Konzeption von Sanierungsszenarien für meromiktische Seen

Workshop Meromiktische Tagebauseen in der Lausitz
Cottbus 24. und 25.01.2008
Ralph Schöpke
LS Wassertechnik & Siedlungswasserbau
Konzeption von Sanierungsszenarien für meromiktische Seen
am Beispiel des polnischen Tagebausees RL54
Einleitung
Tagebausee RL54
Beschaffenheit /
Sanierungsziel
Verfahren zur
Beschaffenheitssanierung
Sanierungsszenarien
Zusammenfassung
Gemeinschaftsinitiative INTERREG IIIA
Machbarkeitsstudie:
"Darstellung und Bewertung des Einsatzes von
Sanierungsverfahren zur Verbesserung der
Wasserqualität der Tagebauseen sowie des
bergbaubeeinflussten Grundwassers der
Euroregion und Lebusa Land"
16,0
11.0
9.0
3.0
1.0
22.0
19.0
18.0
11.5
12.0
13.0
6.5
6.0
3.01.0
RL 54
Tagebausee RL54
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000 m3 7000
rel. Fläche
rW [kg/L]
1,001
0 0,998 0,999 1,000
Volumen
[m3] 1,002 1,003 1,004
mg/L
0
Volumen, interpoliert
1,000
5
Epilimnion
0,800
2 000 000
5
10
Sprungschicht
0,600
10
15
Salzg. [mg/L]
0,400
1 000 000
15
Temp
[°C]
20
Monimolimnion
0,200
°C
20
25
0,000
0
m 0
5
10
15
20
5
10
15
20
Tiefe [m] 25
25 0m
[1]
16,0
11.0
9.0
3.0
22.0
1.0
19.0
18.0
11.5
12.0
13.0
6.5
6.0
1.0
3.0
Fläche
Volumen
 350 000 m2
 2,4 Mio m3
Tagebausee RL54
02
2,5
5
1000
3 2000
10
3,5 3000
15 4
204,5
4000
pH [1]
00
SO4 [mg/L]
O2 [mg/L]
Fe [mg/L]
Fe(II)Temp
55
10
10
16,0
15
15
11.0
9.0
3.0
20
20
22.0
1.0
NP
E [mV]
Ltf [mmol/L]
[mS/cm]
19.0
18.0
25
25
m
m
m10
00
0
1200
-10
2 400 -303
-20
5
600
-40 4 -50800-60
11.5
NP  K S4,3  3c Al3  2c Fe 2   2c Mn 2 
12.0
13.0
6.5
6.0
1.0
3.0
Fläche
Volumen
 350 000 m2
 2,4 Mio m3
Tagebausee RL54
NP [mmol/L]
NP [mmol/L]
15.08.1993
-60
Monimolimnion
Neutralisation
15.09.1998
-60
6.12.2006
-50
16.05.2007
Pyritverwitterung
Sprungschicht
-50
-40
-40
Epilimnion
-30
-30
-20
-20
-10
-10
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
SO4 [mmol/L]
2,5
NP  K S4,3  3c Al3  2c Fe 2   2c Mn 2 
3,0
3,5
4,0
4,5
pH [1]
Tagebausee RL54
NP [mmol/L]
NP [mmol/L]
Monimolimnion
Monimolimnion
-60
-60
-50
-50
-40
-40
Epilimnion
Epilimnion
-30
-30
-20
-20
-10
-10
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
SO4 [mmol/L]
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
pH [1]
Beschaffenheit / Sanierungsziel
Epilimnion 3m Monimolimnion19m
temp
°C
7
9,5
pH
1
2,5
4,5
Na
mg/L
6
8,5
K
mg/L
3,2
18,3
Ca
mg/L
65
402,5
Mg
mg/L
22
68
Fe-ges
mg/L
135
1563
Fe(2)
mg/L
4
1563
Mn
mg/L
3,1
10,8
Al
mg/L
34
18,8
Cl
mg/L
4,5
4
Sulfat
mg/L
1200
4300
O2
mg/L
7,8
0
Alkalinity mmol/L
0,3
Sanierungsziel: Neutralisation zu einem oligo- mesothrophem Gewässer
pH > 5
NP >0
Verfahren zur Beschaffenheitssanierung
Chemische Neutralisation
NP [mmol/L]
NP [mmol/L]
Monimolimnion
Monimolimnion
-60
-60
-50
-50
-40
-40
Epilimnion
Epilimnion
-30
-30
-20
-20
-10
-10
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Zielgebiet der Sanierung mit pH > 5
45
SO4 [mmol/L]
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
pH [1]
Neutralisationsmittel
Neutralisationsmittel:
Me(OH)2 + 2 H+  Me2+ + 2 H2O
MeCO3 + 2 H+  Me2+ + H2O + CO2
mit Me = Ca, Mg

