Aanvulling Dictaat Inleiding Bodem Voor versie 2007
Bodem en Water 1 (LAD-10806) Bodem en Water II (AEW-21306)
Oktober 2008
Inhoud: pagina Overzicht alle wijzigingen Bijlage 1: H4.3 Toegevoegd: Toepassing osmotisch gebonden water Bijlage 2: H5.1 Toegevoegd: Berekening accumulatie → stofgehalte Bijlage 3: H5.2.5 Toegevoegd: Toelichting adsorptiemodellen Bijlage 4: H7.10 Herzien: Toepassing bestrijdingsmiddelen Bijlage 5: H7.11 Nieuw: Zware metalen in het bodemmilieu Bijlage 6: H9.6.1 Herzien: Toepassing Bodemsanering - onderzoek Bijlage 7: Herzien: Vraagstukken werkcollege W1 Bijlage 8: Nieuw: Vraagstukken werkcollege W3
1 2 2 3 4 8 13 15 17
Bijlage 9: Herzien: Vraagstukken werkcollege W6
20
Bijlage 10: Supplement E Toegevoegde antwoorden
22
1
2
Wijzigingen dictaat Inleiding Bodem versie 2008 t.o.v. versie 2007 Omslag: Lsg SIL wordt LAD (landdynamiek) Volume 1 H4.3 Toepassing: toegevoegde text in bijlage 1 Volume 2 H5.1 p285 toegevoegd Berekening accumulatie → stofgehalte (zie bijlage 2) H5.2.5 p302 onder figuur 5.2.5-1 toegevoegd: Toelichting adsorptiemodellen (zie bijlage 3) H5.5.2 en H5.5.4 Vw is veranderd in Vporie H5.5.4 p366 1+Rd = vertragingsfactor of retardatiefactor H7.10 Herzien (zie bijlage 4) H7.11 Toegevoegd (zie bijlage 5) H7.12 Nummering aangepast: was 7.11 H7.13 Nummering aangepast: was 7.12 Bijlage 8.8-2 p550 Correctie in onderste rij van de tabel: in de 1e kolom (Ontwateringstoestand) moet een 5 staan, in de 3e-kolom bovenste rij moet de 5 vervangen worden door 3.1 H9.6.1 Toegevoegd toepassing Bodemsanering – onderzoek (zie bijlage 6) Volume 3 Supplement C Vraagstukken werkcollege BW2 W1: vraagstukken herzien en toegevoegd: zie bijlage 7 W3: nieuw werkcollege Bodeminventarisatie: zie bijlage 8 W4: werkcollege landevaluatie Mekong-delta: was W5 W5: was W2 Speciatie en afbraak W6: was W3 + W6 (uitgezonderd proeftentamen): zie bijlage 9 Supplement E Antwoorden vragen in leertekst: H7.11.x → H7.12.x H7.12.x → H7.13.x Toegevoegde antwoorden in bijlage 10 Supplement F Kernbegrippen Toegevoegde kernbegrippen: Achtergrondwaarde :
(2)[7.11] Natuurlijke stofgehalte in de bodem (niet verontreinigd). Wordt vaak ook aangeduid als referentiewaarde. Voor zware metalen is de referentiewaarde verschillend van de achtergrondwaarde en afhankelijk van klei- en organische stofgehalte. Zwaar metaal:
(2)[7.11] Element met soortelijke massa > 4 a 5 kg/l en met toxische eigenschappen (in periodiek systeem lopend van titanium tot en met lood. Voorbeelden zijn: Cu, Cd, Pb, Zn, Cr, Ni, Mo, As.
1
Bijlage 1
H4.3
Toepassing Osmotisch gebonden water
Toepassing Osmotisch gebonden water vormt in kleigronden meestal de grootste fractie gebonden water: veel gehydrateerde – door watermoleculen omringde kationen gebonden aan het negatief geladen oppervlak van de kleimineralen. Daarnaast is vooral capillair gebonden water – vanwege de vele kleine poriën van belang. Water dat met grote kracht wordt vastgehouden, zoals osmotisch gebonden water en capillair gebonden water in heel kleine poriën (< 3 μm; voornamelijk door adhesiekrachten) kan niet of nauwelijks door planten worden opgenomen. Wateropname door planten wordt ook door osmose bepaald: de celwanden van wortelcellen werken als semi-permeabele membraan. In zoute gronden kunnen planten daarom maar moeilijk water opnemen: de zoutconcentratie in de bodemoplossing is erg hoog - soms zelfs hoger dan in de wortelcel waardoor er geen of slechts weinig waterstroming richting plant kan optreden. Humusarme zandgronden hebben relatief veel grote poriën (> 30 μm) waardoor de capillaire opstijging gering is. Vanwege de samenstelling van de grond – geen klei en weinig organische stof - komt ook nauwelijks osmotisch gebonden water voor. Deze gronden zijn vaak te droog voor plantengroei omdat ze erg weinig vocht vasthouden.
