Stabilization of shooting range soil by iron amendments under various redox conditions

Abstract

Large amounts of lead (Pb), zinc (Zn), copper (Cu) and antimony (Sb) are yearly deposited in Norwegian shooting ranges. Remediating these heavily contaminated areas for various land use often require depositing the soils at landfills. However, the leaching of metals and Sb may become an environmental problem. Thus soils deposited in Norwegian landfills have to be controlled and classified relative to the Norwegian waste regulation (avfallsforskriften). Previous research has shown that Fe-amendments to effectively stabilize Pb and Sb in shooting range soils. However, environmental conditions may affect the iron amendments stability and effectiveness when used to stabilize such soils prior landfilling. Reducing conditions can mobilize Fe and contaminants through dissolution and desorption. In this work, Fe-amended shooting range soils were introduced to different water saturation levels (WSL; 50 % and 100 %), leading to various redox conditions. Water saturation levels in the containers aiming for 50 % WSL were monitored by tensiometers, showing that most containers maintained a 40-60 % WSL during the experiment. The Fe-amendments used in this work was iron grit (Gotthard Meyer, Germany) and CFH-12, a Fe-oxyhydroxide powder (Kemira, Finland) mixed with Limestone from Franzefoss, Norway. For chemical analyses inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) was used, and hydride generation inductively coupled plasma optical emission spectrometry (HG-ICPOES) was used for speciation analyses of Sb. The results showed effective stabilization in soils mixed with 2 % CFH-12, where soil pore water concentrations of Pb, Zn, Cu and Sb were measured below the leaching limits for inert (Pb; (C0: 150 μg/l, L/S 10: 50 μg/l) Zn; (C0: 1200 μg/l, L/S 10: 400 μg/l) Cu; (C0: 600 μg/l, L/S 10: 200 μg/l)) and non-hazardous waste (Sb; (C0: 150 μg/l, L/S 10: 70 μg/l)) waste landfills given in the waste regulations. Iron grit showed effective stabilization with Pb, Zn and Cu pore water concentrations below the leaching limits for inert waste landfills (batch test). However, the remediation effect was not sufficient for Sb to reach this level. For soils mixed with 0.5 % CFH-12 and iron grit, iron grit gave the best retention for Pb and Sb in both 50 and 100 % water saturation level (WSL). Soils treated with 0.5 % CFH-12, showed poor retention capacity. In containers holding 100 % WSL, a strong iron mobilization was observed due to reducing conditions. However, this did not mobilize metals and Sb. Antimony speciation analysis, conducted by HG-ICP-OES showed that even under reducing conditions, Sb was predominantly found as Sb (V). Water holding capacity of the soil and soil mixed with amendments was determined by the sandbox method. Store mengder bly (Pb), sink (Zn), kobber (Cu) og antimon (Sb) forurenser norske skytebaner hvert år. Etter hvert som disse skytebanene avvikles, må områdene remedieres før de kan bli tatt i bruk. Dette innebærer ofte at jorden blir transportert til et egnet deponi. Men selv på deponier kan metaller og antimon mobiliseres og transporteres fra sigevann til grunnvann. Dette er et miljøproblem. Derfor skal forurensede jordmasser som havner på deponi i Norge klassifiseres i henhold til utlekkingspotensiale i avfallsforskriften. Tidligere forskning av har vist at jernsorbenter effektivt stabiliserer Pb og Sb i forurenset jord fra skytebaner. Men ytre miljøpåvirkninger kan redusere effektiviteten til jernsorbenter. Reduserende forhold kan mobilisere jern og andre metaller gjennom dissolusjon. I denne oppgaven ble skytejord tilsatt jernsorbenter og introdusert til forskjellige nivåer av vannmetning. Vannmetning ved 50 og 100 % gav varierende redoxforhold. Jernsorbentene som ble brukt i forsøket, var nullverdig jern (Fe0) produsert av Gotthard Meyer, Tyskland, og CFH-12 (Fe-oxyhydroksid) produsert av Kemira, Finland, blandet med kalkstein fra Franzefoss, Norge. Kjemiskanalytiske teknikker som ble tatt i bruk inkluderte induktivt koblet plasma massespektrometri (ICP-MS) og hydrid generering induktivt koblet plasma optisk emisjonspektrometri (HG-ICP-OES) for spesieringsanalyse av Sb. Resultatene viser effektiv stabilisering av Pb, Zn, Cu og Sb i jord behandlet med 2 % CFH-12. Alle prøvertakinger i august måned viser porevannskonsentrasjoner lavere enn grenseverdier for utlekking ved inert (Pb; (C0: 150 μg/l, L/S 10: 50 μg/l) Zn; (C0: 1200 μg/l, L/S 10: 400 μg/l) Cu; (C0: 600 μg/l, L/S 10: 200 μg/l)) og ordinært (Sb; (C0: 150 μg/l, L/S 10: 70 μg/l)) avfall, i henhold til avfallsforskriften. Nullverdig jern viser effektiv stabilisering av Pb, Zn og Cu, med porevannskonsentrasjoner under grenseverdien for ristetest ved deponi for inert avfall. Men effekten for stabilisering av Sb var ikke tilstrekkelig. I skytejord behandlet med 0.5 % konsentrasjoner av CFH-12 og nullverdig jern, gav nullverdig jern den beste retensjonen av Pb og Sb i begge vannmetninger (50 og 100 % vi vannmetning). Jord behandlet med 0.5 % CFH-12 viste porevannskonsentrasjoner av Pb og Sb over grenseverdier satt ved både L/S 10 og C0. En sterk mobilisering av jern ble observert i kontainere med 100 % vannmetning. Porevannskonsentrasjonene økte gradvis fra januar til august. Men denne mobiliseringen gav ikke en merkbar økning i porevannskonsentrasjonene av metallene og Sb. Spesieringsanalysen av Sb ved HG-ICP-OES viste at Sb hovedsakelig foreligger som Sb (V), selv ved reduserende forhold. Vannmetningen til behandlet og ubehandlet jord ble kontrollert ved å bruke sandbox metoden og tensiometere.