Band 27:
Keppler, J. (1999): Modellversuche und Geländeuntersuchungen zur Kinetik der Schwermetall-Festlegung sowie zur Löslichkeit, Mobilisierung und Verlagerung von Schwermetallen in belasteten Böden.
(Model experiments and field investigations on the kinetics of heavy metal fixation as well as solubility, mobilization and movement of heavy metals in polluted soils).
252 S., 38 Abb., 50 Tab., 16,- EUR.
Zusammenfassung Band 27
Keppler, Jürgen (1999): Modellversuche und Geländeuntersuchungen zur Kinetik der Schwermetall-Festlegung sowie zur Löslichkeit, Mobilisierung und Verlagerung von Schwermetallen in belasteten Böden.
In einem Modellversuch wurden Cd, Cr, Cu, Ni, Pb und Zn in löslicher Form zu zehn unbelasteten Bodenproben unterschiedlichen Stoffbestandes dotiert und diese in einem definierten Zyklus von Befeuchtung und Trocknung 1008 Tage bei 20 °C inkubiert. Für alle zudotierten Schwermetalle (SM) konnte im Inkubationsverlauf mittels sequentieller Extraktionen nach ZEIEN & BRÜMMER (1989) eine Abnahme der Mobilität zugunsten einer zunehmenden Bildung stabilerer Bindungsformen festgestellt werden. Dabei waren das Ausmaß und die Kinetik der SM-Festlegung offenbar von physikochemischen Eigenschaften der Schwermetalle (Neigung zur Hydroxokomplexbildung, Ionenradius) sowie vom Stoffbestand der Bodenproben (insbesondere pH-Wert und Gehalt an Bindungskomponenten) abhängig. Neben einer schnellen und anschließend konstanten SM-Bindung durch Mn-Oxide (v. a. Pb, Cd, Cu) und die organische Substanz (v. a. Pb, Cu) konnten auch über den gesamten Untersuchungszeitraum andauernde Diffusionsprozesse in das Innere von Fe-Oxiden unterschiedlicher Kristallinität nachgewiesen werden (v. a. Cr, Ni, Zn).
Vergleiche mit den SM-Bindungsformen in seit vielen Jahren belasteten Böden ergaben für die Mehrzahl der Fraktionen des sequentiellen Extraktionsverfahrens eine gute Übertragbarkeit der Resultate des Modellversuches auf natürliche Verhältnisse. Es kann somit davon ausgegangen werden, daß sich die SM-Umverteilung am Ende des Modellversuches einem Gleichgewichtszustand angenähert hat. Dabei deutet das geringere Ausmaß der SM-Bindung durch kristalline Fe-Oxide in den langjährig belasteten Bodenproben aber darauf hin, daß die im Modellversuch beobachteten ausgeprägten Diffusionsprozesse in das Innere dieser Oxide wahrscheinlich durch eine geringere Löslichkeit der u. a. mit Klärschlämmen in die Böden eingetragenen Schwermetalle behindert wurden.
Für zwei durch die Ausbringung industrieller Klärschlämme belastete Standorte wurden auf Basis der Ergebnisse der sequentiellen Extraktionen sowie der Untersuchung der Bodenlösung (Bodensättigungsextrakt) Simulationsrechnungen zur bisherigen und zukünftigen Verlagerung von Cd und Zn durchgeführt. Die Vorhersage ergab für einen Zeitraum von 300 Jahren unter konstanten Aciditäts- und Sorptionsbedingungen nur eine relativ geringfügige zu erwartende Cd- und Zn-Verlagerung, während ein Szenario zunehmender Bodenversauerung zur Prognose einer beinahe vollständigen Abreicherung dieser Schwermetalle aus den stark belasteten Oberböden und einer damit einhergehenden deutlichen Tiefenverlagerung führte.
Summary Band 27
Keppler, Jürgen: Model experiments and field investigations on the kinetics of heavy metal fixation as well as solubility, mobilization and movement of heavy metals in polluted soils.
In a model experiment, soluble salts of Cd, Cr, Cu, Ni, Pb and Zn were added to 10 unpolluted soil samples with different properties. The samples were incubated for 1008 days at a temperature of 20 °C, running a defined cycle of drying and wetting. Sequential extractions according to ZEIEN & BRÜMMER (1989) showed that during this incubation period, the mobility of all added heavy metals decreased in the soil samples. The extent and kinetics of the formation of more stable binding forms obviously depended on the chemical properties of the soil samples (particularly pH value and content of sorbents) and the chemical and physical properties of the heavy metals (especially affinity to form hydroxy complexes and ion radius). Most of the sorption of heavy metals by Mn oxides (mainly for Pb, Cd, Cu) as well as by organic matter (mainly for Pb, Cu) took place during the first day after spiking the soil samples. The proportion of these binding forms was rather constant during the further incubation. In contrast, long-term diffusion processes to the inner surfaces of iron oxides were observed (mainly for Cr, Ni and Zn).
A comparison with heavy metal binding forms in soils which had received high heavy metal inputs for many years confirmed most of the results of the model experiment with respect to heavy metal partitioning. Thus, it can be assumed, that the redistribution of heavy metals at the end of the model experiment has approached to an equilibrium. Nevertheless, the proportions of heavy metals occluded in well crystalline Fe oxides were lower in the field soils than in the soil samples at the end of the model experiment. Obviously, processes like adsorption on outer surfaces and diffusion into well crystalline Fe oxides - which were observed in the model experiment – were of less importance in the field soils because of a lower heavy metal solubility for example in the applied sewage sludge.
Based on the results of the sequential extractions and on investigations of the soil solutions (paste saturation extracts), computer simulations were conducted in order to predict the future movement of Cd and Zn in two soils which had been polluted by the amendment of industrial sewage sludge. Assuming constant acidity and sorption conditions, the expected movement of Cd and Zn on these sites is insignificant during the next 300 years. In contrast, a scenario of increasing soil acidification led to an almost complete movement of Cd and Zn from the polluted surface horizons into the subsurface horizons.