Bijlage 2
H5.1 Berekening accumulatie → stofgehalte
Concept Bij een bekende aanvoer, opname en afvoer kan de accumulatie berekend worden (bv. in kg/ha of mg/m2). Dergelijke berekeningen zijn interessant voor nutriënten (N, P), voor zouten, voor verontreinigende stoffen (bv. zware metalen, bestrijdingsmiddelen, PAK) en voor organische stof (humus). Het stofgehalte in de bodem wordt uitgedrukt per kg droge grond terwijl de accumulatie per oppervlakte-eenheid wordt berekend. Omrekening van accumulatie (A; mg/m2) naar gehalte (T; mg/kg) gebeurt m.b.v. het initiële stofgehalte (To; mg/kg), de droge bulkdichtheid (ρd; kg/m3) en de diepte waarover de stof in de bodem wordt gemengd (z; m): A T = To + ΔT met ΔT = (5.1-1) z ⋅ ρd
2
Bijlage 3
H5.2.5
Toelichting adsorptiemodellen
Concept Het evenwicht tussen het gehalte aan het adsorbens (bodemdeeltjes) en de concentratie in het bodemvocht kan worden beschreven met adsorptiemodellen. Adsorptiemodellen worden gebruikt om verkregen meetdata te beschrijven en om het adsorptie- en desorptiegedrag te voorspellen op basis van verkregen inzicht in de betreffende processen. Zo’n adsorptiemodel kan relatief eenvoudig zijn, bv. het lineaire adsorptiemodel (zie H 5.2.6) of het niet-lineaire Freundlich model (zie H5.2.7). Deze eenvoudige modellen zijn alleen maar beschrijvend van aard (empirisch) en daardoor nogal beperkt in hun toepassingsmogelijkheden. Zo moeten voor elke nieuwe milieuconditie en bodemtype de modelparameters opnieuw (experimenteel) bepaald worden. Het niet-lineaire Langmuir model (zie H5.2.8) steunt op een zeer algemene mechanistische beschrijving van de binding waardoor algemene toepasbaarheid beter opgaat. Voor complexe bodemmaterialen als organische stof en metaaloxiden blijkt ook dit model in de praktijk echter te beperkt te zijn. Sedert ca. 2000 zijn er zeer geavanceerde adsorptiemodellen ontwikkeld die uitgaan van de moleculaire processen die plaatsvinden bij de adsorptie aan reactieve oppervlakken in de bodem: o.a. het CD-model (Charge Distribution model) voor binding van oxi-anionen en zware metalen aan metaal(hydr)oxiden en het NICA-Donnan model (NICA = Non-Ideal Competitieve Adsorption) voor binding van zware metalen aan organische stof. Deze mechanistische adsorptiemodellen zijn dermate complex dat ze zijn opgenomen in specifieke computermodellen (bv. ECOSAT, Orchestra). Kenmerkend voor deze adsorptiemodellen is dat ze de ladingsveranderingen die als gevolg van adsorptie optreden op de oppervlakken van de reactieve bodemdeeltjes (organische stof en ijzer- en aluminium(hydr)oxiden) goed beschrijven. Specifieke materiaaleigenschappen, zoals bv. het sterk heterogene karakter van organische stof of de kristalstructuur van metaal(hydr)oxiden, worden in de modellering meegenomen. Combinatie van al deze modellen leidt tot een redelijk goede beschrijving van het gedrag van anorganische stoffen in de bodem. Deze gecombineerde adsorptiemodellering voor diverse reactieve oppervlakken wordt wel aangeduid met de term: Multi site complexering.
3
Bijlage 4
7.10
Toepassing bestrijdingsmiddelen
Leerdoelen
•
De belangrijkste milieu-effecten van bestrijdingsmiddelen in de bodem kunnen noemen.
•
Kunnen toelichten wat met persistentie wordt bedoeld.
Kernbegrippen
Persistente stof
Residu
Concept
Bestrijdingsmiddelen, of gewasbeschermingsmiddelen, worden toegepast in gewassen of direct in of op de bodem gebracht ter bestrijding van onkruid, ziekten en plagen. Het zijn veelal apolaire organische moleculen, soms echter met polaire groepen. Op grond van de Bestrijdingsmiddelenwet (1962) is handel in en het gebruik van bestrijdingsmiddelen verboden tenzij voor het betreffende middel ontheffing is verleend. Het College Toelating Gewasbeschermingsmiddelen en Biociden (CTGB) in Wageningen bereidt het besluit hieromtrent voor. Bij de beoordeling op toelaatbaarheid worden twee hoofdaspecten onderscheiden: •
het middel moet deugdelijk zijn voor het gestelde doel
•
er mogen geen onaanvaardbare neveneffecten optreden.
Bij het laatste moet je denken aan bijvoorbeeld accumulatie van bestrijdingsmiddelen in voor consumptie bestemde gewassen. De schade aan organismen die niet tot de doelsoort behoren moet zoveel mogelijk beperkt worden. De hoeveelheid van een bestrijdingsmiddel dat in de bodem achterblijft heet het residu. Een residu kan leiden tot schade aan volggewassen, maar het kan ook geheel of gedeeltelijk uitspoelen naar het grondwater en zo een bedreiging vormen voor het oppervlaktewater en/of het drinkwater. Het bodem-beschermingsbeleid is er op gericht om het gehalte aan residuen zo klein mogelijk te houden door het gebruik van bestrijdingsmiddelen verder terug te dringen of door over te schakelen op middelen die in relatief korte tijd afgebroken worden. De twee criteria die hierbij horen zijn dat het middel afgebroken moet zijn voordat: a) het volggewas gezaaid wordt, b) het in het grondwater terecht komt. Bestrijdingsmiddelen in de bodem kunnen omgezet worden in andere componenten (=biotransformatie), waarbij de gevormde stoffen niet per definitie minder toxisch zijn. Bestrijdingsmiddelen die snel omgezet worden in een onschadelijke stof zijn minder schadelijk voor het milieu dan persistente bestrijdingsmiddelen, die moeilijk omgezet worden. Persistente stoffen blijven lang in de bodem achter en dit kan ongewenst zijn met het oog op: • opname in de voedselketen via accumulatie in planten of dieren •
het ontstaan van resistentie bij plaagorganismen
•
uitspoeling naar het grondwater.
4
Het transport van een stof van het bodemoppervlak naar het grondwater vergt enige tijd. De retardatie hangt af van de vastlegging (vooral aan organische stof en Fe- en Al(hydr)oxiden). Als een stof voldoende snel wordt afgebroken is het volledig omgezet voordat het in het grondwater komt. Persistente bestrijdingsmiddelen kunnen in gronden met geringe vastlegging het grondwater relatief gemakkelijk bereiken. Dit vormt een directe bedreiging voor de kwaliteit van het oppervlaktewater en het drinkwater. In een richtlijn van de Europese Unie wordt voor elk individueel bestrijdingsmiddel een concentratie van 0,1 µg/l toelaatbaar geacht. De totale concentratie bestrijdingsmiddelen in grondwater mag niet meer dan 0,5 µg/l bedragen. Toepassing
Het gebruik van bestrijdingsmiddelen kan leiden tot ongewenste milieueffecten als gevolg van emissie naar tenminste één van de compartimenten bodem, water of atmosfeer. Uit het Milieuprogramma 1997-2000 blijkt bijvoorbeeld dat in Nederland in 1995 maar liefst 46.000 kg werkzame stof in het oppervlaktewater terecht is gekomen, 67.000 kg in bodem en grondwater en 3.100.000 kg in de atmosfeer! Ten opzichte van de periode 1984-1988 betekende dit, volgens dezelfde referentie, een reductie van respectievelijk 72%, 80% en 43%. De forse dalingen komen voornamelijk op het conto van het sterk terugdringen van grondontsmettingsmiddelen, zoals bijvoorbeeld toegepast in de aardappelteelt en in veel kasteelten. Het middelengebruik per ha is het hoogst in de kasteelt, de bollenteelt en de fruitteelt (zie figuur 7.101). Door het grote areaal aardappels in Nederland is het totale gebruik aan middelen het hoogst in de akkerbouw.
