Search

Zum Ende des Jahres 2018 wurde in Deutschland der Steinkohlenbergbau eingestellt. Damit beginnt auch in den bis zuletzt aktiven Revieren die Phase des Nachbergbaus inklusive einer dauerhaften Wasserhaltung. Diese beinhaltet typischerweise eine teilweise Grubenflutung und die Ableitung von Grubenwasser in nahegelegene Vorfluter. Im Blickpunkt der öffentlichen und wissenschaftlichen Diskussion stehen bergbauliche Schadstoffquellen und deren Risiken für die oberflächennahen Trinkwasserressourcen. Es existieren eine Reihe Kriterien und Kontrollmechanismen, um potenziellen Schadstoffaustrag zu erkennen und zu verhindern. Dazu zählen moderne Monitoringprogramme und Modellanwendungen, welche bestehende Schadstoffprognosen verbessern können. Daneben ist auch eine rechtlich und fachlich begründete Bewertung von Gefahrenszenarios eine entscheidende Größe für nachhaltiges Risikomanagement. Der Grubenwasseranstieg eröffnet jedoch auch Chancen, ehemalige Bergwerke für energetische Nutzungen umzurüsten. Bereits heute werden Heizkraftwerke mit Grubenwasser betrieben und es besteht großes Ausbaupotenzial. Dieser Beitrag diskutiert die Chancen und Risiken von Grubenflutungen in Deutschland und gibt einen Ausblick, welche Entwicklungen und Herausforderungen in Zukunft zu erwarten sind., Universität Greifswald (1032), Groundwater in former German coal mining areas—a scientific perspective on mine floodings

Acid mine drainage (AMD) is a key concern of the mining industry due to its impact on the quality of water and soils surrounding mine waste deposits. Acid mine drainage derives from the oxidation of metal sulphides, e.g. pyrite (FeS2), exposed to oxygen and water. The leachate acidity is capable of releasing heavy metals contained in the mining waste rock, which can affect water quality and lead to metal enrichment in sediments and potentially resulting in ecosystem degradation. Predicting tailings leachate pH is key to the management of sulfide-bearing mine wastes and is an emerging remote sensing application with limited studies having been realized. Such a capability would supplement traditional methods (i.e. ground surveys) that are challenging to implement due to the extent and large volume of mine waste. This study reports regional scale tailings mineral maps generated from airborne hyperspectral information of the Sotiel-Migollas complex in Spain and pinpoints sources of AMD. The extraction of spectral endmembers from imagery revealed twenty six endmembers for tailings material that represent mostly mineral mixtures. From these, eleven spectral groups were defined, each encompassing minor variations in mineral mixtures. The mineral maps resulting from the use of these endmembers for the detailed investigation of four tailings serve as indicators of the metal, sulphate, and pH levels of the AMD solution at the time of mineral precipitation. Predicted mineralogy was assessed using spectra from samples collected in the field and associated X-ray diffraction measurements. We also discuss the relative merits of the minerals maps of this study and soil leachate pH maps that we previously reported for the same locality using the same airborne data. The pH maps tend to provide predictions consistent with the mineralogy predicted from the mineral maps and the field and laboratory evidence. The pH maps offer information on the pH conditions of the tailings thus giving an insight on the different types of oxidation reactions that may occur.

Mit dem Grundwasserwiederanstieg in Braunkohleabraumkippen werden die aus der Pyritverwitterung resultierenden Stoffausträge an Sulfat-, Eisen-, Schwermetall- und H+-Ionen gelöst. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine Methodik entwickelt, mit deren Hilfe Problembereiche ausgehalten und somit Maßnahmen im aktiven mitteldeutschen Tagebaubetrieb ergriffen werden können, um die zukünftige Beeinflussung der umgebenden Grund- und Oberflächenwasserkörper zu minimieren. An Vorfeldsedimenten konnten in Feld-eluaten, Stoßbeprobungen und Verwitterungsversuchen geochemische Eigenschaften ermittelt werden. In resultierenden Pufferungsversuchen aus karbonathaltigen Geschiebe-mergeln und Hauptaciditätsträgern konnte eine langfristige Minderung der Aciditätswirkung nachgewiesen werden und ein adaptierter Regelkippenaufbau mit laminaren, alterierenden Sichtaufbau begründet werden. In umliegenden Altkippengrundwässern sind Pufferung und Sulfatreduktion als Wiederfestlegungsprozesse