Folgeseen des Braunkohletagebaus und deren Sanierung · Heliozoa DOM Simple food web structure, monospecific guilds, but complex modes of nutrition: photoautotrophs, osmotrophic mixotrophs,

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UFZ-UmweltforschungszentrumLeipzig-Hallein der Helmholtz-Gemeinschaft

W. Geller 19. Januar 2009

Folgeseen des Braunkohletagebaus

und deren Sanierung

“die größte Landschaftsbaustelle Europas”

- aus der Sicht der WRRL

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Mining districts and stocks oflignite in Germany

(from DEBRIV 2002)

Lusatian D.

Cenrtal. G. D.

Rhineland

anual use in 106

t0

20

40

60

80

100

stocks in 109

t

0

10

20

30

40

50

60

annual useplant useeconomically usablegeological

Diese Folie dient der Einführung in die geografische Lage der 3wichtigsten Braunkohlereviere in Deutschland sowie der jeweiligenFörder- und Vorratssituation.Die Erwähnung der kleineren Reviere (Helmstedt, Hessen, Oberpfalz)erscheint nicht notwendig und würde vermutlich auch zu weit führen.Zur Grafik:„annual use“ meint „jährliche Förderung“, hier mit den Zahlen für 2000dargestellt (RR: 91,9 Mio t/a, MR: 16,6 Mio t/a, LR: 55,0 Mio t/a)„plant use“ meint „derzeit konkret geplanter und genehmigter Abbauvon Vorräten“ (RR: 4,3 Mrd t, MR: 0,7 Mrd t, LR: 2,3 Mrd t)„economically usable“ meint „wirtschaftlich nutzbaren Vorräte“ (RR:35,0 Mrd t, MR: 2,2 Mrd t, LR: 5,6 Mrd t)„geological“ meint geologische Vorräte (RR: 55,0 Mrd t, MR: 10,0 Mrd t,LR: 12,6 Mrd t)RR - Rheinisches Revier („Rhineland“)MR - mitteldeutsches Revier („Central G. D.“ für Central GermanDistrict)LR - Lausitzer Revier („Lusatian D.“ für Lusatian District)

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Large lakes in Germany

Bodensee

Starnberger S

eeG

arzweiler II

Chiem

seeA

mm

erseeW

alchenseeS

chweriner S

eeM

üritzK

önigseeG

eiseltalG

roßer Plöner S

eeS

chaalseeB

erzdorfS

elenter See

Greifenhain

TegernseeP

lauer See

TollenseseeK

umm

erower S

eeN

achterstedtG

oitscheW

erbellinseeB

leilochS

chwam

menauel

Edersee

Kochelsee

Hohenw

arteZw

enkauR

atzeburger See

Bigge

ForggenseeA

rendseeS

törmtal

Restsee S

preetal/Bluno

Speicher B

ärwalde

Waginger S

eeS

edlitzer See

Möhne

Ilse-See/M

euroR

estsee Scheibe

Skadoer S

eeS

charmützelsee

Krakow

er See

Parsteiner S

eeR

appbode

volume in m

3

1e+6

1e+7

1e+8

1e+9

1e+10

1e+11

natural lakesreservoirsmining lakes

Mit dieser Grafik soll deutlich werden, daß Tagebauseen aus derBraunkohlegewinnung in Deutschland eine wichtige Rolle als Gewässerspielen. In die Darstellung wurde der z.Z. noch in Vorbereitungbefindliche Tagebau Garzweiler II mit einbezogen, um auch diezukünftige Entwicklung mit anklingen zu lassen. Der aus dem TagebauHambach im Rheinischen Revier entstehende See wird nach Aussagenvon Frau Prof. Nixdorf ähnliche Ausmaße haben, konkretePlanungszahlen haben wir aber nicht, weshalb dieser See imDiagramm fehlt.Alle anderen Seen sind schon gefüllt (z.B. Cospuden), in Flutung(betrifft die Mehrzahl der dargestellten Tagebauseen) oder stehen zurFlutung in den nächsten Jahren an (z.B. Geiseltal, Zwenkau). Die sichan die Darstellung anschließenden kleineren Seen haben zunächsteinen ähnlichen Anteil an der Gesamtheit der Seen. Allerdings nimmtder Anteil der Naturseen dann doch mit abnehmendem Seevolumenimmer mehr zu (Seenplatten in Mecklenburg, Brandenburg undSchleswig-Holstein) und auch die Baggerseen rücken dann in denVordergrund. Leider gibt es keine Statistik für ganz Deutschland undauch nicht für die Länder (wird aber z.Z. von BTU Cottbus im Auftragdes UBA angegangen).Im mitteldeutschen und Lausitzer Revier kommen nach Auslaufen deraktuellen Tagebaue in der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts dannnoch einmal ca. 10 See in der Größenordnung von Cospuden-Goitschehinzu.Die Darstellung haben wir schon mehrfach publiziert.

