Mobility and Mobilisation of heavy metals and PAHs in partially water repellent urban soils
Matranga, Marisa
Benetzungshemmung ist eine zentrale Steuergröße für den bevorzugten Wasser- und Stofftransport im Boden. Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss der Benetzungshemmung auf die Stoff- und Wasserflüsse in einem schadstoffbelasteten ehemaligen Rieselfeld. Des Weiteren untersucht diese Arbeit den Einfluss der Benetzungshemmung auf das Mobilisierungspotential von Schwermetallen und PAHs im Dispergierungsversuch. Wir überprüften, ob der bevorzugte Fluss das Risiko einer Grundwasserbelastung senkt, da benetzungsgehemmte Bodenpartien umflossen werden, oder erhöht, da hydraulische Scherkräfte in präferentiellen Fließwegen eine Mobilisierung von kolloid-gebundenen Schadstoffen bewirken können (1). Darüber hinaus gehen wir davon aus, dass benetzungsgehemmte Bodenpartien reaktionsträge sind und daher weniger als Schadstoffquelle fungieren als benetzbare Bereiche (2). Des Weiteren nehmen wir an, dass die Ausbildung einer zeitlich stabiler Benetzungshemmung die Bildung und Stabilität der Fließwege (3) und damit die Sammeleffizienz von Platten-Lysimetern beeinflusst (4) Die erste Hypothese wurde getestet, indem der langfristige und räumliche Verlauf der Stoffflüsse im Sickerwasser mittels freidränenden Lysimetern und Dochtlysimetern analysiert wurde und physikalisch-chemische Faktoren identifiziert wurden, die die Mobilität von gelösten und kolloid-gebundenen Schadstoffen im Boden kontrollieren (1). Die zweite Hypothese wurde getestet, indem die Auswirkungen der Boden-Hydrophobizität auf das Mobilisierungspotenzial von Schadstoffen im Labor-Dispergierungsversuch ermittelt wurden (2). Der Einfluss der Bodenfeuchte auf die Bildung und Stabilität der Fließwege wurde anhand eines Farbtracer - Experimentes bewertet (3). Schließlich wurde die Sammeleffizienz der Dochtlysimeter und freidränenden Lysimeter unter natürlichen Niederschlagbedingungen und unter unterschiedlichen anfänglichen Bodenfeuchtebedingungen bestimmt (4). Die Ergebnisse der Lysimeterstudie zeigen, dass die jährlichen Schadstofffrachten in den Sickerwasserlösungen positiv mit den mittleren Lysimeter-Sammeleffizienzen korreliert waren. Die Schadstoffkonzentrationen waren hingegen nicht von der Sammeleffizienz abhängig. Dies deutet darauf hin, dass die Schadstofffrachten von der durchflossenen Querschnittsfläche abhängig sind. Unsere Ergebnisse bestätigen somit, dass zeitlich stabile präferenzielle Fließwege die Schadstofffrachten verringern, da das Sickerwasser einen großen Teil der schadstoffbelastet Bodenmatrix umfließt. Des Weiteren trugen hydraulische Scherkräfte in präferenziellen Fließwegen nicht zu einem erhöhten kolloid-gebundenen Stofftransport bei. Es wurde ferner gezeigt, dass die Mobilität der Zn, Ni und Cd positiv von der elektrischen Leitfähigkeit des Sickerwassers abhängig war. Gelöster organischer Kohlenstoff (DOC) trug wesentlich zur Mobilität von Cu und teilweise zur Mobilität von Cr bei. Aufgrund der hohen Sorptionsaffinität zur organischen Substanz wurde kein Pb und fast keine PAKs aus den organisch reichen und sauren Oberböden mobilisiert (1). Die Ergebnisse der Dispergierungsexperimente deuten darauf hin, dass die hydrophoben organischen Kolloide in den benetzungsgehemmten Bodenproben physikalisch-chemisch reaktionsträge waren und Benetzungshemmung die Aggregation der hydrophoben organischen Kolloide fördert. Es zeigte sich, dass das Mobilisierungspotential der hochmolekularen PAKs (5-6 Ringe) und des kolloid-gebundenen Cu in den benetzbaren Bodenproben höher war als in den angrenzenden benetzungsgehemmten Bodenproben. Eine Erhöhung der gelösten DOC und Cu Konzentration in den benetzungsgehemmten Bodenproben deutet darauf hin, dass Lyse von mikrobiellen Zellen stattfand, wodurch die Mobilität von Cu-DOC erhöht wurde (2). Die Ergebnisse des Farbtracer-Experimentes zeigen, dass unabhängig von dem anfänglichen Bodenfeuchtezustand präferentieller Fluss stattfand. Dennoch war die Wasserfluss-Querschnittsfläche unter anfänglichen feuchten Bedingungen signifikant höher als unter anfänglichen trockenen Bedingungen. Ferner zeigen die Ergebnisse dass die präferentiellen Fließwege in den benetzungsgehemmten, sandigen Böden bei hohen Niederschlagintensitäten stabil blieben (3). Schließlich deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass der anfängliche Bodenfeuchtezustand den hydraulischen Gradienten in präferenziellen Fließwegen steuerte und somit die Funktionsweise von freidränenden Lysimetern bestimmte, während die Funktionsweise der Dochtlysimeter unabhängig von anfänglichen Bodenfeuchtezustand war. Die nahezu konstante relative Sammel-Effizienz der verschiedenen Dochtlysimeter während einzelner Perioden zeigt, dass präferenzielle Fließwegemuster in unserem Untersuchungsgebiet saisonal persistent waren (4).
