Zugl.: Kassel, Universiẗat, Diss., 2008.

Aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften können sogenannte eisnukleierende Partikel die Bildung von Eis in Wolken katalysieren. Laboruntersuchungen zum Gefrierverhalten dieser Partikel haben sich als wertvoll erwiesen, wenn es um das Verständnis zugrunde liegender Prinzipien und Mechanismen geht. Eine Spezies, die in früheren Untersuchungen vernachlässigt wurde, ist Flugasche aus Kohleverbrennung. Kohle-Flugasche (KFA) wird aufgrund ineffizienter Filterung submikroner Partikel über die Schornsteine von Kraftwerken emittiert und kann, in Abhängigkeit der meteorologischen Bedingungen, die Vereisung von Wolken in der Nähe der Quelle und darüber hinaus beeinflussen. In dieser Arbeit wurde das Immersionsgefrierverhalten, d.h. der Einfluss eingeschlossener Partikel auf das Gefrieren unterkühlter Tropfen, für vier verschiedene KFA-Proben aus deutschen Kohlekraftwerken untersucht. Dabei wurden einerseits Tropfen untersucht, die ein einzelnes submikrones Partikel enthielten. Andererseits wurde das Gefrierverhalten von Suspensionstropfen, die eine Vielzahl verschieden großer Partikel beinhalteten, quantifiziert. Zusätzlich wurden die Proben, sowohl in ihrer Gesamtheit als auch in Form einzelner submikroner Partikel, bezüglich ihrer chemischen Zusammensetzung, Morphologie und Kristallographie analysiert. Es wurde festgestellt, dass die Gefriereffizienz der Proben innerhalb von Minuten abnimmt, sobald diese in Berührung mit Wasser kommen. Immersionsgefriermessungen mit purem Anhydrit (CaSO4 ), das in den Proben nachgewiesen wurde, zeigten einen ähnlichen Trend, d.h. eine abnehmende Effizienz mit zunehmender Suspensionszeit. Diese Beobachtung, und die Übereinstimmung von Messungen mit KFA-Suspensionspartikeln und Gips (CaSO 4 * 2H2O, ein Hydrat des Anhydrits), weisen darauf hin, dass Hydratation die Ursache für die Abnahme der Gefriereffizienz sein könnte. Dieser Einfluss von Probeneigenschaften und Methodologie auf das Immersionsgefrierverhalten von KFA-Partikeln muss bei der Abschätzung der Relevanz der Partikel für die atmosphärische Eisnukleation unbedingt berücksichtigt werden.:1. Introduction 2. Fundamentals 2.1 Ice nucleation theory 2.2 Properties of CFA particles 3. Materials and Methods 3.1 Materials 3.2 Methods 4. Results 4.1 Physicochemical sample characterization 4.2 Immersion freezing behavior of CFA 5. Discussion 5.1 Comparison to literature results 5.2 Physicochemical particle properties and immersion freezing behavior 5.3 Atmospheric implications 6. Summary and Conclusions 7. Outlook / Due to their specific properties, atmospheric ice-nucleating particles are able to catalyze ice formation in clouds. Laboratory studies investigating the freezing behavior of these particles have proven to be of unmatched value when attempting to understand underlying principles and mechanisms. One species that has almost entirely been neglected in previous ice nucleation studies is fly ash from coal combustion (CFA: coal fly ash). Emitted through the stacks of power plants due to inefficient filtering of submicron particles, CFA has the potential to influence cloud glaciation in source regions and beyond, depending on the meteorological conditions. In this thesis, the immersion freezing behavior, i.e., the influence of particles immersed in supercooled cloud droplets on ice nucleation, of four samples from German power plants was determined with the help of several single particle and bulk instruments. In parallel, single particles and bulk CFA were investigated with respect to their chemical composition, morphology, and crystallography. It was found that the immersion freezing efficiency of the CFA particles decreases in contact with water on the time scale of minutes. Hydration products, that were found in both single particles and in the bulk after suspension, could be responsible for this unique behavior. Immersion freezing measurements with pure anhydrite (anhydrous CaSO4 ), which is known to occur at the surface of CFA particles, showed the same qualitative trend, i.e., a decreasing efficiency with increasing suspension time. This observation, and the agreement between measurements with suspended CFA particles and gypsum (CaSO4 * 2H2O, a hydrate of anhydrite), support the hypothesis that hydration causes the observed decrease in immersion freezing efficiency. This influence of sample properties and methodology on the immersion freezing behavior of CFA must be taken into consideration when assessing the relevance of these particles for atmospheric ice nucleation.:1. Introduction 2. Fundamentals 2.1 Ice nucleation theory 2.2 Properties of CFA particles 3. Materials and Methods 3.1 Materials 3.2 Methods 4. Results 4.1 Physicochemical sample characterization 4.2 Immersion freezing behavior of CFA 5. Discussion 5.1 Comparison to literature results 5.2 Physicochemical particle properties and immersion freezing behavior 5.3 Atmospheric implications 6. Summary and Conclusions 7. Outlook

Das American Concrete Institute (ACI) definiert Hochleistungsbeton (High performance concrete, HPC) als einen Beton, der spezielle Leistungs- und Gleichförmigkeitsanforderungen erfüllt. Die Anforderungen schließen vereinfachtes Ausbringen, verbesserte Frühfestigkeiten und mechanische Langzeiteigenschaften, Härte, Volumenstabilität und Belastbarkeit unter besonderen Umweltbedingungen ein. Diesen Anforderungen kann für gewöhnlich nicht mit klassischen Rohstoffen, normalen Misch- und Abbindeprozeduren entsprochen werden. Daher wurde in dieser Studie in Übereinstimmung mit der Literatur die Einfachheit des Ausbringens beziehungsweise die Selbstverdichtung als Kriterium für Hochleistungseigenschaften genommen. Während einer bautechnischen Begutachtung eines brandgeschädigten Gebäudes in Lahore deutete sich an, dass die Schäden zum größten Teil durch mangelhafte Kenntnis der Materialeigenschaften und mangelhafte Verarbeitung verursacht wurden. Dies war unter anderem Anlass für die Durchführung der vorliegenden Untersuchungen. Die Arbeiten über Hochleistungsbetone begannen mit der Auswahl von alternativen Rohstoffen (secondary raw materials, SRM) entsprechend den Ergebnissen des Literaturstudiums. Die Verwendung von Reisasche (Rice husk ash, RHA) in selbstverdichtenden Betonen (Self compacting concrete, SCC) ist eine neue Idee, die bislang nicht veröffentlicht wurde. Deshalb wurden vergleichende Untersuchungen mit Mikrosilika (Silica fume, SF), amorpher und kristalliner Reisasche (RHA bzw. RHAP) durchgeführt. In vielen Entwicklungsländern ist Mikrosilika guter Qualität auf absehbare Zeit kaum zu vernünftigen Preisen verfügbar, während Reisasche in reisanbauenden Ländern wie Pakistan hochverfügbar ist. Bei entsprechenden Ergebnissen soll mit dieser Studie die Verwendung von RHA alternativ zu SF in SCC empfohlen werden. Das Literaturstudium zeigte ferner, dass die Verwendung von Flugasche in Kombination mit anderen puzzolanischen Materialien wie Mikrosilika in Deutschland nicht üblich ist, während dies in Skandinavien erfolgreich getan wird. Deshalb ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Arbeit die Untersuchung der Rolle binärer und ternärer Binder in SCC. Als SRM wurden Kalksteinmehl, Flugasche, Mikrosilika sowie RHA (aus USA) und RHAP (aus Pakistan) ausgewählt. Die Studie beschäftigt sich mit Fließverhalten, Festigkeit, Mikrostruktur und Volumenstabilität (gemessen als frühes Schwinden) von SCC. Die durch binäre und ternäre Binder bewirkte Erhöhung der Gesamtfestigkeit soll möglichst einfach berechnet werden können. Die ist von großem Wert für Bauingenieure, da sie üblicherweise nur an der Gesamtfestigkeit des zementären Systems und nicht an den Festigkeitsanteilen chemischer oder physischer Komponenten interessiert sind. Es wird vorgeschlagen, das vergleichsweise inerte Material für andere puzzolanische Binder und deren Kombinationen als Ausgangspunkt zur einfachen Quantifizierung der Festigkeit zu nehmen. Es ist in der Praxis nicht üblich, die frühe Gesamtschwindung mit deren einzelnen Teilprozessen zu beschreiben. Deshalb wurde die Volumenstabilität als lineare Gesamtschwindung ermittelt. Die Arbeiten begannen mit selbstverdichtenden Pasten (High performance self compacting pastes, HP SCP), die zu selbstverdichtenden Mörteln (High performance self compacting mortars, HP SCM) und selbstverdichtenden Betonen (High performance self compacting concretes, HP SCC) weiterentwickelt wurden. Die Ergebnisse dieser Arbeiten können als anwendungsfreundlicher angesehen werden, als Ergebnisse von Arbeiten durchgeführt ausschließlich an SCC. Darüber hinaus wurden ausgehend von Laborergebnissen einige Versuche an einem Beton-Mischwerk und anschließend während des Einbringens in einen Versuchsstollen des Lehrbergwerks durchgeführt. Zur Abschätzung von Wasserbedarf, Fließverhalten und Festigkeit von HP SCC werden verschiedene einfache Methoden und Konzepte vorgeschlagen. Die Erfindung von Verflüssigern in Deutschland und Japan Anfang der 80er Jahre ermöglichte zusammen mit geeigneten Zuschlägen das Erreichen hoher Festigkeiten und Dauerhaftigkeiten. Es wird eine Methode zur indirekten Berechnung des Wasserbedarfs für jeden Zuschlag, der in geeigneten Mengen mit Zement gemischt wird. Weiterhin schlägt der Autor die Messung der T 25 cm Fließzeit für HP SCM/SCP-Systeme (das Verhältnis zwischen T 25 cm Ausbreitmaß und dem Kegelbodendurchmesser) in Analogie zur Ermittlung des 50cm-Ausbreitmaßes mittels Abrams-Kegel bei SCC vor. Dies wäre ein brauchbarer indirekter Indikator der rheologischen Eigenschaften von SCC-Systemen. Der Durchmesser des Abramskegels ist 20 cm und das besprochene Verhältnis ist 2,5. Ausgehend von den Ergebnissen lässt sich feststellen, dass sicher amorphe RHA als Ersatz für SF in SCC genommen werden kann. Dies gilt selbst bei RHA mittlerer puzzolanischer Aktivität, wie sie von Kraftwerken mit Reistrohfeuerung erhältlich ist. Die Verbesserung von Leistung und Dauerhaftigkeit konnte sowohl für binäre als auch für ternäre Binder in SCC-Systemen festgestellt werden. Für gute Dauerhaftigkeit wie auch aus ökonomischen Gründen wird vorgeschlagen, dass die Menge des zuzumischenden Wassers in etwa dem Wasserbedarf entspricht.

