxidation und fehlender pH-Pufferung der Festphase können pH-Werte unter pH 1 im Wasser entstehen. Die dadurch intensivierte Silikatverwitterung führt zu einem Anstieg des pH-Wertes auf pH 2 bis 3. Ein Vergleich von gemessenen Daten aus Feldexperimenten mit hydrochemischen Modellrechnungen läßt jedoch eine unvollständige Gleichgewichtseinstellung zu Silikatphasen erkennen. Bei pH-Werten oberhalb von pH 4 wird die Eisenkonzentration der wäßrigen Phase unter oxidierenden Bedingungen durch eine Ausfällung von Eisenhydroxid limitiert. Dies beeinflußt nicht nur die Eisenkonzentration der wäßrigen Phase, sondern auch die Intensität der Sulfidoxidation selbst, da das dreiwertige Eisen maßgeblich am Oxidationsprozeß beteiligt ist. Die in den versauerten Sedimentbereichen gespeicherten Pyritoxidationsprodukte gelangen nach deren Lösung durch Sicker- und Grundwasser in Reaktionskontakt mit den von einer Pyritoxidation unbeeinflußten Sedimenten. Dadurch ausgelöst wird der geogene Calcitgehalt der Sedimente aufgelöst und z. T. als Gips bzw. Eisenmischkarbonat ausgefällt. Der pH-Wert des Grundwassers wird durch die Reaktionen angehoben sowie die Konzentration des Eisens und von Spurenelementen (Co, Ni, Zn) im Grundwasser bei pH-Werten oberhalb von pH 5 kontrolliert.

Abstract

The changes in the chemical composition of water and solid phases in pyrite oxidation zones and in lignite mining dump aquifers are described and modelled. At pH-values below pH 4, sulfate and ferrous iron as pyrite oxidation products, are mobile. They are observed in a stoichiometric ratio of 1 to 2 in the aqueous phase. If pyrite oxidation takes place with no pH-buffering with the solid phases, pH-values below 1 are possible. This leads to more intensive silicate weathering which increases the pH-value of the solution to pH 2–3. However, equilibrium with silicates is not reached. At pH-values above pH 4, the iron concentration of water under oxidized conditions is limited by the precipitation of ferric hydroxide. This has an impact on sulfide oxidation itself, because ferric iron is involved in the oxidation reactions of pyrite. Products of sulfide oxidation stored in acidic material in overburden are leached by seepage water and ground water filling the dumps. Reaction with carbonate phases in non-acidic material mainly takes place during ground water recharge. The geogenic calcite minerals of the non-acidic sediments are dissolved. Gypsum and iron-rich carbonates precipitate as secondary minerals in the dump aquifer. The pH-value increases and the concentration of iron and trace metals (Co, Ni, Zn) in the ground water are controlled by equilibrium with iron-rich carbonates at pH-values above pH 5.