DFG-Graduiertenkolleg

Geowissenschaftliche und Geotechnische Umweltforschung
an der TU Freiberg

Durch die Verbrennung von Braunkohle in der ehemaligen DDR sowie in Polen und der Tschechoslowakei in Kraftwerken ohne hinreichende Rauchgasreinigung sind große Mengen an SO₂ und NO_x in Verbindung mit organischen Verbrennungsprodukten emittiert worden und werden teilweise noch immer freigesetzt. Es sollen die Auswirkungen des atmosphärischen Säureeintrags auf Sicker- und Grundwasser in Gebieten ohne Carbonatpufferung untersucht werden. Hierbei soll die Frage geklärt werden, ob es zu irreversiblen Schädigungen gekommen ist.

Durch den intensiven Bergbau in Sachsen und Thüringen und die damit notwendige Wasserhaltung sind große Bereiche mit sulfidischer Vererzung einem intensiven Sauerstoffkontakt ausgesetzt worden. Im Zuge des Wiederanstiegs des Grundwassers in Verbindung mit dem Rückgang der bergbaulichen Tätigkeiten stellt sich die Frage, ob und wie sich wieder natürliche Grundwasserverhältnisse einstellen werden und wie diese Prozesse gegebenenfalls durch Sanierungsmaßnahmen beschleunigt werden können. Das Lösungs- und Transportverhalten von Metallen (z.B. Arsen, Cadmium, Blei) und Radionukliden (z.B. Uran, Thorium, Radium) unter den gegebenen pH- und Redoxverhältnissen soll untersucht werden.

Durch die intensive Nutzung von Hydraulikölen im untertägigen Bergbau kann eine Kontamination des Untergrundes z.B. mit PCB und leicht- und schwerflüchtigen Kohlenwasserstoffen sowie BTEX-Aromate nicht ausgeschlossen werden. Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) aus der Teerdestillation, Gas- und Imprägnierwerken und Verbrennungsprozessen werden vor allem im Hinblick auf die Sorption an hydrophobe Partikel (Braunkohle, Huminstoffe) und Tonminerale unter den gegebenen pH- und Redoxbedingungen untersucht. Es soll insbesondere das Langzeitverhalten untersucht und geprüft werden, durch welche Maßnahmen schädliche Umweltauswirkungen reduziert oder beseitigt werden können.

Ablagerungen aus der Erz- und Uranerz- Gewinnung und Aufbereitung (Halden, Tailings) stellen ein erhebliches Gefährdungspotential für Grund- und Oberflächenwasser dar, da die Halden und Absetzanlagen nicht unter dem Gesichtspunkt des Grundwasserschutzes geplant und gebaut wurden, sondern willkürlich und ohne besondere Schutzvorkehrung an den Standorten der Erzgewinnung bzw. Erzaufbereitung angelegt wurden. Die in den Haufwerken und Schlämmen enthaltenen Eisensulfide stellen ein erhebliches Säurepotential dar sobald oxische Bedingungen herrschen. Das Sickerwasser aus Halden und Tailings kann auf pH-Werte < 2 fallen und damit Radionuklide und Schwermetalle in hohen Konzentrationen mobilisieren.

Ähnliches gilt für Kippen der Braunkohletagebaue. Ein zusätzliches Gefährdungspotential ergibt sich teilweise aus organischen Komponenenten unterschiedlichster Herkunft in den Halden, Kippen und Tailings. Fragen der Komplexierung, Polymerisierung und des kolloidalen Transportes stellen somit weitere Teilaufgaben dar.

