Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4160
Main Title: Biochar as a soil amendment for the immobilization of copper, zinc, cadmium and lead on former sewage fields
Translated Title: Biokohle als Bodenzuschlagsstoff zur Immobilisierung von Kupfer, Zink, Cadmium und Blei auf ehemaligen Rieselfeldböden
Author(s): Wagner, Anne
Advisor(s): Kaupenjohann, Martin
Referee(s): Kaupenjohann, Martin
Siemens, Jan
Steffens, Diedrich
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Mobilisierung von Schwermetallen auf anthropogen belasteten Standorten, wie beispielsweise ehemaligen Rieselfedern, stellt ein Risiko für die Umwelt und die menschenliche Gesundheit dar. Ziel dieser Arbeit war es, die Eignung von pyrolytisch und hydrothermal hergestellter Biokohle (Pyrochar und Hydrochar) für die in situ Immobilisierung zu testen. Die Immobilisierung von Schwermetallen wurde in einer Kombination aus Topf- und Feldversuchen untersucht, wobei das Pflanzenwachstum, die Aufnahme von Schwermetallen in die Pflanzen, die Konzentrationen der Schwermetalle in der Bodenlösung und ihre Speziierung sowie die Auswaschungsraten mit dem Sickerwasser bei Zugabe von 0, 1, 2,5 and 5% (g 100 g -1 ) Biokohle bestimmt wurden. In den Topfversuchen reduzierte die Zugabe von Hydrochar die Biomasseproduktion und hatte keinen Einfluss auf die Schwermetallmobilität. Die negativen Effekte auf das Pflanzenwachstum sind vermutlich auf eine reduzierte N-Verfügbarkeit zurückzuführen, aber auch toxische Effekte können nicht ausgeschlossen werden. Daher wurde der Effekt von Hydrocharzugabe nicht weiter im Feld untersucht. Sowohl in dem Topf- als auch in dem Feldversuch steigerte Pyrocharzugabe die Biomasseproduktion und reduzierte die Zn- und Cd-Konzentrationen in den Pflanzen. In den Topfversuchen war in der durch 0,45 μm Membranfilter filtrierten Bödenlösung jedoch keine Reduktion oder sogar eine Zunahme der Zn- und Cd-Gesamtkonzentrationen festzustellen, was auf das Vorhandensein von nicht-pflanzenverfügbaren Zn und Cd Spezies schließen lässt. Thermodynamische Gleichgewichtsberechnungen lassen eine Ausfällung von Zinkphosphatmineralen durch eine Erhöhung des pH-Wertes und der P-Konzentrationen aber keine Bildung von Cd-Mineralphasen vermuten. In Übereinstimmung mit diesen Berechnungen war der kolloidale Anteil, bestimmt durch den Vergleich von filtrierten und ultrazentrifugierten Proben für Zink hoch und für Cd gering. Die Analyse der Zentrifugenrückstände mit der Elektronenstrahlmikrosonde unterstützt die Annahme einer Ausfällung von Zn-Phosphatmineralen, da beide Elemente an der gleichen Stelle hohe Konzentrationen aufwiesen. In den Bodenlösungen des Feldversuchs sanken die Zn- und auch die Cd- Konzentrationen, da Kolloide mit den eingesetzten Saugplatten nicht erfasst wurden. Die kumulativen Auswaschungsraten von Zn und Cd, bestimmt mit Ionenaustauscherharzboxen (SIAs), nahmen ebenfalls ab. Dies ist auf eine Reduzierung der Bodenlösungskonzentrationen und eine gesteigerte Wasserspeicherkapazität und damit einhergehende Verringerung der Sickerwassermenge, die durch die Pyrocharzugabe erreicht wurde, zurückzuführen. Allerdings war die Reduzierung der kumulativen Auswaschungsraten geringer als auf Basis der Bodenlösungskonzentrationen und der geringeren Sickerwassermenge zu erwarten gewesen wäre. Ein vermehrter colloidaler Transport mit Zugabe von Pyrochar, der mit den eingesetzen SIAs, nicht aber mit den Saugplatten erfasst wurde, könnte dieses Ergebnis erklären. In den Topf- und den Feldexperimenten blieben die Cu-Konzentrationen in den Pflanzen nach Zugabe von Pyrochar konstant oder stiegen sogar an. In der Bodenlösung stiegen die Cu- und auch die Pb-Konzentrationen ebenfalls an. Die Ergebnisse des Topfversuchs legen für Kupfer einen Transport nur in gelöster Form nahe und für Pb die Bildung von Bleiphosphaten und einen kolloidalen Transport, der auch im Feldversuch einen beträchtlichen Anteil der ausgewaschenen kumulativen Fracht auszumachen scheint. Korrelationen der Cu- und Pb- mit den DOC-Konzentrationen in den Topf- und den Feldversuchen legen eine Mobilisierung durch organische Komplexierung nahe. Diese Mobilisierung könnte nur ein vorübergehener Effekt sein, da die DOC-, Cu- und Pb-Konzentrationen im Lauf des Feldversuchs abnahmen. Trotz höherer Pb- und Cu-Konzentrationen in der Bodenlösung bei Zugabe von Pyrochar blieben die Auswaschungsraten konstant, was auf die erhöhte Wasserspeicherkapazität und die reduzierte Sickerwasserrate zurückzuführen ist. Der Einsatz von Pyrochar als Bodenadditiv zeigt ein Potential für die Verringerung der Schwermetallmobilität und -verfügbarkeit vor allem für Zn und Cd auf ehemaligen Rieselfeldböden. Zusätzliche Vorteile ergeben sich aus einer gesteigerten Wasserspeicherkapazität und damit reduzierter Sickerwasserraten, die eine eventuell kurzfristige Mobilisierung von Pb und Cu kompensiert. Weitere Forschungen sollten eine potentielle Remobilisierung von Zn und Cd nach Erschöpfung der Pufferkapazität der in der Biokohle enthaltenen Asche und den damit verbundenen sinkenden pH-Werten berücksichtigen. Darüber hinaus sollte die langfristige Mobilität organischer Schwermetallkomplexe und der Kolloide genauer untersucht werden.
