Bakterien holen Industriemetalle aus der Giftbrühe
Wird Kohle oder Erz gefördert, fällt Grubenwasser an, das oft wertvolle Metalle enthält. Ingenieure und Forscher entwickeln nun Techniken, diese Metalle mit Bakterien und der Einstellung des Säuregrads zurückzugewinnen.
Der Vattenfall Braunkohletagebau Nochten bei Weißwasser. Das Grubenwasser aus Nochten in der Oberlausitz bringt es auf einen pH-Wert von 4.
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Prozesswässer des Erz- und Kohleabbaus sind ein Ärgernis – und ein potenziell gesundheitsgefährdendes noch dazu. Von Metallen wie Eisen, Mangan, Zink, Kadmium, Uran und Arsen enthält die oft saure Brühe so viel, dass sie nicht in Flüsse oder Seen eingeleitet werden darf, sondern aufwendig entsorgt werden muss. Grubenwasser aus Nochten in der Oberlausitz bringt es auf einen pH-Wert von 4 und enthält rund 400 mg Eisen pro Liter – mehr als das 130-Fache des erlaubten Grenzwertes.
Vom Ärgernis zum Rohstofflieferanten
Das sächsische Ingenieurbüro G.E.O.S. will die Prozesswässer vom Ärgernis zum Rohstofflieferanten befördern. In Nochten betreibt es seit 2002 einen kleinen Reaktor, der jährlich 10 t des Minerals Schwertmannit erzeugt. Das Grubenwasser stammt aus dem Braunkohletagebau der Firma Vattenfall bei Boxberg. Hilfe gibt es von den Kleinsten. „Das Mineral gewinnen wir mit Hilfe von Bakterien“, erklärt Franz Glombitza, Projektkoordinator bei G.E.O.S.
Ohne das neue Verfahren erhöht Vattenfall zunächst den pH-Wert des Grubenwassers durch Zugabe von Kalk auf 8 und belüftet es. Sauerstoff oxidiert dabei zweiwertiges zu dreiwertigem Eisen. Dieses bildet Eisenhydroxid, das als rostbrauner Schlamm ausfällt und Schwermetalle wie Zink, Mangan, Kadmium und Arsen enthält. Dieser Schlamm wird in alte Tagebaulöcher gespült und teilweise auf Deponien entsorgt. Ein kleiner Teil wird seit 2007 abgepresst und als Absorptionsmittel für Sulfide etwa in Biogasanlagen eingesetzt.
Das Wasser kann man laut Glombitza besser nutzen. „Dreiwertiges Eisen lässt sich bei einem pH-Wert von 3 ohne andere Metalle ausfällen.“ Dazu brauche es Bakterien wie Ferrovum myxofaciens, die im sauren Milieu zweiwertiges zu dreiwertigem Eisen oxidieren. Daraus bildet sich mit dem Sulfat im Grubenwasser das schwer lösliche ockerfarbene Mineral Schwertmannit. „Es lässt sich gut entwässern und industriell einsetzen“, sagt der Chemiker.
Mineral eignet sich als Pigment
Das Mineral eigne sich als Pigment, so Glombitza. Der Farbenhersteller Wola in Bitterfeld-Wolfen versucht, es als Grundstoff für verschiedene Farben und Anstriche zu verwenden, tut sich aber bei der Vermarktung schwer. Auch die Chemieindustrie wolle an roten Eisenpigmenten verdienen. „Sie will solche Pigmente etwa in China aus Schrott herstellen, um sie dann hier zu verkaufen.“ Der Chemiker hofft aber, Baustoff- und Farbenhersteller überzeugen zu können, die Eisenpigmente einfacher und billiger aus hiesigen Minenwasser-Reaktoren zu beziehen.
G.E.O.S. ist optimistisch. Das Ingenieurbüro plant einen größeren Reaktor, der jährlich 100 t Schwertmannit herstellen kann. Doch viel mehr ist möglich. Allein beim Tagebau in Nochten fallen jedes Jahr rund 25 Mio. m³ Grubenwasser an. Daraus ließen sich laut G.E.O.S. 10 000 t des Minerals gewinnen. In allen Lausitzer Tagebauen zusammen fallen im Schnitt sogar rund 360 Mio. m³ eisenhaltige Grubenwässer jährlich an.