Figuur 7.10-1. De toegepaste hoeveelheid chemische bestrijdingsmiddelen in kg actieve stof per hectare voor verschillende teeltcategorieën in de jaren 1995 en 2005. Bron: CBS
5
CENTRAAL BUREAU VOOR DE STATISTIEK (CBS) WEBMAGAZINE MAANDAG 4 FEBRUARI 2008
Forse toename gebruik bestrijdingsmiddelen door gemeenten De overheid heeft in 2005 bijna 54 duizend kg chemische bestrijdingsmiddelen gebruikt bij het onderhoud van openbare terreinen. Dit is 12 duizend kg (28 procent) meer dan in 2001. Het gaat vrijwel uitsluitend om onkruidbestrijdingsmiddelen. In beplantingen binnen de bebouwde kom steeg het gebruik ten opzichte van 2001 met 18 procent. Het gebruik op sportvelden daalde daarentegen, met 10 procent. Op (half)verhardingen zoals wandelen rijwielpaden, goten, stenige dijkglooiingen, spoorbanen e.d. is bijna 30 duizend kg chemische bestrijdingsmiddelen gebruikt, 45 procent meer dan in 2001. Het gebruik van bestrijdingsmiddelen op spoorbanen neemt met 5 procent geleidelijk toe. Gemeenten zijn met afstand de grootste gebruikers van bestrijdingsmiddelen. In 2005 is hun gebruik bijna 46 duizend kg. Dat is 37 procent meer dan in 2001. Bij onderhoud van verhardingen door gemeenten is het gebruik zelfs met ruim 10 duizend kg (54 procent) toegenomen.
Veel chemische onkruidbestrijdingsmiddelen bevatten de werkzame stof glyfosaat (C3H8NO5P). Het werkt via blokkering van bepaalde enzymen waardoor planten afsterven. Het wordt toegepast als onkruidbestrijdingsmiddel op verhardingen en in het natuurbeheer (verwijdering Amerikaanse Vogelkers uit bossen). In 1970 door het Amerikaanse bedrijf Monsanto op de markt gebracht onder de merknaam Roundup. Het patent hierop is inmiddels verlopen. Er zijn veel gewasvariëteiten ontwikkeld die genetisch resistent zijn tegen glyfosaat.
Glyfosaat (C3H8NO5P).
Gezien de chemische structuur mag verwacht worden dat glyfosaat in de bodem sterk wordt vastgelegd: de polaire groepen (-OH en – H2PO3) zorgen voor pH-afhankelijke binding aan organische stof en Fe- en Al-(hydr)oxiden.
Het toepassen van bestrijdingsmiddelen heeft een aantal onbedoelde en voor het milieu schadelijke bijwerkingen. Ook biologische componenten in of op de bodem (organismen, vegetatie en gewassen) die niet tot de doelsoort behoren ondervinden schadelijke effecten, omdat ook andere organismen dan
6
de doelsoort gevoelig kunnen zijn voor de werkzame stoffen in het bestrijdingsmiddel. Regenwormen, die een belangrijke rol spelen in de afbraak en menging van organisch materiaal in de bodem (zie H7.4), zijn gevoelig voor bestrijdingsmiddelen en vertonen bij blootstelling verminderde reproductie en groei en een verhoogde mortaliteit. De achteruitgang in de regenwormenpopulatie kan leiden tot een verminderde bodemvruchtbaarheid. Een ander denkbaar scenario is, dat het bestrijdingsmiddel een bepaalde predator treft, waardoor de populatie van de prooisoort zich explosief kan ontwikkelen, zodat de ene plaag door de andere wordt vervangen. Overmatige toediening kan schadelijke gevolgen hebben op de langere termijn. Overtollig herbicide bijvoorbeeld kan bij vruchtwisseling gevaar opleveren voor volggewassen, doordat het schadelijk is voor het gewas zelf of doordat het opgenomen wordt in het gewas en dus in de voedselketen terecht komt met grote kans op doorvergiftiging (zie ook H.5.3). Onkruid op verhardingen Bestrijdingsmethoden: -
thermisch
-
hoge druk spuiten
-
bestrijdingsmiddel en
-
mechanisch
Het belangrijkste neveneffect van de toepassing van onkruidbestrijdingsmiddelen op verhardingen betreft de afspoeling naar het oppervlaktewater. Om dit te voorkomen passen steeds meer gemeenten de zogenaamde DOB-methode toe. DOB staat voor Duurzaam OnkruidBeheer gericht op een effectieve onkruidbestrijding tegen een redelijke kostprijs (info: www.dob-verhardingen.nl). Binnen DOB kan men kiezen voor verschillende bestrijdingsmethoden zoals mechanisch, thermisch of chemisch. Voor de chemische methode gelden echter sterke gebruiksbeperkingen (praktische richtlijnen t.a.v. moment van toepassen, toepassingsmethode en dosering) gericht op het voorkomen van afspoeling zodat waterkwaliteitsnormen niet worden overschreden. V7.10-1 Noem enkele alternatieve methoden die kunnen helpen bij het bestrijden van ziekten of plagen. V7.10-2 Welke eisen worden aan een bestrijdingsmiddel gesteld voordat het wordt toegelaten? V7.10-3 In welke grondsoorten verwacht je dat persistente bestrijdingsmiddelen goed worden vastgelegd en in welke gronden niet ?