The use of backfill in underground mining is increasing due to need for systematic backfilling of mine openings and workings to avoid surface damage, increase safety and contribution to sustainable mining. This study is to investigate backfill materials and new methods suited for systematic selection and application of backfill in underground mines. Laboratory tests were carried out on physical, chemical and mechanical properties of different backfill materials and mixtures thereof. Special attention was paid to materials generated as by-products and other cheaply available materials e.g. fly ash and FGD-gypsum from power plants, natural and synthetic anhydrite. The different material mixtures investigated can be used as a technically and economically viable backfill for underground mines. In summary, the systematic selection of backfill materials from by-products, mine waste and tailings from the mineral processing of mining industry and other industries were suited as a backfill material for test field in China coal fires and recommended for underground potash mines in Thailand.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Nähr- und Schadstoffdynamik flugaschebeeinflusster Waldböden der Dübener Heide bezüglich ihres aktuellen Zustandes und der zu erwartenden zukünftigen Entwicklung untersucht. In der Dübener Heide wurden jahrzehntelang große Mengen an Flugasche abgelagert, die die Eigenschaften des Bodens entscheidend und nachhaltig prägten. Selbst 15 Jahre nach dem abrupten Ende der Einträge kann eine Flugaschebeeinflussung noch immer deutlich nachgewiesen werden. Das Ökosystem hat sich an die durch die Flugasche veränderten Umweltbedingungen angepasst. Nach Wegfall der Einträge unterliegt das System nun allerdings wieder neuen Veränderungen, deren Auswirkungen auf die Bestände noch unklar sind. Als Grundlage für nachhaltige forstliche Planungen und ein angepasstes Naturparkmanagement wurden deshalb im Rahmen des ENFORCHANGE-Teilprojektes Bodenprozesse der aktuelle bodenchemische Zustand der Dübener Heide untersucht und Prognosen über die zukünftige Entwicklung abgeleitet. Für die Ermittlung des Ist-Zustandes wurden 12 Kernversuchsflächen ausgewählt, die entlang eines Entfernungsgradienten ausgehend vom angenommenen Hauptemittenten, Kraftwerk Zschornewitz, gelegen sind und die typischen Bodentypen und Bestände der Dübener Heide repräsentieren. 2 m tiefe Bodenprofile wurden angelegt und in Tiefenstufen beprobt. Die Bodenproben wurden mit Standardmethoden auf verschiedene bodenchemische Parameter untersucht. Die Ergebnisse wurden sowohl hinsichtlich der Überschreitung von Mittel-, Vorsorge- und Grenzwerten als auch bezüglich der Ausbildung von Tiefen- und Entfernungsabhängigkeiten beurteilt. Darüber wurden die eindeutig flugaschebeeinflussten Parameter und die am stärksten beeinflussten Tiefenstufen identifiziert. Diese Informationen wurden anschließend genutzt, um die Standorte statistisch in unterschiedlich stark flugaschebeeinflusste Gruppen einzuteilen. Weiterhin wurden aktuelle Potentiale und Risiken abgeschätzt und über den Vergleich mit Literaturdaten die vergangene Entwicklung beurteilt. Die Ergebnisse zum derzeitigen bodenchemischen Ist-Zustand der Dübener Heide können wie folgt zusammengefasst werden: Als eindeutig flugaschebeeinflusst sind der pH-Wert, die Basensättigung sowie die Gesamtgehalte der Metalle Aluminium, Eisen, Calcium, Magnesium, Cadmium, Cobalt, Nickel und Zink identifiziert worden. Für diese bodenchemischen Parameter liegen klare, abnehmende Gradienten mit zunehmender Entfernung vom Hauptemittenten vor. So sind die pH-Werte im Mittel in den emittentennahen Auflagen um 1,5 pH-Einheiten höher als bei den emittentenfernen Auflagen. Während die emittentenfernen Auflagen dabei bereits etwa über den standorttypischen pH-Wert verfügen, sind die der nahen Standorte noch deutlich durch die Flugasche angehoben. Ebenso liegen in den Auflagen der emittentennahen Standorte sehr hohe Basensättigungen um 90 % und gegenüber den fernen Standorten um etwa 20 - 400 % höhere Metall-Gesamtgehalte vor. Der pH-Gradient ist außerdem die Ursache dafür, dass Metalle mit pH-abhängigen Mobilitäten sehr deutlich ausgebildete Entfernungsgradienten in ihren verfügbaren Gehalten aufweisen, wobei die verfügbaren Gehalte im Gegensatz zu den Gesamtgehalten mit zunehmender Entfernung zum Emittenten ansteigen. Anhand der Gesamtgehalte lässt sich nachweisen, dass die Flugaschebeeinflussung vor allem die Auflagen betrifft. Der Transport ganzer Flugaschepartikel in den Mineralboden wird anhand der vorliegenden Ergebnisse als unbedeutend angesehen. Dagegen erfolgt aber eine Verlagerung gelöster Flugaschebestandteile mit dem Sickerwasser. Diese führt dazu, dass ein flugaschebedingter Einfluss auf die pH-Werte, die Basensättigungen und die verfügbaren Gehalte der Basenkationen teilweise noch in 30 cm Tiefe feststellbar ist. Im tieferen Mineralboden überwiegen dann aber andere Standortfaktoren. Für die Analyse des Flugascheeinflusses ist der Oh-Horizont am besten geeignet. Hier liegen die eindeutigsten und stärksten Gradienten von allen beeinflussten bodenchemischen Parametern vor. Der Of-Horizont ist dagegen bereits durch den Einfluss der Vegetation (Basenpumpe) teilweise überprägt. Entsprechend der aktuellen Werte der eindeutig flugaschebeeinflussten Parameter lassen sich die Standorte zu drei unterschiedlich stark beeinflussten Gruppen zusammenfassen. Diese Gruppen spiegeln den Entfernungsgradienten wider und wurden deshalb als nahe, mittlere und ferne Standorte bezeichnet. Die in der vorliegenden Arbeit gefundene Gruppierung weist aber Veränderungen gegenüber der anhand der Rauchschäden der Bestände vorgenommenen Einteilung der Dübener Heide in vier Rauchschadenszonen auf [LUX 1965b]. So wird heute der ehemals stark beeinflusste Standort Ochsenkopf-BDF (RSZ 1) nicht mehr den nahen, sondern den mittleren Standorten zugeordnet, während ein Teil ehemals mäßig beeinflusster Standorte (RSZ 3) mit früher gering geschädigten Standorten (RSZ 4) zu einer Gruppe zusammengefasst werden. Ein Vergleich mit vorhandenen Literaturdaten zur Dübener Heide zeigt, dass die Unterschiede zwischen den Zonen (z. B. im pH-Wert) mit der Zeit mehr und mehr abnehmen und Nährstoffe (wie Calcium) langsam ausgewaschen werden. Bezüglich der Potentiale und Risiken kann angegeben werden, dass abgesehen von Cadmium, welches in der gesamten Dübener Heide erhöhte Werte aufweist, der Großteil der untersuchten Standorte über standorttypische mittlere Werte und Gehalte verfügt. Nur an den nahen Standorten treten überdurchschnittlich hohe pH-Werte, Basensättigungen, Calcium-Gesamtgehalte und Vorsorgewertüberschreitungen bei den Gesamtgehalten von Cadmium und Zink auf. Die hohen pH-Werte dieser Standorte führen aber dazu, dass die mobilen Schwermetall-Gehalte derzeit noch niedrige Werte aufweisen und die positive Wirkung der verbesserten Nährstoffsituation überwiegt. Dabei nimmt der Standort Burgkemnitz eine Sonderrolle ein, da er selbst gegenüber dem ebenfalls nahen Standort Buchholz über extrem hohe Calcium-Gehalte und in Verbindung mit seiner sehr mächtigen Auflage auch über sehr hohe Elementvorräte verfügt. Aufgrund der bereits zu beobachtenden Wiederversauerung und Abnahme der Calcium-Gehalte sind besonders für die nahen Standorte eine Verschlechterung der Nährstoffsituation und eine zunehmende Mobilisierung der Schwermetalle zu erwarten. Als Grundlage für die Abschätzung der Wirkung zukünftiger Veränderungen auf das Waldökosystem und die Bestände wurden deshalb Prognosen über die Entwicklung der relevanten flugaschebeeinflussten Parameter in den Auflagen der Dübener Heide aufgestellt. Mit Hilfe dieser Prognosen sollten sowohl das zu erwartende Ausmaß der Veränderung als auch deren zeitlicher Rahmen besser einschätzbar werden. Für die Prognosen wurden Altdaten, aktuelle Messwerte und die Ergebnisse eines Freisetzungsexperimentes genutzt, um daraus Trends über die mittlere Entwicklung in den beim Ist-Zustand gefundenen Entfernungsgruppen ableiten zu können. Zusätzlich wurden die Einflüsse verschiedener, in der Prognose nicht berücksichtigter Faktoren diskutiert. Mit der vorliegenden Arbeit steht damit aus bodenchemischer Sicht erstmals ein umfassendes Werkzeug für die Bewertung zukünftiger Entwicklungen in der Dübener Heide zur Verfügung. Die aufgestellten Prognosen lassen für die Auflagen der Dübener Heide die folgenden Aussagen zu: Die pH-Werte werden weiter fallen, so dass sich bereits in wenigen Jahrzehnten signifikante pH-Unterschiede zwischen den mittleren und fernen Standorten nicht mehr feststellen lassen werden. Die nahen Standorte werden sich zwar noch am längsten durch erhöhte pH-Werte auszeichnen, aber in etwa 150 Jahren wird in der gesamten Dübener Heide wieder der standorttypische pH-Wert von etwa 3,0 vorliegen. Verbunden mit der Abnahme der pH-Werte werden auch die Basensättigungen zurückgehen. Etwa 50 Jahre lang können die nahen Standorte noch als mindestens basenreich (> 50 % Basensättigung [AG-BODEN 2005]) angesehen werden. Gegen Ende des betrachteten Zeitraums von 150 Jahren ist dann mit einem einheitlichen Niveau der Basensättigung von ca. 20 % (Grenze zwischen mittelbasisch und basenarm [AG-BODEN 2005]) in den Auflagen der Dübener Heide zu rechnen. Die Vorräte von Calcium und Magnesium werden nach und nach ausgetragen, wobei die Hauptursache dafür bei Calcium die Auswaschung aufgrund der Wirkung saurer Niederschläge, bei Magnesium der Ernteentzug ist. Mindestens 50 Jahre kann aber an den nahen Standorten noch von einer überdurchschnittlich guten Calciumversorgung ausgegangen werden. Stellenweise kann aber trotz der hohen Vorräte bereits in 30 Jahren die Magnesiumversorgung zum wachstumsbegrenzenden Faktor werden, da nur ein relativ kleiner Teil des Magnesiums freisetzbar zu sein scheint. Bezüglich des Risikos nachteiliger Wirkungen aufgrund zu hoher verfügbarer Schwermetall-Gehalte sind nur Cadmium und Zink von Bedeutung. Die verfügbaren Gehalte dieser Schwermetalle werden im Zuge der Wiederversauerung ansteigen. Gleichzeitig erfolgt aber auch eine Auswaschung der Gehalte, die dem Anstieg der verfügbaren Gehalte und damit dem Überschreiten der Vorsorgewerte entgegenwirkt. Eine Gefährdung der Waldbestände ist demnach kaum zu erwarten. Die Toleranz der Bäume gegenüber Cadmium und Zink sollte aber trotzdem für langfristige waldbauliche Planungen berücksichtigt werden. / In this study the dynamics of nutrients and pollutants within fly ash-affected forest soils of the Dübener Heide, Germany, were examined concerning their current state and the future development to be expected. In the Dübener Heide large amounts of fly ash were deposited over decades, which had a crucial and lasting impact on the soil properties. Even 15 years after the abrupt end of the immissions this influence can still be proven. The ecosystem has adapted itself to the environmental conditions changed by the fly ash. However, after the loss of further immissions the system is subject to changes once again with yet unknown consequences for the forest. As a basis for sustainable forest planning and an adapted nature park management the current soil-chemical state of the Dübener Heide was examined and prognoses for the future development were derived within the ENFORCHANGE subproject of soil processes. For the determination of the current state 12 sites, that are representative for the typical soil types and stands of the Dübener Heide, were selected which have increasing distances to the coal-fired power plant Zschornewitz, regarded as the main emitter. Soil profiles, two meters in depth, were set up and sampled in depth stages. The soil samples were analyzed for different soil-chemical parameters by means of standard methods. The results were judged regarding the exceeding of mean, critical and limiting values as well as the occurrence of dependencies on depth or distance. By that means parameters which are definitely influenced by the fly ash as well as the most strongly affected depth stages were identified. These information were used afterwards in order to statistically divide the sites into groups of different grade of fly ash-affection. Furthermore current potentials and risks were estimated, and the previous development was judged by comparison with literature data. The results for the current soil-chemical state of the