Процена ризика система седимент/вода који садржи токсичне метале у току измуљивања и депоновања седимента

Abstract

Резултати истраживања ове дисертације размотрили су вишекри-теријумски приступ процене ризика по акватични екосистем и остале медијуме животне средине током активности измуљивања и депонвања седимента, којег карактеришу високе концентрације токсичних тешких метала. Квантификација ризика од мобилности метала, испитана је на више истражних локација на подручију АП Војводине, а добијени резултати су представљени кроз три фазе истраживања. Прва фаза окарактерисала је квалитет и ризик од неизмуљених водотокова односно Великог Бачког и Бегејског канала. Карактеризацијом истражних седимената испитана је дистрибуција органских и неорганских загађујућих материја. Детекција високих концентрација метала Ni, Zn, Cr и Cu указала је на доминантно антропогену деградацију истражних водотока и потребу за неопходном ревитализацијом. Применом синтетичких органских и неорганских индикатора окарактерисани су извори порекла метала и PAH-ова, као и нивои потенцијалних еколошких ризика. У другој фази истраживања, размотрена је потенцијална ремобилизација метала током измуљивања и депоновања седимента на више различитих истражних локација на подручију АП Војводине. Карактеризација седимента пре његове дислокације, указала је на квалитет I и II класе, док су поједине локације сугерисале на загађен седимент металима Ni и Cu. Индикатор порекла метала (Igeo) показао је доминантно природно порекло Ni, док су поједини метали попут Cu и Hg окарактерисани антропогеним. Током процеса измуљивања и промене физичко-хемијских услова у систему седимент/вода, ризик од ослобађања метала у површинску воду није детектован. Процена квалитета депонованог седимента на једанаест истражних депонија, оценила је седимент незнатно загађеним. Применом алгоритма за безбедно измуљивање загађеног седимента на Бегеју, трећа фаза истраживања окарактерисала је потенцијалне ризике током активности измуљивања и одлгања седимента у животну средину. Почетни ниво загађујућих материја указао је на високе концентрацие метала Ni, Cd и Cu у седименту, а карактеризацијом околног приобалног земљишта утврђене су повишене концентрације Cu, Zn, Pb и Cd. Ризик од поменутих метала у седименту, размотрен је применом индикатора геоакумулације (Igeo) и еколошког ризика (RI). Карактеризација фракција седимен-та испитана је секевенцијалном екстракцијом (BCR), која је указала на доминантно везивање метала за органску материју, сулфиде и минерале. Тестом токсичности на бактеријама Vibrio Fischeri утврђен је висок проценат инхибиције, међутим примена TCLP теста и разматрање седимента као отпада, његово одлагање у животну средину је окарактерисано безбедним. Почетни квалитет подземних вода карактерише високу заступљеност метала Zn и As, док су површинске воде указале на II и III класу воденог тела, низводно/узводно у односу на уставу Итебеј. Током процеса измуљивања седимента није детектована значајна ремобилизација метала, а суспендовани нанос је сугерисао на повишене концентрације Hg, Cu, As, Zn и Cr, међутим детектована концентрација суспендованих материја је била ниска, па сходно томе ризик по акватични екосистем није значајан. Након депоновања седимента у животну средину и његове карактеризације, утврђен је ризик од високих концентрација Cd и Cu. Сазревањем депонованог матрикса у периоду од 2017-2019. године запажа се експоненцијални пад концентрација који указује на смањење садржаја метала током старења депоније. Примењени индикатори Igeo и RI окарактерисали су смањење укупног ризика током сазревања депоније, док је тест токсичности на бактеријама Vibrio fischeri сугерисао на благо токсичне седименте са потенцијалним негативним ефектом по живе организме. Разматрањем различитих фракција у седименту применом секвенцијалне екстракције (BCR) идентификовано је самњење биодоступности поменутих метала током сазревања седимента на депонији. Рендегенске тенике XRF и EDS указале су на тренд раста Si, што је утицало на формирање нових минералних форми. Рендгенска дифракциона анализа (XRD) омогућила је идентификацију нових минерала као што су кварц, мусковит, албит, илит и фиропилит који низом геохемијских процеса показују висок афинитет инкорпорирања метала Cu и Cd. Карактеризацијом оцедних вода формираних након одлагања измуљеног седимента на депонију, детектован је висок ризик од растворљивог ораганског загађења као што је БПК5 и ХПК, укупног азота и амонијака, док су концетрације метала указале на продукцију гвожђа, мангана и бакра. Двогодишњим мониторингом потенцијалног утицаја депоније на квалитет подземних вода, нису детектовани високи континуални ризици од дифундирања загађујућих материја.