der AMD-Problemstoffe belegt worden.:Versicherung 3 Zusammenfassung 8 1 Aktualität und Bedeutung der gesteuerten Abraumverkippung 10 2 Theoretische Grundlagen, Ziele, Aufgaben und Technik 15 2.1 Das System Kippe mit Verwitterungsstufen und Stufen der Gegenmaßnahmen 16 2.1.1 Phasen der Tagebauentwicklung in Bezug auf die Sauerwasserbildung 16 2.1.2 Systematik der Gegenmaßnahmen 18 2.2 Pyritbildung, Verwitterung, Pufferung und Wiederfestlegung 22 2.2.1 Pyritbildung 22 2.2.2 Pyritverwitterung 22 2.2.3 Pufferreaktionen 24 2.2.4 Wiederfestlegung durch autochthone mikrobielle Sulfatreduktion 26 2.2.5 Wiederfestlegung durch technisch- biologisch forcierte Sulfatreduktion 28 2.3 Geochemische Verhältnisse der Kippen Zwenkau und Witznitz 30 2.4 Geräteeinsatz im Tagebau des Untersuchungsgebietes 33 3 Ableitung einer Untersuchungsmethodik 35 3.1 Bearbeitungsziel und Ableitung der notwendigen Methoden 35 3.1.1 Geologisches Modell 36 3.1.2 Geochemisches Modell 38 3.1.3 Gewinnungstechnologisches Modell 39 3.2 Vorfeldbohrungen, Korngrößenbestimmung, stoffliche Charakterisierung und RFA 41 3.2.1 Vorfeldbohrungen 41 3.2.2 Lagerung und Probenahme 42 3.2.3 Körnungsanalyse und Wassergehaltsbestimmung 43 3.2.4 Feststoffcharakterisierung Kohlenstoff / Schwefel mittels CS-Mat 44 3.2.5 Röntgenfluoreszenzanalytik 44 3.3 Feldeluate, HCl-Test und organoleptische Ansprache 46 3.3.1 Feldelution 46 3.3.2 Salzsäure-Test (HCl-Test) 47 3.3.3 Organoleptische Ansprache 47 3.3.4 Hydrolytische Acidität 48 3.4 Verwitterungsversuche 49 3.5 Stoßbeprobung 51 3.6 Pufferungsversuche 52 3.7 Kippengrundwassermonitoring 54 3.7.1 Grundwassermessstellen und Probenahmeequipment 54 3.7.2 Feldanalytik 55 3.7.3 Laboranalytik 56 3.7.4 Hydrogeochemische Modellierung 56 4 Grundlagen und geologische Beschreibung des Untersuchungsgebietes 58 4.1 Untersuchungsgebiet 58 4.2 Tertiäre Einheiten 59 4.3 Quartäre Einheiten 61 4.4 Abgrenzung und Festlegung der Auswerteeinheiten 61 4.5 Vorfeldbohrungen 62 5 Anwendung der Methodik für den Tagebau Vereinigtes Schleenhain 65 5.1 Baufeld Schleenhain 65 5.1.1 Vorfeldbohrungen und Feldeluate 65 5.1.2 Stoffliche C/S-Charakterisierung 69 5.1.3 Verwitterungsversuche 72 5.1.4 Stoßbeprobung 85 5.1.5 Pufferungsversuche 90 5.1.6 Körnungsanalyse und Verwitterungszugänglichkeit 99 5.2 Baufeld Peres 103 5.2.1 Feldeluate 103 5.2.2 Vorfeldbohrungen und stoffliche Charakterisierung 105 5.2.3 Verwitterungsversuche 107 5.2.4 Pufferungsversuche 113 5.3 Beschaffenheit der Kippengrundwässer 114 5.3.1 Grundlegende hydrogeochemische Charakterisierung 115 5.3.2 Verwitterungszonen 117 5.3.3 Spurenmetallgehalte 118 5.3.4 Wirksamkeit der geogenen Puffer 119 5.3.5 Kennzeichnung der Sulfatreduktion als natürlicher Rückhalteprozess 121 5.3.6 Hydrochemische Modellierung 124 5.4 Fehlerdiskussion 126 6 Übertragung der Ergebnisse, Bewertung und Schlussfolgerung 127 6.1 Geologisches Modell und technische Verschnittmöglichkeiten 127 6.1.1 Geologisch-genetische Charakteristik der Auswerteeinheiten 127 6.1.2 Verbreitung und Mächtigkeit wesentlicher Auswerteeinheiten im Tagebau „Vereinigtes Schleenhain“ 128 6.1.3 Tagebautechnologische Verschnittmöglichkeiten 130 6.2 Geochemische Möglichkeiten bei der Umstellung der Tagebautechnologie – Massenversatz und Mischung 132 6.2.1 Gewinnungsscheiben 132 6.2.2 Regelkippenaufbau 134 6.2.3 „Schnelle Fahrweise“ und (Zwischen-) Abdeckung 134 6.2.4 Einmischung der Sedimente 135 6.3 RFA-Analytik und Bewertung von Sedimenteigenschaften 137 7 Zusammenfassung und weiterer Handlungsbedarf 139 7.1 Zusammenfassung - Ergebnisse Vorfeldbohrungen 139 7.2 Zusammenfassung – Verwitterungsversuche Labor und Feld 139 7.3 Zusammenfassung – Pufferungsversuche Schleenhain und Peres 141 7.4 Zusammenfassung – Gütemonitoring Kippengrundwässer 141 7.5 Zusammenfassung – Geologisches Modell/ Verschnitt/Technologie 142 7.6 Nachweis der Anwendbarkeit der Methode 144 7.7 Ausblick und weiterer Handlungsbedarf 145 Literatur und Quellen 146 Tabellenverzeichnis 151 Abbildungsverzeichnis 151 Abkürzungsverzeichnis 157 Anlagen 159 For lignite mining extensive overburden masses have to be moved. Due to the ventilation of the overburden by atmospheric oxygen, there is a weathering of mostly tertiary sulfides. The rebound of groundwater in future tippings dissolves sulfate, iron, heavy metal and H+ ions, resulting from the pyrite weathering. The partial mobilization of overburden sulfides are opposed to hydrogeochemical buffer reactions e.g. the buffering