GÓRNICTWO I GEOLOGIA 2010 Tom 5 Zeszyt 4 Izabela BOJAKOWSKA, Przemysław DOBEK, Stanisław WOŁKOWICZ Państwowy Instytut Geologiczny-Państwowy Instytut Badawczy, Warszawa PIERWIASTKI ŚLADOWE W OSADACH KANAŁU BYDGOSKIEGO Streszczenie. W próbkach osadów, pobranych z Kanału Bydgoskiego oznaczono zawartość As, Ba, Cr, Pb, Co, Cu, Ni, Sn i Zn metodą ICP-OES, zawartość Hg metodą CV-AAS oraz zawartość węgla organicznego metodą kulometrycznego miareczkowania. Maksymalna zawartość rtęci wynosiła 0,575 mg/kg, arsenu 17 mg/kg, baru 126 mg/kg, chromu 309 mg/kg, cyny 15 mg/kg, cynku 742 mg/kg, kobaltu 4 mg/kg, miedzi 80 mg/kg, niklu 39 mg/kg, ołowiu 53 mg/kg. Oszacowano, że w korycie Kanału na odcinku o długości około 5 500 m zdeponowane zostało około 66 000 m 3 osadów. W około 15 000 m 3 osadów, zakumulowanych przy śluzie Okole, stwierdzono przekroczenie dopuszczalnych zawartości kadmu i chromu. TRACE ELEMENTS IN BYDGOSZCZ CANAL SEDIMENTS Summary. In the sediment samples taken from the Bydgoszcz Canal the content of As, Ba, Cr, Hg, Pb, Co, Cu, Ni, Sn and Zn were determined by ICP-OES and CV-AAS methods and the content of organic carbon by coulometric titration. The maximum detected contents were: mercury 0.575 mg/kg, arsenic 17 mg/kg, barium 126 mg/kg, chromium 309 mg/kg tin, 15 mg/kg, zinc 742 mg/kg, cobalt 4 mg/kg, copper 80 mg/kg, nickel 39 mg/kg and lead 53 mg/kg. It was estimated that in the bed of the Canal for a distance of approximately 5 500 m was deposited around 66 000 m 3 sediments. In about 15 000 m 3 sediment accumulated at the sluice Okole found to exceed permissible levels of cadmium and chromium. 1. Wprowadzenie Kanał Bydgoski, łączący Wisłę i Odrę poprzez ich dopływy: Brdę, Noteć i Wartę, został zbudowany w latach 1773-1774. Całkowita długość kanału wynosi 24,7 km, z czego 15,7 km zlokalizowane jest w zlewni Noteci (Odry), a 9,0 km w zlewni Brdy (Wisły). Różnicę poziomów w kanale reguluje sześć śluz (Czyżkówko, Okole, Prądy, Osowa Góra, Józefinka i Nakło Wschód). Najdłuższa pogroda (odcinek między śluzami o równym poziomie dna) ma długości 16,5 km, znajduje się w środkowej części kanału między śluzami Osowa Góra
42 I.Bojakowska, P. Dobek, S. Wołkowicz i Józefinki, a najkrótsza o długości 0,9 km między śluzami Prądy i Osowa Góra. Głębokość wody w kanale wynosi od 1,6 do 2,0 m, w zależności od poziomu piętrzenia. Kanał jest zasilany wodą z Noteci górnej, doprowadzanej kanałem zasilającym do najwyższej pogrody kanału oraz wodami niewielkich cieków i potoków w obrębie Bydgoszczy i doliny bydgoskonakielskiej (m.in. potok Kruszyński, Struga Młyńska, Struga Prądy). Wybudowanie Kanału Bydgoskiego przyczyniło się do zmeliorowania i osuszenia nadnoteckich bagien, mokradeł i torfowisk, co wpłynęło na rozwój rolnictwa na tych terenach. Kanał aż do lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku pełnił ważną rolę gospodarczą, jako szlak komunikacyjny. Obecnie kanał jest świadectwem XVIII-wiecznej myśli technicznej i rozwoju techniki na przestrzeni XIX i początku XX wieku oraz miejscem rekreacji, ponieważ wzdłuż Starego Kanału Bydgoskiego z dawnymi zabytkowymi śluzami ciągnie się ciąg spacerowy. Bydgoszcz jest jednym z