Rezultati istraživanja ove disertacije razmotrili su višekri-terijumski pristup procene rizika po akvatični ekosistem i ostale medijume životne sredine tokom aktivnosti izmuljivanja i deponvanja sedimenta, kojeg karakterišu visoke koncentracije toksičnih teških metala. Kvantifikacija rizika od mobilnosti metala, ispitana je na više istražnih lokacija na područiju AP Vojvodine, a dobijeni rezultati su predstavljeni kroz tri faze istraživanja. Prva faza okarakterisala je kvalitet i rizik od neizmuljenih vodotokova odnosno Velikog Bačkog i Begejskog kanala. Karakterizacijom istražnih sedimenata ispitana je distribucija organskih i neorganskih zagađujućih materija. Detekcija visokih koncentracija metala Ni, Zn, Cr i Cu ukazala je na dominantno antropogenu degradaciju istražnih vodotoka i potrebu za neophodnom revitalizacijom. Primenom sintetičkih organskih i neorganskih indikatora okarakterisani su izvori porekla metala i PAH-ova, kao i nivoi potencijalnih ekoloških rizika. U drugoj fazi istraživanja, razmotrena je potencijalna remobilizacija metala tokom izmuljivanja i deponovanja sedimenta na više različitih istražnih lokacija na područiju AP Vojvodine. Karakterizacija sedimenta pre njegove dislokacije, ukazala je na kvalitet I i II klase, dok su pojedine lokacije sugerisale na zagađen sediment metalima Ni i Cu. Indikator porekla metala (Igeo) pokazao je dominantno prirodno poreklo Ni, dok su pojedini metali poput Cu i Hg okarakterisani antropogenim. Tokom procesa izmuljivanja i promene fizičko-hemijskih uslova u sistemu sediment/voda, rizik od oslobađanja metala u površinsku vodu nije detektovan. Procena kvaliteta deponovanog sedimenta na jedanaest istražnih deponija, ocenila je sediment neznatno zagađenim. Primenom algoritma za bezbedno izmuljivanje zagađenog sedimenta na Begeju, treća faza istraživanja okarakterisala je potencijalne rizike tokom aktivnosti izmuljivanja i odlganja sedimenta u životnu sredinu. Početni nivo zagađujućih materija ukazao je na visoke koncentracie metala Ni, Cd i Cu u sedimentu, a karakterizacijom okolnog priobalnog zemljišta utvrđene su povišene koncentracije Cu, Zn, Pb i Cd. Rizik od pomenutih metala u sedimentu, razmotren je primenom indikatora geoakumulacije (Igeo) i ekološkog rizika (RI). Karakterizacija frakcija sedimen-ta ispitana je sekevencijalnom ekstrakcijom (BCR), koja je ukazala na dominantno vezivanje metala za organsku materiju, sulfide i minerale. Testom toksičnosti na bakterijama Vibrio Fischeri utvrđen je visok procenat inhibicije, međutim primena TCLP testa i razmatranje sedimenta kao otpada, njegovo odlaganje u životnu sredinu je okarakterisano bezbednim. Početni kvalitet podzemnih voda karakteriše visoku zastupljenost metala Zn i As, dok su površinske vode ukazale na II i III klasu vodenog tela, nizvodno/uzvodno u odnosu na ustavu Itebej. Tokom procesa izmuljivanja sedimenta nije detektovana značajna remobilizacija metala, a suspendovani nanos je sugerisao na povišene koncentracije Hg, Cu, As, Zn i Cr, međutim detektovana koncentracija suspendovanih materija je bila niska, pa shodno tome rizik po akvatični ekosistem nije značajan. Nakon deponovanja sedimenta u životnu sredinu i njegove karakterizacije, utvrđen je rizik od visokih koncentracija Cd i Cu. Sazrevanjem deponovanog matriksa u periodu od 2017-2019. godine zapaža se eksponencijalni pad koncentracija koji ukazuje na smanjenje sadržaja metala tokom starenja deponije. Primenjeni indikatori Igeo i RI okarakterisali su smanjenje ukupnog rizika tokom sazrevanja deponije, dok je test toksičnosti na bakterijama Vibrio fischeri sugerisao na blago toksične sedimente sa potencijalnim negativnim efektom po žive organizme. Razmatranjem različitih frakcija u sedimentu primenom sekvencijalne ekstrakcije (BCR) identifikovano je samnjenje biodostupnosti pomenutih metala tokom sazrevanja sedimenta na deponiji. Rendegenske tenike XRF i EDS ukazale su na trend rasta Si, što je uticalo na formiranje novih mineralnih formi. Rendgenska difrakciona analiza (XRD) omogućila je identifikaciju novih minerala kao što su kvarc, muskovit, albit, ilit i firopilit koji nizom geohemijskih procesa pokazuju visok afinitet inkorporiranja metala Cu i Cd. Karakterizacijom ocednih voda formiranih nakon odlaganja izmuljenog sedimenta na deponiju, detektovan je visok rizik od rastvorljivog oraganskog zagađenja kao što je BPK5 i HPK, ukupnog azota i amonijaka, dok su koncetracije metala ukazale na produkciju gvožđa, mangana i bakra. Dvogodišnjim monitoringom potencijalnog uticaja deponije na kvalitet podzemnih voda, nisu detektovani visoki kontinualni rizici od difundiranja zagađujućih materija.