Doch Grubenwasser enthält mehr als nur Eisen. Kupfer, Zink, Mangan und Aluminium lassen sich ebenso mithilfe von Bakterien isolieren. „Wir haben Grubenwasser aus einem Tagebau in Schweden untersucht“, sagt Sabrina Hedrich von der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) in Hannover. Den Prozess, die einzelnen Metalle stufenweise voneinander zu trennen, erarbeitete die Mikrobiologin zuvor im „Bangor Acidophile Research Team“ der Bangor Universität im Nordwesten von Wales.
Das Bergbauunternehmen Boliden baut in Maurliden in Nordschweden seit 2000 Kupfer und Zink ab. Wird das Gestein zerkleinert, kommen die Mineralien mit Sauerstoff und Wasser in Berührung. Das erlaubt es im Erz lebenden Bakterien, die Mineralien aufzulösen. „Das Grubenwasser enthält rund 1,5 g Wertmetall pro Liter“, sagt Hedrich. Fast 0,5 g davon sind Zink, gut 400 mg Eisen. Hinzu kommen rund 130 mg Aluminium, fast 50 mg Mangan, knapp 8 mg Kupfer und jeweils 1 g der giftigen Metalle Arsen und Kadmium. Die im Gestein lebenden Bakterien oxidieren zudem Schwefel in Sulfidverbindungen. Die dabei entstehende Schwefelsäure senkt den pH-Wert des Grubenwassers auf etwa 2,3.
Grubenwasser muss zunächst von Arsen befreit werden
Um jetzt die wertvollen Metalle zu gewinnen, nutzt die Mikrobiologin zwei Arten säureliebender Bakterien: Die erste oxidiert Eisen und benötigt Sauerstoff, die zweite reduziert unter Ausschluss von Sauerstoff das Schwefelatom im Sulfat.
Doch bevor die Aufarbeitung beginnt, muss das Grubenwasser von Arsen befreit werden. „Ansonsten fällt es später mit anderen Metallen aus und verunreinigt diese Produkte“, so Hedrich. Sie gibt dem Wasser geringe Mengen an unlöslichem Schwertmannit hinzu. Arsen absorbiert daran und lässt sich abfiltrieren.
Hedrich leitet das arsenfreie Grubenwasser nun in einen Bioreaktor, in dem Ferrovum-myxofaciens-Bakterien leben. Diese wandeln – wie ihre Gesellen in Nochten – zweiwertiges in dreiwertiges Eisen um. In einem zweiten Gefäß gibt sie ein wenig Natronlauge hinzu. Dabei steigt der pH-Wert auf 3 und Schwertmannit fällt aus und wird abfiltriert.
Um Kupfer abzutrennen, wird das Wasser zusammen mit Schwefelwasserstoff (H2S) in eine Gaswaschflasche geleitet. Das Gas bildet sich, wenn andere Bakterien in einem Extra-Reaktor den Schwefel im Sulfat reduzieren. In der Waschflasche bilden Kupfer wie Kadmium mit H2S jeweils ein unlösliches Sulfid. Beide Verbindungen fallen aus und können danach chemisch voneinander getrennt werden.
Große Mengen Wertmetalle könnten ohne die Technik verloren gehen
Dann folgt Zink. Hedrich leitet das Grubenwasser in den Extra-Reaktor und stellt den pH-Wert auf 4 ein. Jetzt fällt Zinksulfid aus. Steigt der Säuregrad weiter auf einen Wert von 5, folgt Aluminium. Anschließend lässt sich Mangan mithilfe Mangan-oxidierender Bakterien bei einem pH-Wert von 6 als Mangandioxid abtrennen.
Die Ausbeute des Prozesses ist laut Hedrich enorm. Aus 10 m³ Grubenwasser lassen sich etwa 100 g Kupfersulfid (also rund 50 g Kupfer) und viele kg Schwertmannit und Zinksulfid gewinnen. Die Mikrobiologin freut es, dass Boliden zumindest überlegt, die 400 000 m³ Grubenwasser, die jährlich in Maurliden anfallen, teilweise als Rohstoffquelle zu nutzen. „Ansonsten gehen große Mengen an Wertmetallen in Grubenwasser verloren.“
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