by carbonates as the first step of buffering. Therefore, there are the questions to the mining operators of the measures that can be taken to minimize the geochemical influence of the surrounding ground and surface water bodies. Object of this PhD-thesis is to lead a methodology that helps to characterize the future tilting substrates to find technological and strategic measures for minimizing the acid water formation in the active open pit operation. In Field eluates and weathering tests in the laboratory and in the field, sediments from dry drill holes in the forefront of open pits “Schleenhain” and “Peres” it could be shown that the geological facies formation of sediments has a decisive influence on geochemical characteristics. As the main acidifying sediment the tertiary aquifer number 2 (lying part) and number 3 can be identified with their high sulfur contents. With increasing time of oxygen exposure sulfate, iron, heavy metal and H + ions released massively. Furthermore, it appears that carbonate buffer essentially are available as glacial till only in cohesive Quaternary. With the resulting buffering experiments from glacial till and the most acidic aquifer sediments a long-term retention of iron, heavy metal and H + - ion and a reduction of sulfate release can be shown, if there is a share of at least 40% glacial till to the lying aquifer number 2 sediments or 20% glacial till to the aquifer number 3. The groundwater quality monitoring of unstructured resaturated old dumps near to the active open pits is comparable to a field test. In addition to weathering zones with high levels of pollutants in the presence of carbonates, buffering processes and sulfate reduction with precipitation of problematic substances in secondary mineral phases can be detected. Blending the research results of geological and geochemical data, an important, in principle selectively recoverable, buffer potential already exists. The determined mixing ratio from 80-60 mass-% acidic sediments to 20-40 mass-% buffering sediment from the buffering experiments can be realized in tilting. In the open pit “Schleenhain” the missing buffering material can be compensated by mass offset from the open pit “Peres”. With the use of the already existing equipment, it is possible to establish a laminar, alternately tipping body with good geochemical and geotechnical conditions.:Versicherung 3 Zusammenfassung 8 1 Aktualität und Bedeutung der gesteuerten Abraumverkippung 10 2 Theoretische Grundlagen, Ziele, Aufgaben und Technik 15 2.1 Das System Kippe mit Verwitterungsstufen und Stufen der Gegenmaßnahmen 16 2.1.1 Phasen der Tagebauentwicklung in Bezug auf die Sauerwasserbildung 16 2.1.2 Systematik der Gegenmaßnahmen 18 2.2 Pyritbildung, Verwitterung, Pufferung und Wiederfestlegung 22 2.2.1 Pyritbildung 22 2.2.2 Pyritverwitterung 22 2.2.3 Pufferreaktionen 24 2.2.4 Wiederfestlegung durch autochthone mikrobielle Sulfatreduktion 26 2.2.5 Wiederfestlegung durch technisch- biologisch forcierte Sulfatreduktion 28 2.3 Geochemische Verhältnisse der Kippen Zwenkau und Witznitz 30 2.4 Geräteeinsatz im Tagebau des Untersuchungsgebietes 33 3 Ableitung einer Untersuchungsmethodik 35 3.1 Bearbeitungsziel und Ableitung der notwendigen Methoden 35 3.1.1 Geologisches Modell 36 3.1.2 Geochemisches Modell 38 3.1.3 Gewinnungstechnologisches Modell 39 3.2 Vorfeldbohrungen, Korngrößenbestimmung, stoffliche Charakterisierung und RFA 41 3.2.1 Vorfeldbohrungen 41 3.2.2 Lagerung und Probenahme 42 3.2.3 Körnungsanalyse und Wassergehaltsbestimmung 43 3.2.4 Feststoffcharakterisierung Kohlenstoff / Schwefel mittels CS-Mat 44 3.2.5 Röntgenfluoreszenzanalytik 44 3.3 Feldeluate, HCl-Test und organoleptische Ansprache 46 3.3.1 Feldelution 46 3.3.2 Salzsäure-Test (HCl-Test) 47 3.3.3 Organoleptische Ansprache 47 3.3.4 Hydrolytische Acidität 48 3.4 Verwitterungsversuche 49 3.5 Stoßbeprobung 51 3.6 Pufferungsversuche 52 3.7 Kippengrundwassermonitoring 54 3.7.1 Grundwassermessstellen und Probenahmeequipment 54 3.7.2 Feldanalytik 55 3.7.3 Laboranalytik 56 3.7.4 Hydrogeochemische Modellierung 56 4 Grundlagen und geologische Beschreibung des Untersuchungsgebietes 58 4.1 Untersuchungsgebiet 58 4.2 Tertiäre Einheiten 59 4.3 Quartäre Einheiten 61 4.4 Abgrenzung und Festlegung der Auswerteeinheiten 61 4.5 Vorfeldbohrungen 62 5 Anwendung der Methodik für den Tagebau Vereinigtes Schleenhain 65 5.1 Baufeld Schleenhain 65 5.1.1 Vorfeldbohrungen und Feldeluate 65 5.1.2 Stoffliche