The research results of this dissertation considered a multi-criteria approach to risk assessment for the aquatic ecosystem and other environmental media during the activity of dredging and sedimentation, which is characterized by high concentrations of toxic heavy metals. Quantification of the risk of metal mobility was considered at several research sites in the Autonomous Province of Vojvodina (Serbia), and the obtained results were presented through three phases of research. The first phase characterized the quality and risk of undisturbed watercourses, ie the Veliki Bački and Begа canals. The distribution of organic and inorganic pollutants was examined by characterization of exploratory sediments. Detection of high concentrations of metals Ni, Zn, Cr and Cu indicated the dominant anthropogenic degradation of the exploration watercourses and the need for the necessary revitalization. The use of synthetic organic and inorganic indicators characterized the sources of origin of metals and PAHs, as well as the levels of potential environmental risks. In the second phase of the research, the potential remobilization of metals was examined, during the activities of dredging and sediment deposition at several different research locations in the area of AP Vojvodina. The characterization of the sediment before the conducted activities indicated the quality of I and II class, while some locations suggested contaminated sediment with Ni and Cu metals. The indicator of metal origin (Igeo) showed the dominant natural origin of Ni at all exploration sites, while it characterized certain metals such as Cu and Hg as anthropogenic. During sediment destabilization activities, the risk of metal release into surface water was not detected. After dredging and mixing of sediment at the landfill, most of the results indicate insignificantly contaminated sediment, classified in categories I and II. Applying the algorithm for safe dredging of contaminated sediment at the Itebej na Begeju constitution, the third phase of the research characterized the potential risks during the activities of dredging and sediment disposal in the environment. The initial level of pollutants indicated high concentrations of metals Ni, Cd and Cu in the sediment, and the characterization of the surrounding coastal soil suggested high concentrations of Cu, Zn, Pb and Cd. High concentrations of metals in the sediment were considered using indicators (I geo) and environmental risk (RI). By characterizing different sediment fractions using sequential extraction (BCR), the dominant binding of detected metals to organic matter, sulfides and minerals was determined. The toxicity test on Vibrio fischeri bacteria indicated a high percentage of inhibition, however, the application of the TCLP test and considering the sediment as a waste, its disposal was characterized as safe. The initial characterization of pollutants in groundwater indicated high concentrations of Zn and As, and the quality of surface waters was characterized by class II and III, downstream-upstream in relation to the Itebej constitution. No significant metal remobilization was detected during sediment dredging activities,while the suspended sediment indicates elevated metal concentrations Hg, Cu, As, Zn and Cr, however, the concentration of suspended matter was low, so no risk to the aquatic ecosystem was detected. After sediment deposition in the environment and its characterization, high concentrations of Cd and Cu were detected. With the maturation of the deposited matrix in the period from 2017 to 2019, an exponential drop in concentrations is observed, which indicates a decrease in the metal content during the aging of the landfill. Applied indicators Igeo and RI characterized a reduction in overall risk during landfill maturation, while a toxicity test on Vibrio fischeri bacteria suggested mildly toxic sediments with a potential negative effect on living organisms. Consideration of different fractions in the sediment using sequential extraction (BCR) identified a decrease in the bioavailability of these metals during landfill maturation. X-ray tenics XRF and EDS showed a growth trend of Si during sediment maturation, which contributed to the formation of new mineral forms. X-ray diffraction analysis (XRD) enabled the identification of minerals such as quartz, muscovite, albite, illite and firopilite, which through a series of geochemical processes show a high affinity for the incorporation of Cu and Cd metals. Characterization of leachate at the landfill revealed a high risk of soluble organic pollution such as BOD 5 and HPK, total nitrogen and ammonia, while metal concentrations in leachate indicate the production of iron, manganese and copper. Two-year monitoring of the potential impact of the landfill on groundwater quality did not detect high continuous risks of diffusion of pollutants.