Umweltgeochemie: Herkunft, Mobilität und Analyse von Schadstoffen in der Pedosphäre

850 Pages·2000·23.506 MB·German

by  Prof. Dr. Alfred V. Hirner, Prof. Dr. Heinz Rehage, Dr. Martin Sulkowski (auth.)

A. V. HIRNER 1m H. REHAGE W! M. SULKOWSKI
Umweltgeochemie
A.V. HIRNER H. REHAGE M. SULKOWSKI
Umwelt
geochemie
Herkunft, Mobilitat und Analyse
von Schadstoffen in der Pedosphare
Mit 125 Abbildungen
Prof. Dr. ALFRED V. HIRNER
Institut fUr Umweltanalytik
und Angewandte Geochemie
Universitat - GH - Essen
UniversitatsstraBe 5-7, 45141 Essen
Prof. Dr. HEINZ REHAGE
Institut fur Physikalische Chemie
Universitat - GH - Essen
UniversitatsstraBe 2-5, 45141 Essen
Dr. MARTIN SULKOWSKI
Institut fur Umweltanalytik
und Angewandte Geochemie
Universitat - GH - Essen
UniversitatsstraBe 5-7, 45141 Essen
ISBN-13: 978-3-642-93712-5 e-ISBN-13: 978-3-642-93711-8
DOl: 10.1007/978-3-642-93711-8
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Geleitwort V
Geleitwort
Die Umweltgeochemie beschaftigt sich mit den Auswirkungen zivilisatorischer
Einflusse auf die chemische Zusammensetzung der Atmosphare, Hydrosphare,
Biosphare und der aIlerobersten Erdkruste. In diesem Buch werden die konzep
tionellen Gnmdlagen, die strategischen Ziele und die methodischen Ansatze des
neuen Lehr-, Forschungs- und Anwendungsgebiets erstmaIs vertieft behandelt.
Es scheint, daB die Umweltgeochemie wie keine andere Disziplin geeignet ist,
das Leitbild einer "nachhaItig zukunftsvertraglichen Entwicklung" mit wissen
schaftlichem Leben zu fullen. Ein friiher Markstein war die Erforschung der
Sedimente - das "Gedachtnis" eines Gewassers - ; sie spiegeln dessen anthro
pogene Geschichte wieder und lassen kiinftige Entwicklungen abschatzen.
GERMAN MOLLER, der Begriinder der Umweltgeochemie in Deutschland, hat
hier eine seiner Pioniedeistungen erbracht.
Geochemische Schwerpunktthemen sind heute die Belastbarkeit der Umwelt
medien und die Qualitat anthropogener Stoftllusse. Exemplarisch stehen dafiir
die BergbauabfaIle, die nicht nur durch ihre enormen Massen, sondern z.B.
durch eine Saurebildung gr06raumige prioritare Umweltprobleme verursachen,
die ERNST ULRICH VON WEIZSACKER so charakterisiert hat: "Vielleicht sind die
riesigen Strome von Eisenerz, Stickstoffund Wasser, die der Mensch in Bewe
gung setzt, langfristig viel gefahrlicher aIs Dioxine. JedenfaIls konnen wir die
Folgen heute nicht uberblicken".
Das neue Bodenrecht eroffnet die Chance, die zeitlichen Dimensionen im
Umweltschutz und damit auch die Rolle der Umweltgeochemie kiinftig noch
starker in das offentliche BewuBtsein zu bringen. Die Forschung geht voran -
"Sickerwasserprognose", "passive In-situ-Verfahren" und der "kontrollierte
natiirliche Abbau und RuckhaIt", bei dem unter giinstigen Bedingungen das
ganze Inventar an Naturprozessen zur "Selbstreinigung" von Gnmdwasser
schaden eingesetzt werden solI.
Fur diese neuen Aufgaben benotigen die Akteure ein solides und breites
geochemisches Proze6wissen. Das Buch von HIRNER, REHAGE und SULKOWSKI
erfiillt aile theoretischen und praktischen Anspriiche - aIs N achschlagewerk,
Literaturiibersicht, Methodenkompendium und aIs fachubergreifendes Lehrbuch.
