Diplomarbeit/ Diplomkartierung
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Technische Universität Bergakademie Freiberg Fakultät für Geowissenschaften, Geotechnik und Bergbau Institut für Geologie Studiengang Geologie Diplomarbeit/ Diplomkartierung Konzipierung einer passiven Grubenwasserreinigungsanlage im Hagental bei Gernrode/Harz Erstellung eines Grubenwasserkatasters für den Harz vorgelegt von cand.-geol. Jörg Simon betreut von Prof. Dr. Broder Merkel und Dr. Christian Wolkersdorfer TU Bergakademie Freiberg Institut für Geologie Lehrstuhl für Hydrogeologie Freiberg, November 2003 Eidesstattliche Erklärung Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit ohne unzulässige Hilfe Dritter und ohne Benutzung anderer als der angegebenen Hilfsmittel angefertigt habe; die aus fremden Quellen direkt oder indirekt übernommenen Gedanken sind als solche kenntlich gemacht. Freiberg, 14. November 2003 2 Danksagung An dieser Stelle möchte ich mich bei meinen Betreuern, Herrn Prof. Dr. Broder Merkel und Herrn Dr. Christian Wolkersdorfer, bedanken, die mir mit wertvollen Anregungen und nützlichen Hilfsstellungen bei der Erarbeitung dieser Diplomarbeit zur Seite standen. Weiterhin gilt mein Dank den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Instituts für Geologie für deren Unterstützung bei der Vorbereitung der Vor-Ort-Termine sowie der Hilfe bei Durchführung der Wasseranalysen. Dem Werk Rübeland/Elbingerode der FELS-WERKE GmbH möchte ich für die unentgeltliche Bereitstellung des Kalksteins danken; ebenso dem Reiterhof Gothe in Rieder, der mir den benötigten Kompost zur Verfügung stellte und der BST Mansfeld, die freundlicherweise die Reaktionsbecken nach Gernrode lieferten. Für die Hilfestellungen und Tipps bei der Bearbeitung der Diplomkartierung möchte ich mich bei Herrn Markus Liebermann (St. Andreasberger Verein für Geschichte und Altertumskunde e.V.), Herrn Alich (Harzwasserwerke) und beim Besucherbergwerk Büchenberg bedanken. Neben den oben erwähnten Personen möchte ich all jenen danken, die mir in den letzten Monaten vor allem moralisch zur Seite standen. 3 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Zusammenfassung 07 1 Summary 08 2 Einleitung 09 3 Lage, geologische Verhältnisse und Historie des Hagentalstollens 10 3.1 Lage des Hagentalstollens 10 3.2 Geologische und hydrogeologische Verhältnisse 11 3.2.1 Regionalgeologische Einteilung des Harzes 11 3.2.2 Überblick über die geologische Entwicklung des Harzes 13 3.2.3 Hydrogeologische Verhältnisse des Harzes 16 3.2.4 Lagerstätten des Harzes 17 3.2.5 Geologische und hydrogeologische Verhältnisse der Lagerstätte 18 3.3 Historie des Hagentalstollens 19 3.3.1 Erkundung und Förderung 19 3.3.2 Verwahrung 20 4 Überblick Grubenwasserreinigungsmethoden 22 4.1 Einführung 22 4.2 Aktive Grubenwasserreinigung 24 4.2.1 Belüftung, Neutralisation und Sedimentation (ODAS) 24 4.2.2 Sulfatreduktion und Bioentsalzung 29 4.2.3 Sorption und Ionenaustausch 30 4.2.4 Membranprozesse 30 4.2.5 Weitere aktive Reinigungsmethoden 31 4.3 Passive Grubenwasserreinigung 31 4.3.1 Anoxische Karbonatkanäle (ALD) 31 4.3.2 Offene Karbonatkanäle (OLD) 34 4.3.3 SCOOFI-Reaktoren 34 4.3.4 Aerobe Feuchtgebiete 36 4.3.5 Anaerobe Feuchtgebiete 40 4.3.6 