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Landnutzung im Niederlausitzer Braunkohlenrevier(Pflug 1998)

Die Wasserflächen in der Lausitz werden einen Flächenanteil von 8%haben; damit entsteht eine Seelandschaft und eine neue Qualität.

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Wasserqualitätsprobleme in Tagebauseen

• Versauerung durch Pyritoxidation• Eutrophierung durch übermäßigen

Nährstoffeintrag (Phosphor) mit Flußwasser beider Flutung

• Kontamination mit Spurenschadstoffen(Halogenorganika, Schwermetalle)

• Versalzung durch hochsalinare Tiefenwässer

Im Folgenden sollen die zwei erstgenannten Probleme dargestellt werden.

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Microbial oxidation and formation of pyrite

Pyrite Oxygen

Iron Sulfate Acidity

Iron Sulfate AcidityOrganicMatter

Pyrite

Fe(II) oxidizingbacteria

Sulfide oxidizingbacteria

Sulfate reducing bacteria

Fe(III)reducingbacteria

Oxic zone

Anoxic zone

Prinzip des Kreislaufs Versauerung/Pyritbildung an eineroxisch/anoxischen Grenzflächewollen wir in Richtung Pyrit beeinflussen, also biologische Entsäuerungdurch FeR und SR. Dazu ist geeignete organische Substanznotwendig, die im See wegen geringer Besiedlung und schwacherPrimärproduktion nicht ausreichend gebildet wird.

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Die Wasserqualitätist das Problem

Stand 28.6.2006

143mg/LFe

1465mg/LSO42-

15,9mmol/LKB8,2

2,7pH

8



pH-Verteilung in Bergbauseen inDeutschland

pH2 3 4 5 6 7 8 9

frequency (absolute)

0

5

10

15

20

25

30

35

Dieses Histogramm zeigt die pH-Wertverteilung in den Tagebauseen inDeutschland auf der Basis einer Studie, die die BTU Cottbusfederführend unter unser Mitwirkung im Auftrag des UBA erarbeitet hat.Es wurden alle verfügbaren Daten für Tagebauseen >5 ha gesammelt.Die Übersicht ist zwar nicht ganz vollständig, der dadurch entstehendeFehler aber klein.Deutlich sichtbar wird einerseits das Ausmaß der Versauerung, d.h. ca.40% der existierenden bzw. z.Z. in Flutung befindlichen Tagebauseensind versauert. Außerdem zeigt sich etwas Hydrogeochemie: Die dreiGipfel der Verteilung zeigen die drei wichtigsten Puffersysteme in denSeen: Eisenpuffer (pH 2,5-3,5), Aluminiumpuffer (pH 4,5-5,5) undHydrogenkarbonatpuffer (pH 6-8,5).

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HeterotrophicHeterotrophic BacteriaBacteria

Chlamydomonas

Ochromonas

Ciliates

Heliozoa

DOM

Simple food web structure, monospecific guilds, but complex modes of nutrition: photoautotrophs,osmotrophic mixotrophs, phagotrophic mixotrophs, competing with osmotrophic heterotrophs and

phagotrophic heterotrophs.

Nahrungsnetz im schwefelsauren See!

Das Plankton in schwefelsauren Seen besteht aus acidophilen Arten.Die Phytoplankter sind mixotroph und können sich neben derPhotosynthese auch räuberisch ernähren. Top-Carnivor ist einHeliozoon.Daraus entseht ein schwierig zu verstehendes Nahrungsnetzgefüge mitungewöhnlichen Konkurrenz- und Räuber-Beute-Beziehungen.Außerdem ist das System überwiegend von externen Energie-/Kohlenstoffquellen abhängig, die noch nicht voll verstanden sind.

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W. Geller 19. Januar 2009 Foto UFZ

Hochwasser, Dammbruch, Flutung der Goitsche

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2002

Goitschesee1993

2000

Beispiel Goitschesee:Hier kommen viele Problemstellungen zusammen:Limnologische Prognose vor der Flutung;Begleitung der Flutung;Hochwasser;Anaylse der P-Bilanz;Massenentwicklung von neu eingewanderten Wasserpflanzen nach derFlutung.

