Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4643
Main Title: Building rubble composed soils
Subtitle: Contamination status and sulfate release
Translated Title: Trümmerschuttböden
Translated Subtitle: Bodenbelastung und Sulfatfreisetzung
Author(s): Abel, Stefan
Advisor(s): Wessolek, Gerd
Referee(s): Wessolek, Gerd
Böttcher, Jürgen
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Hintergrund: Aufschüttungsböden mit Trümmerschutt können in städtischen Gebieten einen hohen Flächenanteil einnehmen. Dies trifft insbesondere auf Städte zu, die im 2.Weltkrieg stark zerstört worden sind, wie z.B. auf das Untersuchungsgebiet Berlin. Trümmerschutt kann erhöhte Gehalte an organischen und anorganischen Kontaminanten aufweisen. Da der Trümmerschutt meist ungeordnet und ohne technische Sicherungsmaßnahmen abgelagert worden ist, besteht eine potentielle Gefahr für die Umwelt und die menschliche Gesundheit. Besonders die Sulfatbelastung des Grundwassers ist auf Trümmerschutt zurückzuführen. Die folgende Arbeit beschreibt detailliert die Kontamination und die Sulfatfreisetzung von Trümmerschuttböden. Methoden: Datensätze aus zahlreichen Bodengutachten von Trümmerschutt- und natürlicher Böden wurden hinsichtlich Schwermetall- und Benzo[a]pyrengehalten ausgewertet. Weiter wurde das Sulfatfreisetzungspotential von Trümmerschuttsubstraten intensivst untersucht. Dies umfasst Messungen von Gesamtschwefel, Schwefel-Bindungsformen, sulfathaltigen Mineralien und leicht löslichen Sulfatgehalt. Darüber hinaus wurde anhand einer Lysimeterstudie das langfristige Sulfatfreisetzungspotential untersucht. Auf den Ergebnissen basierend, wurde ein numerisches Modell entwickelt, welches die Sulfatfreisetzungsdynamik beschreibt. Ergebnisse: Trümmerschuttböden weisen im Vergleich zu Böden frei von technogenen Komponenten signifikant höhere Gehalte an Schwermetallen und Benzo[a]pyren auf, die meist die Vorsorgewerte der deutschen Bodenschutzverordnung überschreiten. Trümmerschuttböden weisen darüber hinaus hohe Gehalte an Schwefel auf, welcher insbesondere in anorganischer Form wie Gips gebunden ist. Der Gehalt an Schwefel steigt mit zunehmender Beprobungstiefe. Der Gipsgehalt beträgt bis 12 g/kg, wobei der Gips sowohl in der Feinkorn- als auch in der Grobkornfraktion vorliegt. In der Lysimeterstudie zeigten sich im Sickerwasser anfänglich Sulfatkonzentrationen im Bereich der Sättigung mit Gips (1400 mg/L). Nach dem Austausch von 1.8 Porenvolumen nahm die Sulfatkonzentration relativ rasch ab und blieb über mehrere Porenvolumen im Bereich des Grenzwertes der Trinkwasserverordnung (240 mg/L). Der Konzentrationsverlauf deutet auf eine kinetisch limitierte Freisetzung, die stark von der effektiven Oberfläche des Gipses abhängig ist. Die Freisetzungsdynamik kann durch ein numerisches Modell mit Anwendung zweier Gipspools, welche unterschiedliche Oberflächen aufweisen, gut beschrieben werden. Zusammenfassung: Trümmerschuttböden weisen erhöhte Gehalte an Benzo[a]pyren und Schwermetallen auf. Es besteht jedoch kein bemerkenswerter Eintrag der Schadstoffe ins Grundwasser, was auf die alkalische Bodenreaktion zurückzuführen ist. Sulfat hingegen stellt ein großes Problem, besonders in Berlin, dar, was auf dem hohen Anteil an leichtlöslichen Gips im Trümmerschutt beruht. Es ist zu erwarten, dass aus Trümmerschuttdeponien noch über mehrere Jahrhunderte Sulfat freigesetzt wird. Um die Grundwasserressourcen zu schützen sollten hier Gegenmaßnahmen in Betracht gezogen werden.
Background: Soils in urban areas frequently exhibit appreciable amounts of building rubble. Particularly in cities which have been heavily bombed during World War II, e.g., in the study area Berlin, rubble composed soils cover vast areas. Building rubble may possess elevated contents of organic and inorganic pollutants. The disordered deposition and the omission of any protection facilities can lead thus to negative impacts on environment and human health. Particularly, high sulfate concentrations in the groundwater result from the deposition of building waste. The study assesses the contamination status and the sulfate release from building rubble composed soils. Methods: A data set from numerous soil surveys was analyzed for heavy metals and benzo[a]- pyrene contamination patterns of rubble composed soils and substrates free of any rubble. Besides, the sulfate release from rubble composed soils were intensively studied. This includes analysis of total sulfur, its binding forms, sulfate bearing minerals and readily soluble sulfate contents. Furthermore, long-term sulfate release were measured in a lysimeter study, simulating various years of groundwater recharge. Based on the results, a numerical model was developed to describe the sulfate release dynamics. Results: Building rubble composed soils contain significantly higher contents of heavy metals and benzo[a]pyrene compared to soils free of any rubble. Precautionary value of the German Soil Protection Ordinance are frequently exceeded. The rubble composed soils further constitute elevated total sulfur contents, mainly in form of inorganic sulfate minerals like gypsum. Its content is increasing with increasing sampling depth. Gypsum, existing in the fine soil and in the coarse-grained soil fraction, counts up to 12 g/kg. In the lysimeter study, the leachate from the rubble composed soil has shown initial concentrations in the range of gypsum solubility (1400 mg/L). After the percolation of 1.8 pore volume a rapid decrease occurred and the sulfate concentrations remained over the percolation of several pore volumes at a moderate level in the range of the European drinking-water threshold value (240 mg/L). The sulfate release dynamics indicate a dissolution of the gypsum strongly constrained by small effective surface areas. The sulfate release dynamics can be well described by a numerical model, in which two gypsum pools with different effective surface areas are applied. Conclusion: Rubble composed soils feature elevated contents of metals and benzo[a]pyrene. However, there is no remarkable groundwater pollution in the study area Berlin, although vast areas are covered with building rubble. This can be attributed to the alkaline characteristics, favoring the sorption of the pollutants. On the contrary, sulfate contamination of the groundwater is a severe problem. This can be associated with high contents of the readily soluble gypsum in building rubble substrates. For building rubble landfills the weathering of gypsum will thus last several centuries. Subsequent measures to protect the groundwater should therefore be considered.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-70637
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4940
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4643
Exam Date: 8-Jul-2015
Issue Date: 11-Sep-2015
Date Available: 11-Sep-2015
DDC Class: 551 Geologie, Hydrologie, Meteorologie
Subject(s): Grundwasser
Schwermetalle
Stadtboden
Sulfat
Trümmerschutt
Building rubble
Groundwater
Heavy metals
Sulfate
Urban soil
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