Home About Browse Search
Svenska


Faktorer som styr skillnader mellan totalhalter och lösta halter metaller i ett antal svenska ytvatten

Köhler, Stephan (2014). Faktorer som styr skillnader mellan totalhalter och lösta halter metaller i ett antal svenska ytvatten. Uppsala, Sweden: (NL, NJ) > Dept. of Aquatic Sciences and Assessment, Sveriges lantbruksuniversitet. Rapport / Sveriges lantbruksuniversitet, Institutionen för vatten och miljö ; 2012:21
[Report]

[img]
Preview
PDF (Rapport 2012:21)
3MB

Abstract

Analysresultat av metallhalter inom den svenska miljöövervakningen avser den syrelösliga halten av metaller (Metotal) i vattenfasen. Enligt definitionen av lösta ämnen i vatten så passerar bara metaller i löst form (Melöst) ett 0,45 m filter medan metaller i partikulär form (Mepart) fastnar i filtret. Resultat från den svenska miljöövervakningen omfattar därför både former av metallerna (Metotal = Melöst + Mepart). Eftersom bara den lösta fasen anses vara direkt biotillgänglig kan den nuvarande metoden överskatta metallhalter. För att skatta hur stor andel metaller föreligger i partikulär form utfördes en studie där andel metaller i löst form Mefrac = Melöst/Metotal) undersöktes. Metallerna bly (Pb), kadmium (Cd), kobolt (Co), zink (Zn), nickel (Ni), koppar (Cu), arsenik (As), vanadin (V) och krom (Cr) samt aluminium (Al), mangan (Mn) och järn (Fe) studerades. Mätresultat från 31 stationer i hela landet samt ett mindre antal stickprov i olika sjöar runt om i landet är inkluderat. I denna rapport studerades I) hur metaller skiljer sig i deras beteende, II) hur man kan skatta halten metaller i löst form (Melöst) utifrån kemiska variabler eller kemiska modeller, III) hur olika områden skiljer sig åt, IV) och det testades om markanvändningen kan påverka hur metaller fördelas till sist så testades V) om klassningen av höga metallhalter skulle påverkas om man bara hade tillgång till totalhalter eller halter lösta metaller.
(I) Medan metallerna Cu, As, Ni, Cd oftast förkommer i den så kallade lösta fasen (Melöst) kan Zn, Pb, V, Cr och Co bindas till partiklar som fastnar i ett 0,45 µm filter. Andelen metaller i partikulär form (Mepart) ökar (+) med stigande pH (+), totalhalt av metaller (+), turbiditet (+), andel partikulärt järn (+), andel partikulärt mangan (+) och ledningsförmågan (+) medan den sjunker (-) med lägre pH (-), och höga värden för båda filtrerat absorbans abs420_F (.) och TOC (-). pH-värdet är den variabel som ensam förklarar den största andelen av variationen. För skattningen av Mefrac innebär detta att områden med någorlunda konstant pH har en liten felmarginal och lite variation över tiden medan områden med större pH-variation särskilt i pH-området 5,5 till 7,0 där effekten är som störst har en större osäkerhet.
(II) Ekvationer har tagits fram för beräkning av andel metaller i löst form där andra kända kemiska parametrar används som indata. Med utgångspunkt från totalhalterna kan man med dessa modeller skatta andelen metaller i partikulär form inom rimliga marginaler (+/- 25%) för nästan alla metaller. Regressionerna för metaller i löst form (Melöst) som har tagits fram i denna rapport verkar vara någorlunda universella för alla studerade områden och påverkas inte av markanvändning eller av om områdena är påverkade. Modellerna förklarar (R2 resp Q2) mellan 70-98% av den observerade variationen. För den kemiska modelleringen gäller inte detta. De kemiska modellerna fungerar mycket sämre i de påverkade områdena. Orsaken till detta kan vara att det bildas andra partiklar än ferrihydrit (Fe(OH)3) i dessa vatten som binder upp metaller som bly. Eftersom dessa områden kalkas ligger det nära att anta att kalcit eller aragonit skulle kunna tänkas förekomma. De kemiska mönstrarna som styr förekomst av metaller i löst eller partikulär form är för de flesta metaller i enlighet med vad modellberäkningar förutsäger. Förekomst av partiklar som lera eller döda organismer är förmodligen den största felkällan för avvikelse mellan de beräknade och uppmätta förhållandena. För en del metaller föreligger korrelationer mellan Mefrac av metaller och Mefrac av Al, Fe eller Mn som skulle kunna användas för att få bättre skattningar av andel partikulär metall. Det gäller främst metallerna Pb, Cr och Co. Detta skulle kunna verkställas genom att bara mäta andel Fe, Al och Mn i partikulär form.

