Frank Wisotzky

Acid mine groundwater in lignite overburden dumps and its prevention — the Rhineland lignite mining area (Germany)

Abstract In order to mine lignite in open pits the aquifers have to be dewatered and the overburden must be excavated and dumped. The overburden of the Rhineland mining area in Germany mostly contains pyrite, which is partly oxidized due to mining activities. The master variable of all mobilizing reactions in dumps is the content of oxidized pyrite–sulfur, which is formed under surface mining conditions (‘primary pyrite oxidation’). The value must be known for a realistic prediction of the resulting groundwater quality in dumps and in order to determine the amount of required additives to improve water quality. However, substantial methodical difficulties are associated with a proper determination of the average oxidized pyrite–sulfur content. Apart from the discussion of acid mine drainage problems, it is the aim of this article to present methods for determination of the average oxidized pyrite–sulfur content in an unsaturated or a groundwater filled overburden dump (‘dump aquifer’), respectively. For the dumps of the open pit at Garzweiler or the dump aquifer at Zukunft/West an oxidized pyrite–sulfur content of 0.036 or 0.026 wt.% (only about 10% of the average pyrite–sulfur content) has been determined. To improve the groundwater quality in dumps an addition of crushed limestone or a mixture of limestone and fly ashes was considered. Beginning in October 1998, a part of the overburden of the surface mine Garzweiler was added with limestone prior to deposition. In order to prevent a secondary pyrite oxidation in the recultivated areas of the open pit at Garzweiler, the upper part of the dump will contain only non-pyritic sediments in the future.

Sulfide oxidation in brown coal overburden and chemical modeling of reactions in aquifers influenced by sulfide oxidation

Surface mining of brown coal in the Rhineland brown coal mining area (Germany) causes acidification of pyritic sandy overburden sediments. Convective transport of air, indicated by an enrichment of nitrogen gas in oxidized overburden, is, in addition to diffusion of oxygen, the driving mechanism for sulfide oxidation. Products of sulfide oxidation (2SO42− + 2H+ + Fe2+) stored in acidic material in the overburden dump are leached by groundwater filling the dump and react with the carbonate phases of nonacidic material. The resulting hydrochemical composition (up to 6000 mg l−1 SO42−, 3000 mg l−1 Fe2+, pH 4.5) in groundwaters is controlled by simultaneous solubility equilibria with CaSO4·2H2O(s), Fe(OH)3(s), Fe0.9Ca0.1CO3(s) and CO2(g). Calculated equilibrium concentrations of major components and pH in groundwater, partial pressure of CO2(g) in soil gas, and coupled mass transfer match observed conditions.

Angewandte Grundwasserchemie, Hydrogeologie und hydrogeochemische Modellierung

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Conceptual groundwater flow model of the Mekelle Paleozoic–Mesozoic sedimentary outlier and surroundings (northern Ethiopia) using environmental isotopes and dissolved ions

