de Hulpe uit in de Demer.

Transcriptie

1 Zware metalen in de alluviale vlakte van de De waterbodems van de Vlaamse rivieren worden gekenmerkt door een zeer slechte fysisch-chemische, biologische en ecologische kwaliteit (Vlaamse Milieumaatschappij, 2003). Het probleem van gecontamineerde waterbodems beperkt zich echter niet alleen tot de rivierbedding. Een mooi voorbeeld hiervan vinden we terug langs de Grote Beek, die doorheen verschillende natuurgebieden loopt. In het westen van Molenstede gaat de Hulpe door het natuurgebied Het Kraanrijk en te Zichem doorkruist ze het Vierkensbroek en de Kloosterbeemden, die deel uitmaken van het Vlaams natuurreservaat De Demerbroeken (160 ha). In de Kloosterbeemden mondt de Hulpe uit in de Demer. Figuur 1: Situering van de Vallei van de Drie Beken met aanduiding van de onderzochte locaties Het natuurreservaat Vallei van de Drie Beken (76 ha) strekt zich uit over het uiterste westen van de provincie Limburg en het noordoosten van Vlaams-Brabant op het grondgebied van de gemeenten Beringen (Paal), Tessenderlo en Diest (Molenstede, Schaffen en Deurne). De uitgestrekte brede vallei wordt er gevormd door de Kleine, de Middelen de Grote Beek, waaraan het gebied zijn naam dankt, en door een aantal kleinere beken en grachten. De Grote Beek is gekend onder vier namen. In Limburg wordt ze de Winterbeek genoemd, In Vlaams-Brabant heet ze Grote Beek. In Molenstede ontvangt de Grote Beek de Kleine Beek en wordt ze Zwart Water genoemd; voor de monding in de Demer heet ze de Hulpe (Figuur 1). 20 De rivier kent een natuurlijk meanderend verloop en herbergt dankzij deze unieke structuur een waardevol ecosysteem, bevolkt door zeldzame planten diersoorten. De alluviale gronden liggen grotendeels in natuuren agrarisch gebied. Omwille van de hoge ecologische waarde van het gebied heeft AMINAL gronden langsheen de Grote Beek aangekocht met de bedoeling ze in te richten als natuurgebied. Langsheen de rivier komen ijzerrijke veengronden voor. Industriële lozingen, rechtstreeks in de rivier, brengen een verslechtering van de waterkwaliteit met zich mee. Tegenwoordig is meer dan één derde van het totale debiet van de rivier afkomstig van industriële lozingen, die grote hoeveelheden zware metalen en chloriden bevatten. Een aantal keren per jaar, tijdens periodes van hevige regenval, treedt de rivier buiten haar oevers. Daarbij wordt de alluviale vlakte niet alleen overspoeld met rivierwater, ook gesuspendeerd sediment wordt met het water meegevoerd en afgezet. Om over Grote

2 Valérie Cappuyns is bio-ingenieur in de milieutechnologie. Ze is verbonden aan de afdeling Fysico-chemische Geologie van de KULeuven waar ze aan een doctoraat werkt omtrent de mobiliteit van zware metalen in overstromingssedimenten en geassocieerde bodems. Beek stromingen te voorkomen werd de rivier in het verleden regelmatig gebaggerd en het gebaggerde sediment werd op de rivieroever afgezet. In 1990 kwam hieraan echter een einde aangezien de gebaggerde sedimenten gecontamineerd bleken te zijn met onder andere zware metalen (Cd (cadmium), Zn (zink), As (arseen), Cr (chroom), Ni (nikkel), Cu (koper)) en Ra (radium)). Bijgevolg zijn overstromingen nu weer frequenter, waardoor de verspreiding van gecontamineerde sedimenten niet beperkt blijft tot de oeverwallen, maar het ganse overstromingsgebied bestrijkt. Pollutiebronnen en historiek De pollutie van de Grote Beek is vooral historisch, maar ook nu nog worden door verschillende bedrijven zware metalen in de beek geloosd. Cd is hoofdzakelijk afkomstig van de verwerking van fosfaatertsen, waaruit calciumfosfaat bereid wordt voor gebruik in veevoeders. Bij het productieproces wordt gebruik gemaakt van zoutzuur (HCl), waardoor de afvalwaters naast zware metalen (Cd, Zn, Ni, Cu, As) en radium (dat ook afkomstig is van fosfaatertsen), ook grote hoeveelheden chloriden bevatten. Zn en Cu zijn ook