większych miast w Polsce, ósmym pod względem liczby mieszkańców (358 tys.) i dziesiątym pod względem powierzchni (174,57 km²). Stanowi duży ośrodek gospodarczy oraz kulturalny, akademicki, wojskowy i sportowy. Jest węzłem drogowym, kolejowym i żeglugi śródlądowej, ma międzynarodowy port lotniczy oraz port rzeczny. Bydgoszcz jest wielobranżowym ośrodkiem przemysłowym, działają tu zakłady przemysłu: gumowego, chemicznego, metalowego, elektromechanicznego, elektrotechnicznego, spożywczego, poligraficznego. Przez dziesięciolecia ścieki powstające na terenie zakładów przemysłowych, zlokalizowanych na obszarze Bydgoszczy, jak również ścieki komunalne i spływy burzowe były odprowadzane do Brdy i Kanału Bydgoskiego. W efekcie, na dnie rzeki i kanału nagromadziły się osady, które powstały na skutek sedymentacji nie tylko materiału pochodzącego z niszczenia dna i brzegów rzeki oraz zawiesin mineralnych i organicznych, docierających do niej ze spływem powierzchniowym i wodami dopływów, ale przede wszystkim w następstwie akumulacji zawiesin, wniesionych do rzeki i kanału wraz ze ściekami. W osadach rzek, kanałów, cieków, jezior i stawów na terenach miejskich najczęściej odnotowywane są podwyższone stężenia metali, mających obecnie lub w niedalekiej przeszłości szerokie zastosowanie w budownictwie, gospodarce i transporcie, takich jak: srebro, arsen, chrom, kadm, miedź, rtęć, nikiel, ołów i cynk (Beasly, Kneale 2004; Lindström 2001; Mangani i in. 2005; Mecray i in. 2001; Sparks 2005; Rocher i in. 2004). Zanieczyszczenie współczesnych osadów wodnych stanowi jeden z ważniejszych problemów środowiskowych, ze względu na ich potencjalnie szkodliwe oddziaływanie na zasoby biologiczne wód i często pośrednio na zdrowie człowieka (Reichardt 1996; Hansen (1996). Ponadto, zanieczyszczone osady są wtórnym ogniskiem zanieczyszczeń, bowiem część
Pierwiastki śladowe w osadach Kanału Bydgoskiego 43 szkodliwych składników (zawartych w osadach) może ulegać ponownemu uruchomieniu do wód w efekcie procesów chemicznych i biochemicznych, przebiegających w osadach, jak również na skutek mechanicznego poruszenia wcześniej odłożonych, zanieczyszczonych osadów, np. podczas powodzi bądź bagrowania lub przez transport (Martin 2009; Bordas, Bourg 2001; Gocht i in. 2000; Gabler, Schneider 2000; Weng, Chen 2000; Moore, Landrigan 1999; Bojakowska i in. 1996; Bojakowska, Sokołowska 1995). Poważny problemem stanowi również zagospodarowanie zanieczyszczonych osadów dennych w środowisku po wydobyciu ich z rzek, kanałów czy stawów. Wydobyte osady, w zależności od składu chemicznego, mogą być relokowane w wodach, wykorzystane do użyźnianie gleb, odtwarzania uszkodzonych przez prądy plaż, budowy nadbrzeży lub grobli, składowania na polach refulacyjnych albo też w przypadku nadmiernego zanieczyszczenia osady muszą być poddane oczyszczaniu lub zdeponowane na składowisku odpadów innych niż komunalne i obojętne. 