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2

3

4

5

6

7

8

0 5 10 15 20 25 30 35 40

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

Goitsche-Flutung/pH-Werte1

10541999 5 7

0 5000 10000

m ü

. NN

TBMühlbeck

pH-W

ert

TB Niemegk TB Döbern

2

3

4

5

6

7

8Flutung desGoitschesees:NeutralisationdurchMuldewasser

Verlauf der Flutung: Das Flußwasser schichtet sich ein und neutralisiert dasvorher saure Wasser.Während der Flutung wurden zunächst Säure und Eisen aus den tiefergelegenen Sedimenten frei gesetzt, die mit dem Flutungswasser zuerst inKontakt kamen. Später wurden auch kalkreiche Schichten vom Wellenschlageluiert. Zusammen mit den alkalinisierenden Stoffen im Flußwasser wurde imVerlauf der Flutung eine Neutralisierung des Sees erreicht.Die tatsächliche Entwicklung lag in der Bandbreite unserer vorherigenPrognose.

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Wasserqualitätsprobleme in Tagebauseen

• Versauerung durch Pyritoxidation• Eutrophierung durch übermäßigen

Nährstoffeintrag (Phosphor) mit Flußwasser beider Flutung

Im Folgenden sollen die zwei wichtigsten Probleme dargestellt werden.

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Phosphorkonzentration im Goitschesee

Mit dem Flutungswasser aus der Mulde gelangten große Mengen desNährstoffs Phosphor in den Goitschesee. Es wurde eine starke Eutrophierungbefürchtet. Die P-Konzentrationen gingen jedoch überraschend schnellzurück. Die hohen Gehalte des Eisens und Aluminiums im vormalsschwefelsauren See reichten aus, um die eingetragenen P-Mengen zu binden.Der Vorgang wiederholte sich nach dem Hochwassereintrag 2002.Es entstand ein oligotropher See mit klarem Wasser trotz der „eigentlicheutrophen“ P-Konzentrationen im Flutungswasser.Vor der Flutung gab es Überlegungen, ob das mit Nährstoffen undSchadstoffen belastete Wasser der Mulde mit Klärtechnik behandelt werdenmüßte. Der Verlauf der Flutung zeigt, daß der eingetragene Phosphor schnellals Fe- und Al-Verbindung ausgefällt und im Sediment fixiert wird. DiesProzesse wurden genau analysiert und sind auf andere zu flutende Seenübertragbar. Dies ist eine Voraussetzung für das Funktionierenentsprechender Seenmodelle.

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Neue Herausforderung durch invasiveNeophyten: Wasserpest!

(Elodea nuttallii)

2 Jahre nach dem Hochwasser 2002 kam die Massenentwicklung von Elodeanuttallii, einem Einwanderer aus Nordamerika.Wird sich dies jährlich wiederholen? Es ist eine Ursachenanalyse notwendig.Erst wenn man die Ursachen verstanden hat, ist eine wirkungsvolleBekämpfung möglich.Dazu läuft eine Kooperation mit der TU München mit 2 Promotionsvorhaben.

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EU-Richtlinien mit Wirkung für die Sanierungvon Bergbaufolgelandschaften, insbes. für

Gewässer

1. Wasser-Rahmenrichtlinie 2000 (WRRL)

2. Richtlinie: Bewirtschaftung von Abfällen aus dermineralgewinnenden Industrie (Entwurf 2003)

3. Fauna-Flora-Habitat-Richtlinie 1992 (FFH)

4. Richtlinie: Schutz des Grundwassers gegenVerschmutzung durch gefährliche Stoffe

Die EU-Rahmenrichtlinien müssen in den Wassergesetzen des Bundesund der Länder nachvollzogen und umgesetzt werden.

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EU Wasser-Rahmenrichtlinie 2000 (WRRL):Sanierungsziele für Oberflächen- undGrundwässer in Bergbaufolgelandschaften

• Künstliche Oberflächengewässer sollen ein gutesökologisches Potenzial und guten chemischen Zustanderreichen.

• Grundwasserkörper sollen einen guten chemischenund mengenmäßigen Zustand erreichen/behalten.

Bergbauseen sind künstliche Gewässer. Für diese und fürGrundwasserkörperr werden Ziele gesetzt.

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Bundes-Wasserhaushaltsgesetz (2002) zur nationalen Umsetzung der EU-WRRL

• § 25a: In oberirdischen Gewässern soll guter ökologischer undchemischer Zustand erhalten/erreicht werden.

•§ 25b: Künstliche oberirdische Gewässer sollen ein gutesökologisches Potenzial und guten chemischen Zustand erreichen.

• § 25c, d: Fristenverlängerung, weniger strenge Ziele

• § 33a: Grundwasserkörper sollen einen guten chemischen undmengenmäßigen Zustand erreichen/behalten.