afkomstig van andere industrieën en van een rioolwaterzuiveringsinstallatie. Sinds 1985 past het bedrijf dat fosfaatertsen verwerkt een vergaande zuivering van haar afvalwater toe, waardoor de geloosde concentraties zware metalen en vooral Cd drastisch gedaald zijn. Er is echter geen economisch haalbaar procédé voorhanden om chloriden uit het afvalwater te verwijderen. In 1986 werd onderhandeld om de collector langs het Albertkanaal in gebruik te nemen om het afvalwater van het bedrijf af te voeren naar de Schelde in Antwerpen, waar de Schelde brak is. Uiteindelijk werd dit niet gerealiseerd en worden, ondanks verwoede inspanningen van het bedrijf om de metaalvracht tot een minimum te herleiden, nog altijd grote hoeveelheden chloridezouten en in mindere mate metalen in de beek geloosd. Hoewel het zuiveren van afvalwater op het eerste zicht een oplossing lijkt voor het probleem van de Cd-contaminatie, is de realiteit veel complexer. Uit de analyse van verticale profielen in de overstromingssedimenten kan worden afgeleid dat de metaalvracht van het rivierwater inderdaad afneemt. Men zit echter met een aanzienlijke historische pollutie van de rivierbedding en van alluviale gronden. Zelfs indien geen zware metalen in de rivier geloosd worden, vormt de erosie van de rivieroever en het opnieuw opwoelen van sediment in de bedding een secundaire bron van zware metalen. Ondanks de afname van zware metaalconcentraties in het afvalwater en in de overstromingssedimenten, zijn de metaalconcentraties in recent afgezette sedimenten toch nog aanzienlijk. Voor Cd is er nog steeds een ruime overschrijding van de bodemsaneringsnorm. Zware metalen in overstromingssedimenten langs de Grote Beek-Zwart Water-Hulpe In het kader van een doctoraatsonderzoek omtrent het mobiliteitsgedrag in overstromingssedimenten en geassocieerde bodems werden op drie locaties langs de Grote BeekZwart Water-Hulpe overstromingssedimenten bemonsterd (Figuur 1). Er werden volledige profielen bemonsterd tot op een diepte van maximaal 1,5 m, zowel vlak naast de rivier, als verder weg van de oever. In de stalen werden verschillende fysisch-chemische parameters bepaald waaronder de ph, het organischestofgehalte, de textuur en de concentraties van hoofdelementen en zware metalen. Tevens werd ook het poriënwater (dit is het water dat zich in de poriën van het sediment bevindt), geanalyseerd naar zware metalen en chloriden. In Tabel 1 worden de totale concentraties van Cd, Zn, Ni, Cu, Cr en As in overstro- 21

3 Site I Grote Beek (N= 155) Site II Zwart Water (N = 23) Concentratie (mg/kg) Cr Ni Cu Zn As Cd Pb gemiddelde stdv min max gemiddelde stdv min max potentieel) van zware metalen in bodems en sedimenten. In de VLAREBO-wetgeving wordt hier in zekere mate rekening mee gehouden door achtergrondwaarden en bodemsaneringsnormen aan te passen al naargelang het kleien organischestofgehalte van de bodem. Naast de samenstelling van bodems en sedimenten (bv. kleien organischestofgehalte) wordt de mobiliteit van zware metalen ook nog door andere factoren bepaald, voornamelijk ph, redoxpotentiaal en saliniteit. Bovendien is het belangrijk om het effect van veranderende omgevingscondities (veranderingen in ph, redoxpotentiaal) in te schatten om voorspellingen te maken over de mobiliteit van zware metalen op korte en op lange termijn. Scenario s Site III Hulpe (N = 22) Bodemsaneringsnorm voor bestemmingstype I en II Tabel 1: Cr-, Ni-, Cu-, Zn-, As-, Cd- en Pb-concentraties in de alluviale sedimenten langs de Grote Beek-Zwart Water-Hulpe. N = aantal stalen. mingssedimenten weergegeven voor de drie onderzochte sites. Aangezien volledige profielen werden bemonsterd, gaat het zowel om oppervlakkige als diepere stalen (tot maximaal 1,5 meter diepte). Ter vergelijking worden ook de bodemsaneringsnormen (VLAREBO) voor natuuren landbouwgebied (bestemmingstype I en II) vermeld voor een standaardbodem met een organischestofgehalte van 2% en een kleigehalte van 10%. gemiddelde stdv min ,2 11 max De veengronden op Site I (Figuur 1) worden regelmatig overstroomd. Omwille van frequente overstromingen zijn de overstromingssedimenten zwaar gecontamineerd met voornamelijk As, Cd en Zn tot op een afstand van meer dan 50 m van de rivier. De zandige alluviale gronden 10 km meer stroomafwaarts (Site II) zijn nauwelijks beïnvloed door zware metalen (Tabel 1). 