Acid Mine Drainage. Versauerung von Gewässern durch die Ressourcengewinnung aus der Erde

Elaboration , 2020 , 14 Pages , Grade: 1,3

Geography / Earth Science - Geology, Mineralogy, Soil Science

Diese Seminararbeit beschäftigt sich mit der Versauerung von Gewässern durch die Ressourcengewinnung aus der Erde.

Seit dem Anbeginn des Bergbaus ist das Element Wasser eines der größten Herausforderungen im täglichen Arbeitsprozess. In diesem Zusammenhang müssen die Bewetterung und Entwässerung der Anlagen sichergestellt werden. Durch das Zutage fördern von ehemals tieferen Erdschichten werden verschiedene Gesteinsarten ausgelagert und die darin befindlichen Minerale aufgrund natürlicher Witterungseinflüsse (Wasser, Sauerstoff) ausgewaschen. In Folge des chemischen Prozesses entstehen saure Grubenwässer, welche im englischen Sprachgebrauch als Acid Mine Drainage (AMD) bezeichnet werden. Das Problem dieser sauren Bergbauausflüsse besteht in ihrer Zusammensetzung und den stark abweichenden Eigenschaften in Bezug auf alle anderen Wassertypen.

1. Einleitung

Die folgende Seminararbeit beschäftigt sich mit der Versauerung von Gewässern durch die Ressourcengewinnung aus der Erde.

Seit dem Anbeginn des Bergbaus ist das Element Wasser eines der größten Herausforderungen im täglichen Arbeitsprozess. In diesem Zusammenhang müssen die Bewetterung und Entwässerung der Anlagen sichergestellt werden. Durch das Zutage fördern von ehemals tieferen Erdschichten werden verschiedene Gesteinsarten ausgelagert und die darin befindlichen Minerale aufgrund natürlicher Witterungseinflüsse (Wasser, Sauerstoff) ausgewaschsen. In Folge des chemischen Prozesses entstehen saure Grubenwässer, welche im englischen Sprachgebrauch als Acid Mine Drainage (AMD) bezeichnet werden. Das Problem dieser sauren Bergbauausflüsse besteht in ihrer Zusammensetzung und den stark abweichenden Eigenschaften in Bezug auf alle anderen Wassertypen (vgl. Kaboth, 2009, S.1).

Das Ziel dieser Seminararbeit ist es, einen Überblick über die ProbIematik des Acid Mine Drainage zu erlangen. Es erfolgte dazu eine Ausarbeitung der drei Themenschwerpunkte durch eine literaturgestützte Recherche an Fachliteratur.

Nach einer ersten Begriffsbestimmung werden zunächst in Kapitel 3 die Ursachen für die Bildung der sauren Bergbauwässer dargelegt. Es folgt in Kapitel 4 ein Überblick über die Auswirkungen auf dem Gebiet der Bundesrepublik Deutschland und die Renaturierungskosten im globalen Umfeld. In 5. Kapitel liegt der Schwerpunkt auf den Möglichkeiten der Gegenmaßnahmen zum Schutz der Umwelt, dazu werden einzelne Abläufe der Neutralisierung des Wassers näher betrachtet. Die Seminararbeit endet mit einem kurzen Fazit, welches die Ergebnisse zusammenfassend reflektiert.

Eine weltweite Betrachtung des Themas AMD wird nicht vollzogen, sondern findet nur in Kapitel 4 einen kurzen Exkurs.