Dübener Heide can be summarized as follows: The pH value, the base saturation and the total contents of the metals aluminium, iron, calcium, magnesium, cadmium, cobalt, nickel and zinc were identified as definitely fly ash-affected. Decreasing values of these soil-chemical parameters are clearly observable with increasing distance from the main emitter. So on average, the pH values of the forest floor horizons close to the emitter are greater by about 1.5 pH units than that of sites far from the emitter. Thereby the forest floor horizons far from the emitter already have approximately the typical pH value while pH values are sill raised by the fly ash at the closed-by sites. Very high base saturations around 90 % and total metal contents, that are higher by approximately 20 400 % compared with more distant sites are present in the forest floor horizons of sites close to the emitter, too. In addition, the pH gradient is the cause for the fact that the available contents of metals with pH-dependent mobility exhibit very clearly formed distance gradients, with the available contents rising with the distance to the emitter contrary to the total contents of the metals. By means of the total contents it can be proven, that the influence of the fly ash mainly concerns the forest floor horizons. The transport of whole fly ash particles into the mineral soil is regarded as insignificant on the basis of the available results. However, a displacement of solved fly ash components with seepage water takes place. This leads to the fact, that a fly ash-induced influence on the pH value, the base saturation, and the available contents of the base cations is partly detectable as far as 30 cm in depth. However, in still deeper mineral horizons different location factors predominate. For the analysis of the fly ash influence the Oa-horizon is the most suitable. Here the clearest and strongest gradients of all affected soil-chemical parameters are present. The Oe-horizon is additionally marked in parts by the influence of the vegetation (base pump) According to the current values of the definitely fly ash-affected parameters the sites can be divided into three groups with different grade of fly ash-affection. The distance gradients are reflected in these groups, and that is why the groups were termed closed-by, intermediate and distant sites. However, the grouping found in the current study exhibits changes compared with the grouping of the Dübener Heide into the four smoke damage zones [LUX 1965b] according to the damage done to the stands by the smoke. Thus, today the formerly strongly affected site Ochsenkopf-BDF (RSZ 1) is no longer assigned to the closed-by but instead to the intermediate sites, while a part of the formerly moderately affected sites (RSZ 3) is now combined into one group together with formerly only slightly damaged site (RSZ 4). A comparison with existing literature data from the Dübener Heide shows, that the differences between the zones (e.g. in pH value) decrease more and more with time, and that nutrients (like calcium) are slowly washed out. Concerning the potentials and risks it can be indicated that apart from cadmium, which exhibits increased values over the entire Dübener Heide, the majority of the examined sites has averaged values and contents typical for the location. Only at the closed-by sites pH values, base saturations, total contents of calcium above the average and violations of limits of precaution of cadmium and zinc occur. But the high pH values at these sites lead to the fact, that the mobile heavy metal contents exhibit still low values at present, and that the positive effect of the improved nutrient situation predominates. The site Burgkemnitz takes a special position, since it has extremely high calcium contents and in connection with its very thick forest floor horizon also very high element stocks even in comparison with the likewise closed-by site Buchholz. Due to the already observable acidification and the decrease in calcium contents a degradation of the nutrient situation and an increasing mobilization of the heavy metals are to be expected particularly for the closed-by sites. Therefore, as a basis for the estimation of the effect of future changes on the forest ecosystem and the stands prognoses for the development of the relevant fly ash-affected parameters in the forest floor horizons of the Dübener Heide were derived. With the help of these prognoses both the extent of the change to be expected and its time frame should become better assessable. For the prognoses literature data, measured values of the current study and the results of a release experiment were used in order to be able to derive from it trends for the averaged development within the different groups of sites found for the current state. Additionally the influences of different factors not considered for the prognoses were discussed. So with this, for the first time there is available a comprehensive tool for the evaluation of future developments in the Dübener Heide from soil-chemical point of view. The set up prognoses allow the following statements for the forest floor horizons of the Dübener Heide: The pH values will continue to fall, so that already in a few decades significant pH differences between the intermediate and the distant sites will not be determinable any more. The longest time the closed-by sites will be characterised by increased pH values, but in approximately 150 years a location typical pH value of about 3.0 will be present over the entire Dübener Heide again. Connected with the reduction of the pH values the base saturation will decrease, too. About 50 more years the closed-by sites can still be regarded as at least base rich (> 50 % base saturation [AG-BODEN 2005]). But towards the end of the considered time of 150 years it has to be reckoned on a uniform level of the base saturation of approximately 20 % (threshold between medium-basic and base-poor [AG-BODEN 2005]) in the forest floor horizons of the Dübener Heide. The stocks of calcium and magnesium will be gradually decreased, for what the main cause is leaching due to the effect of acid precipitations for calcium and harvest removal for magnesium. At least for 50 more years it can be assumed that the closed-by sites will have a calcium supply good above average. In parts, however, despite the high stocks the magnesium supply can already become the growth-limiting factor in 30 years, since only a relative small part of magnesium seems to be available for leaching. Only cadmium and zinc are of importance concerning the risk of unfavourable effects caused by too high contents of mobile heavy metals. The available contents of these heavy metals will rise as the result of increasing acidification. But at the same time leaching of the metals takes place what counteracts the rise of the available contents and thus the violation of the limits of precaution. According to this an endangerment of the forest stands is hardly to be expected. However, for long-term forest-structural planning the tolerance of the trees with respect to cadmium and zinc should be considered nevertheless.

Das American Concrete Institute (ACI) definiert Hochleistungsbeton (High performance concrete, HPC) als einen Beton, der spezielle Leistungs- und Gleichförmigkeitsanforderungen erfüllt. Die Anforderungen schließen vereinfachtes Ausbringen, verbesserte Frühfestigkeiten und mechanische Langzeiteigenschaften, Härte, Volumenstabilität und Belastbarkeit unter besonderen Umweltbedingungen ein. Diesen Anforderungen kann für gewöhnlich nicht mit klassischen Rohstoffen, normalen Misch- und Abbindeprozeduren entsprochen werden. Daher wurde in dieser Studie in Übereinstimmung mit der Literatur die Einfachheit des Ausbringens beziehungsweise die Selbstverdichtung als Kriterium für Hochleistungseigenschaften genommen. Während einer bautechnischen Begutachtung eines brandgeschädigten Gebäudes in Lahore deutete sich an, dass die Schäden zum größten Teil durch mangelhafte Kenntnis der Materialeigenschaften und mangelhafte Verarbeitung verursacht wurden. Dies war unter anderem Anlass für die Durchführung der vorliegenden Untersuchungen. Die Arbeiten über Hochleistungsbetone begannen mit der Auswahl von alternativen Rohstoffen (secondary raw materials, SRM) entsprechend den Ergebnissen des Literaturstudiums. Die Verwendung von Reisasche (Rice husk ash, RHA) in selbstverdichtenden Betonen (Self compacting concrete, SCC) ist eine neue Idee, die bislang nicht veröffentlicht wurde. Deshalb wurden vergleichende Untersuchungen mit Mikrosilika (Silica fume, SF), amorpher und kristalliner Reisasche (RHA bzw. RHAP) durchgeführt. In vielen Entwicklungsländern ist Mikrosilika guter Qualität auf absehbare Zeit kaum zu vernünftigen Preisen verfügbar, während Reisasche in reisanbauenden Ländern wie Pakistan hochverfügbar ist. Bei entsprechenden Ergebnissen soll mit dieser Studie die Verwendung von RHA alternativ zu SF in SCC empfohlen werden. Das Literaturstudium zeigte ferner, dass die Verwendung von Flugasche in Kombination mit anderen puzzolanischen Materialien wie Mikrosilika in Deutschland nicht üblich ist, während dies in Skandinavien erfolgreich getan wird. Deshalb ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Arbeit die Untersuchung der Rolle binärer und ternärer Binder in SCC. Als SRM wurden Kalksteinmehl, Flugasche, Mikrosilika sowie RHA (aus USA) und RHAP (aus Pakistan) ausgewählt. Die Studie beschäftigt sich mit Fließverhalten, Festigkeit, Mikrostruktur und Volumenstabilität (gemessen als frühes Schwinden) von SCC. Die durch binäre und ternäre Binder bewirkte Erhöhung der Gesamtfestigkeit soll möglichst einfach berechnet werden können. Die ist von großem Wert für Bauingenieure, da sie üblicherweise nur an der Gesamtfestigkeit des zementären Systems und nicht an den Festigkeitsanteilen chemischer oder physischer Komponenten interessiert sind. Es wird vorgeschlagen, das vergleichsweise inerte Material für andere puzzolanische Binder und deren Kombinationen als Ausgangspunkt zur einfachen Quantifizierung der Festigkeit zu nehmen. Es ist in der Praxis nicht üblich, die frühe Gesamtschwindung mit deren einzelnen Teilprozessen zu beschreiben. Deshalb wurde die Volumenstabilität als lineare Gesamtschwindung ermittelt. Die Arbeiten begannen mit selbstverdichtenden Pasten (High performance self compacting pastes, HP SCP), die zu selbstverdichtenden Mörteln (High performance self compacting mortars, HP SCM) und selbstverdichtenden Betonen (High performance self compacting concretes, HP SCC) weiterentwickelt wurden. Die Ergebnisse dieser Arbeiten können als anwendungsfreundlicher angesehen werden, als Ergebnisse von Arbeiten durchgeführt ausschließlich an SCC. Darüber hinaus wurden ausgehend von Laborergebnissen einige Versuche an einem Beton-Mischwerk und anschließend während des Einbringens in einen Versuchsstollen des Lehrbergwerks durchgeführt. Zur Abschätzung von Wasserbedarf, Fließverhalten und Festigkeit von HP SCC werden verschiedene einfache Methoden und Konzepte vorgeschlagen. Die Erfindung von Verflüssigern in Deutschland und Japan Anfang der 80er Jahre ermöglichte zusammen mit geeigneten Zuschlägen das Erreichen hoher Festigkeiten und Dauerhaftigkeiten. Es wird eine Methode zur indirekten Berechnung des Wasserbedarfs für jeden Zuschlag, der in geeigneten Mengen mit Zement gemischt wird. Weiterhin schlägt der Autor die Messung der T 25 cm Fließzeit für HP SCM/SCP-Systeme (das Verhältnis zwischen T 25 cm Ausbreitmaß und dem Kegelbodendurchmesser) in Analogie zur Ermittlung des 50cm-Ausbreitmaßes mittels Abrams-Kegel bei SCC vor. Dies wäre ein brauchbarer indirekter Indikator der rheologischen Eigenschaften von SCC-Systemen. Der Durchmesser des Abramskegels ist 20 cm und das besprochene Verhältnis ist 2,5. Ausgehend von den Ergebnissen lässt sich feststellen, dass sicher amorphe RHA als Ersatz für SF in SCC genommen werden kann. Dies gilt selbst bei RHA mittlerer puzzolanischer Aktivität, wie sie von Kraftwerken mit Reistrohfeuerung erhältlich ist. Die Verbesserung von Leistung und Dauerhaftigkeit konnte sowohl für binäre als auch für ternäre Binder in SCC-Systemen festgestellt werden. Für gute Dauerhaftigkeit wie auch aus ökonomischen Gründen wird vorgeschlagen, dass die Menge des zuzumischenden Wassers in etwa dem Wasserbedarf entspricht.