Ich wUnsche ihm injeder Hinsicht einen guten Erfolg.
Ulrich Forstner
VI Vorwort
Vorwort
Nicht nur im englisch-sondern auch im deutschsprachigen Raum existieren bisher
zahlreiche Lehr-und Fachbilcher wie auch sachbezogene Beitrage in den Offentli
chen Medien, die eine Einflihrung in die Grundlagen der Umweltchemie sowohl
flir Studierende der Naturwissenschaften und Technik an Universitaten und
Fachhochschulen als auch flir den Schulunterricht sowie flir den interessierten
Laien vermitteln konnen.
Problematischer wird es aber flir jene, die sich ilber ein abstraktes Oberblicks
wissen hinaus konkret mit fallbezogenem Handeln befassen wollen, sollten oder
auch milssen. Hierzu gehoren z.B. Studenten der Chemie, Okologie, Geo- und
Biowissenschaften mit dem Wahlpflicht-, Wahl- oder "Modul"-Fach Umwelt
chemie im Hauptstudium oder Praktiker im offentlichen Dienst, die Altlasten oder
Abfalle bewerten milssen. Dieses Fachbuch im Bereich der aufFestkorper bezo
genen Umweltchemie versucht diese Lilcke partiell zu schlieBen, indem es im
wesentlichen ilber Themenkreise berichtet, die in Lehre und Forschung am Institut
flir Umweltanalytik und Angewandte Geochemie am Fachbereich Chemie der
Universitat GH Essen auch aktiv bearbeitet oder zumindest berilhrt werden.
Speziell flir den Praktiker findet sich darilber hinaus als Einstiegshilfe in konkrete
Problemstellungen ein umfangreiches Literaturverzeichnis sowie ein ausfuhrlicher
Index.
Festkorper in der Umwelt (Boden, Sedimente, Altlasten, Abfalle und Staube)
stehen im Mittelpunkt des Abschnittes "Allgemeine Umweltgeochemie", wahrend
der Teil "Spezielle Umweltgeochemie" einige unter umweltchemischen Gesichts
punkten ausgewahlte potentielle Schadstoffe und Schadstoffklassen exemplarisch
vorstellt. Behandelt werden nicht nur die chemische Zusammensetzung der unter
schiedlichen Festkorper, sondern auch deren Wechselwirkung mit den sie umge
benden Umweltmedien. Besonders Prozesse werden beschrieben, die zur Schad
stoffemission in Form mobiler Spezies fuhren. In diesem Zusammenhang kommt
Phanomenen im Grenzbereich zwischen dem festen und flilssigen Zustand be
sondere Bedeutung zu, was in einem kolloidchemisch orientierten Abschnitt
berilcksichtigt wird. Ein besonderer Stellenwert wird aktuellen Teilbereichen wie
organisch assoziiertenlgebundenen Metall( oid)en und Marker-und Tracerstudien
eingeraumt. Bei der Beschreibung analytischer Probleme und Methoden wurde
ebenso wie bei derjenigen der administrativen Regelungen ein praxisorientierter
Blickpunkt gewahlt.
Die Einbindung der Umweltchemie in benachbarte Wissensgebiete einerseits und
in die globale Umweltproblematik andererseits wird im ersten Abschnitt ausflihr
lich dargelegt, urn dem Fachspezialisten auch den gesellschaftlichen Hintergrund
umweltrelevanter Entscheidungen bewuBt zu machen. Besonders der Umwelt-
Vorwort VII
analytiker so lite in die Lage versetzt werden, die Flut der Umweltdaten kritisch zu
hinterfragen und zu bewerten.
