Grubenwässer des Erzgebirges - Quellen von Schwermetallen für die Elbe

Mirko Martin; Peter Beuge; Andreas Kluge und Thomas Hoppe

Grubenwässer des Erzgebirges - Quellen von Schwermetallen für die Elbe (in leicht veränderter Form veröffentlicht in: Spektrum der Wissenschaft, Mai 1994, S. 102-107)

Die sächsische Mulde gilt als Hauptschwermetalleinträger in die Elbe und damit in die Nordsee. Sie entwässert ein Gebiet von ca. 7500 km2, darunter die Metall- und Bergbauprovinz des Erzgebirges sowie die starkbesiedelten Industrieregionen um Chemnitz, Zwickau und Bitterfeld. Einer unserer Forschungsschwerpunkte ist auf die Untersuchung der Schwermetallbelastung von Wasser, Schwebstoffen und Sedimenten in Fließgewässern gerichtet. Unsere Forschungen werden für den Bereich des Muldeeinzugsgebietes im Rahmen des "Muldeprojektes" durch das Bundesministerium für Forschung und Technologie gefördert. Neben der Ableitung von Aussagen zur zukünftigen Entwicklung der Wasserqualität im Bereich der Mulde ist der derzeitige Einfluß auf die Elbe, sowie die perspektivische Veränderung dieses Einflusses von besonderem öffentlichem Interesse. Wir unterhalten daher sowohl zu den am Großforschungsprojekt "Elbe 2000" beteiligten Forschungsinstituten als auch zu den Arbeitsgruppen, die die benachbarten Flußsysteme mit ähnlichen Zielstellungen bearbeiten, enge Kooperationsbeziehungen. Eine wesentliche Vorraussetzung für die Ableitung wissenschaftlich begründeter Sanierungsvorschläge ist die möglichst genaue Differenzierung und Quantifizierung der das Gewässersystem belastenden Einflüsse. Die Bilanzierung der Stoffströme nimmt bei der Auswertung und Interpretation unserer Meßergebnisse breiten Raum ein, wobei die Schwermetalle im Vordergrund stehen. Neben den aus anderen urbanen Untersuchungsgebieten bekannten Einflußfaktoren sind für das Erzgebirge die durch rezenten, aber auch historischen Bergbau hervorgerufenen Einflüsse von besonderer Bedeutung für die Belastung der Gewässer mit Schwermetallen. Die Nutzung von Erzen und mineralischen Rohstoffen war und ist stets mit Auswirkungen auf die Natur verbunden und beginnt mit dem Bergbau. Im Gegensatz zu den sehr auffälligen und landschaftsverändernden Berge- und Abraumhalden sowie Absetzbecken fallen Austritte von Grubenwässern weniger ins Auge. Alle diese Hinterlassenschaften des Bergbaus ein- schließlich der untertägigen Hohlräume sind jedoch jahrzehntelang Emittenten von umwelt- beeinträchtigenden Elementen und Schadstoffen: Gase (Radon), Schwermetalle (je nach Mineralisationstyp), saure Wässer. Im Flußsystem der Mulde (Bild 1), dem Hauptentwässerungssystem des Erzgebirges nach Norden, wurde seit dem 12. Jahrhundert bis in die Gegenwart mit wechselnder Intensität Bergbau auf unterschiedliche Lagerstättentypen betrieben. Innerhalb ein und desselben Bergbaurevieres änderte sich zeitabhängig das Zielmetall, z.B. in der Reihenfolge Silber- Kobalt- Uran, so daß jeweils alle anderen Komponenten als Berge auf die Halden gelangten. Nach Einstellung des Bergbaus bleiben Grubenhohlräume mit unterschiedlichen Ausmaßen (oft Mio. von m3) zurück, die aus ökonomischen Gründen geflutet werden. In der Flutungsphase, die mehrere Jahre dauern kann, wirken diese Gruben wie Schluckbrunnen und Grubenwasseraustritte beschränken sich auf oberflächennahe Auffahrungen.(Bild 2) Ein solcher Zustand ist seit etwa 1990 in allen Bergwerken der östlichen Bundesländer des Erzgebirges, des Vogtlands, Thüringens und des Harzes eingetreten, die Zinn-, Schwefel- und Uranerze sowie Fluß- und Schwerspat abbauten. Die zu beobachtende Verringerung der Schwermetallgehalte in den Oberflächenwässern ist z.T. Ergebnis dieses Flutungsprozesses.

