Vortrag bei der Fachsektion Hydrogeologie in der DGG Darmstadt 21. Mai 2004

Vortrag bei der Fachsektion Hydrogeologie in der DGG Darmstadt 21. Mai 2004

Heilt die Zeit auch unsere Umweltschäden?

Nachhaltigkeit aus der Sicht eines Geochemikers

Prof. Dr. Ulrich Förstner

Tp

0007

//99

Geochemie und NachhaltigkeitGeochemie und Nachhaltigkeit

IndikatorenIndikatoren

LangzeitprognosenLangzeitprognosen

Naturnahe TechnologienNaturnahe Technologien

Geochemie und NachhaltigkeitGeochemie und Nachhaltigkeit

Befunde, Konzepte, StrategienBefunde, Konzepte, Strategien

Beispiel: Kiesbildung und Kiesnutzung im Raume Schweiz

Geogen Anthropogen

Zeitperiode 100.000 – 10.000 v.u.Z. 1850 – 1990

Dauer 105 Jahre 102 Jahre

Bildungsrate 105 m3/ Jahr

Leitbild Nachhaltigkeit (1) – Rohstoffverbrauch

Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien

Nutzungsrate 107 m3/Jahr

Lager 1010 m3 (1850)

„verfügbar“ (1990) a

a gemäß heutigen Nutzungsplänen

109 m3

109 m3 (1990)

Quelle: Baccini (1992)

Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien

Leitbild Nachhaltigkeit (2) – Schadstoffbelastung

besonders effizient ist die kombinierte Verminderung von Schwermetallen und Säureeinträgen

Indikator Standard Ecocapacity

Trend bis 2040 notwendigeReduktion

betrachteterRaum

Cadmium 2 t/a 50 t/a 95 % national (NL)

Kupfer 70 t/a 830 t/a 90 % national (NL)

Blei 58 t/a 70 t/a 90 % national (NL)

Zink 215 t/a 5190 t/a 95 % national (NL)

Säureeintrag400 Säure-

äquivalente / ha * a

2400 bis 3600Säureäquivalente /

ha * a 85 % kontinental

Quelle: Weterings & Opschoor (1992)

Beispiel: Aufnahmekapazität der Böden in den Niederlanden



„Umweltschutz über Ökosysteme als Indikatoren ist eigentlich Späterkennung“ (Baccini & Bader 1996)

Befund und Konzept „Verzögerte Reaktionen“ – Stigliani (1988)


Großer Elchsee

Adirondacks NY


Kapazitäten Freisetzungs-prozesse

Steuer-prozesse

Redox,pH

Kationen-austausch-,

Sorptions-,

Speicher-,

Puffer-Kapazität

Schad-stoffe

Langzeitprognose

Milieu-auswahl

Zuschlagstoffe,Speicherminerale

(Trennung,Anreicherung)

Konzept „Gekoppelte geochemische Faktoren“ - Salomons (1993)



Praxisbeispiele „Ingenieurgeochemie“ – Schuiling, v. d. Sloot u.a.

10-7

10-8

10-9

10-10

30 60 90 120Alterungszeit (Tage)

0

Dur

chlä

ssig

keits

beiw

ert (

m/s

)

•

•• •

• •

schichtförmige Anordnung

70 mm Flugasche

70 mm Jarosit

von unten her durchströmt

Selbstverfestigung, Verdichtung, Selbstheilung von Klüften .... Mineralneubildung aus Reststoffen

Zeolith aus Kohleflugasche

Quelle: Steenbruggen & Hollman (1998)Quelle: Ding et al. (1998)



Reaktive Barriere

Innere Barriere

ÄußereBarriere

GeologischeBarriere

Innere Barrieresysteme aus neugebildetenn Speichermineralien und Porenfüllungen

Konzept „Innere Barrieresysteme“ – Bambauer & Pöllmann (1998)



Bedeutung einzelner „Barrieren“ in Reaktor- u. Inertstoffdeponien

Schadstoff-„Barriere“

Charakterisierungder Barrierewirkung

Reaktor-Deponie

1 Vorbehandlung Schadstoffentnahme, Konditionierung +

2 Geologie Geowissenschaftliche Standortwahl ++

3 Abdichtung Sohl-, Wand- u. Oberflächendichtung +++

4 „Innere“ Barriere Immobilisierung von Schadstoffen +

5 Entsorgung Sickerwasser-/Deponiegasbehandlung +++

6 Nachsorge Kontrolle und Überwachung ++

Inertstoff-deponie

++++

+

+

++++

+

(+)