7
Bijlage 5
H7.11 zware metalen in het bodemmilieu
Leerdoelen
•
de aanwezigheid van zware metalen in de bodem kunnen verklaren
•
de mogelijke risico’s voor het milieu van zware metalen in de bodem kunnen beschrijven
•
de biobeschikbaarheid en mobiliteit van zware metalen in de bodem kunnen aangeven
Kernbegrippen
zwaar metaal
achtergrondwaarde
Concept
Een zwaar metaal is een metaal met hoog atoomgewicht (g/mol) en hoge dichtheid (kg/l). Meestal worden alleen de metalen met grote giftigheid bedoeld. De definities die worden gehanteerd verschillen nogal. Meestal wordt 'zwaar' gedefinieerd als een soortelijke massa hebbend groter dan 4,0 of 5,0 kg/l. Het betreft dan die metalen die in het periodiek systeem lopen van titanium tot lood. Bekende toxische zware metalen zijn o.a. lood, cadmium, kwik, chroom, nikkel, barium en thallium. Ook koper, mangaan en zink, hoewel essentiële sporenelementen die alleen in overdosering toxisch zijn, worden tot de zware metalen gerekend. Ook molybdeen en arseen worden beschouwd als zware metalen, al komen zij veelal als oxide voor (AsO4, AsO3 en MoO4). De lanthaniden en ook de actiniden (uranium, plutonium) worden er niet toe gerekend omdat de stralingstoxiciteit daarvan over het algemeen belangrijker is dan de chemische toxiciteit. Zware metalen komen van nature voor in de bodem waarbij opvalt dat de gehalten sterk kunnen variëren. Dat komt vooral door verschillen in mineralogische samenstelling van het moedermateriaal waaruit de bodem is ontstaan en de aard, intensiteit en duur van de natuurlijke bodemvormende processen die op het moedermateriaal hebben ingewerkt. Veranderingen in elementgehalte die door bodemvormende processen worden teweeggebracht voltrekken zich uiterst langzaam over meestal relatief geringe afstand (vorming bodemhorizonten met verschillend elementgehalte, zoals bv. door podzolvorming of door biogene accumulatie), soms over grotere afstanden (uitloging in infiltratiegebieden en na transport via grondwater gevolgd door accumulatie in kwelgebieden; bv. Fe en As) en soms ter plekke door accumulatie van organische stof (verdunning van de minerale fractie en verlaging van de bulkdichtheid; zie H4.1). Veel zware metalen zijn door menselijke activiteiten in het milieu gebracht en daarbij in de bodem terechtgekomen. Voorbeelden daarvan zijn: - toepassing van metalen als bestrijdingsmiddel (bv. koper en arseen) - storten van huishoudelijk afval (bv. lood, zink, koper) - gebruik van zuiveringsslib en compost in de landbouw (alle metalen) - gebruik van fosfaatkunstmest in de landbouw (cadmium) - hergebruik van vaste afvalstoffen als bouwstof (bv. vliegas, verbrandingsslakken) 8
-
emissie door verkeer en metallurgische bedrijven (bv. zink, cadmium, lood), gevolgd door atmosferische depositie afzetting van verontreinigd rivierslib in de uiterwaarden (alle metalen)
Door milieuverontreiniging kunnen metaalgehalten aanzienlijk verhoogd worden t.o.v. de natuurlijke achtergrondwaarden (zie fig. 7.11-1). Doordat veelal sprake is van sterke vastlegging, vooral aan organische stof, mag accumulatie in de bovengrond verwacht worden. Zware metalen binden goed aan klei en afhankelijk van de bodem-pH vooral aan organische stof (pH > 4) en in mindere mate aan Fe- en Al-(hydr)oxiden (pH > 6). Biobeschikbaarheid en mobiliteit zijn daarom meestal laag. In bodems met een lage buffercapaciteit (arme zandgronden met lage pH) mag echter een relatief grote biobeschikbaarheid en mobiliteit verwacht worden. Complexering van zware metalen met complexvormers zoals, chloride (vooral voor Cd, Pb, Hg) en DOC (opgeloste organische stof in de vorm van humus- en fulvozuren; vooral belangrijk voor Cu en Pb) leidt tot een sterke verhoging van mobiliteit en biobeschikbaarheid. Figuur 7.11-1 laat zien dat de hogere metaalgehalten in Nederland vooral voorkomen in de veengronden (Cd, Cu, Pb, Zn) en kleigronden (Cu en Zn). In kleigronden zorgt het hoge kleigehalte voor een hoge natuurlijke achtergrondwaarde. In de veengronden speelt dat toevoeging van metalen, bv. via atmosferische depositie (vooral Pb en Cd), leidt tot relatief sterk verhoogde metaalgehalten omdat de bulkdichtheid van veen veel lager is dan van minerale bodems (bij gelijke mengdiepte komt dezelfde hoeveelheid metaal in een kleinere massa grond terecht) en omdat nauwelijks uitspoeling optreedt door de sterke binding. In het veenweidegebied is daarnaast ook nog eens veel stedelijk afval gestort in de periode 1600 - 1900 ter verbetering van de draagkracht en vruchtbaarheid van de bovengrond (toemaakdek; vooral Pb, Cu en Zn). In de Brabantse Kempen is de bodemverontreiniging met Zn en Cd ontstaan in de periode 1892 - 1973 door emissie van Cd en Zn door de zinksmelterij van Budel en enkele zinkfabrieken in Vlaanderen.
9
Figuur 7.11-1. Metaalgehalten (mg/kg) in de bovengrond (0-10 cm) van Nederlandse bodems (RIVM, 2001). De achtergrondwaarden (mg/kg) voor de standaardbodem (25% klei en 10% humus) bedragen: Zn 140, Pb 85, Cu 36 en Cd 0,8 (zie bijlage 9.1). Om de metaalgehalten te kunnen vergelijken met de achtergrondwaarden moeten deze eerst nog gecorrigeerd worden voor de in de bodem voorkomende klei- en humusgehalten (zie H9.5).