2. Metody i zakres badań Prace terenowe przeprowadzono w grudniu 2008 r. Z Kanału Bydgoskiego pobrano 16 próbek osadów. Trzynaście próbek (LP1 LP13) pobrano z odcinka pomiędzy śluzą Prądy a zaporą śluzy Okole, a pozostałe trzy próbki pochodziły z odcinka Kanału pomiędzy śluzami Osowa Góra a Prądy (LP14 LP16) (rys. 1). Z pogrody między śluzami Prądy i Okole pobrano siedem próbek ze stożków nasypowych, utworzonych przy wylotach kanałów odprowadzających ścieki. Na jedną próbkę składały się dwie podpróbki, pobrane z całej miąższości nagromadzonych osadów, w odległości około 1/3 szerokości Kanału, od lewego i prawego brzegu. Jedynie próbka pobrana przy zaporowej panwi przy śluzie Okole składała się z czterech podpróbek. W każdym przypadku pobierano próbki z całej miąższości osadów. Oznaczenia zawartości pierwiastków śladowych w osadach zostały wykonane zgodnie z Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 16 kwietnia 2002 r. w sprawie rodzajów oraz stężeń substancji, które powodują, że urobek jest zanieczyszczony (DzU Nr 55 poz. 498). Oznaczenia As, Ba, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Sn Zn oraz ogólnego węgla organicznego (TOC) wykonano dla frakcji ziarnowej osadów <2 mm. Oznaczenia zawartości As, Ba, Cr, Pb, Co, Cu, Ni, Sn i Zn zostały wykonane metodą atomowej spektrometrii emisyjnej ze wzbudzeniem plazmowym (ICP-AES), z roztworów uzyskanych po roztworzeniu próbek osadów kwasem solnym 1+4. Oznaczenia zawartości Hg były wykonane z próbki stałej,
44 I.Bojakowska, P. Dobek, S. Wołkowicz metodą spektrometrii absorpcyjnej, przy zastosowaniu techniki zimnych par (CV-AAS), a zawartość węgla organicznego (TOC) została określona metodą kulometrycznego miareczkowania, również z próbki stałej. Analizy chemiczne zostały wykonane w Centralnym Laboratorium Chemicznym Państwowego Instytutu Geologicznego Państwowego Instytutu Badawczego (certyfikat Polskiego Centrum Akredytacji nr AB 283). W artykule wykorzystano wyniki badań, uzyskane podczas realizacji zadania Ocena zanieczyszczenia osadów bagrowniczych z rzeki Brdy i Kanału Bydgoskiego oraz gruntów pola rekultywacyjnego, wykonanego na zlecenie firmy HYDROPROJEKT sp. z o.o. Inwestorem całości prac, których celem było wydobycie osadów zdeponowanych w Brdzie i Kanale Bydgoskim na terenie miasta Bydgoszczy, było przedsiębiorstwo Miejskie Wodociągi i Kanalizacja w Bydgoszczy sp. z o.o. Rys. 1. Lokalizacja punktów opróbowania Fig. 1. Localization sampling points
Pierwiastki śladowe w osadach Kanału Bydgoskiego 45 3. Wyniki badań W zbadanych osadach, spośród pierwiastków śladowych, toksycznych dla organizmów bytujących w środowisku wód powierzchniowych, arsen, bar, kobalt, molibden obecne były w niskich zawartościach, zbliżonych do wartości tła geochemicznego. Arsen stwierdzono w zawartości do 17 mg/kg, a jego średnia, średnia geometryczna i mediana zbliżone były do wartości tła geochemicznego, wynoszącego <5 mg/kg (Lis, Pasieczna 1995). Bar występował w przedziale zawartości 24-126 mg/kg, a jego średnia, średnia geometryczna i mediana były zbliżone, a nawet niższe niż wartość tła geochemicznego (tab. 1). Kobalt w osadach pobranych z Kanału Bydgoskiego obecny był w niskich zawartościach (1-4 mg/kg) i w większości zbadanych próbek występował w zawartości poniżej wartości tła geochemicznego. Pozostałe zbadane pierwiastki śladowe: chrom, kadm, miedź, cynk, nikiel, ołów i rtęć obecne były w wyższych zawartościach, a ich średnie