C/S-Charakterisierung 69 5.1.3 Verwitterungsversuche 72 5.1.4 Stoßbeprobung 85 5.1.5 Pufferungsversuche 90 5.1.6 Körnungsanalyse und Verwitterungszugänglichkeit 99 5.2 Baufeld Peres 103 5.2.1 Feldeluate 103 5.2.2 Vorfeldbohrungen und stoffliche Charakterisierung 105 5.2.3 Verwitterungsversuche 107 5.2.4 Pufferungsversuche 113 5.3 Beschaffenheit der Kippengrundwässer 114 5.3.1 Grundlegende hydrogeochemische Charakterisierung 115 5.3.2 Verwitterungszonen 117 5.3.3 Spurenmetallgehalte 118 5.3.4 Wirksamkeit der geogenen Puffer 119 5.3.5 Kennzeichnung der Sulfatreduktion als natürlicher Rückhalteprozess 121 5.3.6 Hydrochemische Modellierung 124 5.4 Fehlerdiskussion 126 6 Übertragung der Ergebnisse, Bewertung und Schlussfolgerung 127 6.1 Geologisches Modell und technische Verschnittmöglichkeiten 127 6.1.1 Geologisch-genetische Charakteristik der Auswerteeinheiten 127 6.1.2 Verbreitung und Mächtigkeit wesentlicher Auswerteeinheiten im Tagebau „Vereinigtes Schleenhain“ 128 6.1.3 Tagebautechnologische Verschnittmöglichkeiten 130 6.2 Geochemische Möglichkeiten bei der Umstellung der Tagebautechnologie – Massenversatz und Mischung 132 6.2.1 Gewinnungsscheiben 132 6.2.2 Regelkippenaufbau 134 6.2.3 „Schnelle Fahrweise“ und (Zwischen-) Abdeckung 134 6.2.4 Einmischung der Sedimente 135 6.3 RFA-Analytik und Bewertung von Sedimenteigenschaften 137 7 Zusammenfassung und weiterer Handlungsbedarf 139 7.1 Zusammenfassung - Ergebnisse Vorfeldbohrungen 139 7.2 Zusammenfassung – Verwitterungsversuche Labor und Feld 139 7.3 Zusammenfassung – Pufferungsversuche Schleenhain und Peres 141 7.4 Zusammenfassung – Gütemonitoring Kippengrundwässer 141 7.5 Zusammenfassung – Geologisches Modell/ Verschnitt/Technologie 142 7.6 Nachweis der Anwendbarkeit der Methode 144 7.7 Ausblick und weiterer Handlungsbedarf 145 Literatur und Quellen 146 Tabellenverzeichnis 151 Abbildungsverzeichnis 151 Abkürzungsverzeichnis 157 Anlagen 159

Sulphide mine waste extensively contaminates the Odiel River (southwest Spain), releasing sulphuric acid into the water body. Acidic water in this river precipitates and dissolves variably hydrated iron sulphate in a complex geological pattern controlled by climate. Local abrupt changes in the water pH in the vicinity of highly contaminated tributaries can be mapped by means of imaging spectroscopy using hyperspectral remote sensing (HyMap) data. Also, increased pH through mixing of acidic river water with marine water can be detected when the river reaches the area influenced by sea tides. Mapping the quality of water with hyperspectral data is confounded by vegetation, either dry or wet, rooted or floating. The spectral features of acidic water measured with a field spectrometer revealed the spectral influence of green vegetation, similar to the influence of the depth and transparency of water. Careful mapping of such parameters with HyMap data must therefore precede any spectral evaluation of water related to acidity in a river course. The spectral features detectable by HyMap data and associated with pH changes caused by contamination in river water by iron sulphide mine waste, and their controls, are described and references established for routine monitoring through hyperspectral image processing.

Beim Bergbau werden bestehende Ökosysteme in großem Maße beeinflusst. Im ehemaligen Uranbergwerk Königstein (Sachsen) wurde die Umwelt durch den Einsatz von chemischen Säuren zur Lösung des Urans aus dem Erz (Laugung) in Folge der Verschiebung des pH-Wertes zusätzlich belastet. Durch diesen Prozess entstand eine Umgebung, die einen niedrigen pH-Wert und hohe Konzentrationen an gelösten Schwermetall-Ionen aufweist. Die komplexe mikrobielle Lebensgemeinschaft verschob sich daraufhin, indem sich bevorzugt säuretolerante und Schwermetall-tolerante Mikroorganismen durchsetzten. Diese Mikroorganismen wurden durch die Flutung der unter Tage Schächte im Jahr 2010 in ihrer Zusammensetzung erneut beeinflusst. In dieser Arbeit wurde die mikrobielle Biozönose nach Flutung der unter Tage Schächte des ehemaligen Uranbergwerkes Königstein charakterisiert und mit den Ergebnissen der mikrobiellen Diversität vor dem Flutungsprozess verglichen. Hierfür kam ein breites Spektrum an Methoden zum Einsatz, das klassische mikrobiologische Methoden und molekularbiologische Techniken umfasste. Die Analysen erfolgten dabei über mehrere Jahre hinweg, um die Variabilität der mikrobiellen Population im Grubenwasser planktonisch und im Biofilm zu erfassen.