Door de verhoogde metaalgehalten zullen de risico’s voor milieu en volksgezondheid groter worden omdat de biobeschikbaarheid en mobiliteit toenemen (verhoogde opname door planten en bodemorganismen, doorvergiftiging via de voedselketen, en vergrote uitspoeling naar het grondwater). Veel zware metalen zijn zeer toxisch, vaak al bij lage concentraties in combinatie met langdurige blootstelling (Cd, Ni). Sommige essentiële metalen zoals Cu en Zn (micronutriënten) zijn bij hoge doseringen toxisch. De biobeschikbaarheid van metalen in de bodem kan vaak goed geschat worden m.b.v. een CaCl2-extract (zie fig. 7.11-2, H5.3.2 en H6.8).
10
1.0 0.9
Log(Cd) in sla (mg/kg droge stof)
0.8
Figuur 7.11-2.
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4
-0.3
-0.1
0.1
0.3
0.5
0.7
0.9
1.1
1.3
1.5
Cd-gehalte in sla als functie van het Cd-gehalte in de grond (data voor verschillende grondsoorten en pH), bepaald met CaCl2-extractie (dubbel logaritmisch verband). Bij de extractie is de grond/vloeistof verhouding 10:1, zodat het gehalte per kg grond 10 x zo hoog is (range: 0,005 – 0,315 mg/kg). Bij een hoger Cd-gehalte in de grond neemt het gehalte in sla duidelijk toe.
Log(Cd-CaCl2) in grond (μg/l)
Toepassing Achtergrondgehalten De natuurlijke achtergrondwaarde is voor veel metalen sterk afhankelijk van het kleigehalte in de bodem (zie fig. 7.11-3). Welke metalen voorkomen en hoeveel hangt samen met de mineralogische samenstelling (de metalen zijn opgenomen in de kristalstructuur of ze zijn geadsorbeerd aan de kleimineralen). Hoewel organische stof van nature weinig metalen bevat kan het metaalgehalte daarvan toch hoog oplopen door sterke binding van in de bodemoplossing voorkomende metalen. Wanneer metalen aan de bodem zijn toegediend (bv. via bemesting of atmosferische depositie) dan mag een sterk positief verband verwacht worden met het organische stofgehalte (fig. 7.11-4). Het gehalte wordt immers uitgedrukt per kg bodemmateriaal en wanneer de bodem veel organische stof bevat verlaagt dat de bulkdichtheid. Bij gelijkblijvend bodemvolume verdeelt het metaal zich dan over een kleinere massa grond. Door deze variatie worden bodemkwaliteitsnormen voor zware metalen (streef- en interventiewaarden; zie H9.5) gekoppeld aan het klei- en organische stofgehalte van de bodem. 160 140 Referentiewaarde
Cr mg/kg
120
Figuur 7.11-3.
100 80 60 40 20
Achtergrondwaarde
0 0
20
40
60
Cr-gehalte (mg/kg) als functie van het kleigehalte (%) in de toplaag (010 cm) van natuurgebieden. De getrokken lijn geeft de achtergrondwaarde weer (regressielijn; R2=0,85). De streepjeslijn geeft de referentiewaarde weer. Naar Lexmond en Edelman, 1986)
% klei
11
2.5
Cd mg/kg
2 1.5
Figuur 7.11-4. 1 0.5 0 0
500
1000
1500
2000
L + 3H (g/kg)
2500
3000
Cd-gehalte als functie van de waarde L+3H (L = kleigehalte en H = organische stofgehalte) in de toplaag (0-10 cm) van natuurgebieden en in de laag 0-20 cm van cultuurgronden. De streepjeslijn geeft de referentiewaarde weer. De getrokken lijn is de regressielijn (= achtergrondwaarde; R2=0,43). Naar Lexmond en Edelman, 1986)
Bodemsanering Sanering van een locatie met een zware metalenverontreiniging in de grond is vaak nogal problematisch vanwege de sterke vastlegging. Daarom zal indien mogelijk eerst voor een ex-situ techniek gekozen worden (afgraven gevolgd door behandelen of storten; zie H9.6.2). Als dat niet kan (bv. wegens bebouwing of omdat de metaalverontreiniging te diep zit of omdat het te duur wordt) kunnen in-situ (veld) methoden toegepast worden. Bekende en geschikte in-situ technieken (zie H9.6.2) zijn: - immobilisatie (vastlegging); bv. door pH verhoging (sterkere adsorptie) of door vorming van slecht oplosbare mineralen (bv. metaalsulfiden of metaalcarbonaten). - IBC-maatregelen (isoleren, beheersen en controleren) zoals het aanbrengen van een leeflaag waardoor contact en opname door planten niet meer mogelijk is. - spoelen met zuur of complexvormer: gericht op het uitspoelen van de zware metalen d.m.v. verhoging van de mobiliteit. Zowel bij immobilisatie als bij IBC-maatregelen is nazorg in de vorm van monitoring belangrijk. V7.11-1 Voor zware metalen geldt dat de natuurlijke achtergrondwaarde sterk afhangt van het kleigehalte. Ook het organische stofgehalte heeft echter invloed op het metaalgehalte. Hoe kan dat? V7.11-2 In de veengebieden in Nederland is het Cd-gehalte relatief hoog maar varieert het gehalte sterk. Hoe kan dat verklaard worden? V7.11-3 Een interessante in-situ saneringsmethode voor een zware metalenverontreiniging is extractie met zuur (bv. verdund HCl). In de praktijk blijkt dat eigenlijk alleen goed te gaan voor metalen zoals Cd en Zn in de bovenlaag van relatief arme zandgronden. Waarom?
12
Bijlage 6
H9.6.1 Bodemsanering - bodemonderzoek
Toepassing Overschrijding van één of meerdere interventiewaarden leidt tot bodemsanering omdat er dan volgens de WBB sprake is van een ernstige bodemverontreiniging met saneringsnoodzaak. Dat is het geval wanneer uit het nader onderzoek blijkt dat het gemiddelde gehalte van één of meer verontreinigende stoffen in een bodemvolume van minimaal 25 m³ (of voor grondwater in 100 m³ verzadigde bodem) de interventiewaarde overschrijdt. Er zijn dan twee opties: a) Er is sprake van een spoedeisende sanering indien het actuele risico van blootstelling voor mens, dier of plant, of het actuele risico van verspreiding van de verontreinigende stof, onaanvaardbaar verhoogd is. De spoedeisendheid wordt bepaald aan de hand van een risico-evaluatie van de situatie waarbij gelet wordt op de risico's voor mens, ecosysteem en verspreiding in de bodem via grondwater. Wanneer sprake is van spoed dienen op korte termijn saneringsmaatregelen genomen te worden. b) Er is sprake van saneringsnoodzaak zonder spoedeisende sanering. Wanneer er geen sprake is van spoed worden pas op langere termijn saneringsmaatregelen verwacht. Meestal wordt pas gesaneerd wanneer maatschappelijke ontwikkelingen daar aanleiding voor geven (bv. woningbouwproject). V9.6.1-1 Geef een voorbeeld van een bodemverontreinigingssituatie waarbij wel sanering nodig is maar waar die sanering niet op korte termijn uitgevoerd hoeft te worden.