Die Vorgaben der WRRL werden nahezu wörtlich in dieWassergesetzen des Bundes und der Länder übernommen.

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Referenzzustand künstlicher Gewässer I(von Keitz & Schmalholz (2002) Handbuch der EU-WRRL)

• Für künstliche Gewässer ist der gewässertypische natürlicheZustand als Bezugsmaßstab für die ökologische Bewertungungeeignet.

• Abweichend von natürlichen Gewässern entspricht derReferenzzustand für künstliche Gewässer dem „maximalenökologischen Potenzial“ (MEP).

• Dieser Referenzzustand orientiert sich nicht am Natürlich-keitsgrad des Gewässers, sondern am Sanierungspotenzial.

Grundsätze für die Definition des Referenzzustandes für künstlicheGewässer.

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Zeitplan der EU-WRRL

• 2004: - vorläufige Einordnung der Gewässer• 2008/09:

– endgültige Einordnung der Gewässer– Zuordnung von Leitbildern (Referenztypen)

als Entwicklungsziele– Definition gutes ökologischen Potenzial

(EU-FFH-RL)– Beschreiben aller Optionen für Sanierungsmaßnahmen– Maßnahmenprogramm im Flußgebietsmanagementplan

• 2015: - Erreichen der gesetzten Ziele; Kontrolle alle 6 Jahre

20 Road map der WRRL:Was soll Wann errreicht sein?

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Aktuelle Aufgaben für die Bergbauseen

• Im Bergbau gilt das Bergrecht: Priorität hatSicherheit und Wassermengenwirtschaft

• Nach Entlassung aus der Bergaufsicht gilt dasWasserrecht (WRRL)

• Die Überwachung durch die Wasserfachaufsichtder Länder beginnt 5 Jahre nach Flutungsende

• Problem der Zielstellung (welches Leitbild ?) fürEinzelgewässer

21 Was sind die aktuellen Aufgaben im Hinblick auf die Bergbauseen?

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Aktuelle Aufgaben für die Bergbauseen

– Erfassung der Seen (weitgehend erledigt)– Zuordnung von Referenztypen– Definition des guten ökologischen Potentials

(GEP)– Darstellung der Möglichkeiten für

Sanierungsoptionen– Darlegung der praktischen Anwendung im

Maßnahmenprogramm

22 Was sind die aktuellen Aufgaben im Hinblick auf die Bergbauseen?

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Referenztypen für Bergbauseen(Leßmann & Nixdorf 2003)

Vorschläge aus regionaler und weltweiter Sicht:

• Leitbild A:Neutraler, mesotropher Bergbausee (Glazialsee?)Klares Wasser, Sichttiefen > 2m, pH > 4,5

• Leitbild B:Saurer Bergbausee als eigener Seentyp (Vulkansee?)pH < 3, hohe Eisenkonzentration, Rotfärbung

Die Diskussion zwischen den beteiligten Fachleuten kommt zu derEmpfehlung, daß zwei Referenztypen von Bergbauseen sinnvoll sind.Der Typ des sauren Bergbausees enthält mehrere Varianten.

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D: Möglichkeiten und Grenzen ?

• Größenordnung des Problems• Einzelgewässer: Seen, Flüsse,

Grundwasserkörper• Hydrologisches Gesamtsystem &

dessen Steuerung• Sanierungsoptionen• Vergleich mit realisierten Maßnahmen• Kosten und Verhältnismäßigkeit

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Die vom Bergbau beeinflußte Landschaft inder Niederlausitz

old mining areasfrom 19th century

Leitbild B ?

Die Ausdehnung des vom Bergbau betroffenen Gebietes in der Lausitz: hiersind großflächig alle Oberflächengewässer und Grundwasserkörper durchGrundwasserabsenkung und Wiederanhebung betroffen.

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System der großräumigen Steuerung von Wassermengen und Wasserqualitätin der Lausitz: Bereich zwischen Bautzen-Senftenberg-Cottbus-SüdraumBerlin

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Im Verlauf der weitgehenden Einstellung des Braunkohlebergbaus nimmt inder Spree die Wassermenge ab und die Sulfatkonzentration zu. Es wird einGrenzwert von 450 mg/L Sulfat angestrebt. Betroffen ist vor allem dieTrinkwasserversorgung in Berlin.

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1. Technische Maßnahmen (geo-, bau-, hydrotechnisch)• Prävention; ist nur im aktiven Bergbau möglich.

• Die Fremdwasserflutung ist überall dort zu empfehlen, wogenügende Wassermengen verfügbar sind.

