Moore reinigen Bergbauabwässer

Die Belastung von Grundwasser und Oberflächengewässern mit Sulfat und Eisen aus Grubenwasser ist ein weltweites Problem in ehemaligen Bergbaugebieten. Forschende der Humboldt-Universität zu Berlin (HU-Berlin) sowie vom Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) haben im Labor gezeigt, dass Moorboden die Eisen- und Sulfatbelastung von Grubenwasser um über 80 Prozent mindern kann.

Während und nach dem Abbau von Braunkohle reagiert pyrithaltiges Aushubmaterial mit Sauerstoff und Wasser zu Schwefelsäure und gelöstem Eisen. Sulfat und Eisenverbindungen sowie ein saurer pH-Wert sind die Faktoren, die Grubenwasser zu einer Belastungsquelle für Gewässer machen. Es gibt zahlreiche Verfahren zur Behandlung von saurem Grubenwasser, die jedoch oft kostspielig und schwierig umzusetzen sind. Die stark belastete ehemalige Bergbaulandschaft in der Lausitz ist ein Beispiel für die Grenzen von Sanierungsmethoden. Dort finden sich hohe Konzentrationen von Eisen und Sulfat in Flüssen - wie der Spree - Seen und Grundwasserleitern. Punktuelle Behandlungen verbesserten die Wasserqualität nicht.

Naturbasierte Methoden in der Landschaft sind bisher wenig erforscht ist. Die Wiedervernässung von Mooren könnte eine effektive Maßnahme sein. "Unter sauerstofffreien Bedingungen sollte in wassergesättigten Moorböden im Idealfall wieder Pyrit gebildet und gleichzeitig Eisen und Schwefel entfernt werden, um so eine erneute Pyritoxidation zu verhindern. Im Vergleich zu anderen organischen Substraten war bisher jedoch nicht klar, inwieweit der zersetzte Torf aus den oberen Bodenschichten trockengelegter Moorgebiete geeignet ist", erläutert Lydia Roesel von der HU-Berlin, die Erstautorin der Studie.

Die Forschenden simulierten im Laborexperiment die Wiedervernässung von Moorland mit saurem Grubenwasser. Anschließend quantifizierten sie die Eisen- und Sulfatentfernung und die pH-Änderungen bei unterschiedlichen Belastungsraten. Der anfänglich niedrige pH-Wert von 4 stieg auf 6 an, und die elektrische Leitfähigkeit sank um bis zu 47 Prozent. Die Leitfähigkeit des Wassers ist ein Maß für die im Wasser gelösten Teilchen und damit im Süßwasser auch ein Indikator für die Qualität des Wassers. Die anfänglich hohen Konzentrationen von Eisen (mehr als 250 Milligramm pro Liter) und Sulfat (über 770 Milligramm pro Liter) sanken im Durchschnitt um 87 beziehungsweise um 78 Prozent.

"Die Ergebnisse implizieren, dass der mikrobielle Abbau von Sulfat und eine anschließende Ausfällung von Eisensulfiden der wichtigste Mechanismus bei der Reduzierung der Verschmutzungen war", erläutert Dominik Zak, Gastforscher am IGB und Wissenschaftler an der dänischen Universität von Aarhus. Je niedriger die hydraulische beziehungsweise stoffliche Belastung, desto mehr Sulfat wurde entfernt. Die hydraulische Belastung bestimmt die Verweilzeit und je höher diese ist, desto kürzer hat das Grubenwasser Kontakt mit dem Moorsubstrat.

Die Wiedervernässung von Mooren wäre damit eine wirksame Maßnahme zur Verringerung der Verschmutzung durch saures Grubenwasser. Für den stark belasteten untersuchten Abschnitt der Spree konnten die Forschenden anhand des Vernässungsexperiments und umfangreichen Felddaten abschätzen, dass eine Verringerung der Sulfatbelastung des Flusses um etwa 20 Prozent (36.827 Tonnen pro Jahr) eintreten wird, wenn alle Moore im Teileinzugsgebiet wiedervernässt werden. Das wären 6067 Hektar und entspräche 6,7 Prozent der Gesamtfläche.

"Unsere Ergebnisse zeigen einmal mehr, dass die Wiedervernässung von Mooren eine wichtige Maßnahme für den Schutz unserer Umwelt ist. Moore stabilisieren den globale Kohlenstoffhaushalt, sie halten das Wasser in der Landschaft und haben überdies eine wichtige Reinigungsfunktion", sagt Lydia Roesel.

Die Forschenden betonen, dass die Laborversuche nicht ohne Weiteres auf großskalige Freilandbedingungen übertragen werden können.

"Zukünftig muss untersucht werden, ob der Schadstoffabbau in zersetzten Torfschichten aufgrund von Versauerung oder dem Mangel an bioverfügbarem Kohlenstoff - oder beidem - im Laufe der Zeit abnimmt und wie sich die Wiedervernässung mit saurem Grubenwasser langfristig auf die Wiederherstellung der wichtigen weiteren Funktionen von Mooren auswirkt", sagt Dominik Zak.

Biogeochemische Prozesse in Mooren unterliegen natürlicherweise einer hohen zeitlichen und räumlichen Variabilität. Die wesentlichen Gründe dafür sind Temperaturschwankungen und hydrologische Änderungen im Jahresverlauf sowie kleinräumige Unterschiede in den physikalischen und chemischen Bodeneigenschaften. Die Bedeutung von einzelnen Steuergrößen für die Reinigung von Bergbauwässern lässt sich daher zunächst am besten unter kontrollierten Laborbedingungen untersuchen. Die Übertragung der Ergebnisse auf das Freiland ist dann unter bestimmten Annahmen möglich und sollte aber durch weitere Untersuchungen im Labor und Freiland unterlegt werden.

Moore haben als Übergangs- und Pufferzonen zwischen terrestrischen und aquatischen Ökosystemen eine wichtige Funktion für den Stoff- und Wasserhaushalt in der Landschaft. Wachsende bzw. nicht entwässerte Moore sind wichtige Senken für Kohlenstoff, Phosphor und Stickstoff. Die gleichzeitige Speicherung von Wasser hat zur Bezeichnung "Nieren in der Landschaft" beigetragen. Fallen Moorflächen trocken, können sie im Gegenzug Nährstoffe und Treibhausgase freisetzen.

Lydia K. Roesel, Dominik H. Zak: Treating acid mine drainage with decomposed organic soil: Implications for peatland rewetting. Journal of Environmental Management, Volume 311, 2022, 114808, ISSN 0301-4797

Kontakt: Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) | pr@igb-berlin.de | www.igb-berlin.de