In der Lausitz und in Mitteldeutschland wird seit Anfang des 20. Jahrhunderts Braunkohle abgebaut. Durch diesen Abbau entstanden aus den geschlossenen Tagebauen Restseen, die durch einen sauren pH- Wert und eine hohe Sulfatlast charakterisiert sind. Diese Versauerung wird „Acid Mine Drainage“ (AMD) genannt. Ziel der Arbeit war der Nachweis von azidophilen Laugungsmikroorganismen im Lausitzer und Mitteldeutschen Braunkohlerevier. Es sollte ein Zusammenhang zwischen diesen Mikroorganismen und dem AMD gezeigt, eine Hemmung des AMD im Labor erzielt und der Wirkmechanismus auf die Mikroorganismen erklärt werden. Aus 66 Bodenproben, die 2006 und 2008 aus drei Lausitzer und zwei mitteldeutschen Braunkohletagebauen gewonnen wurden, konnten Eisen- und Schwefel- oxidierende Mikroorganismen durch Kultivierung bei 28 bis 70°C isoliert werden. Aus 168 Reinkulturen wurden 12 verschiedene Spezies, wie z.B. Acidithiobacillus ferrooxidans, A. thiooxidans, Leptospirillum ferrooxidans, L. ferriphilum, Ferrimicrobium acidiphilum, Acidiphilium acidophilum und Sulfobacillus thermosulfidooxidans, nachgewiesen. Nach Extraktion der Nukleinsäuren direkt aus den Proben und Aufreinigung von PCR- inhibierenden Substanzen wurden diese Ergebnisse durch spezifische Amplifikate der 16S rRNA Gene für A. ferrooxidans, A. thiooxidans und Leptospirillum spp. unterstützt. Weiterhin konnte der Nachweis der mikrobiellen Stoffwechselaktivität durch Mikrokalorimetrie erbracht werden. Durch Untersuchung von 42 Bohrkernproben nach und 24 Bohrkernproben vor der Absenkung des Grundwassers, genommen 2008 und 2009, konnte die Theorie aufgestellt werden, dass die biologische Pyritoxidation mit Absenkung des Grundwassers, d.h. dem Einströmen von Luftsauerstoff, beginnt. Für die Hemmung der Eisen- und Schwefel- oxidierenden Mikroorganismen wurden Säulenexperimente im 20 mL und 20 L Maßstab, sowie in Temperaturbereichen von 12 bis 25°C und mit verschiedenen Tensid- Regimen durchgeführt. Das Bioleaching konnte durch Zugabe von Regenwasser gestartet werden. Durch SDS- oder Texapon N70- Zugaben konnte in 20 mL Säulen für bis zu 38 Wochen eine pH Anhebung und Abtötung der Eisen- und Schwefel- oxidierenden Mikroorganismen gemessen werden. Dabei wurde eine Verringerung der Sulfat- Freisetzung um bis minus 70% gemessen. In Säulen im 20 L Maßstab, betrieben bei konstant 12°C oder 15 bis 21°C, wurde die biologische Laugung gestartet und anschließend für bis zu 45 Wochen gehemmt, messbar durch eine pH- Wert Anhebung, das Vorkommen von vorzugsweise Eisen (II) im Durchlauf der Säulen und die Abtötung der Eisen- und Schwefel- oxidierenden Mikroorganismen. Die Sulfat- Auswaschung wurde um 29 bis 44% verringert. In Untersuchungen mit konzentrierten Suspensionen von A. ferrooxidans, A. thiooxidans und Ac. cryptum im Vergleich zu Escherichia coli und Bacillus subtilis konnte eine induzierte Lyse der Laugungsbakterien durch Behandlung mit SDS und Texapon N70 nachgewiesen werden. Für A. thiooxidans wurde eine Verringerung der Zellzahlen um bis zu 75% durch SDS Behandlung gezählt. Für die drei Laugungsbakterien wurde durch Behandlung mit den Tensiden SDS und Texapon N70 eine Verringerung der OD600 um bis zu 80% gemessen, wogegen für E. coli und B. subtilis nur eine Verringerung um 10 bis 20% gefunden wurde. Für alle Bakterien wurde eine Freisetzung von DNA und RNA gefunden, eine Freisetzung von 50 bis 80% der Gesamtproteine wurde für die Laugungsbakterien gemessen, für E. coli dagegen nur 0,35%. Diese Ergebnisse sprechen für eine induzierte Lyse als Wirkmechanismus und erklären den Erfolg der Hemmung des Bioleaching in den Säulenversuchen. Since the beginning of the 20th century in Lusatia and in Central Germany the mining of lignite was performed. Therefore mining lakes exist and are characterised by a low pH value and increased sulphate concentrations. This process is harmful to the environment and called acid mine drainage (AMD). Aim of this study was the detection of acidophilic microorganisms in the mining areas in Lusatia and in central Germany. Furthermore, the connection between these leaching microorganisms and the AMD, the inhibition of AMD in the laboratory scale, and the mechanism of action of the surfactants to the microorganisms were examined. From 66 sand samples, taken in 2006 and 2008, from three lignite mining areas in Lusatia and from two mining areas in central Germany iron- and sulphur- oxidizing microorganisms were detected by cultivation based technique at temperatures from 28 to 70°C. From 168 isolated pure cultures, the microorganisms were identified by sequencing of the 16S rRNA genes as 12 different species e.g. Acidithiobacillus ferrooxidans, A. thiooxidans, Leptospirillum ferrooxidans, L. ferriphilum, Ferrimicrobium acidiphilum, Acidiphilium acidophilum and Sulfobacillus thermosulfidooxidans. By the amplification of the 16S rRNA genes after extraction of the nucleic acids direct from the sand and purification from PCR inhibiting substances the species A. ferrooxidans, A. thiooxidans and Leptospirillum spp. were detected and supported the results derived from the classical method. Furthermore, microcalorimetric determination of the metabolic activity supported the results shown above. After examination of 42 drilling core samples after lowering the groundwater and 24 samples of drilling cores before lowering the ground water, taken in 2008 and 2009, the hypothesis was proposed that the biological pyrite oxidation starts by lowering the ground water and influx of air. For the development of a strategy for the inhibition of leaching microorganisms, experiments were performed in columns in 20 mL and 20 L scale, filled with aquifer material, in the temperature range from 12 to 25°C and different surfactant regimes. The leaching was started by the addition of rainwater to the columns. By addition of SDS or Texapon N 70 an inhibition of the bioleaching was achieved in the 20 mL columns for up to 38 weeks. This was measured by an increased pH, missing detection of iron- and sulphur- oxidizing microorganisms in sand or solution. At all temperatures a reduction of the sulphate concentration was found, with a maximum of minus 70%. In 20 L columns, operated at constant 12°C or from 15 to 21°C, the bioleaching was successfully initiated and afterwards inhibited by surfactant treatment for up to 45 weeks. The surfactant addition achieved an inhibition of iron- and sulphur- oxidizing microorganisms, hence the occurrence of iron in the reduced form and an increasing pH of the leaching solution. Furthermore, the total sulphate release was decreased between 29 and 44% in comparison to the rainwater washed control, respectively. By examinations of concentrated suspensions of A. ferrooxidans, A. thiooxidans and Ac. cryptum in comparison to E. coli and B. subtilis an induced lysis of the leaching bacteria by SDS and Texapon N70 treatment was observed. By SDS treatment a decrease in the cell count down to minus 75% for A. thiooxidans was found. Surfactant treatment of the three leaching bacteria caused a decrease in the optical density at 600nm by 80%, whereas only a slight decrease between 10 and 20% was measured for E. coli and B. subtilis, respectively. For all bacteria a release of DNA and RNA was found. Furthermore, a release of 50 to 80% of total protein content was measured for the leaching bacteria after the SDS treatment, whereas for E. coli only 0.35% was detected. These results indicate an induced lyis mechanism and explain the successful inhibition of the bioleaching in the columns by SDS and Texapon N70 addition.