A wide range of lithologic units and tectonic disturbances by cross-cutting faults and folds has resulted in the quite complex hydrogeological setting of the sedimentary outlier and its surroundings at Mekelle, northern Ethiopia. The environmental isotopes of oxygen and hydrogen and patterns of dissolved ion concentrations in the groundwater, coupled with understanding of the three-dimensional geological framework, are used to conceptualize the groundwater flow model and recharge–discharge mechanisms in the area. In agreement with the piezometric-surface map, recharge areas are determined to be the highlands (northwest, north, east and south of the study area), characterized by relatively more depleted isotopic compositions, higher d-excess, and lower concentrations of dissolved ions in the groundwater samples; the narrow major river valleys of Giba, Illala, Chelekot and Faucea Mariam are discharge areas. The groundwater divide between the Tekeze and the Denakil basins coincides with the surface-water divide line of these two basins. In most cases, groundwater feeds the semi-perennial streams and rivers in the area. However, isotopic signatures in some wells indicate that there are localities where river flow and seepage from micro-dams locally feed the adjacent aquifers. The lithostratigraphic, geomorphologic, isotopic and hydrochemical settings observed in this study indicate that three groundwater flow systems (shallow/local, intermediate and deep/semi-regional) can exist here. Tritium data indicate that the groundwater in the study area has generally short residence time and is dependent on modern precipitation.RésuméUne large gamme d’unités lithologiques et de perturbations tectoniques par des failles et plis entrecroisés créent un schéma hydrogéologique relativement complexe de formations sédimentaires aux environs de Mekelle, nord de l’Éthiopie. Les isotopes environnementaux de l’oxygène et de l’hydrogène et le schéma des concentrations en ions dissous dans les eaux souterraines, couplés avec la compréhension du schéma géologique tridimensionnel, ont été utilisés pour conceptualiser le modèle des écoulements souterrains et les mécanismes de recharge et décharge dans cette région. En accord avec la carte piézométrique, les zones de recharge ont été délimitées dans les montagnes (nord-est, nord, est et sud de la zone d’étude), caractérisées par une composition isotopique relativement appauvrie, un excès en deutérium élevé et de faibles concentrations en ions dissous dans les eaux souterraines; les étroites vallées des rivières principales Giba, Illala, Chelekot et Faucea Mariam sont les lieux de décharge. La zone de partage des écoulements souterrains entre les bassins de Tekeze et Denakil coïncide avec la zone de partage des eaux de surface de ces deux bassins versants. Dans la plupart des cas, les eaux souterraines alimentent les fleuves et rivières semi-pérennes de cette région. Toutefois, les signatures isotopiques de quelques puits indiquent qu’il y a des localités où les flux de rivières et les infiltrations de micro-barrages alimentent localement les aquifères limitrophes. Le cadre litho-stratigraphique, géomorphologique, isotopique et hydrochimique décrit dans cette étude indique que trois systèmes de flux d’eau souterraine (peu profond/local, intermédiaire, profond/semi-régional) peuvent coexister ici. Les données de tritium indiquent que les eaux souterraines de cette région d’étude ont généralement un court temps de résidence et dépendent des précipitations actuelles.ResumenUn amplio rango de unidades litológicas y de perturbaciones tectónicas por fallas transversales y pliegues ha resultado en una configuración hidrogeológica muy compleja del afloramiento sedimentario y sus alrededores en Mekelle, en el norte de Etiopía. Se usaron los isótopos ambientales de oxígeno e hidrógeno y sus patrones de concentraciones de iones disueltos en el agua subterránea, conjuntamente con la comprensión del marco geológico tridimensional, para conceptualizar el modelo de flujo de agua subterránea y los mecanismos de recarga – descarga en el área. De acuerdo con el mapa de la superficie piezométrica, las áreas de recarga se determinaron para las tierras altas (norte, este, y sur del área de estudio), caracterizadas por una composición de isótopos relativamente más empobrecidas, mayores excesos de deuterio, y bajas concentraciones de iones disueltos en las muestras de agua subterránea; los estrechos valles de los ríos principales de Giba, Illala, Chelekot y Faucea Mariam son áreas de descarga. La divisoria de agua subterránea entre las cuencas de Tekeze y Denakil coincide con las líneas de divisorias de agua superficial de estas dos cuencas. En la mayoría de los casos, el agua subterránea alimenta a corrientes y ríos semipermanentes en el área. Sin embargo, las firmas isotópicas en algunos pozos indican que hay localidades donde el flujo del río y la filtración desde micro presas alimentan localmente a los acuíferos adyacentes. Las configuraciones litoestratigráfica, geomorfológica, isotópica e hidroquímica observadas en este estudio indican que allí pueden existir tres sistemas de flujo de agua subterránea (somero / local, intermedio y profundo / semi-regional) pueden existir aquí. Los datos de tritio indican que el agua subterránea en el área de estudio tiene generalmente un tiempo de residencia corto y depende de las precipitaciones actuales.摘要大范围的岩性单元及横切断层和皱褶造成的构造扰动使埃塞俄比亚北部沉积外露层及周边地区的水文地质背景相当复杂。地下水中的氧和氢环境同位素及溶解离子含量,加上对三维地质结构的认识,用来概念化地下水流模型和本地的补给-排泄机理。与压力水面图相符,补给区处于(研究区西北部、北部、东部和南部的)高地,特点就是地下水样品中同位素组分相对枯竭,氚含量较高以及溶解离子较低;Giba, Illala, Chelekot 和 Faucea Mariam狭窄的主要河谷是排泄区。Tekeze流域和Denakil之间的地下水分水岭与这两个流域的地表分水线相一致。在大部分情况下,地下水补给本地区的半常流河。然而,一些井中的同位素特征显示有些地方河水水流和小型水坝的渗流局部上补给毗邻的含水层。本研究中观测到的岩性地层、地貌、同位素和水化学背景表明,这里可能存在着三个地下水流系统(浅层/局部系统、中间系统和深层/半区域系统)。氚资料显示研究区的地下水通常停留时间较短,这取决于现代降水量。ResumoUma grande gama de unidades litológicas e de distúrbios tectónicos causados por falhas e dobras que afetam as estruturas geológicas resultaram num ambiente hidrogeológico muito complexo dos afloramentos sedimentares e das unidades envolventes em Mekelle, no norte da Etiópia. Os isótopos ambientais de oxigénio e hidrogénio e os padrões das concentrações dos iões dissolvidos na água subterrânea, acoplados ao conhecimento da estrutura geológica tridimensional, são usados para concetualizar o modelo de fluxo e os mecanismos de recarga-descarga na área. De acordo com o mapa da superfície piezométrica, as áreas de recarga são determinadas pelas terras altas (noroeste, norte, este e sul da área de estudo), caraterizadas por uma composição isotópica relativamente mais deficitária, maior excesso de d e menores concentrações de iões dissolvidos nas amostras de água subterrânea; os vales estreitos dos rios principais, o Giba, o Illala, o Chelekot e o Faucea Mariam, correspondem a áreas de descarga. A divisória de águas subterrâneas entre as bacias de Tekeze e de Denakil coincide com a divisória das águas superficiais destas duas bacias. Na maior parte dos casos, a água subterrânea alimenta os fluxos semi-perenes e os rios da área. No entanto, as assinaturas isotópicas nalguns poços indicam que há locais onde o fluxo dos rios e a drenância a partir de micro-barragens alimentam localmente os aquíferos adjacentes. As estruturas litoestratigráficas, geomorfológicas, isotópicas e hidroquímicas observadas neste estudo indicam que podem existir aqui três sistemas de fluxo de água subterrânea (pouca profundidade/local, intermédio e profundo/semi-regional). Os dados de trítio indicam que a água subterrânea na área de estudo tem geralmente um tempo de residência curto e que é dependente de precipitação moderna.