The use of backfill in underground mining is increasing due to need for systematic backfilling of mine openings and workings to avoid surface damage, increase safety and contribution to sustainable mining. This study is to investigate backfill materials and new methods suited for systematic selection and application of backfill in underground mines. Laboratory tests were carried out on physical, chemical and mechanical properties of different backfill materials and mixtures thereof. Special attention was paid to materials generated as by-products and other cheaply available materials e.g. fly ash and FGD-gypsum from power plants, natural and synthetic anhydrite. The different material mixtures investigated can be used as a technically and economically viable backfill for underground mines. In summary, the systematic selection of backfill materials from by-products, mine waste and tailings from the mineral processing of mining industry and other industries were suited as a backfill material for test field in China coal fires and recommended for underground potash mines in Thailand.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Nähr- und Schadstoffdynamik flugaschebeeinflusster Waldböden der Dübener Heide bezüglich ihres aktuellen Zustandes und der zu erwartenden zukünftigen Entwicklung untersucht. In der Dübener Heide wurden jahrzehntelang große Mengen an Flugasche abgelagert, die die Eigenschaften des Bodens entscheidend und nachhaltig prägten. Selbst 15 Jahre nach dem abrupten Ende der Einträge kann eine Flugaschebeeinflussung noch immer deutlich nachgewiesen werden. Das Ökosystem hat sich an die durch die Flugasche veränderten Umweltbedingungen angepasst. Nach Wegfall der Einträge unterliegt das System nun allerdings wieder neuen Veränderungen, deren Auswirkungen auf die Bestände noch unklar sind. Als Grundlage für nachhaltige forstliche Planungen und ein angepasstes Naturparkmanagement wurden deshalb im Rahmen des ENFORCHANGE-Teilprojektes Bodenprozesse der aktuelle bodenchemische Zustand der Dübener Heide untersucht und Prognosen über die zukünftige Entwicklung abgeleitet. Für die Ermittlung des Ist-Zustandes wurden 12 Kernversuchsflächen ausgewählt, die entlang eines Entfernungsgradienten ausgehend vom angenommenen Hauptemittenten, Kraftwerk Zschornewitz, gelegen sind und die typischen Bodentypen und Bestände der Dübener Heide repräsentieren. 2 m tiefe Bodenprofile wurden angelegt und in Tiefenstufen beprobt. Die Bodenproben wurden mit Standardmethoden auf verschiedene bodenchemische Parameter untersucht. Die Ergebnisse wurden sowohl hinsichtlich der Überschreitung von Mittel-, Vorsorge- und Grenzwerten als auch bezüglich der Ausbildung von Tiefen- und Entfernungsabhängigkeiten beurteilt. Darüber wurden die eindeutig flugaschebeeinflussten Parameter und die am stärksten beeinflussten Tiefenstufen identifiziert. Diese Informationen wurden anschließend genutzt, um die Standorte statistisch in unterschiedlich stark flugaschebeeinflusste Gruppen einzuteilen. Weiterhin wurden aktuelle Potentiale und Risiken abgeschätzt und über den Vergleich mit Literaturdaten die vergangene Entwicklung beurteilt. Die Ergebnisse zum derzeitigen bodenchemischen Ist-Zustand der Dübener Heide können wie folgt zusammengefasst werden: Als eindeutig flugaschebeeinflusst sind der pH-Wert, die Basensättigung sowie die Gesamtgehalte der Metalle Aluminium, Eisen, Calcium, Magnesium, Cadmium, Cobalt, Nickel und Zink identifiziert worden. Für diese bodenchemischen Parameter liegen klare, abnehmende Gradienten mit zunehmender Entfernung vom Hauptemittenten vor. So sind die pH-Werte im Mittel in den emittentennahen Auflagen um 1,5 pH-Einheiten höher als bei den emittentenfernen Auflagen. Während die emittentenfernen Auflagen dabei bereits etwa über den standorttypischen pH-Wert verfügen, sind die der nahen Standorte noch deutlich durch die Flugasche angehoben. Ebenso liegen in den Auflagen der emittentennahen Standorte sehr hohe Basensättigungen um 90 % und gegenüber den fernen Standorten um etwa 20 - 400 % höhere Metall-Gesamtgehalte vor. Der pH-Gradient ist außerdem die Ursache dafür, dass Metalle mit pH-abhängigen Mobilitäten sehr deutlich ausgebildete Entfernungsgradienten in ihren verfügbaren Gehalten aufweisen, wobei die verfügbaren Gehalte im Gegensatz zu den Gesamtgehalten mit zunehmender Entfernung zum Emittenten ansteigen. Anhand der Gesamtgehalte lässt sich nachweisen, dass die Flugaschebeeinflussung vor allem die Auflagen betrifft. Der Transport ganzer Flugaschepartikel in den Mineralboden wird anhand der vorliegenden Ergebnisse als unbedeutend angesehen. Dagegen erfolgt aber eine Verlagerung gelöster Flugaschebestandteile mit dem Sickerwasser. Diese führt dazu, dass ein flugaschebedingter Einfluss auf die pH-Werte, die Basensättigungen und die verfügbaren Gehalte der Basenkationen teilweise noch in 30 cm Tiefe feststellbar ist. Im tieferen Mineralboden überwiegen dann aber andere Standortfaktoren. Für die Analyse des Flugascheeinflusses ist der Oh-Horizont am besten geeignet. Hier liegen die eindeutigsten und stärksten Gradienten von allen beeinflussten bodenchemischen Parametern vor. Der Of-Horizont ist dagegen bereits durch den Einfluss der Vegetation (Basenpumpe) teilweise überprägt. Entsprechend der aktuellen Werte der eindeutig flugaschebeeinflussten Parameter lassen sich die Standorte zu drei unterschiedlich stark beeinflussten Gruppen zusammenfassen. Diese Gruppen spiegeln den Entfernungsgradienten wider und wurden deshalb als nahe, mittlere und ferne Standorte bezeichnet. Die in der vorliegenden Arbeit gefundene Gruppierung weist aber Veränderungen gegenüber der anhand der Rauchschäden der Bestände vorgenommenen Einteilung der Dübener Heide in vier Rauchschadenszonen auf [LUX 1965b]. So wird heute der ehemals stark beeinflusste Standort Ochsenkopf-BDF (RSZ 1) nicht mehr den nahen, sondern den mittleren Standorten zugeordnet, während ein Teil ehemals mäßig beeinflusster Standorte (RSZ 3) mit früher gering geschädigten Standorten (RSZ 4) zu einer Gruppe zusammengefasst werden. Ein Vergleich mit vorhandenen Literaturdaten zur Dübener Heide zeigt, dass die Unterschiede zwischen den Zonen (z. B. im pH-Wert) mit der Zeit mehr und mehr abnehmen und Nährstoffe (wie Calcium) langsam ausgewaschen werden. Bezüglich der Potentiale und Risiken kann angegeben werden, dass abgesehen von Cadmium, welches in der gesamten Dübener Heide erhöhte Werte aufweist, der Großteil der untersuchten Standorte über standorttypische mittlere Werte und Gehalte verfügt. Nur an den nahen Standorten treten überdurchschnittlich hohe pH-Werte, Basensättigungen, Calcium-Gesamtgehalte und Vorsorgewertüberschreitungen bei den Gesamtgehalten von Cadmium und Zink auf. Die hohen pH-Werte dieser Standorte führen aber dazu, dass die mobilen Schwermetall-Gehalte derzeit noch niedrige Werte aufweisen und die positive Wirkung der verbesserten Nährstoffsituation überwiegt. Dabei nimmt der Standort Burgkemnitz eine Sonderrolle ein, da er selbst gegenüber dem ebenfalls nahen Standort Buchholz über extrem hohe Calcium-Gehalte und in Verbindung mit seiner sehr mächtigen Auflage auch über sehr hohe Elementvorräte verfügt. Aufgrund der bereits zu beobachtenden Wiederversauerung und Abnahme der Calcium-Gehalte sind besonders für die nahen Standorte eine Verschlechterung der Nährstoffsituation und eine zunehmende Mobilisierung der Schwermetalle zu erwarten. Als Grundlage für die Abschätzung der Wirkung zukünftiger Veränderungen auf das Waldökosystem und die Bestände wurden deshalb Prognosen über die Entwicklung der relevanten flugaschebeeinflussten Parameter in den Auflagen der Dübener Heide aufgestellt. Mit Hilfe dieser Prognosen sollten sowohl das zu erwartende Ausmaß der Veränderung als auch deren zeitlicher Rahmen besser einschätzbar werden. Für die Prognosen wurden Altdaten, aktuelle Messwerte und die Ergebnisse eines Freisetzungsexperimentes genutzt, um daraus Trends über die mittlere Entwicklung in den beim Ist-Zustand gefundenen Entfernungsgruppen ableiten zu können. Zusätzlich wurden die Einflüsse verschiedener, in der Prognose nicht berücksichtigter Faktoren diskutiert. Mit der vorliegenden Arbeit steht damit aus bodenchemischer Sicht erstmals ein umfassendes Werkzeug für die Bewertung zukünftiger Entwicklungen in der Dübener Heide zur Verfügung. Die aufgestellten Prognosen lassen für die Auflagen der Dübener Heide die folgenden Aussagen zu: Die pH-Werte werden weiter fallen, so dass sich bereits in wenigen Jahrzehnten signifikante pH-Unterschiede zwischen den mittleren und fernen Standorten nicht mehr feststellen lassen werden. Die nahen Standorte werden sich zwar noch am längsten durch erhöhte pH-Werte auszeichnen, aber in etwa 150 Jahren wird in der gesamten Dübener Heide wieder der standorttypische pH-Wert von etwa 3,0 vorliegen. Verbunden mit der Abnahme der pH-Werte werden auch die Basensättigungen zurückgehen. Etwa 50 Jahre lang können die nahen Standorte noch als mindestens basenreich (> 50 % Basensättigung [AG-BODEN 2005]) angesehen werden. Gegen Ende des betrachteten Zeitraums von 150 Jahren ist dann mit einem einheitlichen Niveau der Basensättigung von ca. 20 % (Grenze zwischen mittelbasisch und basenarm [AG-BODEN 2005]) in den Auflagen der Dübener Heide zu rechnen. Die Vorräte von Calcium und Magnesium werden nach und nach ausgetragen, wobei die Hauptursache dafür bei Calcium die Auswaschung aufgrund der Wirkung saurer Niederschläge, bei Magnesium der Ernteentzug ist. Mindestens 50 Jahre kann aber an den nahen Standorten noch von einer überdurchschnittlich guten Calciumversorgung ausgegangen werden. Stellenweise kann aber trotz der hohen Vorräte bereits in 30 Jahren die Magnesiumversorgung zum wachstumsbegrenzenden Faktor werden, da nur ein relativ kleiner Teil des Magnesiums freisetzbar zu sein scheint. Bezüglich des Risikos nachteiliger Wirkungen aufgrund zu hoher verfügbarer Schwermetall-Gehalte sind nur Cadmium und Zink von Bedeutung. Die verfügbaren Gehalte dieser Schwermetalle werden im Zuge der Wiederversauerung ansteigen. Gleichzeitig erfolgt aber auch eine Auswaschung der Gehalte, die dem Anstieg der verfügbaren Gehalte und damit dem Überschreiten der Vorsorgewerte entgegenwirkt. Eine Gefährdung der Waldbestände ist demnach kaum zu erwarten. Die Toleranz der Bäume gegenüber Cadmium und Zink sollte aber trotzdem für langfristige waldbauliche Planungen berücksichtigt werden.:Danksagung 5 Erklärung 6 1 Einleitung und Zielsetzung 7 2 Das Untersuchungsgebiet Dübener Heide 10 2.1 Lage 10 2.2 Klima 11 2.3 Geologie und naturräumliche Gliederung 11 2.4 Boden 13 2.5 Emissionsgeschichte 13 2.6 Flugasche 17 2.6.1 Morphologische, physikalische und chemische Eigenschaften 18 2.6.2 Auswirkungen auf