TY  - THES
A1  - Reuß, Maximilian
T1  - Laborexperimente, Überwachung und Simulation einer reaktiven Wand zur Abreinigung von eisen- und sulfathaltigen Bergbauwässern bei sauren und neutralen pH-Bedingungen
T1  - Optical in-situ monitoring of acid and neutral mine drainage remediation: Laboratory and model investigation
N2  - In dieser Arbeit wurde eine reaktive Wand in einem kleinskaligen Laborma\ss stab (Länge~=~40\,cm) entwickelt, die Eisen- und Sulfatbelastungen aus sauren Minenabwässern (engl. \textit{acid mine drainage} (AMD)) mit einer Effizienz von bis zu 30.2 bzw. 24.2\,\% über einen Zeitraum von 146~Tagen (50\,pv) abreinigen können sollte. Als reaktives Material wurde eine Mischung aus Gartenkompost, Buchenholz, Kokosnussschale und Calciumcarbonat verwendet. Die Zugabebedingungen waren eine Eisenkonzentration von 1000\,mg/L, eine Sulfatkonzentration von 3000\,mg/L und ein pH-Wert von 6.2.
Unterschiede in der Materialzusammensetzung ergaben keine grö\ss eren Änderungen in der Sanierungseffizienz von Eisen- und Sulfatbelastungen (12.0 -- 15.4\,\% bzw. 7.0 -- 10.1\,\%) über einen Untersuchungszeitraum von 108~Tagen (41 -- 57\,pv). Der wichtigste Einflussfaktor auf die Abreinigungsleistung von Sulfat- und Eisenbelastungen war die Verweilzeit der AMD-Lösung im reaktiven Material. Diese kann durch eine Verringerung des Durchflusses oder eine Erhöhung der Länge der reaktiven Wand (engl. \textit{Permeable Reactive Barrier} (PRB)) erhöht werden. Ein halbierter Durchfluss erhöhte die Sanierungseffizienzen von Eisen und Sulfat auf 23.4 bzw. 32.7\,\%. Weiterhin stieg die Sanierungseffizienz der Eisenbelastungen auf 24.2\,\% bei einer Erhöhung der Sulfatzugabekonzentration auf 6000\,mg/L. Saure Startbedingungen (pH~=~2.2) konnten, durch das Calciumcarbonat im reaktiven Material, über einen Zeitraum von 47~Tagen (24\,pv) neutralisiert werden. Durch die Neutralisierung der sauren Startbedingungen wurde Calciumcarbonat in der \gls{prb} verbraucht und Calcium-Ionen freigesetzt, die die Sulfatsanierungseffizienz erhöht haben (24.9\,\%). Aufgrund einer Vergrö\ss erung der \gls{prb} in Breite und Tiefe und einer 2D-Parameterbestimmung konnten Randläufigkeiten beobachtet werden, ohne deren Einfluss sich die Sanierungseffizienz für Eisen- und Sulfatbelastungen erhöht (30.2 bzw. 24.2\,\%). \par 
Zur \textit{in-situ} Überwachung der \gls{prb} wurden optische Sensoren verwendet, um den pH-Wert, die Sauerstoffkonzentration und die Temperatur zu ermitteln. Es wurden, nach dem Ort und der Zeit aufgelöst, stabile Sauerstoffkonzentrationen und pH-Verläufe detektiert. Auch die Temperatur konnte nach dem Ort aufgelöst ermittelt werden. Damit zeigte diese Arbeit, dass optische Sensoren zur Überwachung der Stabilität einer \gls{prb} für die Reinigung von \gls{amd} verwendet werden können. \par 
Mit dem Simulationsprogramm MIN3P wurde eine Simulation erstellt, die die entwickelte PRB darstellt. Die Simulation kann die erhaltenen Laborergebnisse gut wiedergeben. Anschlie\ss end wurde eine simulierte \gls{prb} bei unterschiedlichen Filtergeschwindigkeiten ((4.0 -- 23.5)~$\cdot~\mathrm{10^{-7}}$\,m/s) und Längen der PRB (25 -- 400\,cm) untersucht. Es wurden Zusammenhänge der untersuchten Parameter mit der Sanierungseffizienz von Eisen- und Sulfatbelastungen ermittelt. Diese Zusammenhänge können verwendet werden, um die benötigte Verweilzeit der AMD-Lösung in einem zukünftigen PRB-System, die für die maximal mögliche Sanierungsleistung notwendig ist, zu berechnen.
N2  - A subsurface permeable reactive barrier (\gls{prb}) can be deployed to remediate acid mine drainage (AMD). The performance of a \gls{prb} material under different boundary conditions (pH, flow velocity, sulfate concentration, dimension) was investigated in a series of column experiments applying in situ optical sensing methods for pH and oxygen detection. The reactive material consisted of organic components (compost, wood and coconut shell) mixed with calcium carbonate and fine gravel. The input concentrations were around 1000\,mg/L for iron and 3000\,mg/L for sulfate and the pH value was 6.2. 
The remediation efficiency could reach was 30.2\,\% in case of iron and for sulfate 24.2\,\% for a 40\,cm \gls{prb} for a duration time of 146~days (50\,pv). It can be expected to scale up when moving to a field-site \gls{prb} with greater thickness. The differences in organic material composition as chosen appeared minor (12.0 -- 15.4\,\% for iron and 7.0 -- 10.1\,\% for sulfate). Decreasing the flow velocity and increasing the sulfate input concentration and the pH value influenced the iron and sulfate removal. Low pH boundary conditions (pH = 2.2) were neutralized in the \gls{prb} by calcium carbonate during an experiment duration of 47~days (24\,pv). When enlarging the set-up to have a 2D dimension and expanding the parameter detection accordingly, boundary effects were seen, which decrease the remediation efficiency. Without these boundary effects the remediation efficiency of iron and sulfate increase to 30.0 and 24.2\,\%, respectively. \par 
This study also demonstrated the application of optical oxygen, pH and temperature monitoring in PRBs. Stable oxygen concentration and pH cources could be monitored time- and location-dependent. Also location-dependent temperature monitoring could be shown in this study. In this context, they can be used to monitor the stability of a \gls{prb} for the remediation of \gls{amd}. \par 
The modelling program MIN3P was used to create a simulation of the laboratory experiments. Additionally, different flow velocities and length of PRB were investigated with the simulation. This helps to design parameters, e.g. the residence time in the \gls{prb}, which is necessary for close to 100\,\% remediation efficiency.
KW  - Reaktive Wand
KW  - Saures Mienenwasser
KW  - faseroptische chemische Sensoren
KW  - permeable reactive barrier
KW  - acid mine drainage
KW  - fiber optical chemical sensors
Y1  - 2024
UR  - https://publishup.uni-potsdam.de/frontdoor/index/index/docId/64856
UR  - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-648564
ER  -