i średnie geometryczne zawartości były wyższe od wartości tła geochemicznego. Chrom stwierdzono w zakresie 5-309 mg/kg. Osady charakteryzujące się wysoką zawartością Cr, wyższą od 50 mg/kg, zakumulowane zostały przy i w pobliżu śluzy Okole (rys. 2). Cynk odnotowano w bardzo szerokim przedziale stężeń od 30 do 742 mg/kg, jego średnia zawartość w zbadanych osadach była wysoka 204 mg/kg, znacznie wyższa od tła geochemicznego, wynoszącego 73 mg/kg. Tablica 1 Wartości parametrów statystycznych pierwiastków śladowych w próbkach osadów pobranych z Kanału Bydgoskie (n=16) Pierwiastek Jednostka geochemiczne Geometryczna* Tło Średnia Średnia* Minimum Maksimum Arsen <5 5 <5 <5 17 Bar 53 57 50 24 126 Chrom 6 56 24 2 309 Cyna - <5 <5 <5 15,0 Cynk 73 204 120 23 742 Kadm 0,5 1,3 0,6 <0,5 8,5 mg/kg Kobalt 3 2 1 1 4 Miedź 7 17 11 3 80 Molibden - <1 <1 <1 3 Nikiel 6 11 7 1 39 Ołów 11 19 15 6 53 Rtęć <0,05 0,105 0,053 0,008 0,575 TOC (%) % 2,76 1,78 0,55 8,47 * Przy obliczaniu średniej i średniej geometrycznej w przypadku próbek, w których zawartość oznaczanego pierwiastka była poniżej granicy oznaczalności zastosowanej metody analitycznej, przyjmowano zawartość równą połowie limitu detekcji
46 I.Bojakowska, P. Dobek, S. Wołkowicz Analogicznie do przypadku chromu, osady o wysokich zawartościach cynku zakumulowane zostały w pobliżu śluzy Okole. Kadm obecny był w zawartości do 8,5 mg/kg. Wysokie stężenia kadmu odnotowywano w osadach charakteryzujących się wysoką zawartością innych pierwiastków śladowych. Miedź występowała w zakresie stężeń od 3 do 80 mg/kg. Zawartość miedzi wyższą od 20 mg/kg wykryto w osadach, w których stwierdzono wysokie zawartości chromu, kadmu i innych metali ciężkich. Nikiel obecny był w stężeniu do 39 mg/kg. Najwyższą jego koncentracją charakteryzują się osady nagromadzone w panwi przy zaporze śluzy Okole. Ołów w osadach występował w zakresie od 6 do 53 mg/kg, a rtęć wykryto w przedziale stężeń 0,010-0,575 mg/kg. W większości zbadanych próbek jej zawartość była zbliżona do wartości tła geochemicznego rtęci. Zaobserwowano wzrost zawartości metali ciężkich w osadach, w miarę zbliżania się do zapory. Spowodowane jest to przede wszystkim tym, że w kierunku do zapory maleje generalnie uziarnienie osadów i wrasta zawartość substancji organicznej. Pierwiastki śladowe w osadach są obecne przede wszystkim w formie zaabsorbowanej przez materię organiczną, minerały ilaste oraz uwodnione wodorotlenki żelaza. Zawartość uwodnionych wodorotlenków żelaza, tworzących otoczki na ziarenkach minerałów, wzrasta wraz ze wzrostem ich powierzchni właściwej, a zatem ze wzrostem udziału w osadach najdrobniejszych frakcji ziarnowych. Osady zdeponowane pomiędzy śluzami Prądy a Osową Górą są zupełnie pozbawione zanieczyszczeń. Związane jest to zapewne ze sposobem zagospodarowania powierzchni terenu w sąsiedztwie kanału na tym odcinku oraz nieodprowadzaniem ścieków w tej części kanału. Analizując występowanie zanieczyszczeń w osadach kanału można zaobserwować dość znaczący wzrost zanieczyszczenia poniżej kanału K63 i jeszcze większy poniżej kanału K34. Najwyższe stężenia metali ciężkich odnotowano w osadach zdeponowanych w rozległej panwi przy