Mineralisation - Verwitterung - Grubenwasser

Der Chemismus der Grubenwässer kann in weiten Grenzen schwanken und hängt vor allem vom Erzinhalt, der Gangart (Begleitminerale) und vom Charakter des Nebengesteins ab (Bild 3) Mineralisation - Verwitterung - Grubenwasser Mineralisationen verwittern im oberflächennahen Bereich wie die Gesteine, entlang von tektonischen Bruchzonen unter natürlichen Bedingungen auch bis zu über 2000 m Tiefe. Unter den Bedingungen des Bergbaus werden diese Oxidationszonen ("Eiserner Hut" der Lagerstätte) durch Absenken des Grundwasserspiegels lateral und auch vertikal wesentlich ausgedehnt. Besonders schnell und intensiv verwittern Sulfide und Arsenide, häufig unter Bildung von Schwefelsäure, die wiederum, unterstützt von Mikroorganismen, den Verwitterungsprozeß weiter forciert. Dabei wird ein Teil der breiten Metallpalette in Form wasserlöslicher Verbindungen mit dem Grubenwasser ausgetragen (vor allem migrationsfreudige Elemente wie Cu, Zn, Cd, Hg). Ein weiterer Teil verbleibt in sulfatischer, arsenati- scher oder oxidischer Form als Krusten und Imprägnationen im und auf dem Gestein (besonders Fe, Bi, W, Sn). Die sich im Grubenwasserlauf ändernden pH- und Eh- Werte führen zu elementspezifischen wechselnden Transportkapazitäten, wobei die bei Erdoberflächenaustritten erfolgenden Reaktionen wie Verockerung und Sinterbildung, optisch am auffälligsten sind (Bild 4). Auf diese Weise weichen Grubenwässer in ihrem Chemismus sehr stark von allen anderen Wassertypen ab, selbst von dem vulkanischer Quellen. Das bedeutet aber auch, daß derartige Wässer den Chemismus der Oberflächengewässer stark beeinflussen. Diese Tatsache wurde und wird weltweit mit der Methode der "Hydrogeochemischen Prospektion" zur Suche nach Erzlagerstätten benutzt, da ja auch unbekannte, bergmännisch nicht erschlossene Mineralisa- tionen solche Wässer aus normalen Quellen emittieren. Die Nutzung solcher Quellwässer als Trinkwasser ist häufig stark eingeschränkt und oft ausgeschlossen, entsprechende lokale Namen wie Teufels- oder Hexenquelle bringen das zum Ausdruck.

Die Flutung der Gruben

Die Grubenwässer resultieren aus vertikal versickernden Niederschlägen und horizontal zusetzenden Wässern, da durch die Absenkung des Wasserspiegels mit dem in die Tiefe fortschreitenden Bergbau die natürlichen Grundwasserfließrichtungen umgekehrt werden. Das Freiberger Bergbaurevier hat Auffahrungen von etwa 5 Mio. m3 bei einer Teufe von etwa 800 m unter der Geländeoberfläche. Die Flutung erfolgte hier nach Einstellung des Bergbaus 1969 und erreichte 1971 das Niveau des Rothschönberger Stollens in 240 m Tiefe, über den die Hauptmenge des Grubenwassers in den Fluß Triebisch abfließt. Mit dem Überlaufen der Gruben erfolgte in den ersten Jahren ein Extremschub an Metallausträgen, die sich über viele Jahre asymptotisch abfallend einem relativ hohen "Gleichgewichtsniveau" nähern, das Jahrzehnte nahezu konstant bleibt. Als Beispiel sei angeführt, daß sich der Gehalt an Zink von ca. 100 mg/l im Jahre 1971 auf ca. 6 mg/l (Flußwasser 0,03 mg/l) in den letzten Jahren verringerte. Eine wichtige Selbstreinigungskomponente, wie wir sie von den Oberflächenwässern kennen, existiert für Grubenwässer ebenfalls. Die zunächst in den sauren Wässern gelösten Eisen- und Manganverbindungen fallen bei weiterem Sauerstoffzutritt und Erhöhung des pH-Wertes (oft durch Verdünnen mit Oberflächenwasser) aus und reißen eine große Zahl von anderen Metallen in erheblichen Konzentrationen mit (Bild 5 und Bild 6). So sind Eisen- und Manganniederschläge, -krusten und -sinter bedeutende Fallen für umweltrelevante Elemente ("geochemische Barrieren"), ein Umstand, den man für Sanierungstechnologien ausnutzen kann und sollte. Diese "Selbstreinigung" kann soweit gehen, daß Trinkwasserqualität erreicht wird. Neben dem "punktförmigen" Austritt von Grubenwässern aus Stollen und Schächten ist im Zuge des Flutungsvorganges mit der Reaktivierung von zahlreichen Quellen zu rechnen, die durch den Bergbau vor Jahrzehnten untertägig abgegraben wurden und somit schwer- oder unkontrollierbar Schwermetalle in die Oberflächengewässer entlassen.