(III) Av analysen framgår att det finns stora skillnader för Mefrac för de olika metallerna och de olika områdena. Det finns inga enkla entydiga mönster bland de 31 olika områden som ingick i denna studie. I sura vatten så som förkommer på stationerna Lill-Fämtan, Svartberget, Lommabäcken, Ringsmobäcken kan dock konstateras att nästan alla metaller är i löst form (Mepart nära noll) medan i mer alkaliska och större områden så som Dalälven Älvkarleby, Stockholm järnvägsbron, finns mycket större andel metaller i partikulär form. Även i påverkade områden ökar andel metaller i partikulär form (exempel för dess är områdena Nissan, Emån, Forsån). Större områden har oftast högre pH-värden eftersom bidragen av välbuffrat grundvatten är större. Detta gäller också för sjöar med längre uppehållstider. Områden med stor andel åkermark uppvisar också högre andel metaller i partikulär form (t.e. Holen). Detta härrör förmodligen av mobilisering av större andel partiklar än i de andra vattendragen.
(IV) Markanvändningen förklarar upp till 50 % av variationen av Mefrac för ämnena Zn och Fe men mindre än 30 % för de två metallerna (Pb, Co) som har högst andel metaller i partikulär form. Variablerna som bidrar signifikant (+ ökande andel metaller i löst form, - sjunkande andel metaller i löst form) till modellerna för Mefrac för ämnena Fe, Zn, Pb och Co är andel sjöar i området (-), avrinningsområdets storlek (-), andel hygge (-), andel åkermark (-) samt andel skog (+), volym pinus contorta (+), volym tall (+) och andel skog annat än på myrmark (+). Faktorer som styr uppehållstider i vatten eller andel partiklar ökar andel metaller i partikulärt form medan förekomst av skog leder till högre andel metaller i löst form.
(V) Andel metaller i partikulär form har en signifikant inverkan på bedömningen i områden där förhöjda metallhalter uppträder. Runt 6117% av medianvärden för metaller i de 28 olika stationerna som inte är påverkade av punktkällor ligger 10 gånger över bakgrundsvärden. Skulle man bara betrakta den lösta andelen metaller med samma kriterium så minskar antal värden till ca. 36 11%. I områden med höga halter av metaller jämfört med bakgrundsvärden samt i områden med kända punktkällor föreslås det att mäta andel metaller i löst form mera regelbundet.

Authors/Creators:Köhler, Stephan
Title:Faktorer som styr skillnader mellan totalhalter och lösta halter metaller i ett antal svenska ytvatten
Alternative abstract:
LanguageAbstract
English

