ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE TOM LX NR 4 WARSZAWA 2009: 2 0 -2 4
JUSTYNA CHUDECKA
ZAWARTOŚĆ METALI CIĘŻKICH
W ZANIECZYSZCZONYCH MECHANICZNIE OSADACH
OCZKA TORFOWEGO
HEAVY METALS CONTENT IN MECHANICALLY
POLLUTED PEAT-BOG SEDIMENTS
Katedra Erozji i Rekultywacji Gleb, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie
Abstract: The study focuses on the influence o f mechanical pollutants on the content o f Zn, Cu. Pb. Cd,
Ni. Cr and Hg in peat-bog sediments. The results show that pollution causes enrichment o f the soil material in heavy metals, particularly Zn, Cu and Pb, and to a lesser extent Ni and Cr. Mechanical additions did not influence the Cd content. Pollutants from domestic fires with slag have significant impact on the enrichment o f soils in heavy metals. Deeply occurring mechanical pollution may result in the migration o f heavy metals to soil and groundwater, even at neutral and alkaline reactions.
Słowa kluczowe: gleby i osady antropogeniczne, zanieczyszczenia mechaniczne, metale ciężkie. Key words: anthropogenic soils and sediments, mechanical pollutants, heavy metals.
WSTĘP
Ważne jest monitorowanie stanu gleb podlegających zabudowie technicznej. Może ona w przyszłości uniemożliwić oczyszczenie gleb silnie zanieczyszczonych, czy skażonych jeszcze na etapie przedurbanizacyjnym. Gleby takie w obszarach miejskich, poddawanych stałej i silnej presji zanieczyszczeń, sąmiejscem tzw. obciążeń przedawnionych -A ltlasten [Pietsch, Kamieth 1991], stanowiąc stałe zagrożenie dla jakości wód gruntowych i niebezpieczeństwo kumulacji związków toksycznych w organizmach żywych.
Celem pracy jest ukazanie wpływu zanieczyszczeń mechanicznych na zawartość metali: Zn, Cu, Pb, Cd, Ni, Cr i Hg w materiale ziemnym (w tym glebowym) oczka torfowego z obszaru ul. Duńskiej w Szczecinie, podlegającego zabudowie urbanizacyjnej.
MATERIAŁ I METODY BADAŃ
Obszar wzdłuż ul. Duńskiej w Szczecinie stanowił do niedawna pola uprawne i nieużytki w obrębie Wzgórz Warszewskich, gdzie pomiędzy wysoczyznami czołowo morenowymi wytworzyły się oczka torfowe. Niektóre z nich, zwłaszcza te bardzo głębokie były wykorzystywane przez osadników niemieckich, a później i polskich (z początkiem XX wieku) jako miejscowe wysypiska odpadów bytowych.
Zawartość metali ciężkich w zanieczyszczonych mechanicznie osadach 21
W jednym z takich oczek wykonano odwiert do gł. 11,5 m poniżej poziomu terenu (ppt), obejmujący całą miąższość osadów zantropogenizowanych (zanieczyszczonych mechanicznie) oraz strop materiału naturalnego (ił). Zgodnie z procedurą badań gleboznaw czych, z wyodrębnionych warstw odwiertu pobrano 13 próbek materiału. Materiał doprowadzono do stanu powietrznie suchego, przetarto i przesiano przez sito o śr. oczek 1,0 mm, oddzielając części szkieletowe od reszty masy glebowej (ziemnej). Części szkieletowe rozdzielono na szkielet antropogeniczny (zanieczyszczenia mechaniczne) i naturalny, wzrokowo szacując procent objętości zajmowany przez dwie wyłonione składowe w szkielecie całkowitym. W obrębie szkieletu antropogenicznego analizowano rodzaj zanieczyszczeń mechanicznych i charakter domieszki dominującej.
