Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2601
Main Title: Schwermetallbelastung der Böden und Sickerwasserkonzentrationen entlang der AVUS Berlin (BAB 115) - Immobilisierungsversuche mit Kalk -
Translated Title: Heavy metal pollution of soils and seepage water concentrations along the AVUS Berlin (BAB 115) - immobilization with lime -
Author(s): Kluge, Björn
Advisor(s): Wessolek, Gerd
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: An stark befahrenen Straßenstandorten mit sandigen Böden und niedrigen pH-Werten kann es zu hohen Schwermetallkonzentrationen und -frachten im Bodensickerwasser kommen, die eine potenzielle Belastung für das Grundwasser darstellen. Zur Einschätzung dieser Belastungsquelle wurde am ältesten Autobahnabschnitts Europas, der BAB A115 (AVUS, Berlin) eine großflächige Bodenkartierung durchgeführt, Schwermetallgehalte der Straßenrandböden bestimmt, Sickerwasserbeprobungen mittels Saugsonden und Lysimetern durchgeführt und Straßenabflüsse analysiert. Im Sinne einer Gefahrenabwehr gegenüber stark erhöhten Schwermetallkonzentrationen im Sickerwasser wurde die Wirkung einer Kalkungsmaßnahme zur Immobilisierung von Schwermetallen im Straßenrandbereich im Labor sowie in Freilandversuchen untersucht. Mit Hilfe eines numerischen Simulationsmodells wurde die Verlagerung der Schwermetalle Cd, Zn und Pb über einen Zeitraum von 100 Jahren mit und ohne Kalkungsmaßnahmen sowie für einen Autobahnneubau, bzw. eine -erweiterung prognostiziert. Die inzwischen fast neunzigjährige Nutzungsgeschichte der AVUS Berlin hat die Böden des Straßenrandbereiches stark verändert. Dies äußert sich sowohl in den starken Veränderungen der Bodenprofile durch Einträge von Fremdmaterialien, als auch in erhöhten pH-Werten und Schwermetallgehalten gegenüber straßenfernen Standorten. Der Eintrag von basischen Stäuben aus dem Straßenverkehr führte zu flächenhaften pH-Wert Erhöhungen bis in den Bereich pH 7-8 innerhalb der ersten 5 Meter. Im Bereich bis 10m vom Straßenrand wurden für Zn Feststoffgehalte von 8 bis 1070 mg/kg, für Pb von 4 bis 475 mg/kg, für Cu von 5 bis 4480 mg/kg, für Cd von 1 bis 6 mg/kg, für Cr von 12,5 bis 43 mg/kg und für Ni von 6 bis 27 mg/kg gemessen. In den meisten Fällen führt die Akkumulation zu einer bis zu 10 fachen Überschreitung der Vorsorgewerte der BBodSchV bei allen untersuchten Elementen mit Ausnahme von Ni und Cr. Bei den Sickerwasserkonzentrationen in fünfzig Zentimetern Tiefe wurden dagegen nur vereinzelt Überschreitungen der Prüfwerte der BBodSchV für Zn und Cu im Bereich 2,5-10m vom Fahrbahnrand festgestellt. Eine Gegenüberstellung der Sickerwasserkonzentrationen an der A115 mit denen des Referenzstandortes in 800 m Entfernung zeigt weiterhin, dass die Cu-, Zn- und Cd-Konzentrationen trotz der stark erhöhten Bodenfeststoffgehalte in einem ähnlichen Konzentrationsbereich liegen. Höhere Sickerwasserkonzentrationen deuten sich bei den Bodenlysimetern im Abstand von 1 m - 2,5 m Entfernung vom Fahrbahnrand an. Hier wurden bis zu 6fache Überschreitungen der Prüfwerte der BBodSchV für Zn, Pb, Cu und Cr in 1m, für Cu und Pb auch in 2,5 m gemessen. Die Schwermetallkonzentrationen im Straßenabfluss an der A115 liegen in einem ähnlichen Bereich wie die Abflusskonzentrationen an anderen Autobahnen. Sehr hohe Konzentrationen treten allerdings bei Chrom und Zink auf. Die durchgeführten Kalk-Batchversuche bestätigen den Einfluss einer pH-Wert Erhöhung auf die Reduzierung der Sickerwasserkonzentrationen. Alle Kalkzugaben führten zu einer signifikanten Verminderung der Schwermetalle Ni, Blei, Cr, Zn und Cd im Sättigungsextrakt. Dagegen kam es sowohl bei den Bodensättigungsextrakten und Adsorptionsisothermen als auch bei der Elution mit Wasser (S4-Elution) der Säulenproben zu einem Anstieg der Kupferkonzentrationen bei den Kalkungsvarianten mit Ca(OH)2. Im Freiland erhöhte sich der pH-Wert durch die Kalkung innerhalb des Messzeitraumes bis in eine Tiefe von 10 cm. Bei dem Vergleich der mittleren Schwermetall-konzentrationen im Sickerwasser dieser Tiefe wurden bei der Kalkparzelle keine signifikanten Veränderungen gegenüber der Kontrolle festgestellt. Die modellierten Szenarien der Schwermetallverlagerung mit dem Sickerwasser an der AVUS (A115) über einen Zeitraum von 100 Jahren, prognostizieren aufgrund der hohen Bodenfeststoffgehalte, hohe Lösungskonzentrationen in den obersten Zentimetern. Am Ende der angenommenen Tiefe (1m) treten während des gesamten Zeitraumes hingegen nur geringe Lösungskonzentrationen auf, die alle weit unterhalb der Prüfwerte der BBodSchV für den Wirkungspfad Boden-Grundwasser liegen. Unter den gegebenen Bedingungen ist am vorliegenden Standort zu keinem Zeitpunkt mit einer Gefährdung des Grundwassers über den Eintrag von Schwermetallen durch perkolierendes Sickerwasser zu rechnen. Für den beprobten Standort wird daher kein unmittelbarer Handlungsbedarf für die Durchführung einer Kalkung zur Immobilisierung von Schwermetallen gesehen. Handlungsbedarf könnte sich dagegen bei einem Autobahnneubau bzw. bei einer Erweiterung eines älteren Streckenabschnitts ergeben. Dies verdeutlichen die prognostizierten Sickerwasserkonzentrationen für einen sandigen Standorts mit niedrigem pH-Wert und geringen Corg-Gehalten.