Bedeutung von Pyritmineralen für die Grundwasserchemie

ZusammenfassungBeginnend werden die Pyritentstehung sowie die Pyritverbreitung in verschiedenen Gesteinen in Deutschland dargestellt. Anschließend wird die induzierte Pyritoxidation durch Kontakt mit Luftsauerstoff und die dabei veränderte Wasserchemie und dessen Wirkung auf Betonbauwerke und durch Braunkohlengewinnung thematisiert. Ergänzt wird die Beschreibung durch eine Darstellung der lithotrophen Nitratreduktion in Grundwasserleitern, bei der die Sulfidminerale als Reduktionsmittel dienen und damit die Nitratbelastung vieler Porengrundwasserleiter mindern. Insgesamt wird die Bedeutung von Pyritbildung und Pyritoxidation für die Grundwasserchemie thematisiert und im Überblick dargestellt.AbstractPyrite formation and its distribution in different rocks in Germany are first reviewed, followed by a description of the pyrite oxidation processes and their effect on groundwater chemistry and on concrete attack, as well as impacts from lignite mining. In the last thematic block, lithotrophic nitrate reduction is presented with an example. This nitrate reduction is of great relevance in many aquifers for decreasing the problem of high nitrate concentrations in the groundwater and in drinking water. Overall the relevance of pyrite formation and pyrite oxidation with oxygen and nitrate is described in this overview article.