W próbkach po oddzieleniu szkieletu oznaczono:
• zawartość materii organicznej jako straty na żarzeniu w temp. 550°C, • pH w 1 mol KC1 • dm~3 metodą potencjometryczną,
• ogólną zawartość: Zn, Pb, Cd, Cu, Ni i Cr metodą emisyjnej spektrometrii plazmowej (ICP EAS) na spektrofotometrze sekwencyjnym JY 24, po wcześniejszej mineralizacji lg naważki w mieszaninie stężonych kwasów: azotowego i nadchlorowego w stosunku 1:1 (5 ml + 5 ml);
• ogólną zawartość Hg metodą ASA za pomocą aparatu AMA 245.
Dla próbek zawierających do 6% materii organicznej oznaczono uziarnienie metodą areometrycznąBoycoussa-Cassagrande'a w modyfikacji Prószyńskiego. Grupy granulo- metryczne ustalono według podziału PTG [Systematyka gleb Polski 1989].
WYNIKI I DYSKUSJA
Ponieważ zanieczyszczenia mechaniczne to słabo rozkładalne ciała stałe o wymiarach cząstek >1 mm, dlatego też gleby wzbogacone w nie wykazują zwiększoną zawartość szkieletu [Greinert 2000,2003]. Badany materiał ziemny z powodu obecności zanieczysz czeń mechanicznych zawiera przeciętnie 35%, a maksymalnie ok. 66% szkieletu (tab. 1). Zanieczyszczenia mechaniczne występują od powierzchni aż do głębokości 10,8 m, do poziomu zalegania utworu naturalnego (iłu). Jednakże wierzchnia, 2-metrowa warstwa mineralnych osadów deluwialnych (o uziarnieniu gliny lekkiej pylastej) wykazuje dużo mniejszy udział zanieczyszczeń aniżeli głębsze osady mineralno-organiczne (silne zamulony torf niski). Postępując w głąb, od 2,0 do 10,8 m, obserwuje się wyraźny wzrost ilości zanieczyszczeń, obrazowany przez zwiększający się udział szkieletu w próbkach, od 30-40 do 66% (tab. 1). Spośród domieszek, w składzie szkieletu antropogenicznego zdecydowanie dominuje żużel, w dużych ilościach występują: gruz budowlany, szkło, porcelana, ceramika budowlana, drewno (w tym nadpalone), w ęgiel drzewny, w mniejszych zaś: elementy smoliste (papa), gumowe, plastik, metale i kości.
Wyniki badań potwierdziły dodatni związek między ilościądomieszek mechanicznych, a zawartością metali ciężkich. Wierzchnie osady oczka zalegające do głębokości 2,0 m poniżej powierzchni terenu (ppt), słabo zanieczyszczone mechanicznie charakteryzują się na ogół naturalną zawartością metali ciężkich (tab. 2). Osady zalegające głębiej (od 2,0 do
10,8 m ppt), znacznie zasobniejsze w domieszki mechaniczne wykazują silny stopień zanieczyszczenia miedzią (IV), średni stopień zanieczyszczenia cynkiem (III) oraz słaby stopień zanieczyszczenia ołowiem (II). Osady te charakteryzują się podwyższoną zawartością niklu i chromu (I stopień), zawierają przeciętnie ok. 10-razy więcej rtęci w stosunku do tła geochemicznego (zawartości Hg w materiale naturalnym), natomiast nie są one zanieczyszczone kadmem.