IndikatorenIndikatoren

Zeitskalen für Grundwasserverunreinigungen,Zeitskalen für Grundwasserverunreinigungen,medien- und flussgebietsübergreifende Schädenmedien- und flussgebietsübergreifende Schäden

Wirkungs-abschätzung

Bewertung

Wirtschaft und

Gesellschaft

Input

Abfall

Emissionen

Abwasser

OutputSachbilanz


10 Kategorien für die Abschätzung von Umwelteffekten

Rohstoffverbrauch, Flächenverbrauch, Treibhauseffekt,

Bildung von Photooxidantien, Ozonabbau, Ökotoxizität,

Humantoxizität, Lärm, Versauerung, Eutrophierung

Material

Energie

Wasser

Indikatoren für das Leitbild „Nachhaltige Entwicklung“


ProduktgestaltungVerhaltensweisen

Abfallvermeidung Schadstoffminderung

Ressourcen- schonung

Handlungs-strategien

Wochen/ Monate

Tage/ Wochen

Indikator – Schadstoff Ursache – Prozess Dauer

Straßenstreusalz, Unfälle, Leckagen Chloride, Öl, Benzol, Chlorkohlenwasserstoffe

Landwirtschaft Nitrat, Pestizide

Bor, Sulfat, ArsenDeponiesickerwässerJahre

Monate/ Jahre

Saure Sickerlösungen aus Bergbauabfällen Sulfate, Schwermetalle

Jahrzehnte Intensivversauerung von Waldböden Calcium, Aluminium, Schwermetalle

Jahrhunderte Nutzungsänderung von Land- zur Forst-wirtschaft (pH-Senkung)

Schwermetalle

Jahrtausende Sickerwässer aus Schlackendeponien Schwermetalle ?

Zeitskalen von Grundwasserverschmutzungen

Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen TechnologienGeochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Langzeitprognosen Technologien


Medienübergreifende Effekte – Reaktionen mit Feststoffphasen

Wasser / Abwasser Luftbelastung Abfall / Boden

BaggerschlammKlärschlamm

Reaktionen in Altlasten und

Deponien

Deponiegas

Sickerwasser

Grundwasser

Luftimmissionen Schadstoffe + Säure

Bodenreaktion

2a

2

3

3a

1Anreicherung von gelösten und feindispersen Schad- stoffen an Feststoffen



Cadmiumaufnahme mit Nahrungsmitteln – Rhein-Einzugsgebiet

Quelle: Stigliani und Jaffe


Saure Niederschläge sind im Rhein-Einzugsgebiet eher ein mittelfristiges Problem


Auswirkungen von Klimaänderungen auf Böden und Gewässer

Klimaänderung

Temperatur

Wasserbilanz (jährlich und saisonal)

mikrobielle Prozesse Bodenfeuchtigkeit

organische Substanz Nitrifikation Bewässerung

Sickerwasserrate

Bodenstruktur Bodenstruktur KAK pH Redox Versalzung pH Quelle: Stigliani

partikulärerSchadstoff-

Niederschlag (episodisch) Erosion

Umlagerung

Transport

Hydrodynamik


Niederschlag

Überflutung vonDeichvorländern

Bergbau-Unfälle

übliche MaßnahmenMessung der Belastung in Böden, Sedimenten, sowie im Grundwasser; zeitweilige Nutzungs-beschränkungen

Flutereignisse

Guadiamar 1998, Vasar/Theiss 2000

Auen und Marschen als Senken fürbelastete Flusssedimente, z. B. Elbe

Rhein 1992, Oder 1997, Elbe 2002


Überflutungssedimente – Beispiele und übliche Maßnahmen

Spittelwassergebiet und Mulde

Dioxine/Furane [ng PCDD/F / kg]

Ortschaft Greppin bis 5.590 ng/kg

Ortschaft Jessnitz bis 2.540 ng/kg

Muldenaue bis 57.700 ng/kg

Flussbänke bis 27.600 ng/kg


Hafenschlick Hamburg

LangzeitprognosenLangzeitprognosen

für Deponien, Sickerwässer und Untergrund für Deponien, Sickerwässer und Untergrund

Langzeitprognosen

kontaminierte Feststoffe

Faktor „Zeit“

Zeitraffer-experimente

Belastungsgrenzenüberschritten?