2. Begriffsbestimmung

2.1 Grubenwasser

Im Zuge von Rohstoffförderungen (Abbildung 1) aus dem Erdboden ist ein umfassendes Wassermanagement von Nöten. In diesem Zusammenhang werden Wasserströme bewegt, umgeleitet und zu Tage gefördert. Unter anderem kommt es bei der Gewinnung von Braunkohle zur Bewegung von Wasser aus den Förderungsgruben. Dieses Grubenwasser ist für den Förderungsprozess hinderlich und wird aus dem Fördergebiet entfernt. Das Grubenwasser ist im Allgemeinen ein Abfallstrom, welcher je nach Land auch als Abfall angesehen wird. Aufgrund einer unwesentlichen Kontaminierung des Wassers, stellt er in den meisten Fällen keine Gefahr für die Ökosphäre, Anthroposphäre und das Grundwasser dar. In speziellen Fällen besteht durch Veränderungen der Wassereigenschaften, wie die erhöhte Mineralisierung, Handlungsbedarf durch die bergbaubetreibenden Unternehmen (vgl. Wolkersdorfer, o.J., S.106). Weiterhin bildet sich freies Wasser durch natürliche Wetterbedingungen in den Gewinnungsgebieten. Durch natürliche Niederschläge und Schnee im Einzugsgebiet des Tagebaues und zufließendes Restwasser aus Böschungen können sich Staumassen bilden. Um einen reibungslosen Förderungsablauf zu gewährleisten ist eine Vernässung durch Standwasser zu vermeiden. Dies wird durch technische Maßnahmen gewährleistet. Im ersten Schritt wird das gesammelte Grubenwasser durch Gräben zu stationären Wasserhaltungen und Gesenken geführt und dort gesammelt, um es in folgenden Verlauf mit Hilfe von Schmutzwasserpumpen und beweglichen Ableitungssystemen aus dem Tagebau zu führen (vgl. Stoll et al., 2009, S.100).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Im Steinbruch Brößnitz entsteht beim Abbau von Grauwacke saures Grubenwasser (Sächsische Zeitung, 2019)

2.2 Saure Grubenwässer

In vielen Industriezweigen (z.B. Rauchgaswäsche, galvanische Produktion) fallen saure schwefelreiche Abfallwässer als Nebenprodukt von Produktionsprozessen an. Ein Hauptproduzent von kontaminierten Wässern ist die Bergbauindustrie. Von stillgelegten Minen und den ungenutzten sauren Abfällen geht eine Gefahr für die Umwelt aus. In diesen Reststoffen befinden sich oft eine erhöhte Konzentration von metallischen Rückstanden (Eisen, Aluminium, Mangan) und Schwermetallen. Die giftigen Rückstände von Arsen sind die größte Gefahr in diesem Zusammenhang (vgl. Johnson, 2005, S.3). In Folge verschiedener chemischer Prozesse nach der Zutageförderung des ungenutzten Abraumes kommt es zur Versauerung der Umgebung und Umwelt. Ein Hauptproblem ist die erhöhte Mineralisierung des Wassers durch die Verwitterung von Pyrit speziell im Braunkohletagebau. Sie sorgt im weiteren Verlauf für eine Änderung des pH-Wertes im Wasser und dessen Braunfärbung. Die Folge sind saure Grubenwässer. Diese kontaminierten Grubenwässer können tausende Kilometer an Gewässern verunreinigen, die Lebensqualität von Menschen beeinträchtigten und Naturschutzgebiete bedrohen (vgl. Wolkersdorfer, o.J., S.106). Saure Grubenwässer sind durch mineralische und metallische Stoffe verunreinigte Wässer aufgrund Bergbautätigkeiten. Analog zum deutschen Begriff ist in der englischsprachigen Literatur von „Acid Mine Drainage (AMD)“ die Rede. Diese Begrifflichkeit findet sich mittlerweile auch in der deutschen Literatur wieder und bezeichnet das Problem der Versauerung des Wassers durch gelöste Metallanreicherungen (vgl. Johnson, 2005, S.3).

3. Ursachen

Die Entstehung von sauren Grubenwässern findet durch den Abbau von Erz- und Kohle statt. Bei diesem Prozess werden Rohstoffe gewonnen, abtransportiert und weiterverarbeitet. Ein Abfallprodukt in diesem Prozess sind die nicht gewinnbringenden Erdschichten, welche im Zuge der Förderung umgeschichtet werden. In diesen Erdschichten befinden sich verschiedene Schadstoffe, wie Eisen und Schwefelmineralien. Durch das Aufschütten von Altbergbau- und Schlackehalden gelangen die Schadstoffe in Form von Sickerwässern und Verwehungen in die Umgebung (vgl. Kaboth, o.J., S.7). Unter anderem sind in den Erzen Pyrit oder Markasit sowie andere sulfidische, metall- und arsenhaltige Minerale enthalten. Das großflächige Aufschütten sorgt weiterhin für eine künstlich geschaffene vergrößerte reaktive Oberfläche, auf der eine beschleunigte Verwitterung im Vergleich zu natürlichen Systemen stattfinden kann (vgl. Willscher, o.J., S.139). Die Oxidation von Pyrit tritt vor allem beim Abbau sulfidischer Metallvererzungen bzw. mit Sulfiden assoziierter Metallvorkommen auf. Aber auch die bereits genannte Braun- und Steinkohlegewinnung ist eine der Ursachen für die Problematik des AMD (vgl. Friese, 2005, S.22). Durch die Verwitterung von Pyrit kommt es zu einer Reihe an Umweltveränderungen in Folge bergbaulicher Aktivitäten. Durch den Kontakt mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft kommt es zu einer chemischen Reaktion dessen Folge die Bildung von Schwefelsäure ist. Durch mikrobakterielle Abläufe wird dieser Vorgang katalysiert und führt dadurch zu einer Versauerung des Wassers (vgl. Guderian & Gunkel, 2000, S.357) Die Mikrobakterien wirken in dem Prozess mit. Der pH-Wert spielt in dem Zusammenhang eine tragende Rolle und sorgt je nach Höhe dafür, dass Jarosit, Ferrihydrit, Schwertmannit oder Goethit entstehen (vgl. Blume et al., 2010, S.36).