TA B E L A 1. M orfologia szkieletu a n tropogeniczn ego i p o d sta w o w e w ła śc iw o śc i ch em iczn e materiału z w y d zielo n y ch w a rstw od w iertu TA B LE 1. The m orp hology o f anthropogenic sk e le to n and b asic ch em ical p ro p erties o f m aterial taken from layers o f b o r e -h o le _______
K>
G łę b o k o ść w a rstw [m] D ep th o f layers [m]
U dział szkieletu antropogeniczn ego w o b ję to ś c i szkieletu c a k o w ite g o
Rodzaj d o m ie sz e k m echanicznych
Participation o f anthropogenic sk e le to n in ca p a city o f total sk e le to n Kind o f m echanical pollutants
P ro c e n to w y udział P ercen ta g e participation pH w KC1 Straty na żarzeniu w tem p. 5 5 0 ° C sz k ie le tu o f sk e le to n
p o zo sta łej m asy gleb y o f rem aining so il m ass
L o s se s o n ignition in tem p. 5 5 0 ° C [%] 0 - 0 , 5 4 0 -6 0 % , bardzo drobne i nieliczne od łam k i gruzu b u d o w la n e g o ,
szkła, żużlu, k o ś c i i metali
4 0 -6 0 % , very fine and rare fragments o f building rubble, g la ss, slag, b o n e s and m etals
6 ,7 9 3 ,3 7 ,9 3 ,8
0 , 5 - 1 , 0 7 ,9 9 2 ,1 7 ,8 3 ,8
1 ,0 - 2 ,0 8 ,3 9 1 ,7 7 ,6 3 ,5
2 , 0 - 3 , 0 100% w e w szy stk ich w arstw ach, udział z a n ieczy szczeń m echanicznych w m asie próbki w zrasta w ra z z g łę b o k o śc ią , w yraźna d om inacja żużlu, duże fragmenty: szkła, porcelany, ceram iki i gruzu b u d o w la n e g o , d rew n a, w tym n ad p a lo n eg o , d rob n e, ale liczne odłam ki w ęgla d r z e w n e g o , rzadko: m etale, fragmenty papy, plastiku, gumy i k o ś c i
100% in all layers, participation o f m echanical pollutants in sam ple m ass in creases together w ith d ep th , clear dom ination o f slag, large fragments o f g la ss, p orcelain , building ceram ics and rubble, in com plete com b ustion w o o d , fine and frequent fragm ents o f w o o d c o a l r a r e ly m etals fragments o f roofing p ap er plastic
3 7 ,0 6 3 ,0 7 ,6 7 ,8 3 , 0 - 4 , 0 2 7 ,7 7 2 ,3 7 ,6 9 ,9 4 , 0 - 5 , 0 3 9 ,1 6 0 ,9 8 ,0 15,3 5 , 0 - 6 , 0 3 5 ,2 6 4 ,8 8 ,0 17,1 6 , 0 - , 0 4 4 ,2 5 5 ,8 8 ,0 1 6 ,9 7 , 0 - 8 , 0 4 7 ,0 5 3 ,0 8 ,4 1 8 ,2 8 , 0 - 9 , 0 5 1 ,4 4 8 ,6 8 ,3 1 7 ,4 9 , 0 - 1 0 , 0 rubber and b o n e s 5 2 ,9 4 7 ,1 8 ,0 1 7 ,0 1 0 ,0 - 1 0 ,8 6 5 ,7 3 4 ,3 8,1 1 4 ,4
1 0 ,8 - 1 1 ,5 N brak d o m ie sz e k m echanicznych - lack o f m echanical pollutants 0 ,5 9 9 ,5 7 ,4 --* N — materiał naturalny, N - natural material
J. C h u d e c k a
Zawartość metali ciężkich w zanieczyszczonych mechanicznie osadach 2 3
TABELA 2. Ogólna zawartość metali ciężkich i stopień zanieczyszczenia materiału ziemnego TABLE 2. Total content o f heavy metals and degree o f pollution o f earth material
Głębokość warstw [m] Depth o f layer[m]