Sanering grondwaterverontreiniging
Bron Onverzadigde zone Waterwinning
Verontreinigde pluim
Verzadigde zone Gesteente
Figuur 9.6.1-2. Enkele grondwaterpluim met bekende verontreiniging en duidelijk aanwijsbare bron. De drinkwaterwinning stroomafwaarts wordt bedreigd. Saneringstechnisch moet de bron (kern) eerst aangepakt worden (bv. afgraven of in-situ behandelen) en vervolgens de pluim met mobiele verontreinigingen (in-situ sanering).
13
De sanering van verontreinigd grondwater is vaak niet zo eenvoudig als het lijkt. Niet alleen saneringstechnisch (zie H9.6.2) maar vooral ook procedureel en financieel (relatief kostbaar; wie betaalt?). Voor een enkele verontreinigingspluim (zie figuur 9.6.1-2) met bekende bron, en dus bekende verantwoordelijke eigenaar, is duidelijk op wie de kosten verhaalt kunnen worden en geeft de WBB een goed juridisch kader. De situatie is echter vaak veel complexer door een aantal vaak samenvallende factoren: - wederzijdse beïnvloeding van verontreinigingspluimen van verschillende verontreinigingen die in elkaar overlopen (verschillende bronnen, dus verschillende eigenaren); de pluim met een mix aan verontreinigingen afkomstig van verschillende bronnen moet echter in zijn geheel gesaneerd worden. - de aanwezigheid van nog onbekende verontreinigingen (en dus eigenaren) in een gebied dat als verontreinigd bekend staat en gesaneerd moet worden (wie betaalt de extra saneringskosten?) - een betrekkelijk geringe milieuhygiënische noodzaak om dieper gelegen verontreinigd grondwater direct aan te pakken (van uitstel komt afstel?) - juridische aspecten: kan afgeweken worden van het principe ‘de vervuiler betaalt’? Van belang wanneer niet alle bron-eigenaren bekend zijn of willen meewerken en er toch gesaneerd moet worden De behoefte om de ondergrond voor allerlei doeleinden (b.v. infrastructuur, energiewinning en -opslag, waterbeheer) te gebruiken neemt sterk toe. Verontreinigingen in het grondwater hebben een stagnerende invloed en beperking op de ontwikkeling van die nieuwe gebruiksfuncties. Voorbeelden zijn: - aantasting strategische grondwatervoorraden en bedreiging drinkwaterwinning - belemmering duurzame energiewinning en/of energieopslag (warmte/koude) - belemmering gebruik bovengrond door gebruiksbeperkingen en/of extra bouwkosten Door de complexiteit veroorzaakt door meerdere (onbekende) diepe grondwaterpluimen en de beperkingen opgelegd door de WBB biedt een clustergerichte (gezamenlijke) aanpak veel voordelen. De sanering kan dan gekoppeld worden aan inrichtingswerkzaamheden in het gebied. Voor een verontreinigingssituatie op grotere schaal (> ca.10 pluimen, > ca. 25 ha) kan beter gekozen worden voor een gebiedsgerichte aanpak. Hierbij staat een adequaat beheer van het diepe verontreinigde grondwater voorop waarbij een goed doordacht monitoringssysteem onontbeerlijk is. Daarmee wordt het verspreidingsrisico voldoende afgedekt en kan ingegrepen worden als bepaalde (deel)gebieden bedreigd worden. Overigens blijft sanering van de bovengrond (bron) altijd belangrijk (beperking humane en ecologische risico’s) en zal binnen het kader van de WBB uitgevoerd moeten worden.
14
Bijlage 7
Vraagstukken werkcollege W1
W1
Reactieve bodembestanddelen
1
Een zandgrond bevat in de laag 0-25 cm gemiddeld 5 massa-% organische stof. Circa 50% daarvan bestaat uit koolstof en 2 % uit stikstof. De droge bulkdichtheid bedraagt 1400 kg/m3. Op deze grond wordt akkerbouw bedreven met een gemiddelde gewasopbrengst van 9000 kg droge stof/ha.jaar. De bemesting vindt in het voorjaar plaats. Nutriënten worden voornamelijk uit de laag 0-25 cm opgenomen. Overige gegevens in onderstaande tabel. Tabel: Jaarlijkse aan- en afvoer van stikstof voor de zandgrond (kg N/ha) Atmosferische depositie
a b c d
e
2
a b c d
40
Oogst gewassen
180
N-bemesting
170
Uitspoeling
30
Vervluchtiging
20
Bereken de in de bovengrond (0-25 cm) aanwezige hoeveelheid koolstof en stikstof (kg C of N per ha). Is deze stikstof beschikbaar voor opname door planten? Stel de massabalans op voor stikstof op basis van de gegevens in bovenstaande tabel. Bereken de N-voorraad in de bodem (0-25 cm) na 10 jaar bodemgebruik wanneer elk jaar 15% van de oogst in de vorm van gewasresten in de bodem wordt gebracht (afvoer via de oogst wordt dus 15% minder). Neem aan dat de overige aan- en afvoerposten constant blijven. Is die aanname correct? Is hier (zie vraag d) sprake van duurzaam bodemgebruik? Hoe kan dat eventueel verbeterd worden?