13 km stroomafwaarts van Site I vinden we weer zwaar gecontamineerde, kleirijke overstromingssedimenten terug. Hieruit kan afgeleid worden dat er geen rechtstreeks verband is tussen de pollutiegraad en de afstand tot de voornaamste pollutiebron (ter hoogte van de Paalse Plas), maar dat de frequentie van overstromingen bepalend is voor het voorkomen van gecontamineerde sedimenten. Naast de frequentie van de overstromingen speelt ook de lokale topografie een rol in het voorkomen van gecontamineerde sedimenten. Zo kan er in kleine depressies meer sediment afgezet worden, wat in een hogere contaminatiegraad resulteert. Ook op de plaatsen waar in het verleden gebaggerde sedimenten langs de rivier werden gestort worden vaak hogere metaalconcentraties aangetroffen. Hoge chloride(cl - )-concentraties, vergelijkbaar met de Cl - -concentraties in het rivierwater worden teruggevonden in het poriënwater van de overstromingssedimenten op Sites I en III, samen met verhoogde concentraties zware metalen. Het feit dat hoge Cl - -concentraties niet alleen dichtbij het lozingspunt (dichtbij de Paalse Plas, Figuur 1) maar ook 15 km stroomafwaarts hiervan worden teruggevonden is een belangrijk gegeven. Mobiliteit van zware metalen? Totale metaalconcentraties geven weinig informatie omtrent het risico (actueel en Wat het potentiële risico van de gecontamineerde riviersedimenten betreft, kunnen verschillende scenario s in acht genomen worden. Omwille van de zeer slechte fysisch-chemische kwaliteit van de waterbodem is baggeren noodzakelijk. Tijdens periode van hevige regenval stijgt het debiet van de rivier waardoor sediment opnieuw opwoelt en zo verder stroomafwaarts wordt verspreid. Bovendien worden bij overstroming van de rivier gecontamineerde riviersedimenten afgezet in de alluviale vlakte. Indien de rivier gebaggerd wordt, om overstromingen te voorkomen, zullen de gebaggerde sedimenten niet op de oevers gestockeerd worden omwille van de hoge zware metaalconcentraties. Vanuit praktisch standpunt kan het evenwel nodig zijn om de sedimenten gedurende een korte periode (bv. een week) op de oever te laten liggen. Wanneer anoxische (zuurstofloze of -arme in tegenstelling tot oxische) riviersedimenten aan land worden gebracht, ondergaan ze grondige fysisch-chemische veranderingen: er treedt oxidatie op en vaak ook een ph-daling (verzuring), wat de mobiliteit van zware metalen beïnvloedt. ph, zuurbufferend vermogen en oxidatie ph is de belangrijkste factor die de mobiliteit van zware metalen in bodems en sedimenten beïnvloedt. Bij een neutrale ph (ph 7), vertonen zware metalen een lage mobiliteit, d.w.z. dat ze relatief sterk aan bodem- en sedimentpartikels gebonden zijn. Naarmate de ph van een bodem of een sediment daalt, neemt de mobiliteit van zware metalen toe. Sedimenten op de bodem van een rivier bevinden zich in anoxische toestand. Tijdens 22

