Charakterisierung von Feststoffen auf urbanen Verkehrsflächen als potenzielle Schadstoffträger im Niederschlagsabfluss

  • Verkehrsflächenbürtige Feststoffe enthalten Schadstoffe wie Schwermetalle, die im Regenereignis abfließen und in Gewässern toxisch wirken können. Da ein großer Teil vieler Schwermetalle partikulär vorliegt, können diese durch eine Behandlung mittels Sedimentation zurückgehalten werden. Zur Optimierung des Feststoff- und damit Schadstoffrückhaltes ist eine Erweiterung des Kenntnisstandes zum Absetzverhalten schadstofftragender Feststoffe nötig. Es ist bekannt, dass das Schadstoffaufkommen standortspezifisch variiert. Bezüglich der für die Sedimentation absetzrelevanten Kenngrößen wie Partikelgröße und Dichte wurde der Einfluss standortspezifischer Randbedingungen auf die Zusammensetzung noch nicht umfassend untersucht. Weiter mangelt es an einer Methode zur Messung des Absetzverhaltens unter kontrollierten Bedingungen. Diese Arbeit liefert hierzu einen Beitrag. Anhand einer Literaturstudie zu Feststoffdepositionen und -abflüssen von Verkehrsflächen wurde für die absetzrelevanten Kenngrößen Partikelgröße, -form, -dichte und organischer Anteil eine Metadatenauswertung hinsichtlich methoden- und standortspezifischen Randbedingungen durchgeführt. Für organische Anteile in Abflüssen konnte eine gesicherte Datengrundlage und Durchschnittswerte ermittelt werden. Die Datengrundlage für die weiteren Kenngrößen ist bislang gering. Der Mangel an Befunden zu absetzrelevanten Kenngrößen unterstreicht die Notwendigkeit vertiefter Untersuchungen zur Charakterisierung verkehrsflächenbürtiger Feststoffe. In einem umfangreichen Messprogramm wurden an zehn Standorten in Frankfurt am Main von 2016 bis 2018 Feststoffe in der Trockenperiode auf der Verkehrsfläche gewonnen und hinsichtlich der genannten absetzrelevanten Kenngrößen untersucht. Standortspezifische Einflüsse wurden statistisch nachgewiesen. Feststoffaufkommen und deren Partikelgröße liegen unabhängig vom Standort nur mit geringer Variabilität vor. Es besteht ein positiver Zusammenhang zwischen der Verkehrsstärke und dem Feststoffaufkommen. Organische Anteile sind eine Funktion der vorherrschenden Vegetation am Standort. Sie variieren saisonal. Es konnte ein negativ linearer Zusammenhang zwischen der Dichte und den organischen Anteilen nachgewiesen werden. Diese Arbeit liefert damit eine neue Datengrundlage für die Modellierung von Transportprozessen von Feststoffen und ihren absetzrelevanten Kenngrößen von unterschiedlichen Verkehrsflächen. Weiter wurde ein Laborverfahren zur Bestimmung des Absetzverhaltens verkehrsflächenbürtiger Feststoffe in konstanter Zusammensetzung (Partikelgrößenverteilung und Feststoffkonzentration) entwickelt und mit der geschaffenen Datengrundlage validiert. Es wurden erste Erkenntnisse zum Absetzverhalten von Feststoffen, organischen Anteilen und Schwermetallen gewonnen. Im untersuchten Szenario sedimentieren die Partikel diskret bedingt durch die Partikelgröße und organischen Anteile. Das Absetzverhalten der Schwermetalle korreliert mit den Feststoffen. Überproportional hohe Schwermetallkonzentrationen in feinen Partikelanteilen bedeuten jedoch eine verringerte Absetzbarkeit der jeweiligen Schwermetallanteile. Für die Behandlung von Abflüssen aus Verkehrsflächen mit viel Vegetation am Standort legen diese Ergebnisse nahe, dass mit reduzierten Feststoffwirkungsgraden aufgrund verminderter Absetzbarkeit leichterer Bestandteile mit geringer Dichte zu rechnen ist. Mit den Laborergebnissen konnte ein starker positiver Zusammenhang zwischen dem Feststoff- und Schadstoffwirkungsgrad bestätigt werden. Die Verteilung der Schwermetalle in Partikelgrößenklassen einer Feststoffprobe ist neben den organischen Anteilen und der Dichte ein wichtiger Parameter zur Einschätzung der Absetzbarkeit bei diskretem Absetzverhalten.
