Seit den 80er-Jahren ist die Schwermetallproblematik im Raum Freiberg insbesondere in Halsbrücke, Krummenhennersdorf und Hilbersdorf bekannt. Vor allem Arsen, Cadmium und Blei liegen in dieser Region geogen bzw. anthropogen bedingt im Boden vor (Metallverhüttung). Die landwirtschaftliche Produktion ist auf diesen Flächen unter der Maßgabe der Einhaltung gesetzlicher Grenzwerte für Kontaminanten in Lebens- und Futtermitteln z. T. stark erschwert. Im Amtsbereich des Landwirtschaftsamtes Freiberg-Zug beträgt der Anteil an arsen- und schwermetallbelasteten Flächen zirka 10.000 ha (von 54.785 ha LF-Gesamt 2004), davon befinden sich etwa 700 ha in der höchsten Belastungsklasse (BK4). Betroffen sind ca. 25 – 30 Betriebe (Haupterwerbsbetriebe, Nebenerwerbsbetriebe und juristische Personen) (SCHWÄBE 2007). Daraus ergibt sich die dringende Notwendigkeit, Anbau- und Nutzungsalternativen für diese Region zu entwickeln, um eine wirtschaftlich und ökologisch tragfähige Landwirtschaft zu erhalten. Mit dem Verbundprojekt „Biomasseanbau und -verwertung als Energieträger/Humusstoff von Flächen mit unterschiedlichen Schwermetallbelastungsgrad und Grünlandgebieten“ wurde die Problematik aufgegriffen und verschiedene Lösungsansätze untersucht. In Zusammenarbeit mit dem Staatlichen Amt für Landwirtschaft Freiberg-Zug und dem Verein zur Förderung von Biomasse und nachwachsenden Rohstoffen Freiberg e.V. erfolgte die Auswahl geeigneter belasteter Flächen in der Region für die Durchführung von Untersuchungen zum Anbau und zur energetischen Nutzung der Biomasse. Auf diesen Grünland- und Ackerflächen wurden zum einen Kalkdüngungsversuche angelegt, um die Schwermetallmobilität im Boden und den Transfer in die Pflanzen zu reduzieren, zum anderen erfolgten Untersuchungen zur energetischen Nutzung der belasteten Aufwüchse zur Biogasproduktion (Vergärung) und als Brennstoffe in Kleinfeuerungsanlagen (Verbrennung). Eine weitere Aufgabe beinhaltete den gezielten Anbau von Energiepflanzen (Dauerkulturen) auf diesen Flächen. Hier wurden auf Grund der erhöhten Nachfrage und den bereits in anderen Projekten erzielten Ergebnissen verschiedenen Pappel- und Weidenklone angepflanzt.

Ziel der Arbeit ist die Beschreibung des Membranverhaltens bzw. der Membraneigenschaften bei der Regeneration von Extraktionsmitteln der Metallextraktion durch Trennung von beladenen und unbeladenen Extraktionsmitteln mittels Ultrafiltration. Dazu wurden die Trennleistungen als Funktion von Druck, Temperatur und Solventzusammensetzung für verschiedene Membranmaterialien und -typen untersucht. Anhand von Sorptionsversuchen konnte die Löslichkeit der Komponenten der organischen Phase in den verschiedenen Polymermatrizen von Membranen aus regenerierter Cellulose bzw. Polyethersulfon und die adsorptive Gelschichtbildung als Funktion der Solventzusammensetzung, der Temperatur und des Membranmaterials aufgezeigt werden. Der Einfluss der Sorption, des Quellens und Kompaktierens auf das Materialverhalten konnte mittels einer Hochdruckmikrowaage und eines Laserscanner-Messstandes ermittelt werden. Die durch Veresterung und Wasserstoffbrückenbindung entstehende Gelschicht auf der Membranoberfläche, die letztendlich für die Rückgewinnung von unbeladenem Extraktionsmittel ausschlaggebend ist, kann mit Hilfe der Röntgenphotoelektronenspektroskopie, Rasterelektronen- und Rasterkraftmikroskopie nachgewiesen werden.

Thema der vorliegenden Arbeit ist die Identifikation, Differenzierung und Bewertung von vorhandenen Schwermetallreservoirs im Hangbereich historischer Erzbergbaugebiete im Nordpfälzer Bergland und dem Spessart. Dazu wurden auf Grundlage von 115 Bodenprofilen entlang von 14 Hangsequenzen die holozäne Umweltgeschichte, die Verbreitung und Struktur sowie ausgewählte ökologische Eigenschaften der quartären Hangsedimente erstmalig integrativ analysiert. Besondere Beachtung fanden hierbei die Schwermetallgehalte der quartären Hangsedimente und ihr immanentes Gefährdungspotential, das für die Untersuchungsgebiete zum ersten mal auf Grundlage der aktuellen rechtlichen Grundlagen bestimmt wurde. Die Auflösung einer hochauflösenden Boden- und Sedimentaufnahme mit exemplarischer Beprobung ermöglichte die Analyse vieler Details, Merkmale und Eigenschaften der Sedimente und Bodenbildungen dieser (stark) gestörten Standorte im Mittelgebirgsbereich.