Ogólna zawartość metali ciężkich Total content o f heavy metals
[mg • kg-1 gleby - o f soil] Stopień zanieczyszczenia* Degree o f pollution* Zn Cu Pb Cd N i Cr Hg Zn Cu Pb Cd N i Cr 0 -0 ,5 80,0 17,4 53,1 0,25 21,6 25,5 0,1852 0 0 0 0 0 0 0 Lh 1 o 80,6 18,6 58,2 0,30 22,9 3 0,4 0,1461 0 0 0 0 0 0 1 ,0 -2 ,0 71,9 24,6 296,8 0,25 19,2 21,9 0,1646 0 0 II 0 0 0 2 ,0 -3 ,0 381,3 2 5 5,6 182,6 0,37 25,3 34,0 0,5408 III IV II 0 I 3 ,0 -4 ,0 621,5 452,2 102,6 0,40 33,9 35,0 0,5489 III IV II 0 I 4 ,0 -5 ,0 1818,3 420,5 222,2 0,76 39,9 67,9 3,4306 III IV II 0 0 5 ,0 -6 ,0 1603,0 542,5 446,8 0,69 34,1 53.9 0,6611 III IV II 0 0 6 .0 -7 ,0 1280,0 211,9 614,1 0,78 49,8 60,0 0,7703 III IV III 0 0 7 ,0 -8 ,0 1111,0 3 68,8 338.2 0,91 59,4 64,9 0 ,6074 III IV II 0 8 ,0 -9 ,0 1066,0 271,6 149,5 0,90 68,6 52,7 1,0681 III IV 0 9 ,0 -1 0 ,0 1008,0 811,0 154,4 1,26 68,3 58,4 1,3190 III V II I 1 0 ,0 -1 0 ,8 997,0 4 6 1 ,0 231,3 1,00 76,5 70,9 0,6091 III IV II 0 II 1 0 ,8 -1 1 ,5 N 124,2 30,3 113,3 0.63 70,1 59,4 0,0816 I I 0
Objaśnienia: 0 - zawartość naturalna; I - zawartość podwyższona, II — słabe zanieczyszczenie. III - średnie zanieczyszczenie, IV - silne zanieczyszczenie, V - bardzo silne zanieczyszczenie; Explanations: 0 - natural content, I - increased content, II - poor pollution, III - medium pollution. IV - strong pollution, V - very strong pollution *wg -acc. to Kabata-Pendias i in. [1995]
Maksymalne zawartości tych pierwiastków kształtują się w osadach na poziomie: Zn - 1818, Cu - 811, Pb - 614, Cd - 1,3, Ni - 77, Cr - 71 i Hg - 3,4 mg • kg"1 gleby (tab. 2). W świetle Rozporządzenia Ministra Środowiska [Dz.U.02.165.1359] osady w zakresie miąższości 2,0-10,8 m zawierająkilkukrotnie (nawet 8-krotnie) wyższe od dopuszczalnych ilości: Zn, Pb i Cu.
Wpływ domieszek mechanicznych na zwiększoną zawartość Zn, Pb i Cu w glebach potwierdzili Hiller [1996] oraz Gąsiorek i Niemyska-Łukaszuk [2004]. Smettan i Ehrig [ 1995] oraz Kalbe i Smettan [ 1995] zwrócili uwagę na znaczne zanieczyszczenie miedzią i cynkiem gruzowych gleb berlińskich zawierających dużą ilość żużlu.
Na uwagę zasługuje fakt występowania w materiale naturalnym badanych metali ciężkich w zwiększonej ilości [wg Kabaty-Pendias i in. 1995 - tab. 2]. Może być to z jednej strony wynik znacznej, naturalnej zasobności iłu w te pierwiastki, choć nie można też wykluczyć m ożliw ości je g o za n ieczy szczen ia przez m etale m igrujące z górnych warstw antropogenicznych. Na możliwość przemieszczania się tych pierwiastków, nawet w warunkach odczynu obojętnego i alkalicznego, zwrócili uwagę Czarnowska i Kozanecka [2001] oraz Greinert [2001, 2003]. Autorzy Ci twierdzą, że jest to możliwe przy bardzo wysokich stężeniach tych metali, przekraczających zdolność sorpcyjną gleby.
