Experimental modelling and prevention of chemical Fe‐clogging in deep vertical wells for open‐pit dewatering

Aachen / Publikationsserver der RWTH Aachen University (2016) [Doktorarbeit]

Kurzfassung

Rund um den Globus werden Vertikalfilterbrunnen zur Grundwasserförderung eingesetzt, um die lokale Entwässerung von Aquiferen für größere Bauvorhaben oder zu Bergbauzwecken zu gewährleisten und um die tägliche Trinkwasserversorgung sicherzustellen. Die chemische Verockerung infolge Oxidation gelösten Eisens und anschließender Ausfällung zählt dabei zu den prominentesten Effekten, die sich leistungsmindernd auf den Betrieb solcher Brunnen auswirken können. Insbesondere im Hinblick auf die steigende Weltbevölkerung und damit steigendem Bedarf an Bodenrohstoffen und Trinkwasser von hoher Qualität, ist eine nachhaltig hohe Leistung von Vertikalfilterbrunnen sowohl aus ökologischer als auch sozio-ökonomischer Sicht essenziell. Aus diesem Grund wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit die Einflüsse verschiedener Brunnen-Ausbaumaterialien und -Betriebsweisen auf die Leistungsentwicklung von Vertikalfilterbrunnen und Entwässerungsbrunnen im Rheinischen Braunkohlenrevier im Speziellen mithilfe verschiedener Labormethoden untersucht. Zum einen wurden die Langzeitelution und Mobilisierung bestimmter (Halb-)Metalle aus mehrerer Filterkiesmaterialien mittels Säulenversuchen evaluiert. Zum anderen wurde zur Evaluierung deren Verockerungsneigung ein kombiniertes hydraulisch-hydrochemisches experimentelles Labormodell eines Brunnenfilterausschnitts entwickelt, optimiert und angewandt. Mithilfe des experimentellen Verockerungsmodells konnten die den Verockerungsfortschritt kontrollierenden hydraulischen und hydrochemischen Parameter identifiziert werden. Die Verockerungsneigung verschiedener Kiesmaterialien wurde im Vergleich zu künstlich hergestellten Glaskugeln evaluiert. Über diese Materialtests hinaus wurde in zwei verschiedenen Szenarien der Einfluss einer Belüftung der Brunnenfilterstrecke untersucht. In drei Testbrunnen der RWE Power AG wurde ein neues Konzept zur Entwässerung mehrerer Aquiferschichten über den Ringraum eines einzelnen Brunnens implementiert, das als Transfer der erfolgversprechenden Ergebnisse der Filterbelüftungsexperimente auf den Geländemaßstab verstanden werden kann. Die vertikale hydraulische Durchlässigkeit und der Volumenstrom im mit Filterkies aufgefüllten Ringraum wurden dazu mittels Tracerversuchen validiert. Zum Vergleich der räumlichen Verteilung und zeitlichen Entwicklung der Fe(III)-Ausfällung mit dem Labormodell wurde zudem ein hydrochemisches Computermodell der kinetischen Fe(II)-Oxidation mithilfe des hydrogeochemischen Modellierungsprogrammes PhreeqC implementiert. Durch Variation der Eingangsdaten im Computermodell konnte somit eine Sensitivitätsanalyse der im experimentellen Modell angewandten hydrochemischen Situation durchgeführt werden. Des Weiteren konnten Art und räumliche Verteilung der Verockerungsprodukte aus dem Labor mit Geländebeprobungen an überbaggerten Entwässerungsbrunnen im Tagebau Garzweiler verglichen werden. Im Modellversuch kam es lediglich im teilgesättigten Kapillarsaum von Filterkies und Filterrohr zur Ausbildung einer signifikanten Verockerung. In Übereinstimmung mit Geländebeobachtungen und mit dem PhreeqC-Modell wurden die intensivsten Verockerungserscheinungen im Filterkies nahe der Grenzfläche zum Aquifermaterial (Bohrlochwandung) beobachtet. Hier kommt es aufgrund des Porositätskontrastes am Materialübergang zu teilgesättigten Vertikalströmungskomponenten und zum Kontakt mit Luftsauerstoff. Im Geländemaßstab ergaben sich mitunter heterogene Verteilungen der Verockerungserscheinungen in vergleichbaren teilgesättigten Vertikalströmungszonen, die sich hier über mehrere Höhenmeter erstrecken können. In Bereichen schwankender ungespannter Betriebswasserspiegel wurden hingegen homogen über den Ringraumquerschnitt verteilte Verockerungszonen aufgefunden. Im Gelände beobachtete feinkörnige, schlammige oder staubige