Verfahren zur Beschaffenheitssanierung
Chemische Neutralisation
NP [mmol/L]
NP [mmol/L]
Monimolimnion
Monimolimnion
-60
-60
-50
-50
-40
-40
Epilimnion
Epilimnion
-30
-30
-20
-20
-10
-10
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Zielgebiet der Sanierung mit pH > 5
45
SO4 [mmol/L]
2,5
3,0
3,5
Neutralisationsmittel:
Fe3+ + 3 H2O  Fe(OH)3
Me(OH)2 + 2 H+  Me2+ + 2 H2O
Al3+ + 3 H2O  Al(OH)3
MeCO3 + 2 H+  Me2+ + H2O + CO2
mit Me = Ca, Mg
Fe2+ + CO2 + H2O  FeCO3
Ca2+ + SO42-  CaSO4
4,0
4,5
pH [1]
Verfahren zur Beschaffenheitssanierung
Mikrobielle Sulfatreduktion
NP [mmol/L]
NP [mmol/L]
Monimolimnion
Monimolimnion
-60
-60
-50
-50
-40
-40
Epilimnion
Epilimnion
-30
-30
Eisenhydroxid zuführen
-20
-20
-10
-10
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Zielgebiet der Sanierung mit pH > 5
45
SO4 [mmol/L]
stabile reduzierende
Verhältnisse?
2,5
3,0
3,5
Fe2  SO24  2CH2O  FeS  2CO2  2H 2O
4,0
4,5
Substrat
limitiert durch Eisenvorrat

pH [1]
vorzeitige Instabilität:
Sanierungsszenarien
Aciditätsschub ins Epilimnion
Stabilität der Meromixie
Sulfidkontamination des Epilimnions
1,0025 kg/L
0,998
0,999
1,000
1,001
1,002
1,003
0
5
10
15
20
25
m
2,3 g/L
Neutralisation und/oder mikrobielle Sulfatreduktion
mindern die Dichte
1,004
1,005
rW [kg/L]
Sanierungsszenarien
Neutralisation
60
-NP
-NP
Neutralisation des Epilimnions
mit CaO oder CaCO3
60
Eisenhydroxidfällung
CaO/CaCO3
CaCO3 Gleichgewicht
Al-Fällung
10
10
20
40
SO4
-40
3
5
6
DIC=0
CaCO3
krit. Dichte
CaO: DIC=0
20
40
10
9
SO4
pH
CaO
krit. Dichte
3
4
5
6
-40
Neutralisation des Monimolimnions mit CaO oder CaCO3
unter Gipsfällung
8
CaCO3 und CaO
unterschiedlich
60
10
7
geringe Pufferung
-NP
-NP
60
-40
4
-40
7
8
9
pH
Sanierungsszenarien
mikrobielle Sulfatreduktion
t
1300
eisenzugeführt
1100
Bedarf an
Methanolsubstrat
eisenlimitiert
900
700
500
300
100
Sprungschich Monomilimnion
t
-NP
-NP
Epilimnion
See
Fe(OH)3
60
60
krit. Dichte
10
-40
10
0
20
40
SO4
3
-40
Sulfatreduktion im Monimolimnion
4
5
6
pH
Verfahren zur Beschaffenheitssanierung
kombinierte Behandlung
1. chemische Neutralisation des Epilimnions
2. kontrollierte
Fe(OH)Eutrophierung
3
3. mikrobielle Sulfatreduktion
4. stabile Sulfiddeponie

Verfahren zur Beschaffenheitssanierung
kombinierte Behandlung
c HCO3  const 
Bewirtschaftung des Epilimnions
biogene Entkalkung
Aufbau der
Hydrogencarbonatpufferung
CaCO3
Nachsorge
langsame Aufhebung des
Monimolimnions
stabile Sulfiddeponie
pCO 2
cCa
Zusammenfassung
1. Das Monimolimnion ist bei höherem pH-Wert acider als das Epilimnion
2. Das Monimolimnion sollte während des Sanierungszeitraumes stabil bleiben
3. Die Sanierung ist individuell für Morphologie und Beschaffenheit abzustimmen
4. Nach einer Inlake Sanierung des Epilimnions
kann der See genutzt werden
CaCO
3
5. Die Monimolimnionsanierung erfolgt im Rahmen der Nachsorge
6.
wir sind dabei !!!
FeS
Danke für die Aufmerksamkeit
Wir danken unseren Partnern aus
Zielona Gora für die freundliche
Überlassung ihrer Analysendaten