Untersuchung des pyrithaltigen Aushubs bei der Emscherrenaturierung: Vergleich von Batch- und Säulenversuchen

Bei großen Umweltprojekten wie dem Emscherumbau unter der Federführung der Emschergenossenscha und der Bezirksregierung Münster ist die Kenntnis von potenziellen Stoffen, welche das Grundwasser erreichen und belasten können, von Bedeutung. Eine Möglichkeit der Bestimmung von wassergefährdenden Inhaltsto en von Böden sind die Elutions– und Perkolationsverfahren. Im Rahmen der Emscherrenaturierung und der damit verbundenen Verlegung des Abwassersystems unter die Geländeober äche fallen große Mengen an Aushubmaterial an [13]. Bei einem Teil der Aushubmassen handelt es sich um Emschermergel, ein kreidezeitliches, nach DIN 4030-1 (2008) auch pyrithaltiges Sediment, welches unter oxidierenden Bedingungen zu Freisetzung von Sulfat und Säure neigt [11]. Im Zuge der Laboranalysen zur Bewertung der Emschermergelmassen wurden umfangreiche Batchversuche (DIN 38414S4 und EN ISO 12457-4) und Säulenversuche (DIN 19528) durchgeführt. Das im folgenden beschriebene Probenmaterial wurde im Rahmen der Erkundungsmaßnahmen zum Emscherkanal im Raum Essen tiefenorientiert aus zwei Bohrungen (B3.6 und B8) gewonnen. Es wurde, sowohl geogen unverwittert als auch unter Laborbedingungen künstlich verwittert, mit Hilfe von S4-Eluaten (Wasser : Feststo verhältnis 10:1) und Säulenversuchen auf dessen eluierbare anorganische Inhaltsto e hin untersucht. Batchund Säulenversuche sind in Regelwerken und Publikationen ein recht häu g diskutiertes ema. In der Wissenscha werden genannte Elutionstechniken für völlig unterschiedliche Fragestellungen verwendet. Aguilar et al.[1] ermitteln unter anderem mit BatchVersuchen die Arsen-Kontamination in Böden. Auch Dankwarth & Gerth [7] schätzen mit Hilfe von Batch-Versuchen die Beein ussbarkeit der Arsen-Mobilität in kontaminierten Böden ab. Marien et al. [17] verwenden Elutionsverfahren zur Analyse von Nitratund Nitrit-Reduktions-Prozessen. Sommerfeld & Schwedt [21] verwenden unter anderem S4-Eluate, um die Ökotoxizität von mobilisierbaren Schwermetallen zu bewerten. Zorn et al. [25] untersuchen in Batchund Säulenversuchen am Beispiel von Gips die Auflösungsrate unter wassergesättigten und wasserungesättigten Bedingungen. Andre et al. [2] simuliert mit Hilfe von Säulenexperimenten die mikrobiell beschleunigte Denitrifikation, BatchExperimente kommen hier ebenfalls zur Anwendung. Leson & Wisotzky [16] untersuchten ebenfalls Nitratreduktionsvorgänge in Säulenversuchen. Artinger et al. [3] simuliert den Ein uss von Huminstoffen auf die Uran-Migration; Brown et al. [6] beobachten in Säulenversuchen die Auslaugungsraten von Uran aus Sedimenten. Obermann & Cremer [19] vergleichen mit Hilfe von verschiedenen Elutionsverfahren die Mobilisierung von Schwermetallen in Porenwässern von belasteten Böden und Deponien. Auf Grund der bestehenden methodischen Unterschiede sind die Ergebnisse schwer zu vergleichen und so pauschalisierte Aussagen zum Verhältnis zwischen Batchund Säulenversuchen unmöglich [19]. Schroers [20] sieht ebenfalls deutliche Unterschiede zwischen den einzelnen Verfahren. So sind mit Säulenelutionen realitätsnähere Ergebnisse zu erzielen, da das S4-Eluat gegenüber der realen Bodenlösung in der Regel eine Verdünnung der Schadsto e im Eluat erzielt. Auch die BBodSchV [5] sieht beim S4Verfahren die Möglichkeit von Unterbefunden. Bei komplexen Fragestellungen hat der teurere und zeitaufwändigere Säulenversuch bei organischen und anorganischen Sto en Vorteile. Untersuchungen des Bayerischen Landesamts für Umwelt [4] haben ergeben, dass ein Problem der Säulenanalytik in der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu sehen ist , da schon der Einbau in die Säule deutliche Unterschiede in den Ergebnissen verursachen kann. Die S4-Analytik weist vergleichbar geringere Konzentrationen auf [4]. Die bestehenden Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen Batchund Säulenversuchen am Beispiel von pyrithaltigen Emschermergelproben aus den Renaturierungsmaßnahmen werden bewertet und die wesentlichen Unterschiede benannt. Die zeitabhängige Oxidation des Disul ds im Emschermergel zeigt deutliche Auswirkungen auf die Analyseergebnisse.