Langzeitprognosen im Leitbild „Nachhaltige Entwicklung“

Steuer-potentiale

Matrix-eigenschaften

Matrixkapazität Redoxpuffer Säurepuffer Sorptionskapazität

verbraucht?



Oberflächengewässer* Grundwasser**

Konzen-tration

OxiKap(equiv/m3)

RedKap(equiv/m3)

Konzen-tration

OxiKap(equiv/m3)

RedKap(equiv/m3)

O2 10 mg/l 1,25 10 mg/l 0,44

Quelle: Heron et al. (1994)

Mnfest 1 mg/l 0,002 0,3 mg/l 18

Mngelöst 0,01 mg/l 0,0004 0,01 mg/l 0,0001

Fefest 50 mg/g 0,09 6 mg/g 175

Fegelöst 0,05 mg/l 0,002 0,1 mg/l 0,001

S(II)fest – – 0,3 mg/g 12

*für Schwebstoffgehalt von 50 mg/l **für Porosität 0,35, Dichte 1,6 kg/l

Langzeitprognose: Redoxkapazität in Fluss- und Grundwässern


bioverfügbareorganischeSubstanz

methanogen Fe/Mn-Reduktion NO3-Reduktion

aerob

sulfidisch

Änderung von Wasser- und Feststoffeigenschaften unter Deponien


Grundwasser

Änderung der festen Eisen-spezies

Fe(III)-Oxide

Fe(II)in 5M HCl

Fe(III) nicht extrahierbar

500 m0 m

sulfidisch

Quelle: Christensen et al. (2000)



Arsen-Freisetzung aus Deponien und BödenK

onze

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tions

fakt

or K

F im

Gru

ndw

asse

r 60

50

40

30

20

10

0

KF BorAmmonium

Arsen

Nitrat

ChloridCadmium

KF =Abstrom

Zustrom

Quelle: Arneth et al.

2. Boden/Grundwasser

„Die größte Massenvergiftung der Geschichte“(nach WHO) ist eine Arsen-Verschmutzung imTrinkwasser von über 30 Millionen Menschenin Bangladesh.

Als Ursache wird auch hier die Auflösung von Eisenoxiden als bevorzugte Arsen-Träger durch überhöhte Einträge von organischen Substanzen in den Boden angesehen (Harvey et al., 2002).

1. Deponie/Grundwasser

Freisetzung von Arsen aus dem Deponiekörperals Folge von Reduktionsprozessen währendder frühen anaeroben Phase in der Entwicklungeiner sog. „Reaktordeponie“. Die Eisenoxide als bevorzugte Arsen-Senken werden aufgelöst.



Erkenntnisse zum Leitbild „Endlager* in der Abfallwirtschaft“

* „Eine Deponie, deren Stoffflüsse in die Umwelt (Luft, Wasser und Boden) sowohl kurz- wie langfristig ohne Nachbehandlung umweltverträglich sind“ (Schweizerisches Bundesamt für Umweltschutz 1986)

„Organische Stoffe gehören nicht in ein Endlager“

Corg

mg/l

Cl-

mg/lZnµg/l

Sickerwasser nach 50 Jahren 600 500 600

unbelastetes Grundwasser 0,5 3 5

jährliche Zunahme (mg/l) 0,24 0,20 0,24

jährliche Zunahme (%) 50 % 7 % 5 %

Abschätzung der jährlichen Konzentrationszunahme im Grundwasser**, nachdem die Abdichtungen der Deponie nicht mehr funktionstüchtig sind (50 Jahre)

** Modellregion „Metaland“ (Baccini et al. 1992)

1 a 10 a 100 a 1000 a

Zn

Corg

Cl-

N

abgeschätzte Zeitspannen (Jahre), bis umweltverträgliche Frachten im Sickerwasser erreicht werdenQuelle: Belevi & Baccini