RAPS-Systeme 42 4.3.7 Reaktive Barrieren (PRB) 43 4.4 Reinigungsstrategien 45 4.5 Beispiele 51 4 Inhaltsverzeichnis 5 Beschaffenheit des austretenden Grubenwassers 58 5.1 Entstehung kontaminierter Grubenwässer 58 5.2 Analyse der Wasserbeschaffenheit 62 5.2.1 Grundlagen und Probennahme 62 5.2.2 Vor-Ort-Analytik 63 5.2.3 Laboranalytik 68 5.2.4 Auswertungsmethoden 72 5.3 Durchfluss und Wasserbeschaffenheit am Stollenmundloch 74 5.3.1 Durchfluss am Stollenmundloch 74 5.3.2 Wasserbeschaffenheit des austretenden Grubenwassers 78 5.4 Veränderungen des Durchflusses und der Wasserbeschaffenheit bis zum Hagenteich 80 5.4.1 Auswertung der Durchflussmessungen 80 5.4.2 Veränderung der Wasserbeschaffenheit bis zum Hagenteich 83 5.4.3 Rückschlüsse auf die Reinigungsfähigkeit des Grubenwassers 85 6 Laborversuche 87 6.1 Eigene Laborversuche 87 6.1.1 Standversuch und Einzelsäulenversuche 87 6.1.2 Kombinierte Versuche mit Kompost und Kalkstein 89 6.2 Auswertung der Laborversuche 90 6.3 Versuche anderer Bearbeiter 96 6.4 Ermittlung einer Formel für den Stickstoffaustrag aus den vorliegenden Labordaten 99 7 Aufbau der Pilotanlage zur passiven Grubenwasserreinigung 102 7.1 Gegenüberstellung möglicher Konzepte zur Reinigung des Grubenwassers 102 7.2 Konzipierung der Pilotanlage „Am Kupferberg“ 103 7.2.1 Einführung 103 7.2.2 Absetzbecken 105 7.2.3 RAPS-System 107 7.2.4 Aerobes Feuchtgebiet 108 7.3 Erste Ergebnisse der passiven Grubenwasserreinigung 109 8 Ingenieurgeologische Planung der passiven Grubenwasserreinigungsanlage 115 8.1 Bemessung der geplanten Anlage 115 8.1.1 Absetzbecken 115 8.1.2 RAPS-System 115 8.1.3 Aerobes Feuchtgebiet 117 5 Inhaltsverzeichnis 8.2 Vorschlag zum Aufbau der Anlage 118 8.3 Standsicherheitsbetrachtungen der Halde 120 8.4 Schlussfolgerungen 120 9 Erstellung eines Grubenwasserkatasters für den Harz (Diplomkartierung) 122 9.1 Aufgabenstellung 122 9.2 Überblick über die Lagerstätten des Harzes 122 9.3 Kurzer Abriss der Historie des Harzer Bergbaus 129 9.4 Erfassung der Grubenwasseraustritte 132 9.4.1 Einleitung 132 9.4.2 Grubenwässer im Ostharz bei Gernrode, Alexisbad und Strassberg 133 9.4.3 Grubenwässer im Bereich Elbingerode, Büchenberg und Braunesumpf 137 9.4.4 Grubenwässer bei Wernigerode/Hasserode 143 9.4.5 Grubenwässer um St. Andreasberg 144 9.4.6 Grubenwässer des Oberharzes 147 9.5 Zusammenfassung und Abschätzung des Gefahrenpotentials im Untersuchungsgebiet 156 10 Verzeichnisse 158 10.1 Literaturverzeichnis 158 10.2 Abkürzungsverzeichnis 163 10.3 Abbildungsverzeichnis 164 10.4 Tabellenverzeichnis 168 10.5 Anlagenverzeichnis 170 Anlagen 6 1 Zusammenfassung 1 Zusammenfassung Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Konzipierung einer passiven Grubenwasserreinigungsanlage im Hagental bei Gernrode am Nordrand des Harzes. Am Mundloch des Hagentalstollens, dem Förder- und Entwässerungsstollen des ehemaligen Flussspatbergwerks Hohewarte, tritt das kontaminierte Grubenwasser aus. Zunächst werden in der vorliegenden Arbeit mögliche aktive und vor allem passive Verfahren zur Grubenwasserreinigung mit den jeweiligen Konstruktionskriterien dargestellt. Im Anschluss werden die Analyseverfahren sowie ermittelte Wasserparameter vom Mundloch und vom Vorfluter, dem