The mobilization of heavy metals from anthropogenically contaminated sites such as sewage fields poses a risk to the environment and human health in many regions of the world. The objective of this study was to assess the suitability of pyrolytically and hydrothermally produced biochars (pyrochar and hydrochar) as soil additives for in situ immobilization of metals. The immobilizing effect was investigated in a combination of pot and field experiments in which plant growth, metal uptake by plants, concentrations of metals in the soil solution and their speciation as well as leaching losses with drainage water were determined after addition of 0, 1, 2.5 and 5% (g 100 g -1 ) biochar to sewage field soil. In the pot experiments, addition of hydrochar reduced biomass production and had no effect on metal mobility. The negative effect on biomass yields may be attributable to decreased N availability but toxic effects cannot be excluded. Therefore, the effect of hydrochar was not further studied in the field experiments. In both the pot and field experiments, pyrochar addition increased biomass production and reduced concentrations of Zn and Cd in plant biomass. In the pot experiments, however, total Zn and Cd concentrations were not reduced or even increased in the 0.45 μm-membrane-filtered soil solution indicating the presence of non-plant-available Zn and Cd species. Thermodynamic modelling of chemical equilibria suggests the precipitation of Zn phosphates as a result of increasing pH and P concentrations with increasing pyrochar addition but does not indicate the formation of Cd mineral phases. The colloidal proportion of Zn determined by comparison of filtered and ultra-centrifuged samples of the soil solutions was high and the proportion of colloidal Cd was low which is in accordance with modelling calculations. Microprobe analysis of centrifugation residues supports the assumption of Zn phosphate precipitation since high concentrations of both elements were localized at the same site. In the field experiments, Zn and Cd concentrations in the soil solution decreased since colloids were excluded by the suction plates used for sampling. The cumulative leaching fluxes of Zn and Cd detected with ion exchange resins (SIAs) decreased as well. This is attributable to reduced concentrations in the soil solution and an increased water-holding capacity and thus reduced drainage caused by pyrochar addition. However, the reduction of the cumulative leaching fluxes was lower than expected on the basis of soil solution concentrations and reduced drainage. An enhanced colloidal transport with pyrochar addition recorded with the SIAs but not with the suction plates may explain this finding. In the pot and in the field experiments, Cu concentrations in plants remained constant or even increased after pyrochar addition. Copper and also Pb concentrations in the soil solutions increased as well. The results of the pot experiments suggest transport of Cu in the dissolved fraction only and for Pb, the formation of Pb phosphates and a colloidal transport which seems to account for a considerable proportion of the cumulative leaching fluxes determined with the SIAs also in the field experiments. Correlations of Cu and Pb with DOC concentrations in the pot and in the field experiments suggest mobilization by organic complexation. This mobilization might be a transient phenomenon since DOC, Cu and Pb concentrations in the soil solution decreased in the course of the field experiments. Despite the higher Pb and Cu concentrations with pyrochar addition, the cumulative leaching fluxes remained constant due to an increased water-holding capacity and therefore reduced drainage. The use of pyrochars as soil amendments on former sewage field soils has the potential to reduce the mobility and availability of heavy metals, in particular Zn and Cd. Additional benefits may be an increased water-holding capacity and reduced cumulative leaching fluxes which compensate the possibly short-term mobilization of Cu and Pb. Further research should address the potential re-mobilization of Zn and Cd after exhaustion of the buffer capacity of the ash contained in the pyrochar and the related decrease in soil pH as well as the long-term mobility of colloids and organic-metal complexes.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-55981
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4457
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4160
Exam Date: 22-Apr-2014
Issue Date: 22-Aug-2014
Date Available: 22-Aug-2014
DDC Class: 500 Naturwissenschaften
Subject(s): Biokohle
Bodenverbesserung
Immobilisierung
Schwermetalle
Biochar
Metal immobilization
Soil amendment
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