Boden und Pflanze 20 3 Material und Methoden 24 3.1 Charakterisierung der Standorte 24 3.1.1 Standortauswahl 24 3.1.2 Standort- und Profilbeschreibung 25 3.2 Probenahme, Probenvorbereitung 38 3.3 Standardlabormethoden zur Beurteilung des Ist-Zustandes 38 3.3.1 pH-Wert 38 3.3.2 Gesamtgehalte 39 3.3.3 NH4Cl-extrahierbare Gehalte 39 3.3.4 NH4NO3-extrahierbare Gehalte 39 3.4 Modelle und Experimente zur Ableitung von Prognosen 40 3.4.1 Extrapolation der zeitlichen pH-Wert-Entwicklung 40 3.4.2 Quantifizierung der pH-Abhängigkeit der Basensättigung 42 3.4.3 Quantifizierung der pH-Abhängigkeit der Mobilität 42 3.4.4 Berechnung der Säurefracht im Niederschlag 43 3.4.5 Experiment zur Prognose der Gesamtgehalte 44 3.4.6 Modell zur Prognose der verfügbaren Gehalte 50 3.5 Statistische Datenauswertung 52 3.5.1 Clusteranalyse 53 3.5.2 Diskriminanzanalyse 54 4 Ist-Zustand 57 4.1 Zielsetzung 57 4.2 Ergebnisse und Diskussion 57 4.2.1 pH-Wert 57 4.2.2 Makroelemente 62 4.2.3 Spurenelemente 75 4.2.4 Zusammenfassende Statistik 81 4.3 Schlussfolgerung 87 5 Prognosen 89 5.1 Zielsetzung 89 5.2 Ergebnisse und Diskussion 90 5.2.1 Zeitliche Entwicklung des pH-Wertes 90 5.2.2 Zeitliche Entwicklung der Basensättigung 96 5.2.3 Zeitliche Entwicklung der verfügbaren Gehalte (bei konstantem Gesamtgehalt) 99 5.2.4 Zeitliche Entwicklung der Gesamtgehalte 108 5.2.5 Zeitliche Entwicklung der verfügbaren Gehalte (bei abnehmendem Gesamtgehalt) 125 5.3 Schlussfolgerung 129 6 Zusammenfassung 132 7 Summary 136 8 Verzeichnisse 140 8.1 Literaturverzeichnis 140 8.2 Abbildungsverzeichnis 150 8.3 Tabellenverzeichnis 154 9 Anhang 156 9.1 Ist-Zustand 158 9.2 Prognosen 168 / In this study the dynamics of nutrients and pollutants within fly ash-affected forest soils of the Dübener Heide, Germany, were examined concerning their current state and the future development to be expected. In the Dübener Heide large amounts of fly ash were deposited over decades, which had a crucial and lasting impact on the soil properties. Even 15 years after the abrupt end of the immissions this influence can still be proven. The ecosystem has adapted itself to the environmental conditions changed by the fly ash. However, after the loss of further immissions the system is subject to changes once again with yet unknown consequences for the forest. As a basis for sustainable forest planning and an adapted nature park management the current soil-chemical state of the Dübener Heide was examined and prognoses for the future development were derived within the ENFORCHANGE subproject of soil processes. For the determination of the current state 12 sites, that are representative for the typical soil types and stands of the Dübener Heide, were selected which have increasing distances to the coal-fired power plant Zschornewitz, regarded as the main emitter. Soil profiles, two meters in depth, were set up and sampled in depth stages. The soil samples were analyzed for different soil-chemical parameters by means of standard methods. The results were judged regarding the exceeding of mean, critical and limiting values as well as the occurrence of dependencies on depth or distance. By that means parameters which are definitely influenced by the fly ash as well as the most strongly affected depth stages were identified. These information were used afterwards in order to statistically divide the sites into groups of different grade of fly ash-affection. Furthermore current potentials and risks were estimated, and the previous development was judged by comparison with literature data. The results for the current soil-chemical state of the Dübener Heide can be summarized as follows: The pH value, the base saturation and the total contents of the metals aluminium, iron, calcium, magnesium, cadmium, cobalt, nickel and zinc were identified as definitely fly ash-affected. Decreasing values of these soil-chemical parameters are clearly observable with increasing distance from the main emitter. So on average, the pH values of the forest floor horizons close to the emitter are greater by about 1.5 pH units than that of sites far from the emitter. Thereby the forest floor horizons far from the emitter already have approximately the typical pH value while pH values are sill raised by the fly ash at the closed-by sites. Very high base saturations around 90 % and total metal contents, that are higher by approximately 20 400 % compared with more distant sites are present in the forest floor horizons of sites close to the emitter, too. In addition, the pH gradient is the cause for the fact that the available contents of metals with pH-dependent mobility exhibit very clearly formed distance gradients, with the available contents rising with the distance to the emitter contrary to the total contents of the metals. By means of the total contents it can be proven, that the influence of the fly ash mainly concerns the forest floor horizons. The transport of whole fly ash particles into the mineral soil is regarded as insignificant on the basis of the available results. However, a displacement of solved fly ash components with seepage water takes place. This leads to the fact, that a fly ash-induced influence on the pH value, the base saturation, and the available contents of the base cations is partly detectable as far as 30 cm in depth. However, in still deeper mineral horizons different location factors predominate. For the analysis of the fly ash influence the Oa-horizon is the most suitable. Here the clearest and strongest gradients of all affected soil-chemical parameters are present. The Oe-horizon is additionally marked in parts by the influence of the vegetation (base pump) According to the current values of the definitely fly ash-affected parameters the sites can be divided into three groups with different grade of fly ash-affection. The distance gradients are reflected in these groups, and that is why the groups were termed closed-by, intermediate and distant sites. However, the grouping found in the current study exhibits changes compared with the grouping of the Dübener Heide into the four smoke damage zones [LUX 1965b] according to the damage done to the stands by the smoke. Thus, today the formerly strongly affected site Ochsenkopf-BDF (RSZ 1) is no longer assigned to the closed-by but instead to the intermediate sites, while a part of the formerly moderately affected sites (RSZ 3) is now combined into one group together with formerly only slightly damaged site (RSZ 4). A comparison with existing literature data from the Dübener Heide shows, that the differences between the zones (e.g. in pH value) decrease more and more with time, and that nutrients (like calcium) are slowly washed out. Concerning the potentials and risks it can be indicated that apart from cadmium, which exhibits increased values over the entire Dübener Heide, the majority of the examined sites has averaged values and contents typical for the location. Only at the closed-by sites pH values, base saturations, total contents of calcium above the average and violations of limits of precaution of cadmium and zinc occur. But the high pH values at these sites lead to the fact, that the mobile heavy metal contents exhibit still low values at present, and that the positive effect of the improved nutrient situation predominates. The site Burgkemnitz takes a special position, since it has extremely high calcium contents and in connection with its very thick forest floor horizon also very high element stocks even in comparison with the likewise closed-by site Buchholz. Due to the already observable acidification and the decrease in calcium contents a degradation of the nutrient situation and an increasing mobilization of the heavy metals are to be expected particularly for the closed-by sites. Therefore, as a basis for the estimation of the effect of future changes on the forest ecosystem and the stands prognoses for the development of the relevant fly ash-affected parameters in the forest floor horizons of the Dübener Heide were derived. With the help of these prognoses both the extent of the change to be expected and its time frame should become better assessable. For the prognoses literature data, measured values of the current study and the results of a release experiment were used in order to be able to derive from it trends for the averaged development within the different groups of sites found for the current state. Additionally the influences of different factors not considered for the prognoses were discussed. So with this, for the first time there is available a comprehensive tool for the evaluation of future developments in the Dübener Heide from soil-chemical point of view. The set up prognoses allow the following statements for the forest floor horizons of the Dübener Heide: The pH values will continue to fall, so that already in a few decades significant pH differences between the intermediate and the distant sites will not be determinable any more. The longest time the closed-by sites will be characterised by increased pH values, but in approximately 150 years a location typical pH value of about 3.0 will be present over the entire Dübener Heide again. Connected with the reduction of the pH values the base saturation will decrease, too. About 50 more years the closed-by sites can still be regarded as at least base rich (> 50 % base saturation [AG-BODEN 2005]). But towards the end of the considered time of 150 years it has to be reckoned on a uniform level of the base saturation of approximately 20 % (threshold between medium-basic and base-poor [AG-BODEN 2005]) in the forest floor horizons of the Dübener Heide. The stocks of calcium and magnesium will be gradually decreased, for what the main cause is leaching due to the effect of acid precipitations for calcium and harvest removal for magnesium. At least for 50 more years it can be assumed that the closed-by sites will have a calcium supply good above average. In parts, however, despite the high stocks the magnesium supply can already become the growth-limiting factor in 30 years, since only a relative small part of magnesium seems to be available for leaching. Only cadmium and zinc are of importance concerning the risk of unfavourable effects caused by too high contents of mobile heavy metals. The available contents of these heavy metals will rise as the result of increasing acidification. But at the same time leaching of the metals takes place what counteracts the rise of the available contents and thus the violation of the limits of precaution. According to this an endangerment of the forest stands is hardly to be expected. However, for long-term forest-structural planning the tolerance of the trees with respect to