zaporze. W żadnej ze zbadanych próbek nie wykryto wyższej zawartości arsenu, cynku, miedzi, niklu, ołowiu i rtęci od dopuszczalnej wg Rozporządzenia MŚ z dnia 16 kwietnia 2002 r. w sprawie bagrowanych osadów (As >30 mg/kg, Cu >150mg/kg, Ni >75 mg/kg), Pb >200 mg/kg, Hg <1 mg/kg). Jednakże w osadach nagromadzonych w panwi przy śluzie Okole stwierdzono przekroczenie dopuszczalnych stężeń, wg tegoż Rozporządzenia, w przypadku kadmu (>7,5 mg/kg) i chromu (>200 mg/kg). Z tegoż względu osady nagromadzone w panwi przy tej zaporze nie mogą podlegać relokacji. W odniesieniu do Rozporządzenia Ministra Środowiska w sprawie standardów jakości gleby oraz standardów jakości ziemi (DzU 02.165.1359 z dnia 4 października 2002 r.) wszystkie osady z badanego
Pierwiastki śladowe w osadach Kanału Bydgoskiego 47 odcinka Kanału spełniają kryteria dla obszarów grupy C i mogą być wykorzystane do prac makroniwelacyjnych na obszarach tej grupy (tereny przemysłowe i komunikacyjne). W niektórych próbkach osadów stwierdzono stężenia metali ciężkich, przy których często obserwuje się ich szkodliwe oddziaływanie na organizmy bytujące w wodach powierzchniowych. W osadach zakumulowanych przy śluzie Okole stężenia chromu (309 mg/kg), kadmu (8,5 mg/kg), rtęci (0,575 mg/kg) oraz cynku (453 mg/kg) są znacząco wyższe od ich wartości PEL (stężenie, powyżej którego często obserwuje się szkodliwe oddziaływanie danego pierwiastka na organizmy bytujące w osadach), wynoszących odpowiednio 200 mg/kg, 3,5 mg/kg 0,48 mg/kg i 315 mg/kg. Osady Kanału Bydgoskiego zanieczyszczone są w stosunkowo małym stopniu, w porównaniu do osadów kanału w Delft (Niderlandy), które zawierają do 2 000 mg/kg cynku, do 630 mg/kg miedzi, do 2500 mg/kg ołowiu i do 6,4 mg/kg rtęci, chociaż w osadach Kanału Bydgoskiego wykryto wyższe zawartości chromu i kadmu (Kelderman i in. 2000). Oszacowano, że strefa z zanieczyszczonymi osadami w przyzaporowej panwi ma zasięg w górę Kanału, wynoszący około 250 m, szerokość od 20 do 60 m, a miąższość nagromadzonych osadów waha się od około 2,5 m, w części przyzaporowej do około 1 m na końcu tego odcinka. Objętość osadów, zdeponowanych w tej strefie, wynosi około 15 000 m 3 i ze względu na ich skład chemiczny osady te nie mogą być relokowane, mogą natomiast być wykorzystane do prac makroniwelacyjnych. Objętość osadów dennych pozostałej części Kanału, której długość wynosi 4 750 m i szerokość ok. 20 m, a miąższość osadów waha się od około 0,2 m do 1,2 1,5 m, wynosi około 51 000 m 3. Do obliczeń wykorzystano dane o miąższości nagromadzonych osadów z sondowań, jakie były wykonane przez RZGW w profilach poprzecznych, co 100 m. Osady o największej miąższości stwierdzono w dolnym, zbadanym odcinku Kanału, ponadto większe miąższości występują na skłonach w strefach brzegowych; a osady o najmniejszej miąższośći w części centralnej (nurtowej). Oszacowano, że na całym odcinku między śluzą Okole i Prądy znajduje się około 45 000 m 3 niezanieczyszczonych osadów i 15 000 m 3 osadów zanieczyszczonych. Natomiast pomiędzy śluzami Prądy a Osowa Góra zdeponowanych jest około 6 000 m 3 osadów. Łącznie w badanym odcinku Kanału Bydgoskiego znajduje się około 66 000 m 3 osadów.