Seit den 80er-Jahren ist die Schwermetallproblematik im Raum Freiberg insbesondere in Halsbrücke, Krummenhennersdorf und Hilbersdorf bekannt. Vor allem Arsen, Cadmium und Blei liegen in dieser Region geogen bzw. anthropogen bedingt im Boden vor (Metallverhüttung). Die landwirtschaftliche Produktion ist auf diesen Flächen unter der Maßgabe der Einhaltung gesetzlicher Grenzwerte für Kontaminanten in Lebens- und Futtermitteln z. T. stark erschwert. Im Amtsbereich des Landwirtschaftsamtes Freiberg-Zug beträgt der Anteil an arsen- und schwermetallbelasteten Flächen zirka 10.000 ha (von 54.785 ha LF-Gesamt 2004), davon befinden sich etwa 700 ha in der höchsten Belastungsklasse (BK4). Betroffen sind ca. 25 – 30 Betriebe (Haupterwerbsbetriebe, Nebenerwerbsbetriebe und juristische Personen) (SCHWÄBE 2007). Daraus ergibt sich die dringende Notwendigkeit, Anbau- und Nutzungsalternativen für diese Region zu entwickeln, um eine wirtschaftlich und ökologisch tragfähige Landwirtschaft zu erhalten. Mit dem Verbundprojekt „Biomasseanbau und -verwertung als Energieträger/Humusstoff von Flächen mit unterschiedlichen Schwermetallbelastungsgrad und Grünlandgebieten“ wurde die Problematik aufgegriffen und verschiedene Lösungsansätze untersucht. In Zusammenarbeit mit dem Staatlichen Amt für Landwirtschaft Freiberg-Zug und dem Verein zur Förderung von Biomasse und nachwachsenden Rohstoffen Freiberg e.V. erfolgte die Auswahl geeigneter belasteter Flächen in der Region für die Durchführung von Untersuchungen zum Anbau und zur energetischen Nutzung der Biomasse. Auf diesen Grünland- und Ackerflächen wurden zum einen Kalkdüngungsversuche angelegt, um die Schwermetallmobilität im Boden und den Transfer in die Pflanzen zu reduzieren, zum anderen erfolgten Untersuchungen zur energetischen Nutzung der belasteten Aufwüchse zur Biogasproduktion (Vergärung) und als Brennstoffe in Kleinfeuerungsanlagen (Verbrennung). Eine weitere Aufgabe beinhaltete den gezielten Anbau von Energiepflanzen (Dauerkulturen) auf diesen Flächen. Hier wurden auf Grund der erhöhten Nachfrage und den bereits in anderen Projekten erzielten Ergebnissen verschiedenen Pappel- und Weidenklone angepflanzt.

Die Belastung des Bodens insbesondere mit toxischen Schwermetallen wird seit Beginn der industriellen Revolution im späten 18. Jahrhundert durch vielfältige Tätigkeiten der Menschen verursacht und tritt mittlerweile als flächendeckendes Phänomen auf. Im Unterschied zu organischen Kontaminationen werden Schwermetalle im Boden nicht abgebaut. Sie reichern sich vielmehr im Boden an und gelten daher als irreversible Immissionen. Schwermetalle können jedoch durch Pflanzen aus dem Boden aufgenommen und dadurch kontrolliert entsorgt werden. Für die Sanierung großer moderat belasteter Flächen bietet sich daher eine In-situ-Sanierung durch die so genannte Phytoremediation bzw. Phytoextraktion an, bei der die Pflanzen über die Nährstoffaufnahme aus dem Boden Schwermetalle mit aufnehmen und in der Pflanzenmasse anreichern. Eine geeignete Phyto-Pflanze ist Mais, der durch sein starkes Wachstum eine hohe Gesamtaufnahmerate an Schwermetallen besitzt. Für die Prozessunterstützung von Sanierungsmaßnahmen, aber auch für die Sicherung von großflächigen kontaminierten Arealen mittels Pflanzen sind geeignete Verfahren zur Dokumentation von vorhandenen Kontaminationen und Sanierungserfolgen erforderlich. Von der Blattfläche wurden auf Spektralon normierte Hyperspektralaufnahmen mit chemischen Cadmiumanalysen der Pflanzen korreliert. Auf Grundlage der Ergebnisse mit Mais wurde die Methode auf weitere Pflanzen wie Rhabarber, Topinambur, Sonnenblume und Tabak und andere Schwermetalle wie Zink, Blei und Kupfer übertragen. Die Eignung der entwickelten Methode, verschiedene Schwermetalle in unterschiedlichen Pflanzen nachzuweisen, wurde auf der Grundlage der jeweiligen Bestimmtheitsmaße diskutiert. Die entwickelte Messanordnung und die untersuchten Indices führen mit geokodierten Makro-Hyperspektralmessungen zu einem neuartigen Monitoringkonzept für die Phytoremediation und somit zu einer detailliert ortsaufgelösten Begleitung von Bodensanierungsprozessen.