Results of the analysis of metals in the Swedish environmental monitoring refers to the acid soluble content of metals in the water phase. According to the definition of dissolved components in water only metals in the dissolved form (“Melöst“) pass a 0,45 µm filter while metals in the particulate form (“Mepart”) are trapped in the filter. Results from the Swedish environmental monitoring program therefore covers both forms of the metals. Because only the dissolved phase is considered to be directly bioavailable the current method is bound to overestimate metal content. To estimate the proportion of metals present in particulate form a study was performed during which the proportion metals in dissolved form (“Mefrac” = “Melöst”/”Metotal”) were examined. Metals lead (Pb) , cadmium (Cd) , cobalt (Co) , zinc (Zn) , nickel (Ni) , copper (Cu) , arsenic (As) , vanadium (V), chromium (Cr) and aluminum (Al) , manganese (Mn) and iron (Fe ) were studied. Results from 31 stations around the country as well as a smaller number of samples in different lakes around the country are included.
This report studied I) how metals differ in their behavior, II ) how to estimate the level of metals in dissolved form (“Melöst”) based chemical variables or chemical models , III) how different catchments differ, IV) it was tested if land can affect how metals are distributed at finally it was tested V) whether a classification of sites with high metal would be affected if one only had access to the total concentrations instead of of dissolved metals.
I) While metals Cu, As, Ni, Cd are mainly (>85%) in the dissolved phase ( “Melöst”) both Zn, Pb , V, Cr and Co can be bound to particles and are thus partly trapped in a 0,45 µm filter . The proportion of metals in particulate form (“Mepart“) increases with increasing pH, total metal concentration, turbidity, percentage of particulate iron and manganese and conductivity while it decreases with lower pH, and high values for both filtered absorbance ( abs420_F) and TOC. pH is the variable that alone explains the largest proportion of the variation. Reliable estimates of “Mefrac” thus require reasonably constant pH with a small margin for error and little variation over time. In catchments with higher pH variation especially in the pH range from 5.5 to 7.0 where the effect is greatest, estimates of “Mefrac” will have larger uncertainty.
II) Equations have been developed to calculate the proportion of metals in dissolved form in which other known chemical parameters are used as input. Based on total concentrations these models allow to estimate the proportion of metals in particulate form within reasonable margins for almost all metals. The regressions for metals in dissolved form (“Melöst”) that have been developed in this report seem to be fairly universal for all studied areas. The models explain between 70-98 % of the observed variation. For the chemical modeling is not the case. The chemical models perform much worse in antropogenically affected areas . The reason for this may be that the formation of other particles than ferrihydrite (Fe (OH )3) in these waters that bind up metals like lead . Because the fields are limed it is close to assume that calcite or aragonite could conceivably occur. The chemical patterns that determine the presence of metals in dissolved or particulate form is for most metals in accordance with the model calculations. The presence of particles such as clay or dead organisms is probably the greatest source of error for the discrepancy between the calculated and measured conditions. For some metals, good correlations between “Mefrac” of metals and “Mefrac” of Al, Fe or Mn were observed. This may in some cases be used to obtain better estimates of the proportion of particulate metal. This applies primarily to the metals Pb, Cr and Co and could be accomplished by simply measuring the proportion of Fe, Al and Mn in particulate form.
III) This analysis reveals that there are significant differences for “Mefrac” for the different metals and the different areas. There exist no simple clear pattern among the 31 different areas that were included in this study. In acidic waters in the catchments Lill-Fämtan, Svartberget, Lommabäcken, Ringsmobäcken it may be noted that almost all metals are in the dissolved form (“Mepart” near zero ). In the more alkaline and larger areas such as stations Dalälven Älvkarleby, Stockholm järnvägsbron , a much greater proportion metals is in particulate form. Even in affected areas the proportion of metals in particulate form increases (example of these areas are Nissan, Emån, Forsån). Larger areas usually have higher pH values as the contributions of well-buffered groundwater is greater. This also applies to lakes with longer residence times. Areas with a high proportion of arable land also exhibit higher proportion of metals in particulate form (te.g. Holen).This is presumably related to a larger mobilization of particles than in the other streams.
IV) Land use explains up to 50 % of the variation of “Mefrac” for Zn and Fe but less than 30% for the two metals (Pb , Co) which have the highest proportion of metals in particulate form. The variables that contribute significantly ( + increasing proportion metals in dissolved form , - declining proportion metals in dissolved form ) to the models for “Mefrac” for metals Fe , Zn, Pb and Co are percentage of lakes in the area (-) , drainage area size (-) , percentage of logged forest (-) , proportion of arable land (-) and percentage of forest (+ ), volume pinus contorta (+ ), volume pine (+) and percentage of forest outside marshlands (+). Factors that control the residence time in the water or proportion of particles increases the proportion metals in particulate form , while the presence of forest leads to a higher proportion of metals in dissolved form.
V) The fraction of metals in particulate form has a significant impact on the assessment in areas where elevated metal concentrations occur. Around 6117% of the median values for metals in the 28 different stations that are not affected by point sources are 10 times above background levels. When just considering the dissolved proportion of metals with the same criterion only 36 approx. 11% of the median values valuessites exceed the background levels 10 times. In areas with high concentrations of metals compared to background levels (e.g. 10 times above and higher) and in areas with known point sources, it is suggested to measure the dissolved from of metals more regularly.

Series/Journal:Rapport / Sveriges lantbruksuniversitet, Institutionen för vatten och miljö (BIB14649843)
Year of publishing :15 August 2014
Number:2012:21
Number of Pages:60
Place of Publication:Uppsala, Sweden
Publisher:Institutionen för vatten och miljö, Sveriges lantbruksuniversitet
Language:Swedish
Additional Information:Uppdaterad version som publicerades 2014
Publication Type:Report
Full Text Status:Public
Agris subject categories.:P Natural resources > P10 Water resources and management
T Pollution > T01 Pollution
U Auxiliary disciplines > U40 Surveying methods
Subjects:(A) Swedish standard research categories 2011 > 1 Natural sciences > 104 Chemical Sciences > Analytical Chemistry
(A) Swedish standard research categories 2011 > 1 Natural sciences > 105 Earth and Related Environmental Sciences > Geochemistry
(A) Swedish standard research categories 2011 > 1 Natural sciences > 105 Earth and Related Environmental Sciences > Other Earth and Related Environmental Sciences
Agrovoc terms:heavy metals, pH, carbon, models, surface water, filters
Keywords:tungmetaller, lösta metaller, ph, organiskt kol, modellering, ytvatten, filtrering
URN:NBN:urn:nbn:se:slu:epsilon-e-2069
Permanent URL:
http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:slu:epsilon-e-2069
ID Code:11407
Faculty:NJ - Fakulteten för naturresurser och jordbruksvetenskap
Department:(NL, NJ) > Dept. of Aquatic Sciences and Assessment
External funders:Swedish Environmental Protection Agency
Deposited By: PhD Stephan J. Köhler
Deposited On:26 Aug 2014 11:58
Metadata Last Modified:02 Dec 2014 11:07

Repository Staff Only: item control page

Downloads

Downloads per year (since September 2012)

View more statistics

Downloads
Hits