Förstner / Grathwohl Ingenieurgeochemie

Technische Geochemie - Konzepte und Praxis
2. Auflage 2006
ISBN: 978-3-540-39512-6
Verlag: Springer-Verlag
Format: PDF
Kopierschutz: Adobe DRM (»Systemvoraussetzungen)

E-Book, Deutsch, 472 Seiten

Ingenieurgeochemie nutzt die Kenntnis natürlicher Prozesse der Schadstoffverteilung aus umweltgeochemischen Untersuchungen für die Entwicklung und Erfolgskontrolle auf natürlichen Ressourcen basierender Entsorgungstechnologien. Der Schwerpunkt der darstellung liegt auf dem Verständnis der Wirkungsweise äußerer und innerer Barrierensysteme zur physikalischen Stabilisierung und chemischen Immobilisierung von Schadstoffen.

Neue Beiträge zu Sickerwasserprognosen, zum Langzeitverhalten von Deponien, zur Stabilisierung von Bergbaualtlasten und zu Baggergut-Unterwasserdepots ergänzen das Buch in der zweiten Auflage. Mit Beispielen aus den Projekten und Studien KORA, RUBIN, SEDYMO, SIWAP (BMBF), AquaTerra (EU), Elbe (HPA) und Rhein (POR).

Autoren/Hrsg.