Das entwickelte Verfahrenskonzept stellt eine abfallarme Sanierungsmethode zur simultanen Behandlung schwermetallkontaminierter und organisch belasteter Böden dar. Die vom Boden abgetrennten Schadstoffe - Schwermetalle und Organika - werden in den entsprechenden Phasen der Mikroemulsion solubilisiert. Die entwickelte Formulierung der Mikroemulsion ist dadurch charakterisiert, insbesondere polare Schadstoffe respektive Schwermetalle aus kontaminierten Bodenmaterialien zu extrahieren. Der Einsatz der entwickelten bikontinuierlichen Mikroemulsion bewirkt bereits im ersten Extraktionsschritt die nahezu vollständige Entfernung sowohl der Schwermetalle als auch der organischen Schadstoffe. Durch eine mehrstufige Extraktion ist es möglich, auch hochkontaminierte Materialien einschließlich der Feinkornfraktionen zu reinigen und somit die Menge des zu deponierenden Bodenmaterials deutlich zu reduzieren.

Phytoremediation has been intensively studied during the past decade due to its cost-effectiveness and environmental harmonies. Most of the studies on treatment of heavy metal pollution in soil and water by plant species have been done in developed countries but are limited in Vietnam. In this study, we presented some research results of phytoremediation of polluted soils and water with heavy metals that were done by Institute of Environmental Technology for several last years. For treatment of heavy metal pollution in the water, some plants have great ability to accumulate heavy metals such as Vetiveria zizanioides, Phragmites australis, Eichhornia crassipes, Pistia stratiotes, Ipomoea aquatica, Nypa fruticans and Enhydra fluctuans. The heavy metal uptake into shoots and roots of 33 indigenous plant species in Thai Nguyen province was also determined. Two species of the plants investigated, Pteris vittata L. and Pityrogramma calomelanos L. were As hyperaccumulators, containing more than 0.1% As in their shoots while Eleusine indica, Cynodon dactylon, Cyperus rotundus and Equisetum ramosissimum accumulated very high Pb (0.15-0.65%) and Zn (0.22-1.56%) concentrations in their roots. Some experiments to clarify the potential of several plants as good candidates for phytoremediation of polluted soil by heavy metals were carried out in our institute. / Phương pháp sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm đã được nghiên cứu nhiều trong thập kỷ qua do chi phí thấp và thân thiện với môi trường. Hầu hết các nghiên cứu về xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất và nước bằng thực vật đã được thực hiện ở các nước phát triển nhưng ít có tại Việt Nam. Trong nghiên cứu này, chúng tôi giới thiệu một số kết quả dùng công nghệ thực vật để xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất và nước tại Viện Công nghệ môi trường trong những năm gần đây. Dối với xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong nước, một số thực vật có khả năng tích lũy tốt kim loại nặng như Vetiveria zizanioides, Phragmites australis, Eichhornia crassipes, Pistia stratiotes, Ipomoea aquatica, Nypa fruticans và Enhydra fluctuans. Sự hấp thụ và tích lũy kim loại nặng trong phần trên mặt đất và rễ của 33 loài thực vật bản địa tại Thái Nguyên cũng đã được xác định. Hai loài thực vật khảo sát là Pteris vittata và Pityrogramma calomelanos là những loài siêu tích lũy As, chứa hơn 0,1% As trong phần trên mặt đất của cây. leusine indica, Cynodon dactylon, Cyperus rotundus và Equisetum ramosissimum tích lũy Pb (0,15-0,65%) và Zn (0,22-1,56%) rất cao trong rễ. Một số thí nghiệm đánh giá tiềm năng của một số thực vật là đối tượng tốt cho xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất đã được tiến hành trong phòng thí nghiệm của Viện Công nghệ môi trường.

