Brunnenverockerung durch Eisenhydroxidbildung in der Tagebauentwässerung – Kombinierte hydraulische und chemische Untersuchung im Modellversuch

Projektfinanzierung: RWE Power AG

Forschungsprogramm:

Projektlaufzeit: 2010 bis 2014

Vom Lehr- und Forschungsgebiet Hydrogeologie wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft (IWW, RWTH Aachen) und der RWE Power AG ein experimentelles Labormodell entworfen, das zur beschleunigten Nachbildung der in einem realen Brunnen ablaufenden Verockerungsprozesse eingesetzt wird.

In realen Brunnen kommt es durch den Kontakt des Grundwassers mit Luftsauerstoff zur Oxidation von gelöstem zweiwertigem Eisen (Fe(II)). Das oxidierte dreiwertige Eisen fällt schließlich in Form von Fe(III)-Hydroxiden und -Oxiden im Brunnen aus und sorgt somit für die Zusetzung aller Systemelemente des Brunnens. Bei der Tagebauentwässerung tritt dieses Problem verstärkt auf, da die Grundwasserförderung hier auf eine komplette Absenkung des Ruhewasserstandes abzielt und somit die komplette Filterstrecke des Brunnens belüftet wird. Des Weiteren werden die Brunnen zur Tagebauentwässerung zum Teil in mehreren Grundwasserstockwerken verfiltert, sodass sich das Wasser beim Herabsickern an der Innenwand des Brunnenrohrs zusätzlich belüften und sich mit Wasser aus anderen Stockwerken vermischen kann.

Zur Erweiterung des grundsätzlichen Verständnisses der Verockerungsprozesse werden die natürlichen Begebenheiten unter kontrollierten Laborbedingungen nachempfunden. Ein luftdicht abgeschlossener, etwa 60 cm langer 20×20 cm-Ausschnitt eines Brunnens wurde dazu mit Original-Filterkies-, Filterrohr- und Aquifermaterial im Labor nachgebaut. Dieser Ausschnitt wird kontinuierlich mit Fe(II)-haltigem, sauerstofffreiem und schwach basischem Wasser durchströmt und im Brunneninnenraum belüftet. Der Systemdurchfluss, die Druckverhältnisse, die Temperatur, der Gehalt an Eisen und Sauerstoff und anderer Ionen sowie der pH-Wert sind dabei sensible Parameter, die zur Nachbildung der in situ Situation variiert werden können. Durch einen erhöhten pH-Wert und etwa 10-fachen Fe(II)-Gehalt wird die Reaktion im Labor im Vergleich zur in situ-Situation beschleunigt nachgebildet.

Der Fortschritt der Verockerung wird durch die Aufzeichnung des hydraulischen Gradienten im Filterkies quantifiziert. Mit Hilfe des Modells sollen unterschiedliche Brunnenausbauten und verschiedene Gegenmaßnahmen auf ihre Wirksamkeit zur Bekämpfung der Verockerung untersucht werden. Des Weiteren wird die Betrachtung chemischer und biologischer Einflussfaktoren in Erwägung gezogen. Die Daten aus dem Modellversuch sollen mit Daten aus dem Gelände in Bezug gesetzt und langfristig Rückschlüsse für die Praxis getroffen werden.

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