Neem aan dat een klei-pakketje de vorm heeft van een kubus met ribbe 0,1 μm en bestaat uit 50 kleiplaatjes met dikte 2 nm (breedte en lengte 0,1 μm). ρs = 2650 kg/m3. Bereken de massieke oppervlakte van de ongedeelde kubus (m2/g). Bereken de massieke oppervlakte van het klei-pakketje (m2/g). Welk deel (%) van het oppervlak wordt door de randen van de kleiplaatjes ingenomen ? Hoe is ‘t mogelijk dat negatief geladen kleiplaatjes aan elkaar kitten ?
15
3 a
b c
4
a b
c d
5
Een matig humeuze zandgrond bevat 5 massa-% Illiet, 3 massa-% organische stof en 1 massa-% Fe- en Al-(hydr)oxiden. Bereken de procentuele bijdrage van deze 3 bodembestanddelen aan het totale oppervlak in de grond. Massieke oppervlakten: illiet 150 m2/g, org. stof 1000 m2/g en Fe- en Al-(hydr)oxiden 500 m2/g. In hoeveel gram grond komt het oppervlak van een voetbalveld (6600 m2) voor ? Waarom is het interessant om het oppervlak te weten van deze reactieve bodemdeeltjes?
Uit chemisch grondonderzoek is gebleken dat in een zandgrond over een periode van 20 jaar het Cd-gehalte in de laag 0 - 50 cm is gestegen van gemiddeld 0,21 mg/kg tot 0,24 mg/kg. Dieper in de bodem is geen significante stijging waargenomen. Bereken over deze periode van 20 jaar de gemiddelde jaarlijkse Cdbelasting in g Cd per ha. ρd = 1100 kg.m-3. Als deze belasting voor alle landbouwgrond in Nederland zou gelden, bereken dan de Cd-belasting (ton/jaar) voor deze gronden. Welke zijn de belangrijkste bronnen? Oppervlak landbouwgrond in Nederland = 24 103 km2. Waarom is dit cijfer (in ton/jaar) interessant? Zou de toename in Cd-gehalte goed meetbaar zijn ? Waar hangt dat van af? Veengronden hebben vaak een relatief hoog metaalgehalte (mg/kg) vergeleken met minerale gronden (zand en klei). Kan je dat verklaren ?
Geef voor onderstaande gronden in de tabel de mate van vastlegging aan voor de volgende stoffen (veel = +; weinig = -; o = gemiddeld): - Pesticide of PAK of organisch oplosmiddel (tri of per of Benzeen) - zwaar metaal (bv. Cd2+) - fosfaat - stikstof in de vorm van NO3- en NH4+ Geef aan waarom (welke reactieve bodemdeeltjes zijn belangrijk, welke milieucondities en welke stofeigenschappen).
grondsoort
Pesticide, PAK, …
veengrond Zure humeuze zandgrond Zure kleigrond Kalkrijke kleigrond
16
Zwaar metaal
Fosfaat
NO3-
NH4+
Bijlage 8 Vraagstukken werkcollege W3 Bodeminventarisatie 1
Op de bodemkaart van ZW-Drenthe (zie bijlage voor zwart-wit kaart en download Bodemkaart Drenthe.pdf van EDUweb voor de kaart in kleur) zijn eerdgronden, podzolgronden, stuifzandgronden, kalkloze zandgronden en veengronden te zien. Je wilt een meer gedetailleerde bodemkaart gaan maken van de omgeving van Diever, in het rechter benedendeel van de kaart (witte vlek = Diever).
1.1
Hoe zou je het stuifzandgebied direct ten noorden van Diever het best kunnen karteren? En het veengebied ten zuidwesten van Diever? Keuzemogelijkheden: a) met een regelmatige grid van boorpunten b) met enkele noord-zuid raaien met boorpunten dicht bij elkaar c) met enkele oost-west raaien met de boorpunten dicht bij elkaar
1.2
Een geostatistisch onderzoek in het karteergebied bij Diever levert de volgende twee semi-variogrammen (A en B) op voor een bepaalde bodemeigenschap:
A
B
-
1.3
Wat staat in zo’n semi-variogram uitgezet op de x-as en wat op de y-as? Licht de betekenis van die variabelen toe. Wat is de globale werkwijze om lijn A en B te bepalen? Om welke bodemeigenschap zou het hier kunnen gaan? Wat zijn de kenmerkende verschillen tussen semivariogram A en B? Let daarbij op belangrijke parameters als nugget, sill en range.
Een geostatistisch onderzoek in twee aanpalende karteergebieden levert de volgende twee semi-variogrammen op (C en D) voor een bepaalde bodemeigenschap:
C
D
17
Welke bemonsteringsstrategie zou je voorstellen als je een detailkartering moet maken voor de gemeten bodemeigenschap? Keuzemogelijkheden: a) met een regelmatige grid van boorpunten op korte afstand b) met een regelmatige grid van boorpunten op lange afstand c) met een onregelmatig grid met zowel korte als lange afstanden d) met volledige willekeurig gekozen punten
W4
Landevaluatie: de Mekong-delta
In dit werkcollege wordt geoefend in het uitvoeren van een beperkte landevaluatie. Het te onderzoeken gebied is de Mekong-delta in Vietnam waar veel verschillende factoren invloed hebben op het mogelijke landgebruik. De opdrachten voor dit werkcollege staan vermeld in H8.7 van de leertekst (volume 2).
18
Bodemkaart Zuidwest Drente (1988)
Legenda
19
Bijlage 9
Vraagstukken werkcollege W6
W6
Stoftransport en Bodemkwaliteit
1
Tot welke diepte zal een hoeveelheid water gelijk aan het gemiddelde jaarlijkse neerslagoverschot in Nederland de bodem indringen? Bereken de gemiddelde waterflux (q) en lokale poriesnelheid van het water (vw). θ = 0,4.
2
In een watervoerend zandpakket komt op een afstand van 2,5 km vanaf een drinkwaterontrekkingsput een verontreiniging van trichlooretheen (tri) terecht. De stroomsnelheid (q) van het grondwater bedraagt gemiddeld 50 m/j. Ga uit van lineaire adsorptie met Kom = 100 l/kg. Het organische stofgehalte bedraagt 0,1 %. Schat zelf redelijke waarden voor porositeit en droge bulkdichtheid. Verwaarloos eventuele afbraak. Bereken de retardatiefactor voor tri in het zandpakket. Hoe lang zal het duren voordat de tri in de winningsput aankomt?
a b
3
Geef voor onderstaand genoemde bodems een kwetsbaarheidsindicatie (bv. +++ zeer, ++ matig, + weinig) voor verontreiniging met PAK, fosfaat, nitraat en koper. Motiveer je keuze. Het gaat om de gronden: - duinzand met pH 7,5 - humeuze zandgrond met pH 4. - kleigrond met pH 7 - kleigrond met pH 4,5 - veengrond met pH 3 Wat versta je onder kwetsbaarheid?