cadmium and zinc should be considered nevertheless.:Danksagung 5 Erklärung 6 1 Einleitung und Zielsetzung 7 2 Das Untersuchungsgebiet Dübener Heide 10 2.1 Lage 10 2.2 Klima 11 2.3 Geologie und naturräumliche Gliederung 11 2.4 Boden 13 2.5 Emissionsgeschichte 13 2.6 Flugasche 17 2.6.1 Morphologische, physikalische und chemische Eigenschaften 18 2.6.2 Auswirkungen auf Boden und Pflanze 20 3 Material und Methoden 24 3.1 Charakterisierung der Standorte 24 3.1.1 Standortauswahl 24 3.1.2 Standort- und Profilbeschreibung 25 3.2 Probenahme, Probenvorbereitung 38 3.3 Standardlabormethoden zur Beurteilung des Ist-Zustandes 38 3.3.1 pH-Wert 38 3.3.2 Gesamtgehalte 39 3.3.3 NH4Cl-extrahierbare Gehalte 39 3.3.4 NH4NO3-extrahierbare Gehalte 39 3.4 Modelle und Experimente zur Ableitung von Prognosen 40 3.4.1 Extrapolation der zeitlichen pH-Wert-Entwicklung 40 3.4.2 Quantifizierung der pH-Abhängigkeit der Basensättigung 42 3.4.3 Quantifizierung der pH-Abhängigkeit der Mobilität 42 3.4.4 Berechnung der Säurefracht im Niederschlag 43 3.4.5 Experiment zur Prognose der Gesamtgehalte 44 3.4.6 Modell zur Prognose der verfügbaren Gehalte 50 3.5 Statistische Datenauswertung 52 3.5.1 Clusteranalyse 53 3.5.2 Diskriminanzanalyse 54 4 Ist-Zustand 57 4.1 Zielsetzung 57 4.2 Ergebnisse und Diskussion 57 4.2.1 pH-Wert 57 4.2.2 Makroelemente 62 4.2.3 Spurenelemente 75 4.2.4 Zusammenfassende Statistik 81 4.3 Schlussfolgerung 87 5 Prognosen 89 5.1 Zielsetzung 89 5.2 Ergebnisse und Diskussion 90 5.2.1 Zeitliche Entwicklung des pH-Wertes 90 5.2.2 Zeitliche Entwicklung der Basensättigung 96 5.2.3 Zeitliche Entwicklung der verfügbaren Gehalte (bei konstantem Gesamtgehalt) 99 5.2.4 Zeitliche Entwicklung der Gesamtgehalte 108 5.2.5 Zeitliche Entwicklung der verfügbaren Gehalte (bei abnehmendem Gesamtgehalt) 125 5.3 Schlussfolgerung 129 6 Zusammenfassung 132 7 Summary 136 8 Verzeichnisse 140 8.1 Literaturverzeichnis 140 8.2 Abbildungsverzeichnis 150 8.3 Tabellenverzeichnis 154 9 Anhang 156 9.1 Ist-Zustand 158 9.2 Prognosen 168

Mining of lignite in Lusatia has a long history of over 100 years. The extracted brown coal is utilized to generate electricity in three large power plants: Jänschwalde, Boxberg, and Schwarze Pumpe. With an annual carbon dioxide (CO2) output of approximately 50 million tons, these power plants are among Germany’s large-scale CO2 emitters. The environmental impact from open-pit mining is of a considerable degree and currently poses a challenging problem. The groundwater deficit in 1990 was 7 billion m3 over a surface area of approximately 2100 km2 (Luckner, 2006a) and was bisected in value until today. Due to the decline of mining activity and the termination of mine drainage at most open pits in the Lusatian region, the groundwater table has recovered forming 28 pit lakes (Zschiedrich, 2011). The majority of the post mining lakes do not meet the quality standards for pH, iron or sulfate parameters; because of pyrite oxidation that produces acid mine drainage (Luckner, 2006b, Klapper and Schultze, 1995, Schultze et al., 2010). The post mining lakes in Lusatia have low pH values (3 – 4), high sulfate contents (up to 2800 ppm) as well as high iron concentrations (100 – 150 ppm). Lakes are flooded by groundwater and using surface water from Spree and Neisse River to achieve fast filling and dilution; however, due to the limited availability of surface water, further rehabilitation strategies for the region had to be investigated. Between 1970 and 1990, approximately 26 million m3 of suspended fly ash were deposited in the lake Burghammer and settled as an ash body at its base; where it may be used for rehabilitation. In a first experiment conducted in 2001 material from the ash body was picked up and redistributed throughout the lake. By this treatment the pH of the lake was raised temporarily; however, a sustainable remediation was not achieved. Based on these experiments it was investigated whether the ash reacts more sufficiently through additional CO2 injection or not. Aim was to combine the rehabilitation of acid mine lakes with the utilization of atmospheric carbon dioxide emissions from coal-fired power plants. The CO2 sequestration is achieved through the generation and accumulation of carbonates in the lake. The following equations describe the precipitation of carbonate by using CO2 and alkaline earth cations M: CO2 + MO → MCO3 (s) CO2 + M(OH)2 → MCO3 (s) + H2O Therefore, neutral pH conditions are necessary for the long-term accumulation of carbonates in the lakes. In laboratory investigations it was shown, that the 20 to 30 years old fly ash deposits of lake Burghammer can be used for carbonate sequestration and lake water treatment. Bivalent ions (Ca2+, Mg2+) are eluable and available for carbonate precipitation; on average we assumed 1 wt.-% of reactive calcium to be contained in the settled ash sediments. Settled fly ash sediments are less reactive than fresh fly ash from a power plant (e.g. Schwarze Pumpe). During batch experiments, we increased the buffering capacity to maximum values of 7 mmol/L. Beforehand no buffering capacity exists due to the low pH of 2.9 in the lake. Batch investigations provided a sequestration potential of 17 g CO2/kg ash sediment; in comparison fresh fly ash results in a sequestration potential of 33 g CO2/kg ash (Schipek and Merkel, 2008b, Schipek and Merkel, 2008a, Schipek, 2009). Based on the laboratory results a field experiment was conducted. In this field experiment gas injection lances were installed to a sediment depth of 12 m. Gaseous CO2 was applied with a pressure of 2.2 bar and 2.2 m³/h for 3 months and lake water was monitored during injection. Variations in total inorganic carbon due to diffusion processes of CO2 saturated pore waters could be observed. As the pilot experiment comprised only a small area of lake Burghammer no initial neutralisition (e.g. by a suction excavator) was possible. Thus, no further changes in water chemistry were observed. Drilling cores in the vicinity of the injection area provided mineralogical and geochemical conditions before and after CO2 treatment. No trace metal mobilization was found during CO2 injection. Most elements showed decreasing trends or didn’t change significantly. Calculated saturation indices for calcite indicated equilibrium conditions or slightly oversaturated conditions (SICalcite,average +0.12; SICalcite,median +0.31). Geochemical and mineralogical investigations proved that CO2 sequestration is possible with an average precipitation rate of 0.5 wt.-% (2.2 g CO2/kg). The maximum rate for carbonate precipitation was determined with 7.4 wt.-% Calcite, according to 32.6 g CO2 per kilogram treated ash. Besides the use of the settled fly ash as neutralizing agent in acidic mining lakes, laboratory and field investigations were conducted in order to improve in-lake liming. In batch and columns experiments, different liming agents (synthetic marble powder and industrial products) were tested and investigated. Significant differences in reactivity were obvious at pCO2 > 3.8 • 10-4 atm. Ions typical for acid mine drainage (e.g. Mn2+, Cd2+, SO42-) do have different effects on the kinetic of carbonate dissolution. Manganese concentrations typical for acidic mining lakes inhibit calcite dissolution. Cadmium has as well a significant influence on dissolution and kinetics. Only circa 50 % of the calcium concentration was reached with cadmium as inhibitor compared to the dissolution in pure water. Increased CO2 partial pressure might be used to compensate inhibtion by material impurities and/or water constituents. Column experiments showed that a multi-stage application of liming agent increases the efficiency of a lake treatment. The combination of a first application of calcite (up to pH 4.5) and further application of Ca(OH)2 seemed to be the most promising method. This treatment sheme was successfully applied in lake Burghammer from March 2009 – December 2010 (initial neutralisation and 6 follow-up treatments). Finally, it can be concluded, that in lignite mining districts in-lake treatment of acidic mining lakes is a seminal method to handle water quality problems. Using gaseous CO2 in combination with industrial by-products can be accounted as sustainable method for CO2 sequestration and for treatment of AMD. The advantage for mining areas lays in the prevention during treatment of acid mine lakes. Nevertheless, this method presents only a niche solution due to the dependence on alkaline materials, e.g. fly ash. The development of further strategies and optimization during lake water treatment by in-lake liming might improve the effectiveness of the method. Using calcite instead of NaOH or CaO as liming agent will provide advantages in being more economic and ecological (CO2 bilance). In order to enhance efficiency the use of calcite in combination with CO2 can be a worth considering suggesting. If meteorological parameters (wind) and lake specific characteristics (morphology, currents, etc.) will be considered efforts and costs for in-lake liming will be minimized. / Der Abbau von Braunkohle im Lausitzer Bergbaurevier hat seit über 100 Jahren Tradition. Die abgebaute Braunkohle wird dabei hauptsächliche zur Energieerzeugung in den drei großen Kraftwerken Jänschwalde, Boxberg und Schwarze Pumpe genutzt. Mit einem jährlichen Kohlenstoffdioxid (CO2) – Ausstoß von circa 50 Millionen Tonnen gehören diese Kraftwerke zu Deutschlands größten CO2-Emittenten. Der Einfluss auf die Umwelt durch Tagebau-Betrieb ist von beträchtlichem Ausmaß und bringt große Probleme mit sich. Im Jahr 1990 betrug das Grundwasser-Defizit im Lausitzer Bergbaurevier 7 Milliarden m³ auf einer Fläche von circa 2100 km² (Luckner, 2006a). Dieses Defizit hat sich bis zum heutigen Zeitpunkt halbiert. Durch den Rückgang der Bergbauaktivitäten und die Beendigung der Wasserhaltungsmaßnahmen in den meisten Tagebauen, hat der ansteigende Grundwasserspiegel 28 Tagebaufolgeseen geschaffen (Zschiedrich, 2011). Der überwiegende Teil der Tagebaufolgeseen ist aufgrund der Pyritoxidation, welche AMD (acid mine drainage) produziert, hinsichtlich der Wasserqualitätsparameter stark beeinflusst (Luckner, 2006b, Klapper and Schultze, 1995, Schultze et al., 2010). Die Tagebaufolgeseen im Lausitzer Bergbaurevier sind durch niedrige pH-Werte (3 – 4), hoche Sulfat-Konzentrationen (bis zu 2800 ppm) und hohe Eisengehalte (100 – 150 ppm) gekennzeichnet. Die entstehenden Seen sind hauptsächlich durch aufsteigendes Grundwasser und Oberflächenwasser aus den Flüssen Spree und Neisse geflutet. Aufgrund der geringen Verfügbarkeit von Oberflächenwasser mussten weitere Sanierungsmaßnahmen für die Region untersucht werden. Zwischen 1970 und 1990 wurden im Tagebaufolgesee Burghammer circa 26 Millionen m³ Flugasche-Suspension als Aschekörper abgelagert, wobei eine Nutzung zu Sanierungszwecken angedacht war. Im Rahmen einer Aschesedimentumlagerung im Jahr 2001 wurde der pH-Wert des Seewassers kurzzeitig angehoben, eine nachhaltige Sanierung fand jedoch nicht statt. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurde im Rahmen dieser Dissertation untersucht, ob die abgelagerten Aschesedimente nachhaltiger durch Einsatz von CO2 reagieren. Ziel war es die Sanierung von Tagebaufolgeseen mit der Reduktion von CO2-Emissionen aus Kohlekraftwerken zu kombinieren. Diese CO2-Sequestrierung sollte durch die Bildung und Ablagerung von Carbonaten im Seesediment erfolgen. Die Gleichungen (1) und (2) beschreiben dabei die Fällungsreaktion von Carbonaten aus CO2 mit dem Alkalimetall M (aus Oxiden bzw. Hydroxiden): CO2 + MO → MCO3 (s) CO2 + M(OH)2 → MCO3 (s) + H2O Zur Carbonatfällung und nachhaltigen Ablagerung sind neutrale pH-Bedingungen notwendig. In Laboruntersuchungen konnte gezeigt werden, dass die 20 bis 30 Jahre alten Flugaschesedimente zur CO2-Sequestrierung in Kombination mit Seewasserbehandlung genutzt werden können. Zweiwertige Ionen (Ca2+, Mg2+) sind aus den Aschesedimenten eluierbar und stehen für die Fällungsreaktion zur Verfügung. Durchschnittlich 1 Masse-% reaktives Calcium befindet sich in den Sedimenten. Die abgelagerten Aschesedimente sind dabei weniger reaktiv als frische Flugaschen aus Kohlekraftwerken (z.B. Schwarze Pumpe). In Batch-Versuchen mit Tagebaufolgesee-Wasser konnte die Säure-Pufferkapazität auf maximal 7 mmol/L erhöht werden. Sequestrierungs-Raten von 17 g CO2/kg Aschesediment wurden im Rahmen der Versuche erreicht. Im Vergleich dazu betrugen die Sequestrierungs-Raten in Versuchen mit frischen Flugaschen bis 33 g CO2/kg Asche (Schipek and Merkel, 2008b, Schipek and Merkel, 2008a, Schipek, 2009). Auf Grundlage dieser Laborergebnisse wurde ein Feldversuch im Tagebaufolgesee Burghammer geplant. Während diesem wurden Gasinjektionslanzen bis in eine Sedimenttiefe von 12 m im abgelagerten Aschesediment installiert. Gasförmiges CO2 wurde mit einem durchschnittlichen Druck von 2.2 bar und 2.2 m³/h für eine Dauer von 3 Monaten injiziert. Während dieser Zeit fand ein kontinuierliches Monitoring des Seewassers im Bereich der Injektion statt. Veränderungen des Gehaltes an TIC (total inorganic carbon) aufgrund von Diffusionprozessen von CO2-gesättigtem Porenwasser aus dem Aschekörper waren beobachtbar. Da der Feldversuch nur in einem begrenzten Bereich des Tagebaufolgesees Burghammer stattfand und keine Initialneutralisierung vorsah, konnten keine weiteren, großmaßstäblichen Veränderungen im Wasserkörper festgestellt werden. Bohrkernentnahmen im Umfeld des Behandlungsgebietes lieferten Aussagen bezüglich der mineralogischen und geochemischen Beschaffenheit vor und nach CO2-Injektion. Im Porenwasser wurde keine Spurenmetall-(re)-mobilisierung durch die Behandlung mit CO2 festgestellt. Nahezu alle Elemente zeigten einen abnehmenden Trend durch die Behandlung mit CO2, bzw. keine signifikanten Veränderungen. Modellierte Sättigungsindizes für Calcit wiesen auf Gleichgewichtsbedingungen oder leichte Übersättigung bzgl. Calcit hin (SICalcit, Mittelwert +0.12; SICalcit, Median +0.31). Geochemische und mineralogische Untersuchungen zeigten, daß CO2-Sequestrierung mit einer durchschnittlichen Fällungsrate von 0.5 Masse-% (2.2 g CO2/kg Aschesediment) erreicht wurde. Die maximale Fällungsrate wurde mit 7.4 Masse-% Calcit bestimmt, dies entspricht einer Festlegung von 32.6 g CO2/ kg Aschesediment. Neben der Nutzung der abgelagerten Aschesedimente zur Behandlung des Tagebaufolgeseewassers wurden desweiteren Labor- und Feldversuche durchgeführt um In-Lake-Behandlungen mit industriellen Kalkprodukten zu optimieren. In Batch- und Säulenversuchen wurden verschiedene Kalkprodukte (synthetisches Marmorpulver und industrielle Produkte) getestet und untersucht. Signifikante Unterschiede auf die Reaktivität wurde bei erhöhten CO2-Partialdrücken (pCO2 > 3.8 • 10-4 bar) beobachtet. Wasserinhaltsstoffe, die typisch für AMD sind (z.B.. Mn2+, Cd2+, SO42-) zeigten einen signifikanten Einfluss auf die Calcit-Lösungskinetik. Mangankonzentrationen, wie sie in Lausitzer Tagebaufolgeseen vorkommen, zeigten – ebenso wie Cadmium - eine inhibitierende Wirkung auf die Kinetik. Im Vergleich zu Versuchen mit destilliertem Wasser wurden nur ungefähr 50 % der Calcium-Gleichgewichtskonzentration mit Cadmium als Inhibitor erreicht. Erhöhte CO2-Partialdrücke könnten genutzt werden, um die inhibitierende Wirkung von vorhanden Materialverunreinigungen und/oder Wasserinhaltsstoffen zu kompensieren. Säulenversuche zeigten, dass der mehrstufige Einsatz von Kalkprodukten die Effizienz während einer Seewasserbehandlung erhöht. Die Kombination einer Erstbehandlung mit Kalksteinmehl (bis pH 4.5), und einer Behandlungsfortsetzung mit Ca(OH)2 erwies sich als wirkungsvollste Methode. Dieses Behandlungsschema (Initialneutralisation, 6 Nachfolgebehandlungen) wurde im Tagebaufolgesee Burghammer von März 2009 – Dezember 2010 erfolgreich angewandt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in ehemaligen Bergbaurevieren die In-Lake-Behandlung von Tagebaufolgeseen eine zukunftsträchtige Methode zur Behandlung von Wasserqualitätsproblemen darstellt. Die Nutzung von gasförmigen CO2 in Kombination mit industriellen „Abfall-Produkten“ kann als nachhaltige Methode zur CO2-Sequestrierung und zur Behandlung von AMD bezeichnet werden. Der Vorteil in Bergbaurevieren liegt dabei in der Vorbeugung der Entstehung von Wasserqualitätsproblemen. Dennoch stellt diese Methode nur eine Nischenlösung aufgrund der Verfügbarkeit der alkalischen Materialien (Flugasche) dar. Die Entwicklung und Optimierung weiterführender Strategien zur In-Lake-Behandlung durch Kalkung wird zur Effizienzerhöhung beitragen. Die Nutzung von Kalksteinmehl anstelle von NaOH bzw. CaO als Neutralisationsprodukt wird Vorteile hinsichtlich ökonomischer und ökologischer Sicht (CO2-Bilanz) mit sich führen. Um die Effizienz beim Einsatz von Kalksteinmehl zu steigern, kann der Einsatz von CO2 in Betracht gezogen werden. Sobald meteorologische Parameter (Wind) und see-spezifische Merkmale (Morphologie, Strömungen, etc.) berücksichtigt werden, kann der Aufwand und die Kosten für In-Lake-Behandlungen minimiert werden.

Mining of lignite in Lusatia has a long history of over 100 years. The extracted brown coal is utilized to generate electricity in three large power plants: Jänschwalde, Boxberg, and Schwarze Pumpe. With an annual carbon dioxide (CO2) output of approximately 50 million tons, these power plants are among Germany’s large-scale CO2 emitters. The environmental impact from open-pit mining is of a considerable degree and currently poses a challenging problem. The groundwater deficit in 1990 was 7 billion m3 over a surface area of approximately 2100 km2 (Luckner, 2006a) and was bisected in value until today. Due to the decline of mining activity and the termination of mine drainage at most open pits in the Lusatian region, the groundwater table has recovered forming 28 pit lakes (Zschiedrich, 2011). The majority of the post mining lakes do not meet the quality standards for pH, iron or sulfate parameters; because of pyrite oxidation that produces acid mine drainage (Luckner, 2006b, Klapper and Schultze, 1995, Schultze et al., 2010). The post mining lakes in Lusatia have low pH values (3 – 4), high sulfate contents (up to 2800 ppm) as well as high iron concentrations (100 – 150 ppm). Lakes are flooded by groundwater and using surface water from Spree and Neisse River to achieve fast filling and dilution; however, due to the limited availability of surface water, further rehabilitation strategies for the region had to be investigated. Between 1970 and 1990, approximately 26 million m3 of suspended fly ash were deposited in the lake Burghammer and settled as an ash body at its base; where it may be used for rehabilitation. In a first experiment conducted in 2001 material from the ash body was picked up and redistributed throughout the lake. By this treatment the pH of the lake was raised temporarily; however, a sustainable remediation was not achieved. Based on these experiments it was investigated whether the ash reacts more sufficiently through additional CO2 injection or not. Aim was to combine the rehabilitation of acid mine lakes with the utilization of atmospheric carbon dioxide emissions from coal-fired power plants. The CO2 sequestration is achieved through the generation and accumulation of carbonates in the lake. The following equations describe the precipitation of carbonate by using CO2 and alkaline earth cations M: CO2 + MO → MCO3 (s) CO2 + M(OH)2 → MCO3 (s) + H2O Therefore, neutral pH conditions are necessary for the long-term accumulation of carbonates in the lakes. In laboratory investigations it was shown, that the 20 to 30 years old fly ash deposits of lake Burghammer can be used for carbonate sequestration and lake water treatment. Bivalent ions (Ca2+, Mg2+) are eluable and available for carbonate precipitation; on average we assumed 1 wt.-% of reactive calcium to be contained in the settled ash sediments. Settled fly ash sediments are less reactive than fresh fly ash from a power plant (e.g. Schwarze Pumpe). During batch experiments, we increased the buffering capacity to maximum values of 7 mmol/L. Beforehand no buffering capacity exists due to the low pH of 2.9 in the lake. Batch investigations provided a sequestration potential of 17 g CO2/kg ash sediment; in comparison fresh fly ash results in a sequestration potential of 33 g CO2/kg ash (Schipek and Merkel, 2008b, Schipek and Merkel, 2008a, Schipek, 2009). Based on the laboratory results a field experiment was conducted. In this field experiment gas injection lances were installed to a sediment depth of 12 m. Gaseous CO2 was applied with a pressure of 2.2 bar and 2.2 m³/h for 3 months and lake water was monitored during injection. Variations in total inorganic carbon due to diffusion processes of CO2 saturated pore waters could be observed. As the pilot experiment comprised only a small area of lake Burghammer no initial neutralisition (e.g. by a suction excavator) was possible. Thus, no further changes in water chemistry were observed. Drilling cores in the vicinity of the injection area provided mineralogical and geochemical conditions before and after CO2 treatment. No trace metal mobilization was found during CO2 injection. Most elements showed decreasing trends or didn’t change significantly. Calculated saturation indices for calcite indicated equilibrium conditions or slightly oversaturated conditions (SICalcite,average +0.12; SICalcite,median +0.31). Geochemical and mineralogical investigations proved that CO2 sequestration is possible with an average precipitation rate of 0.5 wt.