Stabilität von Müllverbrennungsresten unter Deponiebedingungen

CaCO3

Ca-Silikate,HCO3

-

Ca(OH)2 ,u.a. Basen

Pufferkapazität, mmol/g Müllverbrennungsschlacke

0 0,5 1,0 1,5

Hagenholz3 Monate

Waldstraße Uster6 Jahre

Deponie Riet10 Jahre

Waldstraße Maur17 Jahre

Quelle: Baccini et al. (1993)



Phase 1

pH 8,3 und höher

Calcium 520 mg/l

Chlorid 100 – 5000 mg/l

Sulfat 100 – 5000 mg/l

Chrom 13 µg/l

Zink 4 µg/l

Dauer Jahrzehnte

Prognose: Sickerwässer aus Müllschlacken-Deponien

Quelle: EKESA (1992)


Phase 2

7,3 – 8.3

16- 60 mg/l

< 100 mg/l

< 100 mg/l

wenig verändert?

unverändert

Jahrhunderte

Phase 3

< 5- 6

< 16 mg/l

< 100 mg/l

< 100 mg/l

wie Phase 2

hoch

Jahrtausende


Monate Jahre Jahrzehnte Jahrhunderte Jahrtausende

Zunahme der Prognose-Unsicherheit

Kolloid-transport

Sulfid-oxidation

CASH-Minerale

Salz-lösungM

VA

Deponie-Sickerwasser saure Phase

Deponie-Sickerwasser Methanphase

Sickerwasser postmethanogere Reaktordeponie

Langzeitentwicklungen von Reaktor- und Inertstoffdeponien

Erosions- und Glazial-Ereignisse

(Karbonat-Lösung)

SickerwasserSchlackendeponie


Naturnahe TechnologienNaturnahe Technologien

für Böden und Gewässersedimentefür Böden und Gewässersedimente

See

Rückhaltebecken

Stausee

Baggergut-Spülfeld

Baggergut-verklappungs-gebiete

Luftemissionen

BergwerkNiederschlag

Hof

Stadt

Kläranlage Altdeponie

Blei-SchrotDeponie

Su

baq

uat

isch

es D

epo

t +

Akt

ive

Ab

dec

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gIn

-Sit

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Bin

du

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Mo

nit

ore

d N

atu

ral

Att

enu

atio

n

Schadstoff-Anreicherungen

Sedimentprobleme in einem Flusseinzugsgebiet



Vor-Ort-Reinigung von Bergbauwässern mit passiven Barrieren


Elbe

Säureneutrali-sationskapazität

Spezifische Oberfläche

Flugasche 29 mMol/g 10,3 m2/g

Rotschlamm 3,25 mMol/g 27,8 m2/g

Calcium-Bentonit

0,56 mMol/g 55,1 m2/g

Zeolith 0,005 mMol/g 15,0 m2/g

Mulde-stausee

Erste Phase Zweite Phase

Materialien für den Einsatz in Reaktions- und Sorptionswänden

Chitosan 2%

Torf 6%

Mikroorganismen 2%Zeolithe

6%Sägemehl2%

Branntkalk 5%

Nullwertiges Fe & schwefelhaltige Materialien 2%

Tensidmodifizierte Silikate 2%

andere 17%

Schwefelwasserstoff 2%Eisen(III)-Oxidhydroxid

4%

Geochemische Fixierung 5%

Null-wertigesEisen45%


Quelle: Birke (2002)


• GiftigkeitOkklusion

• VerfügbarkeitMitfällung

• MobilitätAbsorption

verringerte Schadstoff-Adsorption

Rekristallisation

• ReaktivitätPorenmodifikation

• DurchlässigkeitKonsolidation

• Erodierbarkeit Entwässerung

Abnahme derKompaktion

WirkungUrsache (Beispiel)


Mechanismen für den natürlichen Rückhalt von Schadstoffen


„Natürlicher Rückhalt“„Diagenese“Dünnschliff-Foto: Dr. Joachim Gerth

Arsenbindung an Eisenoxidoberflächen – Einfluss der Kontaktzeit

0

5

10

15

20

25

30

2 4 6 8 10

pH

Imm

obili

sier

tes

Ars

en

[%]

16 h

168 h

(Gerth et al. 2001) Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien

Gerth et al. (2001)