Aufwüchse von Fe-Ablagerungen auf der inneren Filterrohroberfläche konnten als biologische Verockerungsprodukte identifiziert werden. Im Verockerungsmodell wurden biologische Phänomene jedoch durch technische und chemische Maßnahmen grundsätzlich ausgeschlossen, um die Kontrollierbarkeit der im Modell ablaufenden Prozesse zu gewährleisten. Im Vergleich zu Proben aus dem Gelände wurde durch mineralogische Analysen eine höhere Kristallinität der im Modell erzeugten Verockerungsprodukte nachgewiesen. Während im Modell vornehmlich Goethit (α-FeOOH) und Lepidokrokit (γ-FeOOH) erzeugt wurden, waren die Anteile an Ferrihydrit (Fe5HO8∙4H2O) in den Geländeproben deutlich höher. Rasch ausgefällter Feroxyhyt (δ’-FeOOH) wurde lediglich in wenigen Laborproben aufgefunden. In einigen Geländeproben wurden zudem Gips-Phasen identifiziert, die vermutlich residualem Grubenwasser als Evaporationsrückstand entstammen. Die geringen Unterschiede der mineralogischen Zusammensetzungen sind dabei auf Abweichungen der hydrochemischen Situation in Modell und Gelände zurückzuführen. Dies betrifft insbesondere das dominierende Anion (Chlorid im Modell, Sulfat oder Hydrogencarbonat im Gelände) sowie die Menge an gelöstem Silizium. Neben pH-Wert und Temperatur wurden mithilfe des PhreeqC-Modells die Konzentration an gelöstem Sauerstoff und die pH-Pufferung durch Hydrogenkarbonat als Hauptfaktoren zur Beeinflussung der Reaktionsrate von Fe(II)-Oxidation mit Fe(III)-Ausfällung identifiziert. Durch mikroskopische Analysen konnte zudem die Oberflächenstruktur der Kieskörner als entscheidender Faktor für die Dicke der Fe(III)-Hydroxid-Überzüge erkannt werden. Vor allem auf unebenen Oberflächen unregelmäßig geformter monokristalliner Quarz-Körner, angewitterter Feldspat-Körner sowie polykristalliner Quarzite wurde eine stärkere Intensität der Fe(III)-Hydroxid-Überzüge festgestellt. Dennoch konnten hier keine daraus folgenden verstärkten Auswirkungen auf die zeitliche Entwicklung der hydraulischen Leitfähigkeiten der Kiese festgestellt werden. Im Vergleich der getesteten Filtermaterialien konnten keine signifikanten Unterschiede hinsichtlich der Langzeitelution und Verockerungsneigung festgestellt werden. Trotz erhöhter initialer Gehalte an Fe(III)-Mineralen in den Quartären Materialien wurde hier kein signifikanter autokatalytischer Effekt beobachtet werden, sodass deren Verwendung als Filtermaterial somit – insbesondere im Vergleich zum herkömmlichen Tertiärkies – nichts entgegenzusetzen ist. Hingegen lässt jedoch die Verwendung von Glaskugeln als Filtermaterial in Entwässerungsbrunnen keine sehr deutliche Verbesserung der Verockerungssituation erwarten. Eine Amortisierung der relativ hohen Investitionskosten einer Glaskugel-Verfilterung gilt somit vor allem während der kurzen Lebensdauer eines Entwässerungsbrunnens im Rheinischen Braunkohlenrevier als unwahrscheinlich, zumal hier im Allgemeinen auch keine Regenerierungsmaßnahmen durchgeführt werden. Zur Untersuchung weiterer Einflussfaktoren auf die Verockerung von Vertikalfilterbrunnen könnten die weitere Optimierung und Automatisierung des Modellbetriebs hilfreich sein. Eine realistischere Abbildung der realen Situation im Gelände könnte durch eine Veränderung des dominierenden Anions im Prozesswasser erreicht werden (Sulfat oder Hydrogencarbonat anstatt Chlorid). Weitere Fragestellungen, die mithilfe des Verockerungsmodells untersucht werden könnten, reichen von einer Optimierung von Material und Geometrie des Filterrohres, über Stickstoff- oder Kohlenstoffdioxid-Inertisierung, und elektrochemischen Methoden zur Verockerungsprävention bis hin zur Optimierung von Regenerierungsmaßnahmen sowie zu biologischen Aspekten der Verockerung und zur Identifizierung relevanter Lufteintragspfade in den Filterkies.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Weidner, Christoph

Gutachterinnen und Gutachter

Rüde, Thomas R.
Schüttrumpf, Holger

Identifikationsnummern

  • URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-076598
  • REPORT NUMBER: RWTH-2015-07659