Der Einsatz von Pflanzenkläranlagen zur Behandlung von Abwässern, insbesondere von sauren Grubenwässern (acid mine drainage, AMD) bzw. die Verwendung von Wasserstoff als Elektronendonatorquelle zur mikrobiellen dissimilatorischen Sulfatreduktion findet in den letzten Jahren zunehmendes Interesse. Der ausgeprägte Vorteil der Pflanzenkläranlagen liegt in der Regel im geringen Aufwand für den Bau und den Betrieb; nachteilig sind die niedrigen flächenspezifischen Umsatzraten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde im Labormaßstab bei drei verschiedenen Pflanzenklärsystemen (Wetlandsystemen) wie subsurface-flow Wetland (SSF), schwimmende Pflanzenmatte (HP) und surface-flow Wetland (SF) der Einfluss des Designs, Fließstrecke, Probenahmetiefe, Jahreszeit etc. auf die Reinigung eines Modellwassers für saure Grubenwässer (AMD) charakterisiert. Die Behandlung des künstlichen AMDs in den drei Wetlandsystemen ohne Wasserstoffzudosierung ergab nur eine unwesentliche Veränderung des pH-Wertes. Der Einfluss der Wurzelraumpassage auf die Abnahme der Basenkapazität und Schwermetallentfernung (wie z.B. Eisen, Zink) bzw. Sulfatentfernung war ausgeprägter. Bei der Einschätzung der Leistungsfähigkeit der verschiedenen Wetlandsysteme für die Behandlung saurer Grubenwässer war im Allgemeinen die Behandlungseffektivität des SSF am besten, gefolgt vom SF und HP. Die mikrobiologische dissimilatorische Sulfatreduktion leistete in diesen Systemen keinen entscheidenden Beitrag zu Reinigung des AMD. Aufgrund der sehr begrenzten Reinigungsleistung der Wetlandsysteme wurde die Effizienz des Einsatzes von Wasserstoff als im Vergleich zu anderen Industriechemikalien relativ preiswerte zusätzliche Elektronendonatorquelle für die mikrobielle autotrophe dissimilatorische Sulfatreduktion in der Kombination mit verschiedenen organischen Verbindungen (Methanol bzw. Propionat) in Bioreaktoren getestet. Es zeigte sich, dass auch bei Vorhandensein von Wasserstoff die organischen Kohlenstoffquellen für die mikrobielle Assimilation nutzbar waren. Dies war die Voraussetzung für die strategische Grundkonzeption der Wasserstoffzudosierung in ein Hydroponiksystem zur Stimulation der mikrobiellen autotrophen Sulfatreduktion im Labormaßstab unter verschiedenen Bedingungen zu testen. Nach der Verfahrenskonzeption der aktiven Stimulation von autotrophen sulfatreduzierenden Bakterien wurde unter ausgewählten Bedingungen (verschiedene Zusammensetzungen des AMD, verschiedene Frachten etc.) der Einfluss einer Kombination von HP mit einer Wasserstoffzudosierung auf die Wasserparameter untersucht. Unter diesen Bedingungen spielten die Rhizodepositionsprodukte dieser Pflanzenkläranlage als leicht bioverfügbare organische Verbindungen für das Bakterienbiomassewachstum und für dissimilatorische Sulfatreduktionsprozesse eine essentielle Rolle. Die Wasserstoffzudosierung spielte als Elektronendonator zur Stimulation der autotrophen mikrobiellen dissimilatorischen Sulfatreduktion ebenfalls eine wichtige Rolle. Die Wasserstoffzudosierung in das HP lieferte genügend Reduktionsäquivalente für die mikrobielle Sulfatreduktion. Durch die Sulfidbildung wurden Protonen und Metallionen entfernt. Die durchschnittlichen pH-Werte stiegen an. Unter diesen Bedingungen wurde im Wetlandsystem die Abnahme der Metallfracht im Wesentlichen durch die Bildung von Metallsulfid bzw. Metallhydroxiden (wie z.B. Al(OH)3) bewirkt. Damit ergab sich das Potenzial für die Adsorption weiterer Schwermetalle bzw. Sulfat an die Oberfläche der sedimentierenden Metallminerale. Die Abnahme der Sulfatfracht fand im Wesentlichen durch die mikrobiellen Sulfatreduktionsprozesse statt. Außerdem trugen vermutlich auch die Sorptionsprozesse an der Oberfläche des Sediments und Mitfällungsprozesse zur Sulfatentfernung bei. Unabhängig von der Jahreszeit war die Metallentfernung im Ablauf für Eisen fast vollständig. Es ist zu schließen, dass die Verwendung von Wasserstoff als zusätzliche Elektronendonatorquelle die geforderten Kriterien zur Behandlung von AMD im HPWetlandsystem erfüllte. Wichtige Faktoren waren hierbei die Bereitstellung von genügend Reduktionsäquivalenten für die mikrobielle Sulfatreduktion, die Erzielung hoher Sulfatreduktionsraten sowie fast vollständige Schwermetallentfernung, die Anhebung des pH-Wertes im System sowie niedrige Bereitstellungskosten des Elektronendonators. The use of constructed wetlands (CWs) for wastewater treatment, especially of acid mine waters (acid mine