24 J. Chadecka
WNIOSKI
1. Zanieczyszczenia mechaniczne w osadach oczka torfowego powodują wzbogacenie materiału ziemnego (glebowego) w metale ciężkie, szczególnie wyraźne w odniesieniu do Zn, Cu i Pb, mniej w stosunku do Ni, Hg i Cr. Nie potwierdzono wpływu domieszek mechanicznych na zawartość Cd.
2. Spośród domieszek mechanicznych dominują zanieczyszczenia z palenisk domowych zawierające żużel, które mają duży wpływ na wzbogacenie gleb w metale ciężkie. 3. Głęboko zalegające zanieczyszczenia mechaniczne mogą stać się przyczyną migracji
pierwiastków i związków toksycznych do głębszych warstw materiału naturalnego i wód wgłębnych, nawet w warunkach odczynu obojętnego i alkalicznego.
LITERATURA
CZARNOW SKA K. KOZANECKA T. 2001: Rozpuszczalne formy metali ciężkich w glebach antropogenicz nych z terenu Warszawy. Rocz. G lebozn. 52, 3/4: 4 5 -5 1 .
GĄSIOREK M. N IEM Y SK A -ŁU K A SZU K J. 2004: Kadm i ołów w glebach antropogenicznych ogrodów klasztornych Krakowa. Rocz. G lebozn. 55, 1: 1 2 7-134.
GREINERT A. 2000: Zawartość części szkieletow ych w powierzchniow ych warstwach gleb m iejskich jako wskaźnik ich stopnia antropogenicznego przekształcenia na przykładzie miasta Zielona Góra. Zesz. Nauk.
P olitechniki Zielonogórskiej. Inżynieria Środow iska. 124 (10): 107 -1 1 4 .
GREINERT A. 2003: Studia nad glebami obszaru zurbanizowanego Zielonej Góry. Praca habilitacyjna. Oficyna W ydawnicza Uniwersytetu Zielonogórskiego: 168 ss.
HILLER D.A. 1996: Schadstoffeintrage in urbane Bóden. W: Urbaner Bodenschutz. Springer Verlag: 4 5 -5 8 . KABATA-PENDIAS A., PIOTROWSKA M„ MOTOWICKA-TERELAK T., MALISZEWSKA-KORDYBACH B., FILIPIAK K., KRAKOWIAK A., PIETRUCH CZ. 1995: Podstawy oceny chem icznego zanieczysz czenia gleb. Metale ciężkie, siarka i W'WA. PIOŚ. IUNG, Bibl. Monitoringu Środowiska Warszawa: 28 ss. KALBE U. SMETTAN U. 1995: Beziehungen zwischen Schwermetallgehalten und -verfugbarkeiten in Berli
ner Triimmerschuttbóden. M itteilungen d er D eutschen B odenkundlichen G esellsch aft 76: 3 0 5 -3 0 8 . PIETSCH J., KAMIETH H. 1991: Stadtbóden, Eberhard-Blottner-Verlag, Taunusstein ISBN 3-89367-1. SMETTAN U. EHRIG C. 1995: Transfer von Schwermetallen und PAK von urbanen Schuttbóden in anstehen-
de Sedimente? M itteilungen d er Deutschen Bodenkundlichen G esellschaft 76: 4 5 3 -4 5 6 .
SYSTEM ATYKA GLEB POLSKI 1989: Praca zbiorowa. V Komisja PTG. Rocz. G lebozn., wyd. IV, 11, 3/4: 150 ss.
ROZPORZĄDZENIE MINISTRA ŚRODOWISKA z dnia 9 września 2002 roku w sprawie standardów jakości gleby oraz standardów jakości ziemi. Dziennik Ustaw 02.165 poz. 1359 z dnia 4 października 2002 roku.
Dr inż. Justyna Chudecka
Katedra Erozji i Rekultywacji Gleb ul. Papieża Pawła VI nr 3, 71-459 Szczecin e-mail: Justyna. Chudecka@zut. edu.pl