Arsenbindung an Eisenoxidoberflächen – Einfluss der Verdünnung

0

20

40

60

80

100

3 5 7 9 11

pH

% S

orpt

ion

5 µmol/g

25 µmol/g

50 µmol/g

100 µmol/g

250 µmol/g

500 µmol/g

(Gerth et al. 2001) Geochemie + Nachhaltigkeit Indikatoren Ursachen + Wirkungen Technologien

Gerth et al. (2001)


contaminant mobilisation

chemical isolation layer

stabilisation layer

Sicherung kontaminierter Sedimente – Aktive Barriere


Quelle:Jacobs (2003)


10 30 50m

Sportboothafen

E lbe

P iezom ete r

M u lti-Leve l-B runnen

Tensiom ete r

m obile G asm eßste lle

CappingTestfeld

Überleitung,Wasserstandsausgle ich


Gasem eßstation

Tensiometer

Piezometer

Test-Enclosures

Klim astation

Spundwand

Aufschüttung

Zugangssteg

Um gelagertesSedim ent

Sedim ent

Elbe

Subaquatisches Depot + Aktive Barriere – Projekt Hitzacker/Elbe

Quelle: Jacobs & Förstner (2002)



Zeolith als chemische Barriere – Prüfung der Rückhaltewirkung


Quelle: Jacobs (2003)

Dispersion von γ-HCH in 10.000 Jahren: Prognose für Schlickdepot Hollandse Diep

Quelle: DEPOTEC (2002)

Ausbreitung von Schadstoffen aus subaquatischen Depots



Befunde und Konzepte

1) Verzögerte Reaktionen (Großer Elchsee) Langzeitprognosen

2) Medienübergreifende Effekte (Boden-pH) Frühwarnindikatoren

Mess-Strategien und Maßnahmen

1) Steuerprozesse und Pufferkapazitäten Technische Geochemie

2) Indikatoren u.a. für Deponiesickerwässer Sickerwasserprognose

Technische Geochemie

• Vorbehandlung (Inertstoffdeponie) Vorbehandlung (Inertstoffdeponie) • Milieuauswahl (Unterwasserdepot)Milieuauswahl (Unterwasserdepot)

• Speicherminerale Speicherminerale • Reaktionswände Reaktionswände • natürlicher Rückhalt und Abbaunatürlicher Rückhalt und Abbau

von den grundlegenden Erfahrungen zu Problemlösungen

Deutsche Forschungsgemeinschaft

• DFG-Schwerpunkt „Geochemische Steuerprozesse mit Langzeitfolgen im anthropogen beeinflussten Sickerwasser und Grundwasser“ (1996 – 2002)

Bundesministerium für Bildung und Forschung

• BMBF-Verbund „Langzeitverhalten von Deponien“ (1993 – 1997)

• BMBF-Verbund „Sickerwasserprognose“ (2001 – 2004)

• BMBF-Verbund „Reaktive Wände“ (RUBIN, 2001 – 2005)

• BMBF-Verbund „Kontrollierter Rückhalt und Abbau“ (KORA, 2003 - 2006)

Forschungsprogramme der Europäischen Kommission

• Verbundprojekt „AQUATERRA“ im 6. EU-Rahmenprogramm (ab 2004)

Forschungsprogramme zum Boden- und Grundwasserschutz

Herzlichen Dank!Herzlichen Dank!

Deutsche Forschungsgemeinschaft

• DFG-Schwerpunkt „Geochemische Steuerprozesse mit Langzeitfolgen im anthropogen beeinflussten Sickerwasser und Grundwasser“ (1996 – 2002)

Bundesministerium für Bildung und Forschung

• BMBF-Verbund „Langzeitverhalten von Deponien“ (1993 – 1997)

• BMBF-Verbund „Sickerwasserprognose“ (2001 – 2004)

• BMBF-Verbund „Reaktive Wände“ (RUBIN, 2001 – 2005)

• BMBF-Verbund „Kontrollierter Rückhalt und Abbau“ (KORA, 2003 - 2006)

Forschungsprogramme der Europäischen Kommission

• Verbundprojekt „AQUATERRA“ im 6. EU-Rahmenprogramm (ab 2004)

Forschungsprogramme zum Boden- und Grundwasserschutz

Herzlichen Dank!Herzlichen Dank!

Documents

Vortrag bei der Fachsektion Hydrogeologie in der DGG Darmstadt 21. Mai 2004