Thema der vorliegenden Arbeit ist die Identifikation, Differenzierung und Bewertung von vorhandenen Schwermetallreservoirs im Hangbereich historischer Erzbergbaugebiete im Nordpfälzer Bergland und dem Spessart. Dazu wurden auf Grundlage von 115 Bodenprofilen entlang von 14 Hangsequenzen die holozäne Umweltgeschichte, die Verbreitung und Struktur sowie ausgewählte ökologische Eigenschaften der quartären Hangsedimente erstmalig integrativ analysiert. Besondere Beachtung fanden hierbei die Schwermetallgehalte der quartären Hangsedimente und ihr immanentes Gefährdungspotential, das für die Untersuchungsgebiete zum ersten mal auf Grundlage der aktuellen rechtlichen Grundlagen bestimmt wurde. Die Auflösung einer hochauflösenden Boden- und Sedimentaufnahme mit exemplarischer Beprobung ermöglichte die Analyse vieler Details, Merkmale und Eigenschaften der Sedimente und Bodenbildungen dieser (stark) gestörten Standorte im Mittelgebirgsbereich.

Ziel der Arbeit ist die Beschreibung des Membranverhaltens bzw. der Membraneigenschaften bei der Regeneration von Extraktionsmitteln der Metallextraktion durch Trennung von beladenen und unbeladenen Extraktionsmitteln mittels Ultrafiltration. Dazu wurden die Trennleistungen als Funktion von Druck, Temperatur und Solventzusammensetzung für verschiedene Membranmaterialien und -typen untersucht. Anhand von Sorptionsversuchen konnte die Löslichkeit der Komponenten der organischen Phase in den verschiedenen Polymermatrizen von Membranen aus regenerierter Cellulose bzw. Polyethersulfon und die adsorptive Gelschichtbildung als Funktion der Solventzusammensetzung, der Temperatur und des Membranmaterials aufgezeigt werden. Der Einfluss der Sorption, des Quellens und Kompaktierens auf das Materialverhalten konnte mittels einer Hochdruckmikrowaage und eines Laserscanner-Messstandes ermittelt werden. Die durch Veresterung und Wasserstoffbrückenbindung entstehende Gelschicht auf der Membranoberfläche, die letztendlich für die Rückgewinnung von unbeladenem Extraktionsmittel ausschlaggebend ist, kann mit Hilfe der Röntgenphotoelektronenspektroskopie, Rasterelektronen- und Rasterkraftmikroskopie nachgewiesen werden.

Phytoremediation has been intensively studied during the past decade due to its cost-effectiveness and environmental harmonies. Most of the studies on treatment of heavy metal pollution in soil and water by plant species have been done in developed countries but are limited in Vietnam. In this study, we presented some research results of phytoremediation of polluted soils and water with heavy metals that were done by Institute of Environmental Technology for several last years. For treatment of heavy metal pollution in the water, some plants have great ability to accumulate heavy metals such as Vetiveria zizanioides, Phragmites australis, Eichhornia crassipes, Pistia stratiotes, Ipomoea aquatica, Nypa fruticans and Enhydra fluctuans. The heavy metal uptake into shoots and roots of 33 indigenous plant species in Thai Nguyen province was also determined. Two species of the plants investigated, Pteris vittata L. and Pityrogramma calomelanos L. were As hyperaccumulators, containing more than 0.1% As in their shoots while Eleusine indica, Cynodon dactylon, Cyperus rotundus and Equisetum ramosissimum accumulated very high Pb (0.15-0.65%) and Zn (0.22-1.56%) concentrations in their roots. Some experiments to clarify the potential of several plants as good candidates for phytoremediation of polluted soil by heavy metals were carried out in our institute. / Phương pháp sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm đã được nghiên cứu nhiều trong thập kỷ qua do chi phí thấp và thân thiện với môi trường. Hầu hết các nghiên cứu về xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất và nước bằng thực vật đã được thực hiện ở các nước phát triển nhưng ít có tại Việt Nam. Trong nghiên cứu này, chúng tôi giới thiệu một số kết quả dùng công nghệ thực vật để xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất và nước tại Viện Công nghệ môi trường trong những năm gần đây. Dối với xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong nước, một số thực vật có khả năng tích lũy tốt kim loại nặng như Vetiveria zizanioides, Phragmites australis, Eichhornia crassipes, Pistia stratiotes, Ipomoea aquatica, Nypa fruticans và Enhydra fluctuans. Sự hấp thụ và tích lũy kim loại nặng trong phần trên mặt đất và rễ của 33 loài thực vật bản địa tại Thái Nguyên cũng đã được xác định. Hai loài thực vật khảo sát là Pteris vittata và Pityrogramma calomelanos là những loài siêu tích lũy As, chứa hơn 0,1% As trong phần trên mặt đất của cây. leusine indica, Cynodon dactylon, Cyperus rotundus và Equisetum ramosissimum tích lũy Pb (0,15-0,65%) và Zn (0,22-1,56%) rất cao trong rễ. Một số thí nghiệm đánh giá tiềm năng của một số thực vật là đối tượng tốt cho xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất đã được tiến hành trong phòng thí nghiệm của Viện Công nghệ môi trường.