Bei der chemischen Betrachtung wird das unstabile FeS2 durch die Aufnahme von Wasser und Sauerstoff in gelöstes zwei- oder dreiwertiges Eisen und Sulfat umgeformt. Im Verlauf dieser komplexen Reaktion werden H+-Ionen frei, welche zu dem gelösten Eisen freie Schwefelsäure freigeben. Die folgenden Gleichungen stellen die wichtigsten Schritte in der Oxidation des Pyrites und der damit verbundenen Versauerung des Wassers dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In Gleichung 1 findet die Oxidation des Schwefels und in Gleichung 2 die Hydrolyse des Eisens statt. Beide Formeln finden über eine Folge von Teilreaktionen statt. Hauptsächlich findet die Umwandlung des Pyrites unter stark sauren Bedingungen statt und besitzt mit nachfolgender Gleichung 3 den dominierenden Charakter

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(vgl. Guderian & Gunkel, 2000, S.357). Der pH-Wert sinkt in den extrem sauren Bereich ab, wenn die Schwefelsäure nicht neutralisiert wird. Die Geschwindigkeit des Absinkens wird durch die Schwefelbakterien Thiobacillus ferrooxidans und Thiobacillus thiooxidans entscheidend beschleunigt. Das Thiobacillus ferroxidans greift hauptsächlich Schwermetallsulfide an und ist besetzt dadurch eine Schlüsselfunktion im Prozess. Thiobakterien finden sich in allen bisher analysierten Substraten an Kippenböden wieder (vgl. Pflug, 1998, S.560).

4. Verbreitung

4.1 Weltweit

Die Versauerung von Gewässern im Zusammenhang mit Bergbauaktivitäten ist ein weltweites Problem. Nach einer Schätzung aus dem Jahr 1989 sind weltweit 19.300km fließende Gewässer und 72.000ha ruhende Gewässer ernsthaft durch Bergbauaktivitäten geschädigt. Der exakte Grad der Umweltverschmutzung durch bergbaubedingte Abwässer ist nur schwer zu ermitteln (Johnson, 2005, S.3). Bei der Betrachtung von Kennzahlen im Zuge der Sanierung stillgelegter Flächen und derer Versauerung ergeben sich folgende Größen:

Australien 300Mio A-Dollar

Kanada 1,9Mrd – 5,3Mrd US-Dollar

Schweden 900Mio US-Dollar

USA 32Mrd – 72Mrd US-Dollar

Südafrika 1Mrd US-Dollar

Einer Schätzung zufolge belaufen sich die Kosten der momentanen und zukünftigen Verpflichtungen zur Behebung der versauerten Gewässer und Abwässer weltweit auf 100Mrd US-Dollar (vgl. Lottermoser, 2015, S.480). Das auslösende Gestein Pyrit findet sich in diesem Zusammenhang auf den meisten Halden der Kohlegewinnung wieder. Dabei sind britische und amerikanische Abbaugebiete aber auch deutsche Reviere in Sachsen und dem Ruhrgebiet betroffen (vgl. Blume, 2010, S.36).

[...]

• College: Brandenburg Technical University Cottbus
• Grade: 1,3
• Author: Maik Bartuschk (Author)
• Publication Year: 2020
• Pages: 14
• Catalog Number: V1032104
• ISBN (eBook): 9783346446466
• ISBN (Book): 9783346446473
• Language: German
• Tags: acid, mine, drainage, versauerung, gewässern, ressourcengewinnung, erde