Förstner, Ulrich

Grathwohl, Peter

Inhaltsverzeichnis

1;Vorwort;6
2;Inhaltsverzeichnis;8
3;1 Technische Geochemie – Konzepte und Praxis;14
3.1;1.1 Ingenieurgeochemie – Einführung;18
3.1.1;1.1.1 Fachliche Grundlagen der Ingenieurgeochemie;20
3.1.2;1.1.2 Definitionen und Fallbeispiele;21
3.2;1.2 Geochemie im Leitbild „Nachhaltigkeit“;24
3.2.1;1.2.1 Kapazitätsgrenzen für Stoffflüsse;24
3.2.2;1.2.2 Gekoppelte geochemische Systemfaktoren;28
3.2.3;1.2.3 Geochemische Barrieren-Konzepte;38
3.2.4;1.2.4 Leitbild „Endlagerqualität“;48
3.2.5;1.2.5 Geowissenschaften und nachhaltige Abfallwirtschaft;52
3.3;1.3 Umweltchemie – Technologische Aspekte;56
3.3.1;1.3.1 Umweltchemische Konzepte;57
3.3.2;1.3.2 Umweltchemikalien und Stoffdynamik;68
3.3.3;1.3.3 Schadstoffquellen und Belastungspfade;74
3.3.4;1.3.4 Medienübergreifende Schadstoffflüsse;79
3.4;1.4 Umweltgeochemie – Grundlagen und Anwendungen;82
3.4.1;1.4.1 Globale und regionale Stoffflüsse;82
3.4.2;1.4.2 Untersuchung mobilisierender Einflussfaktoren;93
3.4.3;1.4.3 Natürliche Demobilisierung von Schadstoffen;103
3.4.4;1.4.4 Chemische Bewertung kontaminierter Feststoffe;108
3.5;1.5 Ingenieurgeochemie und Abfallwirtschaft;112
3.5.1;1.5.1 Abfallvermeidung bei der Rohstoffgewinnung;112
3.5.2;1.5.2 Langzeitstabilisierung von Abfall;122
3.5.3;1.5.3 Ingenieurgeochemisches Handlungskonzept;137
3.6;Literatur;146
4;2 Natürlicher Abbau und Rückhalt von Schadstoffen;164
4.1;2.1 Rückhalt/Sorption organischer Schadstoffe im Untergrund (Grundlagen);164
4.1.1;2.1.1 Sorptionsmechanismen und -isothermen;164
4.1.2;2.1.2 Einfluss des natürlichen organischen Materials auf die Sorption;172
4.1.3;2.1.3 „Partitioning“ in natürlichem organischem Material;176
4.1.4;2.1.4 Sorption in heterogenen Materialien;180
4.1.5;2.1.5 Adsorption organischer Verbindungen durch Aktivkohlen;183
4.1.6;2.1.6 Sorptionskinetik;184
4.2;2.2 Stofftransport im Grundwasser Advektion/Retardation, Dispersion, Abbau;191
4.2.1;2.2.1 Advektion und Retardation;191
4.2.2;2.2.2 Dispersion und Verdünnung;192
4.2.3;2.2.3 Schadstoffabbau: Stationäre Fahnen;200
4.2.4;2.2.4 Transportvermittlung: Kosolventen/DOC/Kolloide/Partikel;204
4.3;2.3 Schadstoff-Freisetzung (Desorptionskinetik, Lösungskinetik);205
4.3.1;2.3.1 Stoffübergang zwischen mobiler und immobiler Phase;206
4.3.2;2.3.2 Lösungskinetik feinverteilter residualer Phasen;210
4.3.3;2.3.3 Löslichkeit und Lösungskinetik;214
4.3.4;2.3.4 Schadstofflösung aus „Pools“;223
4.3.5;2.3.5 Schadstoff-Freisetzung durch diffusionslimitierte Desorption;227
4.3.6;2.3.6 Rückdiffusion aus Geringleitern (Ton- und Kohlelagen);231
4.4;2.4 Zeitskalen im Schadensherd und Natural Attenuation;234
4.4.1;2.4.1 Zeitskalen der Lösung residualer Flüssigphasen;234
4.4.2;2.4.2 Diffusionslimitierte Desorption;237
4.4.3;2.4.3 Wirkung von Lösungsvermittlern zur beschleunigten Sanierung von Schadensherden;241
4.4.4;2.4.4 Fazit: „Natural Attenuation“ im Schadensherd;244
4.5;Literatur;247
5;3 Ingenieurgeochemie im Boden- und Gewässerschutz– Praxisbeispiele und rechtlicher Rahmen;256
5.1;3.1 Sickerwasserprognose für anorganische Schadstoffe;268
5.1.1;3.1.1 Anforderungen nach Bundes-Bodenschutzverordnung;268
5.1.2;3.1.2 Materialuntersuchung;271
5.1.3;3.1.3 Ergänzende Verfahren;283
5.2;3.2 Langzeitverhalten von Deponien;286
5.2.1;3.2.1 Regelungen und Maßnahmen zur Emissionsminderung;287
5.2.2;3.2.2 Langzeitverhalten von organischen Deponien;292
5.2.3;3.2.3 Ablagerung von thermisch behandelten Abfällen;296
5.3;3.3 Geochemische In-situ-Stabilisierung von Bergbaualtlasten;311
5.3.1;3.3.1 Grundlagen der Sauerwasserbildung;311
5.3.2;3.3.2 Prognose der Sickerwasserqualität;315
5.3.3;3.3.3 Technologien und Behandlungsmethoden für Sauerwässer bei der Ablagerung von Bergematerialien und Tailings;318
5.3.4;3.3.4 Verwahrung von Untertagebergwerken und Tagebauen;326
5.3.5;3.3.5 Entwicklung umfassender Sanierungsstrategien –Das Fallbeispiel WISMUT;329
5.4;3.4 Gewässersedimente und Baggergut;343
5.4.1;3.4.1 Integrierte Prozessstudien;344
5.4.2;3.4.2 Problemlösungen für Überflutungssedimente;351
5.4.3;3.4.3 Subaquatische Lagerung;356
5.4.4;3.4.4 Capping – Aktive Barriere-Systeme;360
5.4.5;3.4.5 Strategien für ein integriertes Sedimentmanagement;370
5.5;3.5 Sedimente und WRRL – Fallstudien Rhein und Elbe;374
5.5.1;3.5.1 Forschungsinitiativen zum integrierten Sedimentmanagement;374
5.5.2;3.5.2 Erfassung von partikelgebundenen Schadstoffbelastungen;376
5.5.3;3.5.3 Qualitätssicherung bei der Untersuchung von Sedimentproben;380
5.5.4;3.5.4 Konzept der Sedimentstudien von Rhein und Elbe;393
5.5.5;2.5.5 Ausgewählte Ergebnisse der Rheinstudie – POR III;397
5.5.6;3.5.6 Ausgewählte Ergebnisse der Elbestudie – HPA;401
5.6;3.6 Integrierte Untersuchungen in Böden, Grundwässern, Sedimenten und Flüssen: Anwendungen vom EU ProjektAquaTerra;406
5.6.1;3.6.1 Einleitung;406
5.6.2;3.6.2 Zeitlich integrierende Messmethoden aus den Unterprojekten FLUX und BIOGEOCHEM;408
5.6.3;3.6.3 Konzeptionelles Modell der Schadstofffrachten;416
5.6.4;3.6.4 Modellierungen des Systems;417
5.6.5;3.6.5 Verbindungen von AquaTerra zu anderen Initiativen;418
5.7;Literatur;420
6;4 Materialien;450
6.1;4.1 Ausgewählte Ergebnisse aus dem BMBF-Verbundprojekt SiWaP;450
6.1.1;4.1.1 Einleitung;450
6.1.2;4.1.2 „Quellterm“ – experimentelle Befunde;451
6.1.3;4.1.3 „Transportterm“ – experimentelle Befunde;459
6.1.4;4.1.4 Aktuelle Aktivitäten zur Gefährdungsabschätzung und Verwertung;461
6.1.5;4.1.5 Zitierte Literatur;462
6.2;4.2 Durchströmte Reinigungswände – Verbund „RUBIN“;464
6.2.1;4.2.1 Übersicht zum Stand des BMBF-Förderschwerpunktes RUBIN;464
6.2.2;4.2.2 Wissenschaftlich-technische Fragestellungen;466
6.2.3;4.2.3 Durchströmte Reinigungswände in Deutschland und Österreich;469
6.2.4;4.2.4 Zitierte Literatur;470
7;Sachverzeichnis;472
8;Verzeichnis der Dateien auf der beigefügten CD;484