Transport emissions on busy roads and highways could cause increased pollution and accumulation of heavy metals in roadside soils. Low pH values and small sorption capacity of these soils can lead to significant heavy metal concentrations in water seepage, which could cause groundwater pollution. For this purpose a monitoring program was carried out along the edge of Europe’s oldest highway, the “AVUS-Highway” (A115) near the centre of Berlin, Germany. Soil samples of roadside soils at different distances and depths were collected and analyzed to study soil contamination of the heavy metals Pb, Cu, Cd, Zn, Ni, Cr. Soil solutions at different depths were collected by soil lysimeters and suction cups over a period of about 12 months. Rainwater run-off was also collected and analyzed. In terms of prevention of high heavy metal concentration in water seepage, a liming of a polluted roadside soil was realized in laboratory and field conditions in order to determine the influence of soil solution concentrations. Long-term predictions for the leachate concentrations of metals Cd, Pb and Zn for the AVUS site with and without liming treatments were carried out using a numerical model. The almost ninety-year history of AVUS-Highway has significantly changed the roadside soils. This is reflected both 1) in changes in soil profiles by entries of foreign materials, as well as 2) higher pH values and heavy metal contents compared with soils without influence of traffic emissions. Because of alkaline dust depositions from the road surface and traffic depositions, the soil pH (CaCl2) was observed at a range of 7-8 within the first 5 meters. The concentration of the heavy metals at the soil surface (0-30 cm) greatly increased up to a distance of 20 m. Cu was the highest in the soil and ranged from 5 to 4480 mg/kg. Zn concentrations ranged from 8 to 1070 mg/kg, Pb from 4 to 475 mg/kg, Cr from 12.5 to 43 mg/kg, Ni from 6 to 27 mg/kg and Cd from 0.7 to 6 mg/kg. In most cases this leads to an excess of up to 10 times more than the precautionary value of the German Federal Soil Protection and Contamination Ordinance (BBodSchV) for heavy metal concentration in soil for all investigated metals, except Ni and Cr. In contrast to these exceedings, only the concentrations of Zn and Cu exceeded the trigger values for leachate concentrations of the BBodSchV. A comparison of the leachate concentrations from the AVUS site with those of the reference site (distance 800m from the roadside) shows that concentrations of Cu, Zn and Cd are in a very similarly range, despite very high heavy metal contents. Substantially higher concentrations were measured in soil-lysimeters at a 1-2.5 m distance from the roadside, demonstrating an excess of trigger values of the BBodSchV up to six fold for Zn, Cu and Cr at 1m. In addition, the metals Cu and Pb exceeded the trigger values at a 2.5 m distance from the highway. Heavy metal concentrations in rainwater run-off at the AVUS are high but in the same range as those found in other studies. Very high concentrations of metals Cr and Zn were also measured. The Lime-batch experiments confirm that the influence of pH increases the reduction of leachate concentrations. The concentrations of all soils treated with lime showed a substantial reduction of the heavy metals Ni, Pb, Cr, Zn and Cd leachate concentrations. By contrast, an increase of Cu concentrations by liming was observed in both soil saturation extracts and sorption isotherms as well as in water elution of column samples. The liming of the soil columns resulted in an increase of soil pH up to a depth of 10 cm. Effects of liming on heavy metal concentrations in leachate were not detected. On the other hand, water elution of column samples after liming showed a significant reduction of heavy metals at the water soluble fraction. The field monitoring showed that liming leads to an increase of soil pH to a depth of up to 10 cm. In comparison with the control plot no differences in heavy metal concentration in leachate were found within the period of measurement. Due to high heavy metal concentrations at the soil surface, high solution concentrations of heavy metals are predicted for a time-period of 100 years within the upper centimetres of soil profile by using a numerical model. At the end of the assumed depth (1m) the leachate concentrations were low and above the trigger values of the BBodSchV. With regard to the present site conditions, despite low pH and low humus content, the leachate concentrations at the AVUS-Highway does not lead to a groundwater pollution by water seepage. A risk could result in the construction of a new highway or extension of an old highway. This is showed by the high leachate concentrations of a scenario for a sandy site with low pH and low organic C content for the first years of use.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-28029
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2898
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2601
Exam Date: 8-Jul-2010
Issue Date: 22-Oct-2010
Date Available: 22-Oct-2010
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): Autobahn
Saugkerzen
Schwermetalle
Sickerwasserkonzentrationen
Straßenrandböden
Heavy metals
Highway
Roadside soils
Run off
Seepage water concentration
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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