2. Verfahrenstechnische Wasserbehandlungsmaßnahmen• Die chemische Neutralisierung (Zugabe von Kalk, Soda, Asche):

schnell wirksame Methode für alle Skalen von Oberflächen- undGrundwässern.

Welche Neutralisierungsoptionensind machbar? I

Für Maßnahmen zur Neutralisierung saurer Gewässer gibt es mehrereOptionen.

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4. Stimulation der natürlichen Selbstreinigung• Die biologische Behandlung

ist für kleine Seen mit geringer Wiederversauerunggeeignet:

• die Sulfatkonzentration sinkt.

Welche Neutralisierungsoptionensind machbar? II

Mit der Option der biologischen Sanierung soll die Pyritoxidationrückgängig gemacht werden. Nach Ausfällung von Pyrit stellt sich derNeutralzustand im Wasser ein.

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Vergleichbare Großaktionen zurGewässersanierung

(Beispiele für gelöste Probleme)•Regenversauerte Gewässer in Norwegen und Schweden:

Sanierung durch Kalkung.

• Lago di Orta mit Versauerung durch Industrieabwasser:die weltweit größte Kalkungsaktion an einem See.

• Sanierung von eutrophierten Seen: die großen Voralpenseen in A, CH, D, F, I

Der Vergleich der Sanierungsoptionen mit technisch durchgeführtenund gesellschaftlich akzeptierten Großaktionen zurGewässersanierung: Zu groß? Zu teuer? Oder akzeptabel?

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Kalkungen und erreichteNeutralisierungsleistungen:

• Regenversauerte Gewässer in Norwegen und Schweden: Kalkung von 6.000 Seen über 20 Jahre mit

Einsatz von 200.000 t Kalk/Jahr.

• Bodenneutralisierung im Gebiet von Sudbury /Canada: 1 kg Kalk /m2 ~ 20 eq/ m2

• Lago di Orta/Italien (industrielleVersauerung): 0.85 kg Kalk/m2 ~ 18 eq/ m2

• Mikrobiol. Alkalinisierung in saurem Bergbausee (RL 111):(Messung in 2 Experimenten über je 2 Jahre)

4.8 - 12.7 eq/ m2 . Jahr

Durchgeführte große Kalkungsaktionen im Vergleich mit dem erreichtenStand der biologischen Sanierungsverfahren.

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0

1

2

3

4

5

60,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000

Acidity (meq/L)

pH

0,030,130,520,530,981,341,521,641,922,052,12,152,622,93,163,633,984,154,234,454,774,814,865,636,196,346,487,17,38,141011,4511,7813,281515,7117270,0260,0360,0270,0130,009148,5939,2810,616399,854,1

Pit Lakes

Volcanic Waters

Rain Acidic Lakes

Die Konzentrationen und Aziditäten in den sauren Bergbauwässernsind um 2 bis 3 Größenordnungen höher als in regensaurenWeichwasserseen, die erfolgreich saniert werden konnten.

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Die chemische Neutralisierung der schwefelsaurenBergbauseen in der Lausitz mit 2 km3 würde erfordern:

~106 t [CaCO3/MgCO3] Kalk/Dolomit

Die vierfache Menge wurde in Schweden über 20 Jahrein groß angelegten Kalkungsaktionen eingesetzt, um dieregenversauerten Böden und Gewässer zu behandeln.

Mengenvergleich für Kalkeinsatz

Wenn man das Säureproblem in der Lausitz mit Kalkzugaben lösen will,braucht man rechnerisch 1 Mio Tonnen.

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Die EU-WRRL läßt offen, ab wann die Kosten als„unverhältnismäßig“ einzuschätzen sind.

Abgeleitet aus den Kosten der Sanierung des Bodensees mit ca.14 Mio DM pro km2 (1975)

und übertragen auf die Seeflächen der Tagebauseen (ca. 280km2), könnte ein Betrag (2005) von

ca. 3,5 Mrd. €

für die Naturierung (u.a. Neutralisierung) der Wasserqualität inden Seen der Lausitz als akzeptabel diskutiert werden.Dabei sind Landflächen mit Sanierungsbedarf (Kippen) nichtberücksichtigt.

Kosten & Verhältnismäßigkeit der Sanierung

Das großenteils von der Braunkohlewirtschaft verursachte Problem derLuftverschmutzung und Regenversauerung wurde erfolgreich gelöst.Sollte der Problem der Wasserversauerung nicht lösbar sein? Es gibtdie notwendigen Sanierungsoptionen zur Gewässerbehandlung und D.großenteils im Rahmen der BMBF-Forschung entwickelt. WeitereSanierungsverfahren zur Behandlung und Vermeidung von AMD sindauch im Auftrag der US-EPA in Arbeit und Anwendung.

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