Einsatz hydrogeochemischer Modelle in der Wasseraufbereitung

ZusammenfassungDie Nutzung hydrogeochemischer Computermodelle bei der Aufbereitung von Wässern wird dargestellt. Bei der Wasseraufbereitung werden hydrogeochemische Reaktionstypen genutzt, die auch in Grundwasserleitern von Bedeutung sind. Drei Beispiele zum Einsatz hydrogeochemischer Computerprogamme bei der Schnellentcarbonisierung, der Denitrifikation und Enteisenung werden vorgestellt. Ein Vergleich der berechneten Veränderung der Wasserchemie mit der gemessenen Änderung lässt die gute Anpassung der Berechnungen erkennen. Neben der Mischung und Komplexbildung konnten die Entsäuerung und die Entcarbonisierung im ersten Beispiel nachgebildet werden. Im zweiten Beispiel konnten die Denitrifikation in einem Strohfilter und in einer Wasserpflanzenbodenfilteranlage sowie die Effekte der Belüftung nachvollzogen werden. Im dritten Beispiel wurden eine Enteisenung, Verdüsung und Reaktion mit halbgebranntem Dolomit im Computermodell erfolgreich nachgebildet. Die Beispiele lassen die Eignung der hydrogeochemischen Modelle in allen untersuchten Fällen der Wasseraufbereitung erkennen. Durch die Modellierung konnten zudem auch Parameter berechnet werden, die nur sehr schwer ermittelt werden können, wie zum Beispiel die entgaste Stickstoffgasmenge oder der reagierte Anteil abbaubarer organischer Substanz bei der Denitrifikation und vertiefen damit das Prozessverständnis.AbstractAs part of a model-data investigation project, results of several water treatment studies were compared with hydrochemical models. The models used comparable hydrogeological reaction types that occur within aquifers and water treatment processes. They were tested on 3 different examples of water softening, de-nitrification and iron removal. Comparison of simulated and measured water chemical dynamics showed good agreement. In addition to mixing and formation of complexes, de-acidification and de-carbonisation processes were reproduced in the first example. The second example investigated de-nitrification in a straw filter and in a water plant filter with subsequent aeration. The third example showed iron removal where reactions with partially combusted dolomite were simulated with a computer model. All simulations showed good agreement with the observed data. The models have the advantage of yielding parameter results that are difficult to measure. This includes nitrogen gas release and the content of reacted and degradable organic substances. These tools may help to provide better insights into water treatment reactions.

Wasserinhaltsstoffe, Grundwassertemperatur, Grundwassermessstellentypen und Quellen

Wasser kommt auf der Erde im gasformigen Zustand (Wasserdampf), im flussigen Zustand und als Festphase (Eis) vor. ImWasserkreislauf der Erde (Abb. 1.1) bewirkt die Sonneneinstrahlung, dass Wasser verdunstet (Evaporation inklusive Interzeption als Verdunstung von nassen Oberflachen), vor allem von freien Wasserflachen wie von Meeren, Seen und Flussen oder von befeuchteten Landoberflachen.

Unterirdische Enteisenung und Brunnenalterung (Niederrheinische Bucht)

Ist Grundwasser eisen- und/oder manganhaltig, ist zur Nutzung des Wassers als Trinkwasser eine Enteisenung bzw.

Sediment- und Hydrochemie des Emschermergels im Münsterland (NRW)

Im Munsterland wurde in der Oberkreide (Coniac und Santon) ein meist graugrun gefarbter Mergel und Mergelstein in z. T.