Ftir wertvolle Diskussionsbeitrage und Anregungen sowie fUr die Zurverfligungs
stellung von eigenen Beitragen und Unterlagen danken wir den Professor(inn)en
Paula Hahn-Weinheimer, Ingrid Kogel-Knabner und Ulrich Forstner sowie den
Herren Dr. Hossein Alimi und Dr. Axel Barrenstein. Besonders verbunden sind
wir Frau Dipl.-Chem. Margareta Sulkowski, die in ungezahlten Stunden die
Erstellung des Index sowie des Layouts des Gesamtwerks und zusammen mit Frau
Rita Lehmann die des umfangreichen Literaturverzeichnisses tibemommen hatte.
Unser Dank gilt auch Herro Reiner Konig, der fUr das Layout von Kapitel 4
verantwortlich ist.
1m Zusammenhang mit dem vorliegenden Buch wird auf der Homepage des
Instituts fUr Umweltanalytik an der Universitat GH Essen ein Diskussionsforum
eingerichtet. Zu erreichen ist die Homepage tiber die zentrale Zugangsseite der
Universitat Essen (http://www.uni-essen.de). dort unter FachbereichelZentrale
Einrichtungen - Fachbereich Chemie (8) - Institut fur Umweltanalytik. Kom
mentare und Stellungnahmen konnen an die dort vermerkte e-mail-Adresse ge
schickt werden. InhaItliche Beitrage werden auf der Homepage zur Diskussion
gestellt.
Essen, im Juli 2000 Alfred Hirner, Heinz Rehage und
Martin Sulkowski
Inhaltsverzeichnis IX
Inhaltsverzeichnis
1 Einfiihrung in die Umweltwissenschaft ....................... .
1.1 Wissenschaftliche und bildungspolitische Ausgangssituation ...... .
1.1.1 InterdisziplinariHit chemisch orientierter Umweltforschung .... .
1.1.2 Bildungsbedarf und -situation ........................... 3
1.2 Umweltchemie und Offentlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5
1.2.1 Akzeptanzproblem Technik - Industrie - Chemie ............ 5
1.2.2 Umweltpolitik ....................................... 6
1.2.3 Umwelt und Gesundheit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7
1.2.4 Gesundheitsschutz .................... . . . . . . . . . . . . . . .. 8
1.2.5 Risikobereitschaft .................................... 9
1.2.6 Beginnender BewuLhseinswandel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10
1.3 Entstehung und Evolution der anthropogenen Umweltbelastung . . .. 10
1.3.1 Primares Umweltproblem: Anthropogenes Wachstum ........ 10
1.3.2 Uberbevolkerung ............ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. II
1.3.3 Energieverbrauch und Rohstoffausbeutung ................ 14
1.3.4 Zukunftsperspektiven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16
1.3.5 Sustainable Development. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17
1.3.6 Verantwortung der chemischen Industrie . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19
1.3.7 Teclmischer Umweltschutz versus Naturschutz ............ 20
1.4 Grundlagen und Aufgaben der Umweltgeochemie ............... 21
1.4.1 Umweltchemie und Umweltgeochemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21
1.4.2 Differenzierung geogene Grundbelastungla nthropogene
Zusatzbelastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22
1.4.3 Geogene Referenzen ................................. 26
1.5 Ausgewahlte Thesen zur Umweltanalytik und zur Umweltchemie .. 29
2 Allgemeine Umweltgeochemie ............................... 34
2.1 Geochemie von Boden und Sedimenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34
2.1.1 Einfiihrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34
2.1.1.1 Schadstoffbelastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34
2.1.1.2 Intensive Bodennutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36
2.1.1.3 Bodenversauerung ............................... 37
2.1.1.4 Speicherkapazitat.................... . . . . . . . . . . .. 38
2.1.1.5 Oko-und humantoxikologische Aspekte .............. 40
2.1.1.6 Bodenschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41
2.1.2 Einfiihrung in die Boden-und Sedimentchemie ............. 42
2.1.2.1 Minerale und Gesteine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 44
2.1.2.2 Verwitterung ................................... 45
X Inhaltsverzeichnis
2.1.2.3 Tonminerale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 46
2.1.2.4 Organische Bestandteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 48
2.1.2.5 Bodenwasser und -luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50
2.1.2.6 KulturbOden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51