drainage, AMD) and the use of hydrogen as an electron donor for dissimilatory microbial sulphate reduction are of increasing interest in recent years. The distinct advantages of CWs are generally the low costs for construction and operation; the main disadvantage is the low area-specific conversion rate. As part of this study, three different types of laboratory-scale CWs, namely horizontal subsurface-flow CW (HSSF-CW), floating plant mat (HP) and horizontal surface-flow CW (HSF-CW) were characterized concerning the influence of design and season on the purification of an artificial acid mine drainage (AMD). The treatment of AMD in the three CWs without hydrogen gas dosage resulted only in a negligible change in pH. The influence of root zone passage on the reduction in base capacity, heavy metal (such as iron, zinc) and sulphate concentrations was more pronounced. Assessment of the general performance of the various wetland systems for the treatment of AMD showed that the efficiency of the HSSF-CW was best, followed by HSF-CW and HP. Microbial dissimilatory sulphate reduction did not contribute considerably to the treatment of the AMD in these systems. Because of the very limited treatment capacity of the wetland systems, the efficiency of hydrogen addition, as an inexpensive additional electron donor for autotrophic microbial dissimilatory sulphate reduction, was tested in bioreactors in combination with various organic substrates (methanol and propionate). It was found that the organic carbon sources were used for microbial assimilation even in the presence of hydrogen. This was the prerequisite for the strategic design of hydrogen dosage into a hydroponic laboratory-scale test system for the stimulation of microbial autotrophic sulphate reduction under various experimental conditions. For the process design of stimulation of autotrophic sulphate reducing bacteria in the HP system selected conditions (different compositions of AMD, different loads, etc.) were examined. Under these conditions, rhizodeposition products played an essential role as readily bioavailable organic substrates for bacterial biomass growth and for dissimilatory sulphate reduction. Hydrogen played an important role as an electron donor for the stimulation of autotrophic dissimilatory microbial sulphate reduction, providing sufficient reduction equivalents. Through the formation of sulphide, protons and metal ions were removed and average pH values increased. Under these conditions, the decrease of the metal load in the wetland system was mainly caused by the formation of metal sulphides or metal hydroxides (e.g. Al (OH)3). This resulted in the adsorption of other heavy metals and sulphate onto the surface of the precipitated minerals. The decrease of the sulphate load was mainly caused by microbial sulphate reduction. Probably also sorption onto the surface of the sediment and co-precipitation processes contributed to sulphate removal. The metal removal, e.g. of iron, was almost complete throughout the year. It can be concluded that the use of hydrogen as an additional electron donor was required for sufficient treatment of artificial AMD in the laboratory-scale HP system. Important factors here were the provision of sufficient reduction equivalents for microbial sulphate reduction, the achievement of high sulphate reduction, the increase of the pH of the system and the supply of the relatively low cost electron donor hydrogen gas.

Pyritoxidationsprozesse sind weltweit für großflächige Beeinflussungen sowohl des Grundwassers als auch von Oberflächengewässern bekannt. Primär durch den menschlichen Eingriff in Form von Baumaßnahmen oder Bergbau wird das pyrithaltige Sediment, welches unter anoxischen Bedingungen stabil ist, in Kontakt mit Sauerstoff oder anderen Oxidationsmittels wie Fe\(^{3+}\) oder NO\(_{3-}\) gebracht und sorgt unter der Freisetzung von Sulfid- und Eisenacidiät zu einer erheblichen Versauerung von Grund- und Oberflächengewässern. In Anlehnung an die ursächliche Verbindung zum Bergbau werden die entstehenden Wässer auch Acid Mine Drainage genannt. Zusätzlich zu den typischen Reaktionsprodukten wie Eisen, Sulfat und Säure kann die Verwitterung der Disulfide auch zu einer Mobilisierung von Schwermetallen führen. Im Rahmen von drei durchgeführten Forschungsprojekten wurden an pyrithaltigen Sedimenten umfangreiche Laborversuche durchgeführt, um die Pyritoxidation sowie deren Reaktionsprodukte zu quantifizieren.

