Stabilisering av tungmetaller i jord

Abstract

Flere tonn metaller og metalloider som kobber (Cu), bly (Pb), sink (Zn) og antimon (Sb) fra ammunisjon deponeres årlig i norske skytefelt. Metallene som deponeres vil, i tillegg til mekanisk slitasje, korrodere når de utsettes for vær og vind og lekke ut i avrenningsbekker og andre resipienter. For å redusere utlekking av metaller fra forurenset jord kan jorda tilsettes stabiliseringsmidler. Stabiliseringsmidlene bidrar til at metallene blir mindre mobile gjennom utfellingsreaksjoner, økt sorpsjon eller ved at de blir innkapslet i mikroporer. Det er vist at effekten av et jordstabiliseringsmiddel er avhengig av jordtypen. Hvilke faktorer i jorda som styrer effekten av et stabiliseringsmiddel, er imidlertid uklart. I denne studien har vi testet effekten av jernhydroksid som stabiliseringsmiddel på tre forskjellige mineraljordtyper. Det ble benyttet et kommersielt tilgjengelig jernhydroksid (CFH-12) og et egenprodusert jernhydroksid som ble laget av jernpulver og kvartssand. Utlekking av Pb, Cu, Sb og Zn ble målt med standard kolonne- og ristetester. Faktorer som ble undersøkt var betydningen av jordas partikkelstørrelse, pH, jordas kjemiske sammensetning, innhold av organisk materiale og ledningsevne. Det var ingen direkte sammenheng mellom graden av utlekking og konsentrasjonen av ammunisjonsrester i jorda. Den generelle trenden var høyere utlekking av metaller fra jord med liten partikkelstørrelse (< 0,5 mm), men det var også en vesentlig utlekking fra jord med en grovere partikkelstørrelse (0,5 mm – 2 mm). Det betyr at man kan forvente vesentlig utlekking fra både grov- og finfraksjonen i forurenset jord. Den viktigste faktoren for utlekking var sannsynligvis pH i jorda. Jorda med lavest pH hadde høyest utlekking av Pb, Cu og Zn. Jorda med høy pH hadde høyest relativ utlekking av Sb i forhold til Pb, Cu og Zn. Innblanding av CFH12 i en konsentrasjon av 2 % (vektbasert) førte til en kraftig mobilisering av Pb i to av jordtypene, og en immobilisering av Sb i alle tre jordtyper. Dette produktet var surt (pH ~4,5) og førte til en redusert pH i jordvæsken. Redusert pH øker den positive ladningstettheten på partikkeloverflater i jorda. Det vil føre til økt adsorpsjon av Sb og økt mobilisering av Pb på grunn av frastøtingseffekter. I tillegg vil redusert pH øke løseligheten til oksidasjonsprodukter av Pb. Ved å blande det sure jernhydroksidet sammen med 2 % kalk inn i jorda for å balansere pH fikk man oppretthold immobiliseringen av Sb uten å øke utlekkingen av Pb. Tilsetting av kalk alene for å øke pH i jorda hadde en liten stabiliserende effekt på Pb- og Cu-utlekkingen, og ingen effekt på Sb-utlekkingen. Det egenproduserte jernhydroksidet reduserte også utlekkingen av Pb, Cu og Sb i de testede jordtypene. Dette produktet var ikke surt og trengte ikke ekstra innblanding av kalk. Resultatene viser at det kan anbefales å blande inn et stabiliseringsmiddel som jernhydroksider til metallforurenset jord for å redusere utlekkingspotensialet av tungmetaller og halvmetaller. Dette kan redusere spredningen av forurensingene ut i miljøet fra et skytefelt og redusere kostnadene for deponering av forurenset jord som skal avhendes. Effekten av innblandingen bør imidlertid testes med riste- eller kolonnetest på laben slik at man ikke risikerer en uønsket økt utlekking og unødvendige følgekostnader.

Large amounts of metals and metalloids from spend ammunition, such as copper (Cu), lead (Pb), zink (Zn) and antimony (Sb), are deposited in shooting ranges each year. The deposited metals will, in addition to the mechanical wear, corrode when exposed to water and oxygen. Ammunition residues that leach into the soil and surrounding watercourses may pose a threat to exposed wildlife and humans. Most of the metals are deposited in the berms. To inhibit leakage from the berms one can add agents to the polluted soil that can stabilize the metals. The stabilizing agent will immobilize the metals by adsorption, precipitation, or encapsulation in micropores. The effect of a stabilizing agent is, however, dependent of the soil type, and it is not clear which physical and chemical factors in the soil that govern the effect. In this study the effect of ironhydroxide as a stabilizing agent was tested on three different soil types. The agents tested were a commercial available ironhydroxide (CFH-12) and an ironhydroxide made of quartz sand and iron powder. The leaching of Pb, Cu, Sb and Zn from the soils was tested by standard leaching tests. Factors that were investigated were the soil particle size distribution, pH, the element composition of the soils, the content of organic materials and the water conductivity. The extent of leaching of metals from the soil was independent of the concentration of ammunition residues in the soil. The general trend was more leaching of metals from soil with a small particle size (< 0.5 mm), but the difference was small, and substantial leaching was observed from soil with a coarser particle size (0.5 – 2 mm). The soil pH was probably the most important factor governing mobilization of Pb, Cu, Zn and Sb. In addition, the content of soil organic matter may be a factor. Independent of the metal and metalloid concentrations in the soil, the soil with lowest pH had the highest mobilization of Pb, Cu and Zn, and the most alkaline soil had the highest relative mobilization of Sb. Blending 2% of CFH-12 into the soil induced increased leaching of Pb in two of the soil types, and immobilized Sb in all three soils. The agent was acidic (pH ~4.5) and decreased the soil water pH. A reduction in the soil water pH will increase the positive charge density on the surface of soil the particles. This will lead to increased adsorption of anions such as Sb, and reduce sorption of cations such as Pb, due to repulsion effects in the soil. In addition, an acidic environment will increase the solubility of Pb oxides. By blending the acidic CFH-12 together with 2% lime into the soil to adjust pH, the CFH-12 maintained its capacity to adsorb Sb without mobilization of Pb. Lime itself induced a small reduction in the leaching of Pb and Cu, and had no effect on the leaching of Sb. The ironhydroxide, made from a mixture of iron powder and quarts sand, also reduced the leaching of Pb, Cu and Sb from the soils. This product was not acidic, and the experiments were performed without the addition of lime. It is recommended to mix a stabilizing agent, such as iron hydroxides, into polluted soil to reduce the leaching potential of metals and metalloids. These agents can be added to soils in stop butts and into soils that are deposed for waste treatment. The effect of an agent depends, however, on the soil type, and small scale leaching tests should be performed in the laboratory before using the agents on a large scale.