2.1.2.7 Wechselwirkung zwischen Boden und Bodenlosung . . . .. 51
2.1.3 Chronologie der Schadstoffbelastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56
2.1.4 Chemische Speziesbestimmungen an natiirlichen Festkorpem .. 58
2.1.4.1 Notwendigkeit der Speziesbestimmung ............... 58
2.1.4.2 Definition chemischer Spezies ...................... 61
2.1.4.3 Analytische Methoden zur Speziesbestimmung . . . . . . . .. 62
2.1.4.4 Anwendungsbeispiele ............................ , 65
2.1.5 Die Methode der sequentiellen chemischen Extraktion ....... 66
2.1.5.1 Diskussion gebrauchlicher Extraktionsschemata . . . . . . .. 66
2.l.5.2 Verfahrensstandardisierung (BCR Brussel) . . . . . . . . . . .. 71
2.1.5.3 Anaerobe Ablagerungsbedingungen .................. 73
2.1.6 Elutionstests zur Mobilitatsabschatzung .................. 74
2.1.6.1 Einteilung, Technik und Anwendung von Elutionstests ... 74
2.1.6.2 Elutionstest Grundwassergefahrdung im intemationalen
Vergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 77
2.1.6.3 Elutionstest Grundwassergefahrdung in Deutschland .... 80
2.1.6.4 Elutionstest Pflanzenverfugbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 95
2.1.6.5 Elutionstest Ingestion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 99
2.1. 6.6 Geogene und biogene Elution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 103
2.1.6.7 Elution von Abfallen ............................ 106
2.1. 7 Rechnerische Modellierung der Schadstoffverfrachtung ..... 109
2.2 Erfassung, Bewertung und Sanierung von kontaminierten
Standorten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 118
2.2. 1 Anthropogen kontaminierte Boden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 118
2.2.l.l Definition von Altlasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 118
2.2.1.2 Erfassung des Kontaminationsherdes . . . . . . . . . . . . . . .. 119
2.2.1.3 Geochemische Hintergrundbelastungen . . . . . . . . . . . . .. 122
2.2.1.4 Situationsberichte ............................... 123
2.2.1.5 Mineralolkontaminationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 125
2.2.1.6 Nukleare und militarische Altlasten . . . . . . . . . . . . . . . .. 125
2.2.2 Beurteilung und Bewertung der Kontamination . . . . . . . . . . .. 126
2.2.2.1 Sediment-und Bodenqualitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 128
2.2.2.2 Kriterium Grundwasserqualitat .... . . . . . . . . . . . . . . .. 129
2.2.2.3 Biologische Kriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 131
2.2.2.4 Administrative Vorgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 131
2.2.3 Chemische Aspekte der Altlastensanierung .. . . . . . . . . . . . .. 137
2.2.3.1 Sanierungsplanung und -optimierung . . . . . . . . . . . . . . .. 137
2.2.3.2 Oberblick zu Sanienmgsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . .. 139
2.2.3.3 Mikrobiologische Verfahren ...................... 141
Inhaltsverzeichnis XI
2.3 Chemische Aspekte der Abfallwirtschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 144
2.3.1 Abfalle der Industriegesellschaft ....................... 144
2.3.1.1 Das Mengenprob1em der Abfallwirtschaft . . . . . . . . . . .. 144
2.3.l.2 Sied1ungs-und Industrieabfalle .................... 146
2.3.l.3 Sonderabfalle .................................. 150
2.3.l.4 RadioaktiveAbfalle ............................. 151
2.3.2 Produkte der Abfallbehand1ung ........................ 152
2.3.2.1 Abfallentsorgung, Wiederverwendung . . . . . . . . . . . . . .. 152
2.3.2.2 Miillverbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 153
2.3.2.3 Verbrennungsaschen ............................ 157
2.3.2.4 Kompost ...................................... 161
2.3.2.5 Rotte ........................................ 163
2.3.2.6 K1arsch1amm .................................. 166
2.3.2.7 Fau1gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 172
2.3.3 Deponierung von Abfallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 173
2.3.3.1 Deponietypen und -k1assen ........................ 173
2.3.3.2 Die Hausmiilldeponie a1s chemischer Reaktor . . . . . . . .. 182
2.3.3.3 Stabi1isierung von Abfallen ....................... 188
2.3.3.4 Geochemische Konzepte der Langzeitlagerung von
Abfallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 189
