title: Sekundäre Prozesse in Bergbauhalden und Aufbereitungsabgängen - Steuerung von Stoffmobilität und Krustenbildung
Creators: name: Jung, Hagen Gunther
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2003
Subjects: subject: Earth sciences
subject: Geowissenschaften
subject: Geochemie
subject: Hardpan
subject: Mine Dump
subject: Acid Mine Drainage
subject: Geochemistry
subject: FOS: Earth and related environmental sciences
subject: FOS: Earth and related environmental sciences
subject: Stoffmobilität
subject: Metal Mobility
subject: Saures Grubenwasser
subject: Bergbauhalde
subject: Verkrustung

description: Aufbereitungsabgänge aus dem Abbau sulfidischer Erze verursachen diverse Umweltprobleme, wie Sauerwasserbildung und Staubemissionen. Diesen Gefahren kann durch Unterstützung der Krustenbildung entgegengesteuert werden. Krusten stellen passive in-situ Behandlungsmethoden dar. Sie können den Austrag von Schwermetallen nachhaltig reduzieren. Stoffmobilitäts- und Krustenbildungsprozesse sind materialabhängig und klimatisch gesteuert. In dieser Arbeit wurden ihre steuernden Parameter untersucht. Von wesentlicher Bedeutung ist der Wasserhaushalt in einer Halde. Bei hoher Durchlässigkeit der Aufbereitungsabgänge und starken Niederschlägen ist der Flüssigkeitstransport abwärts gerichtet und es kann zur Ausschwemmung von Schadstoffen mit dem Sickerwasser kommen. Bei verdunstungsbetonten Bedingungen findet jedoch vornehmlich ein kapillarer Aufstieg von Lösungen statt, die im Oberflächenbereich der Halden verdunsten und sekundäre Phasen abscheiden. Zur Untersuchung der stattfindenden Prozesse wurde der Internbau von zwei 40 Jahre alten Halden im Freiberger Bergbaurevier (Erzgebirge) erkundet. Verschiedene Spuren und Schwermetalle sind im Oberflächenbereich der Halden angereichert worden. Als Maß für die Stärke der Krustenbildungsprozesse diente ein aus der spezifischen Oberfläche der Komponenten berechneter Oberflächen-Rauhigkeitsfaktor. Thiobacillen (T. ferrooxidans und thiooxidans) steigern die Mobilität von Zink und Kupfer, verringern durch die beschleunigte Oxidation allerdings die von Eisen. Infolgedessen können diese Bakterien zur Krustenbildung beitragen, obwohl die von ihnen etablierten pH-Bedingungen niedriger sind. Durch Einkapselung von Komponenten in neugebildeten Präzipitaten, also einer Verringerung ihrer Zugänglichkeit, kommt es faktisch zur Immobilisierung von Spuren und Schwermetallen. Im Labormaßstab wurden die in Halden herrschenden Bedingungen simuliert. Die dazu verwendeten Aufbereitungsabgänge wurden mit verschiedenen Elutionsverfahren charakterisiert. Noch besser zur Charakterisierung von Aufbereitungsabgängen sind neu entwickelte Säulenversuche geeignet. Durch Verdunstung an den offenen Säulenoberflächen wurde ein kapillarer Flüssigkeitstransport von unten nach oben erzeugt, der natürliche Verhältnisse nachbilden konnte. Es wurden Versuche zur Reproduzierbarkeit, zur Dynamik der Prozesse, zur Mobilität von sulfidischen Erzkonzentraten und zum Krustenbildungspotential verschiedener Aufbereitungsabgänge angestellt. Besondere Aufmerksamkeit wurde dem Einfluß klimatischer Parameter auf die Krustenbildung zuteil. Die Abhängigkeit der Krustenstärke von ihrer Position auf einer Halde ist eine Folge der unterschiedlichen Angriffsflächen , die klimatischen Größen, wie Luftbewegungen, geboten werden. Bei Erhöhung der Windstärke konnte in Säulenversuchen bis zu einem bestimmtem Grad eine Steigerung der Krustenbildung erzielt werden. Diese Steigerung war limitiert, da bei zu hoher Windstärke die Verdunstungsrate derart anwuchs, daß der kapillare Transport abriß. Auch durch erhöhte Temperatur wurde die Verdunstung verstärkt, was wiederum den kapillaren Flüssigkeitstransport bis zu dem Punkt steigerte, an welchem die Säulenoberfläche austrocknete, weil die Transportkapazität der Kapillaren nicht mehr den Flüssigkeitsbedarf decken konnte. Neben der absoluten Menge an Niederschlag ist seine zeitliche Verteilung für Stoffmobilität und Krustenbildung ausschlaggebend. Bei kontinuierlicher Beregnung kommt es nicht zur oberflächlichen Krustenbildung, da eine abwärts gerichtete Flüssigkeitsbewegung etabliert wird. Alternieren Niederschlagsereignisse jedoch mit Trockenzeiten kommt es zu einem Wechsel von abwärts gerichteter Flüssigkeitsbewegung und aufwärts gerichtetem kapillarem Transport, da die Verdunstung zeitweise das dominierende Element ist und die Bildung einer Kruste ermöglicht. Die Tiefenlage einer Krustenbildung wird neben Neutralisations- und Redoxreaktionen von der Verdunstungsrate bestimmt. Bei zu starker Verdunstung kommt es zum Abriß der Kapillaren und mobile Stoffe werden nicht mehr zur Oberfläche einer Halde transportiert. Stattdessen scheiden sich sekundäre Phasen in einer tiefer gelegenen Zone ab, die noch vom aufwärts gerichteten Flüssigkeitsstrom erreicht wird. Neben evaporitischen Mineralen haben sich in den Krusten der Säulenversuche verschiedenste, teilweise metastabile sulfatische Phasen gebildet. Neben dem Transport von mobilen Stoffen in echten Lösungen kommt dem kolloidalen Transport von Spuren und Schwermetallen Bedeutung zu, dem eine rein thermodynamische Beschreibung nicht gerecht wird. Im Porenwasser wurden nicht nur oxidierte Stoffe transportiert, sondern auch reduzierte bzw. nicht völlig aufoxidierte Schwermetalle. Bergbauhalden können aufgrund ihrer durch Krustenbildung bedingten stofflichen Differenzierung und Anreicherung bestimmter Metalle selbst wieder Lagerstättencharakter haben.