Die Broschüre informiert über die Ergebnisse der Untersuchungen zu den geogenen Ursachen der Entstehung von Sauerwasser, einem der hauptsächlichen Wasserqualitätsprobleme in den Braunkohlenbergbaugebieten Nordsachsens. Das Vorhaben wurde vom LfULG gemeinsam mit Forschungspartnern von 2009 bis 2011 bearbeitet. Die angewendete Untersuchungsmethodik und die gewonnenen Erkenntnisse werden inzwischen schon in der mitteldeutschen Braunkohlenindustrie praktisch umgesetzt. Sie lassen sich auf andere in- und ausländische Kohlenreviere übertragen. Integrativer Ansatz des Vorhabens war die geochemische Charakteristik der tertiären Schichtenfolge durch die Analyse der Stoffeinträge in die Paläomoore (Braunkohlenflöze) und die geochemische Charakteristik der tertiären Zwischenmittelhorizonte und sonstiger Flözbegleitschichten. Das war die Basis für eine Paläo-Environment-Analyse. Aus der Analyse konnten die kausalen Ursachen der geochemischen Zusammensetzung der Braunkohlenbergbaukippen abgeleitet und hinsichtlich des Aciditätspotenzials aus der Pyritverwitterung für die Grundwasserversauerung (Acid Mine Drainage) quantifiziert werden.

Bei der Behandlung saurer Grubenwässer fallen in den Grubenwasserreinigungsanlagen des Lausitzer Braunkohlereviers jährlich rund 13 Mio. m³ Schlamm an. Dabei handelt es sich überwiegend um carbonathaltige Eisenhydroxidschlämme. Die Schlämme werden in Tagebauseen, spezielle Absetzbecken oder in ausgekohlte Tagebaubereiche eingeleitet. Der Umgang mit diesen Dünnschlämmen setzt Kenntnisse ihres Umweltverhaltens voraus. Zur Charakterisierung ihrer Eigenschaften wurde mit dem Schlamm-Modell ein komplexes Instrumentarium entwickelt. Das physikalische, das mineralogische und das chemische Teilmodell beinhalten jeweils allgemeine Modellvorstellungen, Aussagen zur Untersuchungsmethodik sowie eine entsprechende Charakterisierung der Schlämme aus dem Lausitzer Braunkohlerevier. Im Rahmen der Arbeit wurden Frisch- und Altschlämme aus 6 Grubenwasserreinigungsanlagen, ein synthetisch erzeugter Schlamm, ein Schwertmannitschlamm sowie die Flockungsmittel Weißfeinkalk und Weißkalkhydrat untersucht. Neben physikalischen und chemischen Analysen sowie Säuretitrationen und pH-stat-Versuchen wurden phasenanalytische Untersuchungen (Röntgendiffraktometrie, Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie, energiedispersive Röntgenmikroanalyse, Thermogravimetrie) durchgeführt. Auf Grundlage der Untersuchunsgergebnisse wurden ein Klassifizierungs- und ein Untersuchungsschema für die Schlämme aus den Lausitzer Grubenwasserreinigungsanlagen abgeleitet. The treatment of acid mine drainage leads to the formation of about 13 million cubic meters of sludge per year in mine water treatment plants in the Lusatian lignite mining district. These are predominantly carbonate containing ferric hydroxide sludges. The sludges are discharged into mining lakes, special settling ponds or areas of abandoned open cuts. The disposal and use of low-density sludge requires the knowledge of their environmental behavior. Therefore, the so-called sludge model was developed, a complex set of generic tools characterising sludge properties. The physical, mineralogical and chemical sub-models include general model conceptions, the description of methods of the investigation and the according characterization of sludges specific for the Lusatian lignite mining district. Fresh and aged sludges from six treatment plants were investigated as well as one sample of synthesized sludge, a schwertmannite sludge and the treatment chemicals quicklime and hydrated lime. In addition to physical and chemical analyses, acid titrations and pH-Stat experiments as well as phase analyses (X-ray diffraction, transmission and scanning electron mikroscopy, energy dispersive X-ray analysis, thermogravimetric analysis) were performed. Based on the results a classification and investigation scheme for sludges from treatment plants in the Lusatian lignite mining district was developed.

(de)Acid mine drainage, Senftenberg, active reactive wall, in-situ remediation, sulphate reduction, ironsulphide precipitation, coupled reactive model, transport- and reaction model, Ill., graph. Darst

(de)Part 1: Biological sulphate reduction, sulphate-reducing bacteria, sulphate reduction rate, metals, precipitation, pH-value, Methanol, AMD, mine water, remediation, Part 2: Acid mine drainage, microbial sulphate reduction, iron sulphide precipitation, solid liquid separation, waste disposal, ill., graphs

Thermodynamic equilibrium models represent an important tool for the description of geochemical processes in natural ground and seepage water systems.In part I of the thesis, interpretation methods are presented and discussed at the example of data from different geochemical environments. Furthermore, the effects of analysis and calculation errors are critically assessed using sensitivity analyses. The investigations show that in natural systems, often kinetic equilibria rather than thermodynamic equilibria have to be assumed. Therefore, the model KINEQ was developed and calculations for a given set of up to three minerals approaching a kinetic equilibrium are presented and compared to the results for natural systems.In part II, labratory experiments and model considerations on the geochemical and kinetic processes accompanied with the formation of acid mine drainage are presented. In column experiments with quartz sand containing 2% pyrite and calcite, feldspar and kaolinite, pyrite weathering rates and the buffering effect of different minerals were investigated. The pH-dependency of pyrite dissolution rates was determined in microbiologically controlled column experiments. Microbially mediated pyrite weathering was found to have a maximum at pH 2-3with dissolution rates in the order of 10**-9 mol· m**-2·s**-1. 8