48 I.Bojakowska, P. Dobek, S. Wołkowicz Rys. 2. Zawartość pierwiastków śladowych w osadach Kanału Bydgoskiego Fig. 2. Concentration of trace elements in sediments of Bydgoszcz Canal
Pierwiastki śladowe w osadach Kanału Bydgoskiego 49 4. Wnioski 1. W korycie Kanału Bydgoskiego między śluzami Osowa Góra a Okole, na odcinku o długości około 5 500 metrów zostało zdeponowanych około 66 000 m 3 osadów. 2. Najwyższe stężenia metali ciężkich odnotowano w osadach nagromadzonych w rozległej Panwi, przy zaporze śluzy Okole. W osadach tych, o objętości około 15 000 m 3 stwierdzono przekroczenie dopuszczalnych stężeń kadmu i chromu, wg Rozporządzenia MŚ z dnia 16 kwietnia 2002 r., w sprawie rodzajów oraz stężeń substancji, które powodują, że urobek jest zanieczyszczony. 3. Wszystkie osady, nagromadzone w obu pogrodach między śluzami Osowa Góra i Prądy, są niezanieczyszczone wg kryteriów Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 9 września 2002 r., w sprawie standardów jakości gleby oraz standardów jakości ziemi i mogą być wykorzystane do prac makroniwelacyjnych na obszarach z grupy tereny przemysłowe i komunikacyjne. BIBLIOGRAFIA 1. Beasley G., Kneale P.: Assessment of heavy metal and PAH contamination of urban streambed sediments on macroinvertebrates. Water, Air, and Soil Pollution, 2004, p. 563-578. 2. Bojakowska I., Sokołowska G., Lewandowski P: Metale ciężkie w glebach tarasów zalewowych Pisi. Przegląd Geologiczny, nr 44 (1), 1996. 3. Bojakowska I., Sokołowska G.: Heavy metals in the Bystrzyca river flood plain. Geolog. Quart., No. 40 (3), 1995, p. 467-480. 4. Bordas F., Bourg A.: Effect of solid/liquid ratio on the remobilization of Cu, Pb, Cd and Zn from polluted river sediment. Water, Air, and Soil Pollution, No. 128, 2001, p. 391-400. 5. Gabler H., Schneider J.: Assessment of heavy metal contamination of floodplain soils due to mining and mineral processing in the Harz Mountains, Germany. Environmental Geology, No. 39 (7), 2000, p. 774-781. 6. Gocht T., Moldenhauer K, Püttmann W.: Historical record of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) and heavy metals in floodplain sediments from the Rhine River (hessisches Ried, Germany). Applied Geochemistry, No. 16,, 2001, p. 1707-1721. 7. Hansen P.: Bioassays on sediment toxicity. In: Sediments and toxic substances. Springer, 1996, p. 179-196. 8. Kelderman P., Drossaert W., Min Z., Galione L., Okonkwo L., Clarisse I. Pollution assessment of the canal sediments in the city of Delft (the Netherlands). Water Resource, No. 34 (3), 2000, p. 936-944.
50 I.Bojakowska, P. Dobek, S. Wołkowicz 9. Lindström M.: Urban land use influences on heavy metal fluxes and surface sediment concentrations of small lakes. Water, Air & Soil Pollution, No. 126 (3-4), 2001, p. 363-383. 10. Lis J., Pasieczna A.: Atlas geochemiczny Polski w skali 1:2 500 000. Państwowy Instytut Geologiczny, Warszawa, 1995. 11. Mangani G., Berloni A., Belluci F., Tatano F., Maione M.: Evaluation of the pollutant content in road runoff first flush waters. Water, Air, and Soil Pollution, No. 160, 2005, p. 213-228. 12. Martin C.: Recent changes in heavy metal storage in flood-plain soils of the Lahn River, central Germany. Environmental Geology, No. 58, 2009, p. 603-614. 13. Mecray E. L., King J. W., Appleby P. G., Hunt A. S.: Historical trace metal accumulation in the sediments of an urbanized region of the Lake Champlain Watershed, Burlington, Vermont. Water, Air and Soil Pollution, No. 125 (1-4), 2001, p. 201-230. 14. Moore J, Landrigan E.: Mobilization of metal contaminated sediment by ice-jam floods. Environmental Geology, No. 37 (1), 1999, p. 96-101. 15. Reichardt W.: Ecotoxicity of certain heavy metals affecting bacteria-mediated biogeochemical pathways in sediments. W: Sediments and toxic substances. Springer, 1996, p. 159-178. 16. Rocher V., Azimi S., Gasperi J., Beuvin L., Muller M., Moilleron R., Chebbo G. Hydrocarbons and metals in atmospheric deposition and roof runoff in Central Paris. Water, Air, and Soil Pollution, Vol. 159, 2004, p. 67-86. 17. Sparks D.: Toxic metals in the environment: the role of surfaces. Elements, No. 1 (4), 2005, p. 193. 18. Weng H., Chen X.: Impact of polluted canal water on adjacent soil and groundwater systems. Environmental Geology, No. 39 (8), 2000, 945-950. Recenzent: Dr hab. Zdzisław Adamczyk