Steinbach, überblicksartig erläutert. Aufbauend auf diesen Werten wurde ein Konzept erstellt, wie das Grubenwasser am Standort Hagental mit passiven Methoden zu reinigen ist. Mittels Laborversuchen und der Anfang 2003 errichteten Pilotanlage „Am Kupferberg“ wurde die Reinigungsfähigkeit überprüft und bestmöglichst eingestellt. Den Abschluss dieser Arbeit bildet ein ausgearbeiteter Vorschlag zur künftigen Errichtung der passiven Grubenwasserreinigungsanlage. Während sich die chemischen Parameter bei der Beprobung des Grubenwassers am Stollenmundloch (Oktober 2002 bis Oktober 2003) nur wenig änderten, war der Durchfluss deutlich vom jahreszeitlich bedingten Niederschlag bzw. von der Wasserführung des Vorfluters abhängig. Er schwankte zwischen 17 L/s und 32 L/s. Im Durchschnitt lag der pH-Wert bei 5,7; die Basenkapazität bei 1,2 mmol/L und Säurenkapazität bei 0,2 mmol/L. Messungen der Eisenkonzentration ergaben Werte zwischen 9 und 22 mg/L. Vor allem auf die Konzentrationen von Natrium, Calcium und Chlorid ist die mit 5400 µS/cm hohe Leitfähigkeit zurückzuführen. Auf Grundlage der Wasserparameter wird eine passive Grubenwasserreinigungsanlage mit einem Absetzbecken, einem RAPS-System und einem anschließenden aeroben Feuchtgebiet vorgeschlagen. Entscheidender Faktor ist die Alkalitätsentstehung innerhalb des RAPS-Systems. Nach der Ausfällung des Eisens kann ein netto-alkalisches Wasser den pH-Wert-Abfall abpuffern. Sowohl die Labor-, als auch der Pilotversuch zeigten die überragende Bedeutung der Aufenthalts- bzw. Kontaktzeit im RAPS-System. Mit den Laborversuchen wurde belegt, dass ein Anheben des pH-Wertes auf >7, die Erzeugung eines netto-alkalischen Wassers und eine Verminderung der Eisenkonzentration auf <1 mg/L mit der vorgeschlagenen Reinigungsmethode möglich sind. Obwohl die Reaktionsbecken in der Pilotanlage klein waren, konnten gute Reinigungsergebnisse erzielt werden. Aus einem 410 m² großen Absetzbecken, einem 1250 m² RAPS-System und einem 1500 m² Feuchtgebiet muss sich die Grubenwasserreinigungsanlage im Hagental zusammensetzen. Für das RAPS-System werden 2130 t Kalkstein und 1200 m³ Kompost benötigt. Mit einem Stickstoffaustrag von maximal 180 Tagen ist zu rechnen. Die dadurch entstehende Gefahr des Algenwachstums kann durch Inbetriebnahme im Herbst minimiert werden. 7 1 Summary 1 Summary This work pursues the aim to conceive a passive mine water treatment system in the Hagental near Gernrode in the German Harz Mountains. The polluted mine water leaves the adit through its entrance. In former times it was a culvert and a production adit belonging to the fluorspar-mine Hohewarte. The present work shows possible active and especially passive treatments to clean mine water and their criterions of construction. Further the analysis-methods and determined water-parameters of the adit- entrance and the receiving stream Steinbach will be explained. Based on these data a conception was prepared how to clean the mine water in the Hagental with passive treatments. To test the potential of a passive treatment system laboratory experiments were taken and the pilot scale system “Am Kupferberg” was built at the beginning of the year 2003. At the end of this work there will be a developed suggestion