Die heutige Belastungssituation

Bei den meisten Gruben des westlichen und mittleren Erzgebirges liegt die Flutung etwa 40 Jahre zurück. Hier spielen besonders Arsen und Uran eine Rolle als emittierte Schwermetalle. In einigen Jahren wird die Flutung des Uranerzbergwerkes Schlema-Hartenstein sowie der Zinnerzgrube Ehrenfriedersdorf abgeschlossen sein, dann könnten stark belastete Grubenwässer in großem Umfang in die betreffenden Vorfluter gelangen. Für beide Gruben laufen innerhalb von Sanierungsmaßnahmen Arbeiten zur Dekontamination dieser Wässer. Die Grubenwässer des Erzgebirges gelangen heute zum größten Teil direkt oder über Nebenflüsse in die Zwickauer bzw. Freiberger Mulde und damit bei Dessau in die Elbe, ein kleinerer Teil auch direkt über den Fluß Triebisch in die Elbe. Im Ergebnis mehrjähriger Untersuchungen dieser Grubenwässer durch Mitarbeiter unseres Institutes können erstmals genauere Abschätzungen der Schwermetallgesamteinträge durch Stollenwässer in die Vorfluter gemacht werden. Hierbei wurden sowohl die gelösten als auch die an Schwebstoffe gebundenen Anteile berücksichtigt (Bild 7). Es wird deutlich, daß Grubenwässer einen beträchtlichen Anteil an der Schwermetallfracht im Wasser und in den Schwebstoffen der unmittelbaren Vorfluter haben. Wir möchten hervorheben, daß die Hauptmenge der Schwermetalle bis zur Elbe und in der Elbe überwiegend diskontinuierlich im Sediment (Schlamm) gebunden bei Hochwasserereignissen transportiert wird. Wie bereits erwähnt, laufen seitens der betreffenden Gruben gegenwärtig bereits Arbeiten zur Dekontaminierung der nach deren Flutung zu erwartenden Grubenwässer aus den Bergwerken Schlema-Hartenstein und Ehrenfriedersdorf. Zur Verbesserung der Wasserqualität von Mulde und Elbe sollten auch die Freiberger Grubenwässer einer Reinigung unterzogen werden. Möglichkeiten dazu sind vorhanden, insbesondere Verfahren zur alkalischen Fällung der Schwermetalle erscheinen anwendbar.

Nutzung von Grubenwässern

Die vorstehend dargelegte Belastung unserer Umwelt durch Grubenwässer sollte nicht deren jahrhundertelange und aktuelle Nutzung vergessen lassen. Neben dem Antrieb von Wasserrädern in alter Zeit ist der Betrieb des ersten Kavernenkraftwerkes zur Elektroenergieerzeugung bei Freiberg ab 1915 mit Unterbrechungen bis zum Jahre 1972 bemerkenswert. In den letzten Jahren fand auch eine andere energetische Nutzung dieser Wässer Interesse. Durch Anwendung von Wärmepumpen läßt sich aus ihnen Wärmeenergie zu Heizzwecken gewinnen. Eine solche Anlage ist im Sächsischen Lehr- und Besucherbergwerk "Himmelfahrt Fundgrube" seit Jahren zur Warmwasserbereitung im Einsatz. Bei der Zinnerzgrube Ehrenfriedersdorf laufen Arbeiten zur Beheizung von Wohnungen. Im grundwasserarmen Erzgebirge dienen Stollenwässer aufgrund der geringen Härte und der Nitratarmut, z.T. nach Aufbereitung, häufig der lokalen Trinkwasserversorgung. Außerdem stellen die gefluteten Grubenbaue ein riesiges Brauchwasserreservoir dar ("unterirdische Talsperren").

16. August 1994

kluge@mineral.tu-freiberg.de