4 de oxidatie van anoxische riviersedimenten (na afzetting op land door overstromingen of door baggeren) doen er zich reacties voor waarbij er protonen (H+) geproduceerd worden, die een ph-daling in het sediment kunnen teweegbrengen. Sedimenten beschikken echter over een zeker vermogen om die protonen te neutraliseren, dit wordt aangeduid met de term zuurbufferend vermogen. Het Figuur 2: Evolutie van de ph en de Fe-, As-, Zn-, Cd-, Ni- en Cu-concentraties in het poriënwater tijdens de oxidatie van een sediment van de Grote Beek. zuurbufferend vermogen bepaalt de mate waarin de ph van een sediment zal dalen wanneer protonen worden geproduceerd: in sedimenten met een sterk zuurbufferend vermogen zal de ph amper of slechts in geringe mate dalen, terwijl in sedimenten met een beperkt zuurbufferend vermogen een aanzienlijke ph-daling kan plaatsvinden. Tijdens de oxidatie van een anoxisch sediment van de Grote Beek daalde de ph van 6,9 naar 6,4 (Figuur 2), wat erop wijst dat het sediment toch over een zeker zuurbufferend vermogen beschikt. Er zijn uit de literatuur immers voorbeelden gekend van sedimenten die bij oxidatie een ph-daling vertonen van 7,5 naar 3,5! Naast de oxidatie van (anoxische) riviersedimenten kan ook zure depositie uit de lucht voor een ph-daling zorgen in bodems en sedimenten. Het zuurbufferend vermogen en de bijhorende mobilisatie van metalen in alluviale (reeds geoxideerde) sedimenten werd meer in detail bestudeerd a.d.h.v. zgn. phstat uitloogtesten. In dergelijke tes- ten wordt een hoeveelheid sediment gesuspendeerd in water en de suspensie wordt continu geschud en getitreerd m.b.v. een zuur (in dit geval een HNO3 -oplossing). Aan de hand van de hoeveelheid zuur die nodig is om een vooropgestelde ph te bereiken kan het zuurneutraliserend vermogen bij een welbepaalde ph bepaald worden. Deze kwantificering van het zuurneutraliserend vermogen is interessant omdat het kan aangewend worden om voorspellingen te maken over de potentiële uitloging van zware metalen o.i.v. verzuring (bv. door zure depositie). Uit onze berekeningen blijkt dat het zuurneutraliserend vermogen van de onderzochte sedimenten erg variabel is al naargelang de samenstelling van de sedimenten. Bij verzuring blijken vooral Cd en Zn vrij te komen, terwijl As gewoonlijk vrij sterk aan de sedimentmatrix gebonden is. De hoge gehalten aan Fe-(hydr)oxiden in de bodems en sedimenten langs de Grote Beek spelen bovendien een belangrijke rol in de retentie van As en zware metalen. phstat uitloogtesten uitgevoerd op een aantal sedimenten met een variërend klei-, organische stof- en Fe-gehalte leren dat op een termijn van 100 jaar 10 tot 70 mg/kg Zn en 0,3 tot 2,7 mg/kg Cd kunnen vrijkomen door verzuring. Uiteraard gaat het hier om een worstcase scenario aangezien de experimentele condities (o.a. de hoge water-bodem verhouding) niet helemaal overeenkomen met de natuurlijke condities. Ook moet ermee rekening gehouden worden dat andere factoren zoals de afbraak van organisch materiaal en de aanwezigheid van chloriden in het rivieren poriënwater (zie verder) een mobilisatie van metalen tot gevolg kunnen hebben. Desondanks kan gezegd worden dat, in verhouding tot de zeer hoge totale concentraties in de overstromingssedimenten, bodemverzuring o.i.v. zure depositie een relatief geringe mobilisatie van metalen zal teweegbrengen. Vrijzetten van zware metalen bij oxidatie De samenstelling van het poriënwater is een belangrijke indicator voor de mobiliteit en het potentiële risico van zware metalen. Planten nemen nutriënten op via het poriënwater en langs het poriënwater kunnen metalen naar diepere bodemlagen en eventueel naar het grondwater migreren. Tijdens de gesimu- 23

5 leerde depositie van gecontamineerde sedimenten op land werd op regelmatige tijdstippen het poriënwater bemonsterd en geanalyseerd (Figuur 2). Voor Cd, Zn, Ni en Cu werd er pas een aanzienlijke vrijgave vastgesteld na 4 of 5 dagen blootstelling aan oxische omstandigheden (Figuur 2), wat op het belang wijst van de kinetiek van oxidatie in deze sedimenten. Initieel is er een aanzienlijke vrijzetting van Fe (Fe2+), gevolgd door een daling van opgeloste Feconcentraties omwille van de oxidatie van Fe2+ tot Fe3+ en de neerslag (precipitatie) van Fe(hydr)oxiden. Tijdens de precipitatie van Fe(hydr)oxiden kunnen ook zware metalen en As mee ingebouwd worden in de nieuw gevormde Fe(hydr)oxiden (coprecipitatie) of ze kunnen adsorberen op de