4
Welke blootstellingsroutes zijn van belang bij bodemverontreiniging met respectievelijk lood, olie, nitraat en Tri (trichloorethyleen) ? Motiveer je keuze.
5
Bij de vaststelling van interventiewaarden voor zware metalen speelt opname via gewassen een belangrijke rol. Bij gegeven metaalgehalte in de grond kan m.b.v. de BCF het gehalte in het gewas geschat worden. Waarom is schatting van de metaalconcentratie m.b.v. de BCF slechts een grove benadering? Bereken het metaalgehalte in gewas wanneer het metaalgehalte in de grond 3 mg Cd /kg bedraagt en de BCF gelijk is aan 0,02.
a b
20
6
Vochtige heide bestaat uit dopheide en pijpestrootje. Beide plantensoorten verschillen in afbreekbaarheid en stikstofgehalte van het strooisel. In deze vegetatie is de soort die karakteristiek is voor de armere omstandigheden dominant (dopheide): 80% van het strooisel wordt door die soort geproduceerd en 20% door de concurrent (pijpestrootje). De totale strooiselproductie bedraagt voor de heide 5 ton droge stof per hectare per jaar. Ga na hoeveel stikstof er na 1 jaar vrijkomt bij de omzetting van vers geproduceerd strooisel (1e-orde model). Gegevens: N-immobilisatie bij C/N > 25;Gemiddelde temperatuur = 10 oC; organische stof bevat 50% C. Dopheide: Kr (jaar-1) = 0,07 bij 10 oC; N-gehalte = 1,2 %. Pijpestrootje: Kr (jaar-1) = 0,27 bij 10 oC; N-gehalte = 1,9 %.
a
In het 1e-orde afbraakmodel wordt Kr constant verondersteld. Is dat juist? Wat kan er met de vrijgekomen minerale stikstof gebeuren in de bodem? Welke invloed heeft het N-aanbod op de soortensamenstelling van de vegetatie? Bereken de C/N verhouding in beide strooiseltypen op tijdstip t= 0 (begintoestand). Zal er N-mineralisatie of N-immobilisatie plaatsvinden? Bereken voor beide strooiseltypen hoeveel stikstof (kg N/ha) in 1 jaar tijd wordt gemineraliseerd uitgaande van vers geproduceerd strooisel.
b c d e
7 a b c
De interventiewaarden in de toetsingstabel Bodemsanering zijn opgesteld voor de standaardbodem (10% organische stof en 25% klei). Waarom is correctie nodig van deze waarden voor de betreffende bodem? Bereken de gecorrigeerde interventiewaarde voor Cu en olie voor een bodem met 5% organische stof en 10% klei. De bodem van vraag b bevat 2200 mg/kg olie en 115 mg/kg Cu. Is deze bodem ernstig verontreinigd? Wanneer zal bodemsanering urgent zijn? Welke bodemsaneringsmethoden zijn bruikbaar?
21
Bijlage 10
Toegevoegde antwoorden Supplement E (Volume 3)
V7.11-1 Hier moeten 2 verschillende situaties onderscheiden worden: a) toename van het humusgehalte terwijl er geen metalen worden toegevoegd en b) constant humusgehalte terwijl er wel metalen worden toegevoegd. a) Organische stof bevat van nature zelf geen of nauwelijks zware metalen. Door toename van het organische stofgehalte treedt dan verdunning op in de bodem (de minerale fractie wordt relatief kleiner). Dit resulteert in een lager metaalgehalte. b) Verhoging van het metaalgehalte door menselijke activiteit (bv. bemesting of atmosferische depositie) leidt in een humusrijke bodem tot een hoger metaalgehalte dan in een minerale bodem met weinig humus. Dat komt door het verschil in bulkdichtheid. Hierbij is wel aangenomen dat het toegevoegde metaal zich in alle bodemtypen over gelijke diepte verdeeld (zie H5.1).
V7.11-2 De belangrijkste bron voor Cd-verontreiniging is atmosferische depositie. Gronden die van nature weinig tot geen Cd bevatten (veengronden en zandgronden) zouden dan bij gelijke Cd-belasting een vergelijkbaar Cd-gehalte (mg/kg) moeten hebben. Daar is echter veel variatie in doordat verschillen in organische stofgehalten hebben geleid tot grote verschillen in bulkdichtheid (de bulkdichtheid van veen is 2 tot 3 keer zo laag als die van een minerale bodem). Wanneer de Cd die via atmosferische depositie op de bodem terecht komt zich ook nog over een variërend bodemvolume verdeelt leidt dat tot grote verschillen in Cd-gehalte berekend op massa basis (mg/kg).
V7.11-3 Cd en Zn binden slechts zwak aan de grond (organische stof, klei). Een arme zandgrond bevat nauwelijks klei en slechts weinig organische stof waardoor de buffercapaciteit laag is, en dus weinig binding optreedt. In een arme zandgrond is de pH vaak relatief laag (ca. 4-5) vanwege de lage buffercapaciteit (geen neutralisatie van zuur). De lage pH leidt tot geringe binding aan de organische stof. Door de geringe binding is de mobiliteit van beide metalen relatief groot. Zandgronden zijn goed doorlatend zodat snelle waterstroming goed realiseerbaar is. Sanering van de toplaag is gemakkelijk uitvoerbaar doordat een drainagesysteem voor de afvoer van het zure proceswater aangelegd kan worden onder de verontreinigde laag. Herstel van de bodemkwaliteit na afloop van het spoelproces is relatief eenvoudig, juist weer vanwege de toegankelijkheid (bovenlaag) en de geringe buffercapaciteit (bv. pH verhoging via bekalking).
22
