Auswirkung stark salzhaltiger Grubenwässer auf die Schwermetallmobilität untertage verbrachter nichtnuklearen Reststoffe

Timm Reisinger1, Christian Heck, Thomas Rüde
1 Lehr- und Forschungsgebiet Hydrogeologie, RWTH-Aachen

P 4.6 in Endlager und Untertagedeponien

Der Versatz mit bergbaufremden Abfällen erfolgte im Ruhrgebiet im Wesentlichen in der Zeit von Mitte der 1980er-Jahre bis 2006. Insgesamt wurden in diesem Zeitraum rund 1,6 Mio. t bergbaufremder Abfälle in elf Steinkohlebergwerken eingelagert, 578.000 t seien nach dem Prinzip des vollständigen Einschlusses mindestens 800 m tief unter der Erde eingelagert worden.

Für den Fall eines Grubenwasserwiederanstiegs sind durch den Kontakt der Wässer mit den untertägig verbrachten Reststoffen chemische Veränderungen der Grundwässer und Stofftransporte aus den Reststoffen in die angrenzenden Grundwasserleiter zu besorgen. Daher wurden Säulenversuche mit zerkleinertem und dicht eingebautem Ruhrsandstein karbonischen Alters als typischem Lagerstättengestein durchgeführt. Die Säulen wurden von Reinstwasser durchflossen, in das für die Reststoffe charakteristische Schwermetalle gelöst wurden. Das Hauptaugenmerk lag bei der durch hohe Salzgehalte verursachten Mobilität der Schwermetalle Cadmium (Cd), Blei (Pb) und Zink (Zn). 

Es wurden zwei Versuchsreihen durchgeführt, bei der ersten wurde zunächst kein NaCl hinzugefügt und das System lief mit Durchlässigkeitsbeiwerten von 1,3 bis 1,8 * 10-6 m s-1, bis die Ausgangskonzentration der Schwermetalle von 50 mg L-1 Pb, 15 mg L-1 Zn und 28 mg L-1 Cd erreicht wurde. Dann wurde NaCl mit einer Konzentration von 10 g L-1 hinzugefügt und diese in einem zweiten Schritt nach zwei Tagen und sechs Stunden auf 100 g L-1 erhöht. In der zweiten Versuchsreihe wurden die drei Versuchsschritte umgekehrt gefahren. Zur Aufzeichnung des Stoffverhaltens wurden an den Säulen mehrere kleine Beprobungshähne und eine Kamera installiert.

Eine Erhöhung der Ionenstärke, verursacht durch das Salz NaCl, führt zu einer höheren Mobilität der Schwermetalle und zu einer Freisetzung bereits an der Feststoffphase adsorbierter Metalle. Nach dem Erreichen der Ausgangskonzentration und der Zugabe von NaCl (10 g L-1) stiegen die Metallkonzentrationen um ein Vielfaches an, bevor sie wieder auf die Ausgangskonzentrationen absanken, wobei eine zusätzliche Erhöhung der Salzkonzentration (100 g L-1) zu einem weiteren Anstieg der Metallkonzentrationen über die Ausgangskonzentration hinaus im Ausfluss führte. Die Experimente zeigen unter den salinaren Verhältnissen im Ruhrkarbon eine konservative Tracerausbreitung von Cd und Zn. Im Gegensatz dazu wird Pb unter diesen Bedingungen etwas verzögert durch die Säulen transportiert. Der Hauptmechanismus, der die Pb-, Cd- und Zn-Mobilität regelt, ist die Komplexbildungskapazität von Chlorid abgeleiteten Anionen mit Schwermetallen (Chlorokomplexe). Weiterhin könnte die Konkurrenz mit Na+ um die Sorptionsplätze an der Feststoffphase ein Faktor für eine höhere Mobilität sein.

Die in den Säulenversuchen erlangten Erkenntnisse dienen als Basis für zukünftige Versuche an einem Einzelkluft-Versuchsaufbau. Hydrochemische Modellierungen der beiden Versuche werden das aus den Experimenten gewonnene Systemverständnis weiter vertiefen.