Leseproben

(S. 1)

Zwei allgemein bekannte Leitperspektiven des technischen Umweltschutzes sind die verstärkte Nutzung erneuerbarer Energien und eine weitestgehende Vermeidung von Abfall. In einem dritten Sektor entwickelt sich ohne besondere öffentliche Aufmerksamkeit ein neues Langzeitdenken, das in jeder Hinsicht dem Leitbild einer nachhaltigen zukunftsfähigen Entwicklung entspricht. Es handelt sich um die nachsorgefreie Ablagerung der letztlich unvermeidbaren Restabfälle, die Optimierung des Einsatzes von Primär- und Sekundärrohstoffen und um die naturnahe Behandlung von kontaminierten Grundwässern.

Diese Praxisanwendungen von geochemischen Grundlagen werden in dem vorliegenden Buch dargestellt. Die Bedeutung des geochemisch-technischen Ansatzes lässt sich anhand der strategischen Neuausrichtung bei der Abfallentsorgung zeigen: In der Tabelle 1.1 sind noch alle Sicherungselemente des früheren „Multibarrierenkonzeptes" (Stief 1986) von der Geologie des Deponieuntergrundes bis zur Nachsorge aufgeführt.

Auch nach der TA Siedlungsabfall (TASi) von 1993 sind „Deponien so zu planen, zu errichten und zu betreiben, dass mehrere weitgehend unabhängig wirksame Barrieren geschaffen und die Freisetzung und Ausbreitung von Schadstoffen nach dem Stand der Technik verhindert werden".

Betrachtet man jedoch das auf die praktische Umsetzung gerichtete Ziel der TASi, die Ablagerung thermisch behandelter Abfälle zum Regelverfahren werden zu lassen, dann erhält die primäre Schadstoffeinbindung in der Abfallmatrix („Innere Barriere") eine hohe Priorität gegenüber den nachgeschalteten „Barrieren". Bei einem überschaubaren Spektrum an Stoffen und Reaktionen wäre es künftig möglich, mit verbesserten Prüfverfahren allein über die Zuordnungskriterien eine langfristige und weiträumige Sicherheit zu gewährleisten.

Es ist das Ziel der geochemischen Verfahrensansätze in der Entsorgungstechnik, nicht nur naturnahe, sondern auch möglichst übersichtliche Ablagerungsbedingungen zu schaffen, die eine langfristige Prognose erlauben. Diese Voraussetzungen sind bei der Hausmüllverbrennung durch die Zerstörung reaktiver organischer Substanzen und eine nachfolgende Nassbehandlung nahezu perfekt gegeben1). Bei anderen Massenabfällen wie Bergbauresten oder Baggergut muss eine dauerhafte Sicherung über die Auswahl eines geeigneten Ablagerungsmilieus erfolgen. Langzeitprognosen sind auch hier integraler Bestandteil der technischen Maßnahmen, erfordern jedoch weitergehende Informationen über die mögliche Freisetzung von Schadstoffen.

Bei der geochemischen Immobilisierung von Schadstoffen über geologische Zeiträume empfiehlt es sich, die in der Natur vorkommenden Mineralassoziatio- nen, die sich als stabil während der „sedimentären Diagenese" erwiesen haben, zum Vorbild zu nehmen. Je besser die Übereinstimmung zwischen dem anthropogenen „Sediment" und dem entsprechenden geogenen Modell, desto realistischer wird die langfristige Prognose über die Stabilität der Abfälle.

Ein klassisches Beispiel, bei dem von Seiten der Technischen Mineralogie erstmals eine solche umweltrelevante Problemstellung gelöst wurde, ist die Mineralisierung von hochradioaktiven Abfalllösungen in der nuklearen Entsorgungstechnik (Ringwood u. Kesson 1988). Jedoch müssen nicht nur radioaktive Abfälle, sondern auch nichtradioaktive Sonderabfälle oftmals mit der gleichen Sorgfalt von der Biosphäre isoliert werden.

Geowissenschaftliche Erkenntnisse und Informationen gehören heute zu den unverzichtbaren Grundlagen langfristig umweltverträglicher und damit zukunftsträchtiger Technologien zum Schutze unserer Umwelt. Die Anwendung geochemischer Kenntnisse bei der Erschließung und Nutzung von Ressourcen lässt sich zwar bis in die Antike zurückverfolgen, jedoch erfolgte bezüglich des Umweltschutzes der eigentliche Durchbruch erst in jüngster Zeit – nicht zuletzt dank der Entwicklung des erforderlichen analytischen Instrumentariums.

Da sich auf lange Sicht jede Entsorgung innerhalb der Anthroposphäre auf die natürlichen biogeochemischen Kreisläufe auswirken wird, ist für neue entsorgungstechnische Konzepte ohne Einbeziehung der natürlichen Mechanismen zur Verringerung von negativen Umweltauswirkungen durch Schadstoffe bei steigendem Umweltbewusstsein keine breite Akzeptanz zu erwarten.