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Einflussfaktoren auf die Bindung und Mobilität organischer und anorganischer Stoffe in kontaminierten Rieselfeldböden
Savric, Irena
Zusammenfassung Ende des 19. Jahrhunderts wurden im Berliner Umland Versickerungsflächen zur Behandlung und Entsorgung städtischer Abwässer eingerichtet. Ein Jahrhundert Abwasserbehandlung hat die Böden mit einem breiten Spektrum abwasserbürtiger Stoffe belastet. Angereichert sind Bodenhumus, Salze, Nährstoffe N und P, organische Schadstoffe (z.B. AOX) und Schwermetalle (z.B. Blei und Zink). Salzbelastung, Nährstoffe und AOX sind zum Teil ins Grundwasser durchgebrochen. Zur Minimierung weiterer Grundwasserbelastungen müssen Maßnahmen ergriffen werden, die die Schadstoffausträge aus den Böden verlangsamen. Die vorliegende Arbeit hatte das Ziel, den Wissensstand in Bezug auf Einflussfaktoren, die die Mobilität und Bindung von Schadstoffen im Boden steuern, zu erweitern. In zwei kleintechnischen Säulenversuchsanlagen wurden folgende Einflussfaktoren untersucht: pH-Wert, Ionenstärke, mikrobieller Abbau von Bodenhumus, versickerte Wassermenge (Starkregen oder Bewässerung), Qualität des versickerten Wassers und periodisches Austrocknen des Bodens. Untersucht wurde das Verhalten der Parameter DOC, AOX, Zn, Ni und AOX in den Böden zweier Rieselfelder: Das stark destabilisierte und versauerte Feld Buch-Hobrechtsfelde (Buch) und das relativ stabile Feld Karolinenhöhe (Gatow). Der pH-Wert hat sich als wesentlicher Einflussfaktor für das Verhalten der untersuchten Schadstoffe herausgestellt. Er übt einen gegenläufigen Einfluss auf organische Schad-stoffe und Schwermetalle aus. Schwach alkalische pH-Werte begünstigen die Schwermetallfestlegung, fördern jedoch die Mobilität organischer Substanzen und Schadstoffe. Für saure pH-Werte gilt der umgekehrte Zusammenhang. Saure Böden haben daher ein höheres Sorptionspotential für organische Schadstoffe und ein geringeres für Schwermetalle als neutrale oder schwach alkalische Böden. Der Boden-pH-Wert ist also nicht für alle Schadstoffkomponenten optimierbar. Hohe Ionenstärken begünstigen die Sorption organischer Stoffe und fördern die Mobilität von Schwermetallen. Der Bodenhumus ist wichtigstes Sorbens in den untersuchten Sandböden. Mikrobieller Humusabbau bewirkt in dem neutralen Boden des Standortes Gatow offenbar eine Mobilisierung von DOM und AOX. Auf die Mobilisierung von Schwermetallen in beiden Böden und AOX im sauren Boden des Standortes Buch wird kein Einfluss gefunden. Zur genauen Untersuchung des mikrobiellen Einflusses, muss die rein physikalische Desorption bestimmt werden. Diese konnte mangels geeigneter Untersuchungskonzepte nicht ermittelt werden. Versuche mit sterilem Boden waren nicht erfolgreich. Hohe Versickerungsmengen (Starkregen oder Bewässerung) haben starke hydraulische Auswaschungen aller betrachteten Parameter zur Folge. Die geringen Aufenthaltszeiten des Wassers im Boden unterbinden mikrobielle Abbauvorgänge. Geringe Versickerungsmengen und damit lange Aufenthaltszeiten führen zu geringeren Freisetzungsraten. Organische Komponenten werden durch mikrobielle Metabolisierung bzw. die Möglichkeit einer erneuten Sorption zusätzlich reduziert. Auf eine starke wasserwirtschaftliche Nutzung durch Bewässe-rung sollte demnach verzichtet werden. Nach Wiederbefeuchtung ausgetrockneter Böden wird eine kurzzeitig verstärkte Auswaschung aller betrachteten Parameter (ausgenommen Phosphat) beobachtet. Ein Feuchthalten der Böden in trockenen Sommermonaten sollte daher in Erwägung gezogen werden. Zur Feuchthaltung kann Klarwasser in Betracht gezogen werden. Die Eigenbelastung des Klarwassers ist gering im Vergleich zu den bodenbürtigen Belastungen des perkolierenden Wassers. Als kritisch Einzustufen ist jedoch der Klarwasser-AOX. In dem neutralen Gatower Boden wird dieser nicht zurückgehalten und bricht annähernd vollständig durch.
Summary At the end of the 19th century sewage farms were established in the surroundings of Berlin for treatment of municipal wastewater. More than one century of wastewater irrigation resulted in the accumulation of soil organic matter, salts, nutrients (N and P), organic pollutants (e.g. AOX) and heavy metals (e.g. Pb and Zn) in the soils. A breakthrough of salt, nutrients and AOX into the groundwater has been observed. To minimize further ground water contamination suitable measures to slow down contaminant release have to be developed. The aim of this thesis is to increase the knowledge on factors influencing mobility and bonding of pollutants in the soil. In soil-column studies the influence of pH, microbial mineralization of soil organic matter, ionic strength, amount and quality of irrigation water, and periodical wetting and drying of soils on contaminant release was investigated. The behaviour of DOC, AOX, Zn and Ni in two former sewage farm soils was studied: The heavily destabilized soil from the farm Buch Hobrechtsfelde and the comparatively stable soil from Karolinenhöhe. The pH appeared to be the most important factor influencing contaminant behaviour with opposite effects on organic compounds and heavy metals. Weakly alkaline pH-values lead to better heavy metal sorption but promote the mobility of organic substances and pollutants. For acidic pH values the reverse is true. Thus at acidic pH organic contaminants are less mobile whereas heavy metals are desorbed. High ionic strength promotes sorption of organic compounds and mobility of heavy metals. Soil organic matter (SOM) is the most important sorbent in the investigated sandy soils. Microbial decomposition of SOM seems to cause mobilization of DOM (dissolved organic matter) and AOX in the neutral soil. In the acidic soil there was no effect on AOX release. Heavy metal mobilization was not influenced in either of the soils. Physical desorption has to be determined in order to quantify the microbial influence. Adequate methods for that still have to be developed. Experiments with sterilized soils failed. High infiltration rates result in high mobilization rates for all studied parameters. Short retention times repress microbial degradation processes. Low infiltration rates and high retention times lead to decreased mobilization rates. Organic compounds are further reduced due to the possibility of microbial decomposition and resorption. Rewetting of dried soils stimulates the release of all investigated compounds (except phosphate) for a few weeks. To minimize this effect, the sewage farms should be kept wet during summer. Using tertiary treated municipal wastewater for irrigation could be considered because the amount of contaminants in the tertiary treated municipal wastewater is small compared to the amounts released from the sewage farm soils. A critical parameter is the AOX. It is not adsorbed by the neutral soil from Karolinenhöhe and breaks through almost completely.