2.4 Partikulares Material in der Atmosphare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 194
2.4.1 Atmospharische Aeroso1e (Einfiihrung) . . . . . . . . . . . . . . . . .. 194
2.4.l.1 Luftverschmutzung durch Staube . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 194
2.4.l.2 Toxiko1ogie von Feinstaub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 202
2.4.2 Anorganische Schadstoffe in atmospharischen Partikeln . . . .. 204
2.4.2.1 Minera1fasem, Asbest ........................... 204
2.4.2.2 Metall(oid)e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 207
2.4.2.3 F1ugasche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 210
2.4.3 Organische Schadstoffe in atmospharischen Partike1n . . . . . .. 210
2.4.3.1 Herkunft organischer Bestandtei1e . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21 0
2.4.3.2 IndustrieruBe (black carbon) ...................... 212
2.4.3.3 DieselruB ..................................... 214
2.4.4 Partike1 im Innenraumbereich ......................... 217
2.4.4.1 Allgemeines zum Hausstaub ...................... 217
2.4.4.2 Rauchen in gesch10ssenen Raumen ................. 219
2.4.4.3 Anorganische Stoffe im Hausstaub ................. 220
2.4.4.4 Organische Stoffe im Hausstaub ................... 222
2.4.4.5 Hausstaubuntersuchungen ........................ 224
xn Inhaltsvel'zeichnis
3 Spezielle Umweltgeochemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 228
3.1 Einfuhrung in anorganische, organische und radioaktive
Schadstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 228
3.1.1 Anorganische Schadstoffe ............................ 228
3.1.1.l Metall( oid)e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 229
3.1.1.2 Cadmium und Quecksilber ........................ 237
3.1.1.3 Zinn und Blei .................................. 256
3.1.1.4 Arsen, Antimon und Bismut ....................... 267
3.1.1.5 Weitere ausgewahlte Elemente und Spezies . . . . . . . . . .. 279
3 .l. 2 Organische Schadstoffe .............................. 288
3.l.2.l Organische Stoffe in der Umwelt . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 288
3.l.2.2 Aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe ..... 302
3.l.2.3 Halogenorganische Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . .. 317
3.l.2.4 Biozide ....................................... 354
3.l.3 Radioaktive Stoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 368
3.1.3.1 Strahlenbelastung des Menschen . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 369
3.l.3.2 Anthropogene Emissionen und Endlagerungsproblematik 374
3.1.3.3 Geogene Quellen ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 377
3.1.3.4 Innemaumradioaktivitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 379
3.1.3.5 Ausgewahlte Nuklide ............................ 381
3.2 Assoziationen zwischen Metall(oid)en und organischem Material . 387
3.2.1 Fossile und rezente Sedimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 387
3.2.2 Metalloproteine .................................... 391
3.2.3 Metall(oid)organische Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 392
3.2.4 Carbonyle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 396
3.2.5 Biomethylierung der Elemente ......................... 396
3.2.5.1 Methanogenese ................................ 401
3.2.5.2 Cadmium..................................... 403
3.2.5.3 Quecksilber................................... 404
3.2.5.4 Zinn......................................... 409
3.2.5.5 Blei ......................................... 412
3.2.5.6 Arsen ........................................ 413
3.2.5.7 Antimon ..................................... 417
3.2.5.8 Bismut ....................................... 418
3.2.5.9 Selen ........................................ 418
3.2.5.l0 Tellur ....................................... 418
3.2.5.11 Silicium ...................................... 419
3.3 Chemische Tracer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 421
3.3.1 Biomarker ........................................ 424
3.3.1.1 Fluchtige Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 424
3.3.1.2 Alkanverteilung ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 425
3.3.1.3 Gesattigte polyzyklische KW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 425