Das Transportverhalten auf Kluftsystemen ist dahingehend zu untersuchen, ob und wie es zu turbulenten Fließen kommt und welche Konsequenzen dies für den Schadstofftransport hat. Fragen des partikulären Transports von Schadstoffen sind in diesem Zusammenhang mitzubearbeiten. Ein weiterer Bereich ist der Transport von gasförmigen Stoffen (z.B. Radon, BTEX, flüchtige metallorganische Verbindungen) in der ungesättigten Zone einschließlich Sorption an Tonmineralen und Wechselwirkungen mit dem Porensickerwasser. Um spezielle - Phänomene untersuchen zu können, müssen neue Probenahme- und Meßtechniken entwickelt werden. Die gilt insbesondere für Kluft grundwasserleiter und den Einsatz von kontinuierlich messenden Sensoren.

Zum Themenkomplex Untertagedeponierung und insitu-Immobilisierung von Altlasten sind Labor-Untersuchungen unter Verwendung neuer Baumaterialien auf Tonbasis bzw. Zusatz immobilierender Zusätze vorgesehen, um das Rückhaltevermögen gegenüber verschiedenen Stoffgruppen zu ermitteln. Gleichzeitig sollen die Verfahren hinsichtlich ihrer Umweltverträglichkeit überprüft werden. Daneben sind diese Ergebnisse im halbtechnischen und technischen Maßstab und über natürliche Analoga abzusichern. Die Ergebnisse solcher Versuche sollen auch durch numerische Simulationen interpretiert und abgesichert werden.

Zur Interpretation von Meßdaten müssen Modellierung von Sickerwasser- und Grundwasser-Transport und chemischen Reaktionen unter Berücksichtigung von Gleichgewichten und Ungleichgewichten mit festen Phasen, kinetischen Aspekten und mikrobiologisch katalysierten Reaktionen organischer und anorganischer Substanzen durchgeführt werden. Zu berücksichtigen ist, daß solche Prozesse teilweise in Kluftgrundwasserleitern mit und ohne zusätzlichen Porenwegsamkeiten stattfinden. Multiphasentransport einschließlich konvektivem und diffusivem Gastransport ist ebenso zu beachten. Für die Bewertung von Baumaterialien in der Praxis des Deponiebaus und der untertägigen Deponierung müssen gekoppelte Modelle verwendet werden, die neben dem Fluidtransport auch chemische Wechselwirkungen und gebirgsmechanische Prozesse berücksichtigen. Spezielle Probleme ergeben sich in der wasserungesättigten Zone poröser und klüftiger Gesteine.

Strategie bei der Modellierung wird es sein, bestehende Modelle so weit wie möglich als Bausteine zu verwenden und durch geeignete Schnittstellen miteinander zu verbinden. Eine sorgfältige Dokumentation und benutzerfreundliche Bedienung sind ebenso anzustreben wie eine Verifizierung der Modelle an Hand unabhängiger Meßdaten.

Teilbereiche:

Teilbereiche lassen sich regional und inhaltlich definieren. Die regionale Gliederung erfolgt in den Bereich Braunkohletagebau und untertägiger Erzbergbau. Im Bereich der Braukohle lassen sich die zu bearbeitenden Problemfelder wie folgt gliedern:

• Prognose des Wiederanstiegs des Grundwassers in Kippen unter hydraulischen und hydrochemischen (Versauerung) Gesichtspunkten sowie der Frage der Wasserqualität in Restseen
• Vernetzung von Grundwassermodellen mit Oberflächenabflußmodellen
• Schadstoffpotentiale in Kippen und deren Mobilität (Aschedeponierung, Haus- und Industriemülldeponierung, Altstandorte)
• Atmosphärische Ausbreitung und Deponierung von Schadstoffen im Umfeld

• Grundwasserqualität in Gruben mit bereits abgeschlossener Flutung und Gruben, die z.Zt. geflutet werden.
• Halden (Sickerwasserqualität, Wasserhaushalt, Langzeitverhalten)
• Tailings unter besonderer Berücksichtigung von Mischtailings (Industrielle Absetzanlagen mit Nachfolgenutzung als Haus- und/oder Industriemülldeponie.
• Versatz und Deponierung in bergmännischen Auffahrungen
• Atmosphärische Ausbreitung und Deponierung von Schadstoffen im Umfeld