Water repellency has been found to be a crucial parameter in controlling preferential transport of water and solutes in the soil. This thesis investigates the impact of water repellency on solute and water fluxes in a contaminated former sewage site. Moreover this thesis examines the impact of water repellency on the mobilisation potential of heavy metals and PAHs by dispersion experiments. We tested the hypothesis whether preferential flow decreases the risk of groundwater contamination, since water repellent soil parts are bypassed, or if it increases, since hydraulic shear forces may cause a rapid downward transport of colloid-bound contaminants through the vadose zone (1). Moreover we assume that hydrophobic compounds are chemically inert and therefore act to a lesser extend as a source for contaminants than hydrophilic compounds (2). Furthermore we suppose that the moisture-related temporal and spatial extend and severity of water repellency influences the formation and stability of preferential flow paths (3) and hence the collection performance of plate lysimeters (4). To address the first hypothesis the long-term spatial and temporal course of solute fluxes sampled by zero-tension and tension lysimeters are analysed and physico-chemical factors which control the mobility of dissolved and colloid-bound contaminants in the soil are identified (1). The second hypothesis was tested by determining the impact of soil hydrophobicity on the mobilisation potential of contaminants using laboratory dispersion experiments (2). The influence of the initial soil moisture regime on the formation and stability of preferential flow paths was evaluated using dye tracer experiments (3). Finally the collection performance of zero-tension and tension lysimeters under rainfed conditions and under different initial soil moisture conditions was studied (4). The results of the lysimeter study show that the annual contaminant mass fluxes in soil solutions sampled by tension lysimeters were positive related to the mean lysimeter collection efficiencies. The contaminant concentrations in soil solutions were not related to the lysimeter collection efficiencies. This indicates that the transport of contaminants was controlled by the total cross sectional area of water flow. Results hence confirm that temporally stable preferential flow patterns decrease contaminant fluxes, since seepage water bypasses a large part of the polluted soil matrix. Hydraulic shear forces through preferential flow pathways did not contribute to an increase in colloid-bound contaminant transport. It was further demonstrated that the mobility of the Zn, Ni and Cd was positively related to soil solutions electrical conductivity. Dissolved organic matter (DOM) contributed significantly to the mobility of Cu and partly to the mobility of Cr. Due to the high sorption affinity to the organic matter no Pb and almost no PAHs were mobilised from the organic rich acid topsoil (1). The results of the dispersion experiments indicate that organic hydrophobic colloids in water repellent samples were chemically inert. The mobilisation potential of colloid-bound high molecular weight PAHs (5-6 fused rings) and colloid-bound Cu in the wettable soil samples was higher than that in the adjacent water repellent soil samples, suggesting that water repellency induced aggregation of the hydrophobic organic colloids. Furthermore organic carbon dissolution was increased most likely due to microbial cell lysis in water repellent samples and contributed to the mobility of Cu through complexation reactions (2). Results of the dye tracer experiments demonstrate that regardless on the initial soil moisture condition preferential flow took place, but the flow path cross sectional area under initially moist conditions was significantly higher than under initially dry conditions. Moreover results show that preferential flow path in partially water repellent sandy soils under high rainfall intensities and rates were persistent (3). The results of the lysimeter studies revealed that the initial water content controlled the degree of the hydraulic gradient in preferential pathways and thus the performance of zero tension lysimeters, while the performance of tension lysimeters was not affected by the initial water content. Zero tension lysimeters performed satisfactorily only under initially moist conditions when strong rainfall events occurred and were hence more suitable for the detection of accelerated fluxes through saturated preferential flow pathways. The nearly constant relative sampling efficiency of the single tension lysimeters throughout the seasonal sampling periods indicates that preferential flow path pattern at our study site were periodically stable (4).