-% (2.2 g CO2/kg). The maximum rate for carbonate precipitation was determined with 7.4 wt.-% Calcite, according to 32.6 g CO2 per kilogram treated ash. Besides the use of the settled fly ash as neutralizing agent in acidic mining lakes, laboratory and field investigations were conducted in order to improve in-lake liming. In batch and columns experiments, different liming agents (synthetic marble powder and industrial products) were tested and investigated. Significant differences in reactivity were obvious at pCO2 > 3.8 • 10-4 atm. Ions typical for acid mine drainage (e.g. Mn2+, Cd2+, SO42-) do have different effects on the kinetic of carbonate dissolution. Manganese concentrations typical for acidic mining lakes inhibit calcite dissolution. Cadmium has as well a significant influence on dissolution and kinetics. Only circa 50 % of the calcium concentration was reached with cadmium as inhibitor compared to the dissolution in pure water. Increased CO2 partial pressure might be used to compensate inhibtion by material impurities and/or water constituents. Column experiments showed that a multi-stage application of liming agent increases the efficiency of a lake treatment. The combination of a first application of calcite (up to pH 4.5) and further application of Ca(OH)2 seemed to be the most promising method. This treatment sheme was successfully applied in lake Burghammer from March 2009 – December 2010 (initial neutralisation and 6 follow-up treatments). Finally, it can be concluded, that in lignite mining districts in-lake treatment of acidic mining lakes is a seminal method to handle water quality problems. Using gaseous CO2 in combination with industrial by-products can be accounted as sustainable method for CO2 sequestration and for treatment of AMD. The advantage for mining areas lays in the prevention during treatment of acid mine lakes. Nevertheless, this method presents only a niche solution due to the dependence on alkaline materials, e.g. fly ash. The development of further strategies and optimization during lake water treatment by in-lake liming might improve the effectiveness of the method. Using calcite instead of NaOH or CaO as liming agent will provide advantages in being more economic and ecological (CO2 bilance). In order to enhance efficiency the use of calcite in combination with CO2 can be a worth considering suggesting. If meteorological parameters (wind) and lake specific characteristics (morphology, currents, etc.) will be considered efforts and costs for in-lake liming will be minimized. / Der Abbau von Braunkohle im Lausitzer Bergbaurevier hat seit über 100 Jahren Tradition. Die abgebaute Braunkohle wird dabei hauptsächliche zur Energieerzeugung in den drei großen Kraftwerken Jänschwalde, Boxberg und Schwarze Pumpe genutzt. Mit einem jährlichen Kohlenstoffdioxid (CO2) – Ausstoß von circa 50 Millionen Tonnen gehören diese Kraftwerke zu Deutschlands größten CO2-Emittenten. Der Einfluss auf die Umwelt durch Tagebau-Betrieb ist von beträchtlichem Ausmaß und bringt große Probleme mit sich. Im Jahr 1990 betrug das Grundwasser-Defizit im Lausitzer Bergbaurevier 7 Milliarden m³ auf einer Fläche von circa 2100 km² (Luckner, 2006a). Dieses Defizit hat sich bis zum heutigen Zeitpunkt halbiert. Durch den Rückgang der Bergbauaktivitäten und die Beendigung der Wasserhaltungsmaßnahmen in den meisten Tagebauen, hat der ansteigende Grundwasserspiegel 28 Tagebaufolgeseen geschaffen (Zschiedrich, 2011). Der überwiegende Teil der Tagebaufolgeseen ist aufgrund der Pyritoxidation, welche AMD (acid mine drainage) produziert, hinsichtlich der Wasserqualitätsparameter stark beeinflusst (Luckner, 2006b, Klapper and Schultze, 1995, Schultze et al., 2010). Die Tagebaufolgeseen im Lausitzer Bergbaurevier sind durch niedrige pH-Werte (3 – 4), hoche Sulfat-Konzentrationen (bis zu 2800 ppm) und hohe Eisengehalte (100 – 150 ppm) gekennzeichnet. Die entstehenden Seen sind hauptsächlich durch aufsteigendes Grundwasser und Oberflächenwasser aus den Flüssen Spree und Neisse geflutet. Aufgrund der geringen Verfügbarkeit von Oberflächenwasser mussten weitere Sanierungsmaßnahmen für die Region untersucht werden. Zwischen 1970 und 1990 wurden im Tagebaufolgesee Burghammer circa 26 Millionen m³ Flugasche-Suspension als Aschekörper abgelagert, wobei eine Nutzung zu Sanierungszwecken angedacht war. Im Rahmen einer Aschesedimentumlagerung im Jahr 2001 wurde der pH-Wert des Seewassers kurzzeitig angehoben, eine nachhaltige Sanierung fand jedoch nicht statt. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurde im Rahmen dieser Dissertation untersucht, ob die abgelagerten Aschesedimente nachhaltiger durch Einsatz von CO2 reagieren. Ziel war es die Sanierung von Tagebaufolgeseen mit der Reduktion von CO2-Emissionen aus Kohlekraftwerken zu kombinieren. Diese CO2-Sequestrierung sollte durch die Bildung und Ablagerung von Carbonaten im Seesediment erfolgen. Die Gleichungen (1) und (2) beschreiben dabei die Fällungsreaktion von Carbonaten aus CO2 mit dem Alkalimetall M (aus Oxiden bzw. Hydroxiden): CO2 + MO → MCO3 (s) CO2 + M(OH)2 → MCO3 (s) + H2O Zur Carbonatfällung und nachhaltigen Ablagerung sind neutrale pH-Bedingungen notwendig. In Laboruntersuchungen konnte gezeigt werden, dass die 20 bis 30 Jahre alten Flugaschesedimente zur CO2-Sequestrierung in Kombination mit Seewasserbehandlung genutzt werden können. Zweiwertige Ionen (Ca2+, Mg2+) sind aus den Aschesedimenten eluierbar und stehen für die Fällungsreaktion zur Verfügung. Durchschnittlich 1 Masse-% reaktives Calcium befindet sich in den Sedimenten. Die abgelagerten Aschesedimente sind dabei weniger reaktiv als frische Flugaschen aus Kohlekraftwerken (z.B. Schwarze Pumpe). In Batch-Versuchen mit Tagebaufolgesee-Wasser konnte die Säure-Pufferkapazität auf maximal 7 mmol/L erhöht werden. Sequestrierungs-Raten von 17 g CO2/kg Aschesediment wurden im Rahmen der Versuche erreicht. Im Vergleich dazu betrugen die Sequestrierungs-Raten in Versuchen mit frischen Flugaschen bis 33 g CO2/kg Asche (Schipek and Merkel, 2008b, Schipek and Merkel, 2008a, Schipek, 2009). Auf Grundlage dieser Laborergebnisse wurde ein Feldversuch im Tagebaufolgesee Burghammer geplant. Während diesem wurden Gasinjektionslanzen bis in eine Sedimenttiefe von 12 m im abgelagerten Aschesediment installiert. Gasförmiges CO2 wurde mit einem durchschnittlichen Druck von 2.2 bar und 2.2 m³/h für eine Dauer von 3 Monaten injiziert. Während dieser Zeit fand ein kontinuierliches Monitoring des Seewassers im Bereich der Injektion statt. Veränderungen des Gehaltes an TIC (total inorganic carbon) aufgrund von Diffusionprozessen von CO2-gesättigtem Porenwasser aus dem Aschekörper waren beobachtbar. Da der Feldversuch nur in einem begrenzten Bereich des Tagebaufolgesees Burghammer stattfand und keine Initialneutralisierung vorsah, konnten keine weiteren, großmaßstäblichen Veränderungen im Wasserkörper festgestellt werden. Bohrkernentnahmen im Umfeld des Behandlungsgebietes lieferten Aussagen bezüglich der mineralogischen und geochemischen Beschaffenheit vor und nach CO2-Injektion. Im Porenwasser wurde keine Spurenmetall-(re)-mobilisierung durch die Behandlung mit CO2 festgestellt. Nahezu alle Elemente zeigten einen abnehmenden Trend durch die Behandlung mit CO2, bzw. keine signifikanten Veränderungen. Modellierte Sättigungsindizes für Calcit wiesen auf Gleichgewichtsbedingungen oder leichte Übersättigung bzgl. Calcit hin (SICalcit, Mittelwert +0.12; SICalcit, Median +0.31). Geochemische und mineralogische Untersuchungen zeigten, daß CO2-Sequestrierung mit einer durchschnittlichen Fällungsrate von 0.5 Masse-% (2.2 g CO2/kg Aschesediment) erreicht wurde. Die maximale Fällungsrate wurde mit 7.4 Masse-% Calcit bestimmt, dies entspricht einer Festlegung von 32.6 g CO2/ kg Aschesediment. Neben der Nutzung der abgelagerten Aschesedimente zur Behandlung des Tagebaufolgeseewassers wurden desweiteren Labor- und Feldversuche durchgeführt um In-Lake-Behandlungen mit industriellen Kalkprodukten zu optimieren. In Batch- und Säulenversuchen wurden verschiedene Kalkprodukte (synthetisches Marmorpulver und industrielle Produkte) getestet und untersucht. Signifikante Unterschiede auf die Reaktivität wurde bei erhöhten CO2-Partialdrücken (pCO2 > 3.8 • 10-4 bar) beobachtet. Wasserinhaltsstoffe, die typisch für AMD sind (z.B.. Mn2+, Cd2+, SO42-) zeigten einen signifikanten Einfluss auf die Calcit-Lösungskinetik. Mangankonzentrationen, wie sie in Lausitzer Tagebaufolgeseen vorkommen, zeigten – ebenso wie Cadmium - eine inhibitierende Wirkung auf die Kinetik. Im Vergleich zu Versuchen mit destilliertem Wasser wurden nur ungefähr 50 % der Calcium-Gleichgewichtskonzentration mit Cadmium als Inhibitor erreicht. Erhöhte CO2-Partialdrücke könnten genutzt werden, um die inhibitierende Wirkung von vorhanden Materialverunreinigungen und/oder Wasserinhaltsstoffen zu kompensieren. Säulenversuche zeigten, dass der mehrstufige Einsatz von Kalkprodukten die Effizienz während einer Seewasserbehandlung erhöht. Die Kombination einer Erstbehandlung mit Kalksteinmehl (bis pH 4.5), und einer Behandlungsfortsetzung mit Ca(OH)2 erwies sich als wirkungsvollste Methode. Dieses Behandlungsschema (Initialneutralisation, 6 Nachfolgebehandlungen) wurde im Tagebaufolgesee Burghammer von März 2009 – Dezember 2010 erfolgreich angewandt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in ehemaligen Bergbaurevieren die In-Lake-Behandlung von Tagebaufolgeseen eine zukunftsträchtige Methode zur Behandlung von Wasserqualitätsproblemen darstellt. Die Nutzung von gasförmigen CO2 in Kombination mit industriellen „Abfall-Produkten“ kann als nachhaltige Methode zur CO2-Sequestrierung und zur Behandlung von AMD bezeichnet werden. Der Vorteil in Bergbaurevieren liegt dabei in der Vorbeugung der Entstehung von Wasserqualitätsproblemen. Dennoch stellt diese Methode nur eine Nischenlösung aufgrund der Verfügbarkeit der alkalischen Materialien (Flugasche) dar. Die Entwicklung und Optimierung weiterführender Strategien zur In-Lake-Behandlung durch Kalkung wird zur Effizienzerhöhung beitragen. Die Nutzung von Kalksteinmehl anstelle von NaOH bzw. CaO als Neutralisationsprodukt wird Vorteile hinsichtlich ökonomischer und ökologischer Sicht (CO2-Bilanz) mit sich führen. Um die Effizienz beim Einsatz von Kalksteinmehl zu steigern, kann der Einsatz von CO2 in Betracht gezogen werden. Sobald meteorologische Parameter (Wind) und see-spezifische Merkmale (Morphologie, Strömungen, etc.) berücksichtigt werden, kann der Aufwand und die Kosten für In-Lake-Behandlungen minimiert werden.