description: Tailings from mining of sulfidic ores cause a number of environmental hazards, such as Acid Mine Drainage and dust emissions. Supporting hardpan formation represents an effective method of controlling such pollution. A hardpan is a method of passive in-situ treatment. Hardpans are able to reduce the discharge of heavy metals. Of great importance is the water economy within a dump. If the permeability of the tailings is high together with high amounts of rain water, the water flow inside a dump is downwards-directed. Consequently, contaminants flow out together with the seepage. In the case of evaporation-oriented conditions porewater solutions rise due to the presence of capillary forces and evaporate at the dump surface, leading to the precipitation of secondary phases. The secondary processes are subject to the influence of climatic conditions. In this project the natural conditions prevailing in dumps were simulated on a laboratory scale. To gain insight into the process of hardpan formation two dumps in the Freiberg mining district (Erzgebirge, FRG) having an age of 40 years were examined by drilling. The concentrations of several metals are enriched in the surface zones of the dumps. A surface roughness factor, calculated from the specific surface areas of the components, served as an indicator for the extent of these secondary processes. Bacteria, influence the metal mobility. It was found that Thiobacilli, such as T. ferrooxidans and T. thiooxidans, increase the mobility of zinc and copper, but reduce the mobility of iron due to the increased rate of oxidation. These bacteria therefore promote the hardpan formation, although the pH which they induce becomes lower. The encapsulation of components in secondarily formed precipitates reduce the accessibility of the components and immobilizes metals. The mainly sulfidic tailings used were investigated with standard leaching tests. Nevertheless, newly developed column tests are able to extensively characterize tailings. The evaporation on the open column surface generated an upward-directed capillary water flow which best simulated natural conditions. The column tests were performed to describe and quantify the controlling parameters for hardpan formation. Experiments were performed to elucidate their reproducibility, the time dependence of the processes taking place, the mobility of sulfidic ore concentrates, and the hardpan formation potential of original tailings. Of special interest was the climatic dependence of the hardpan formation. Because of grain size differences within and differences in the exposure to air movement, the hardpan thickness depends on its position on the dump. On increasing the air movement, an increase in hardpan formation could be observed. This growth was limited, because the capillary transport in the columns was interrupted if the evaporation rate, increased by the air movement, became too high. Increased temperature also led to an increase in the evaporation rate. This increased the upwards-directed capillary flow until reaching a certain point, at which the column surface dried out because the water requirement exceeded the transport capacity of the capillaries. Besides the total amount of rain water, its temporal distribution is also a controlling factor for element mobility and hardpan formation. In the case of continuous precipitation from rain, no superficial hardpan will form, because the waterflow is downwards-directed. Contaminants are discharged along with seepage. If rain precipitation events alternate with periods of dryness, changes between downwards-directed water flow and upwards-directed capillary flow occur. In periods of dryness evaporation predominates and a hardpan can form. Since the accessibility of the components is reduced, the freshly formed hardpan will not be dissolved entirely by new rain precipitation events. The depth at which a hardpan is located is influenced, in addition to neutralization and redox reactions, by the evaporation rate as well. If the rate of evaporation is too high, the capillary transport will be interrupted and mobile metals will not reach the surface of the dump. Instead, secondary phases will precipitate at a deeper level of hardpan formation which is still supplied by the capillaries. Besides evaporites, several partially metastable sulfates have formed in the hardpans of the columns. Mobile metals are not only transported as real solutions, but also as colloids which can not be thermodynamically entirely described. Moreover, the investigations have shown that not only oxidized, but also reduced or not entirely oxidized heavy metals were transported in the porewater. Mine dumps affected by hardpan formation, which leads to the enrichment of metals, may act as deposits again.