nieuw gevormde Fe(hydr)oxiden (readsorptie). In Figuur 2, bijvoorbeeld, is dit het geval voor As. Hoewel er geen normen bestaan voor zwaremetaalgehalten in poriënwater, kunnen de bodemsaneringsnormen voor grondwater (VLAREBO) toch enig referentiekader bieden. Deze norm bedraagt voor Zn 500 µg/l en voor Cd 5 µg/l en wordt in het poriënwater dus ruim overschreden na dag 5. Chloriden Hoewel saliniteit in zoetwatersystemen gewoonlijk niet belangrijk is, vormt de Grote Beek een geval apart. Het water van de Grote Beek bevat immers aanzienlijke Cl-concentraties (onder de vorm van CaCl2) afkomstig van industriële lozingen. De invloed van chloriden op de mobiliteit van zware metalen in overstromingssedimenten en gebaggerde sedimenten van de Grote Beek werden in het laboratorium getest. Vooral voor Cd, Cu en Zn was de invloed van chloriden aanzienlijk en steeg de uitloogbaarheid van deze elementen met een factor 3 tot 5 bij een stijging van de Cl- -concentraties van 0 tot 6000 mg/l. Bij een Cl- -concentratie van 4500 mg/l (gemiddelde Cl- -concentratie van het rivierwater in 2002) was de uitloogbaarheid van Cd een factor 10 hoger dan bij een lage Cl- -concentratie (400 mg/l). In het labo werden ook de concentraties aan zware metalen in water opgevolgd tijdens de resuspensie van gecontamineerde sedimenten in zuiver water en in water met hoge CaCl2 concentraties. Analoog aan de waarnemingen in het poriënwater, werd voor sommige metalen (bv. As) initieel een hoge vrijzetting waargenomen, gevolgd door een concentratiedaling, terwijl andere elementen pas na verloop van tijd vrijkwamen (bv. Cd, Zn). Interessant was ook de invloed van chloriden: bij resuspensie in zuiver water werd geen Cd gedetecteerd in het water. Wanneer het water echter hoge Cl- -concentraties bevat, vindt er wel een aanzienlijke vrijzetting van Cd plaats en wordt er ook meer Zn en Ni vrijgezet. Aangezien de 24 GETEKEND sedimenten een nagenoeg neutrale ph hebben zullen zware metalen die bij oxidatie vrijkomen readsorberen op kleien, organische stof of Fe(hydr)oxiden. In de aanwezigheid van chloriden vormen de metalen, Cd in het bijzonder, complexen met Cl-, waardoor readsorptie deels verhinderd wordt. En verder... Bijna de helft van de waterbodems in Vlaanderen is ernstig verontreinigd met zware metalen en pcb s en vormen als dusdanig een continue bron van vervuiling. In het kader van de Europese richtlijn integraal waterbeheer, die bepaalt dat onze rivieren tegen 2015 proper moeten zijn, dringt de noodzaak zich op om verontreinigde rivieren te saneren. Tevens dienen tal van waterlopen gebaggerd te worden om de bevaarbaarheid te garanderen of om het overstromingsgevaar te beperken. Naar schatting moet er tegen miljoen ton slib gesaneerd worden in Vlaamse waterlopen (OVAM, 2003). Om de historische achterstand in de slibruiming weg te werken maakt de Vlaamse overheid tussen 2004 en 2014 jaarlijks 20 miljoen euro vrij. Men moet er zich echter van bewust zijn dat met het saneren van gecontamineerde waterbodems het probleem van pollutie in sommige gevallen niet is opgelost. De onderzoeksresultaten tonen duidelijk aan dat het probleem van zware metalen in waterbodems en alluviale gronden van de Vallei van de Drie Beken een complex gegeven is. Sanering van de waterbodem zal een einde maken aan de afzetting en verspreiding van gecontamineerde waterbodemsedimenten langs de oever en in de overstromingsvlakte. De overstromingsgebieden zelf worden echter gekenmerkt door een sterke historische vervuiling. Overstromingen met chloride-rijk rivierwater en de erosie van de rivieroever kunnen bovendien voor een verdere verspreiding van zware metalen zorgen. Referenties OVAM (2003). Ontwerp uitvoeringsplan baggeren ruimingsspecie. Openbare afvalstoffenmaatschappij voor het Vlaamse Gewest, Mechelen. Vlaamse Milieumaatschappij (2003). Waterbodemkwaliteit 2002, VMM, Aalst. Door de ogen van Gal