  • Road-deposited sediments (RDS) contain pollutants such as heavy metals that can be washed-off during rain events and can have toxic effects in bodies of water. Since a large portion of many heavy metals are present in particulate form, they can be retained by treatment using sedimentation. In order to optimize the retention of solids and thus pollutants, an expansion of knowledge about the settling behavior of pollutant-bearing solids is necessary. It is already known that the amount of pollutants varies depending on the site. With regard to the parameters relevant to settling, such as particle size and density, the influence of site-specific boundary conditions on the composition has not yet been thoroughly investigated. There is also a lack of a method for measuring settling behavior of key parameters of solids and pollutants under controlled conditions. This work provides a contribution to the state of knowledge of parameters relevant to the settling of the solids under varying site-specific boundary conditions and their settling behavior. A literature review was conducted referring to the influence of method- and site-specific boundary conditions on road-deposited sediments and solids in road runoff. It was attempted to conduct a metadata evaluation for the parameters relevant for the settling as of particle size, shape, density and organic content. A secure data basis and average values were determined for organic content in road runoff. The data basis for the other parameters has been limited so far. The lack of findings on these parameters underlines the need for in-depth studies to characterize solids from road surfaces accordingly. In an extensive measurement program in Frankfurt am Main from 2016 to 2018, RDS were obtained during dry periods at ten locations on the road surface. The solids were examined with regard to the above-mentioned parameters relevant to settling. Site-specific influences have been statistically proven. It was shown among other things, that the solid load and the particle size distribution of RDS show little variability regardless of the site. There is however a positive correlation between the volume of traffic and the solid load. Organic contents in RDS are a function of the prevailing vegetation on the site. They vary seasonally. A negative linear relationship between the density and the organic contents in RDS was demonstrated. This work thus provides a new data basis for the modeling of transport processes of solids and their parameters relevant to settling from different traffic areas. Furthermore, a laboratory method was developed to measure the settling behavior of road-borne solids in constant compositions (particle size distribution and solids concentration). The method was successfully validated and initial findings on the settling behavior of solids, organic contents and heavy metals were obtained for one runoff scenario. In the scenario examined, discrete settling behavior was demonstrated. The settling behavior of the heavy metals correlates with the solids. However, disproportionately high heavy metal concentrations in fine particle fractions mean a reduced sedimentation rate of the respective heavy metal fractions. For the treatment of runoff, the results suggest that with regard to site-specific vegetation and season, different degrees of efficiency due to higher proportions of solids with low density can be expected for the solid retention efficiency. With regard to heavy metals, the laboratory results showed that with increasing solid retention efficiency in observed discrete settling regimes, the efficiency of pollutant retention also increases, but to different degrees depending on the distribution of heavy metals. The distribution of heavy metals, density and organic content within the particle size classes of a solid sample is therefore an important parameter for assessing settleability in discrete settling.

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Metadaten
Author:Laura GelhardtORCiD
URN:urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-61569
ISBN:978-3-95974-139-2
Subtitle (German):Entwicklung einer Methode zur Messung der Sinkgeschwindigkeit und absetzrelevanter Kenngrößen
Series (Serial Number):Schriftenreihe Wasser Infrastruktur Ressourcen (8)
Advisor:Ulrich DittmerORCiD, Heidrun Steinmetz, Antje Welker
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Date of Publication (online):2020/12/01
Date of first Publication:2020/12/01
Publishing Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2020/09/09
Date of the Publication (Server):2020/12/02
Tag:Dichte; Niederschlagsabfluss; Organik; Partikelgrößenverteilung; Schwermetalle; Sedimentation; Sinkgeschwindigkeit; Verkehrsflächen
Page Number:XI, 321
Faculties / Organisational entities:Kaiserslautern - Fachbereich Bauingenieurwesen
DDC-Cassification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 624 Ingenieurbau und Umwelttechnik
Licence (German):Creative Commons 4.0 - Namensnennung (CC BY 4.0)