Assessment of soil and sediment contamination in the Middle Nile Delta area (Egypt)- Geo-Environmental study using combined sedimentological, geophysical and geochemical methods

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2011-09-07
Issue Year
2011
Authors
Abu Khatita, Atef
Editor
Abstract

Nile Delta is the largest green belt area and is regarded as the basic agricultural wealth of Egypt. Owing to the increasing number of inhabitants in this region and based on the electrical power generated from the High Dam (constructed in 1964), a wide variety of industrial activities have developed. In the absence of formal planning, residential household areas are overlapping with industrial zones. As a consequence, the various anthropogenic activities, including industrial activities, transportation networks, residential domestic waste and sewage sludge effluents originating from within or from nearby urban areas, as well as the use of fertilizer, pesticides and insecticides in the farmlands are dispersing contaminants into the soil, water and air of the area. Therefore, the aim of this study was to evaluate the elements and mineralogical contents of the soil and sediments of the studied area. Furthermore, the source and pathway of the potentially harmful substances, which can cause risks or directly or indirectly affect human health were determined. Due to the modifications of the sedimentation regime after the dam construction (1964), some minerals were enriched and others were depleted. Based on the enrichment factor calculation, the upper part shows marked depletion of quartz, garnet and epidote, and enrichment in calcite, magnetic minerals, clays, pyroxene, apatite, amphiboles, plagioclase, biotite, and K-feldspars. Waste water discharge from industrial factories leads to enrichment of trace elements on the bottom sediments of the Nile. Relative to the local natural background the bottom sediments display highly enriched As, Cu, Pb, P, Zn, Mn and Ca, and these elements tend to accumulate on the upper part pf the core and decrease with increasing depth. The annual accumulations of Cu, Mn, Pb and Zn on the bottom sediments near waste water discharge are calculated to be 1.6, 16.4, 2.3 and 4.7 ppm y-1, respectively. Delta soil is composed mainly of clay minerals (59.6 %), quartz (21.5 %) and Plagioclase (5.4 %) along with the less abundant minerals (13.5 %) represented by K-feldspars, amphiboles, pyroxene, biotite, garnet, epidote, calcite, apatite, magnetic menials (Fe- and Ti-Oxides), gypsum and halite. Two groups of minerals can be distinguished: natural (geogenic) phases and anthropogenic/geogenic phases. The first group contains quartz, clay minerals, plagioclase K-feldspars, pyroxene, amphiboles, biotite, garnet, and epidote, while the second group contains calcite, apatite and magnetic minerals in addition to gypsum and halite. Thin section analysis reveals that anthropogenic particles are included within the surface soil samples. These particles were separated, estimated and subjected to intensive analysis by SEM/EDX. In cultivated soils the particles originate from wood and straw combustion in the farmlands, through fertilizers and farming practices. In industrial areas, most of the particles arise from chemical and fertilizer plants along with brick factories. The particles collected from urban areas indicate that the residential area surrounding industrial zones - particularly those located in the windblown (SE) direction - are seriously affected by industrial dust. Both contour maps, which were based on the magnetic properties of the surface soil (magnetic spherules per gram and magnetic susceptibility), reveal that anthropogenic particles in the industrial zone are transported by wind in a SE direction up to a distance of 16 km, whereas the maximum transport distance in the commercial zone is just 4.8 km. Geochemical analysis classified the studied elements into two groups. The first group includes Fe, Co, Cr, Ni and V, which are mainly of natural origin and controlled by the distribution of clay minerals. The other group of elements are from anthropogenic sources and can classified based on the land use as follows; the elements dispersed by industrial activities are As, Ca, Cu, Ba, Cu, Pb, P and Zn; the elements dispersed by traffic emissions are Pb, Zn and some Cu; the elements influenced by agrochemicals and drain water irrigation are As, P, Ca, Cu, and Pb. It is worth mentioning that the areas characterized by high concentrations of environmental elements are in the same areas that display anomalies on the contour maps. These were based on the magnetic properties of soil (magnetic spherule concentration and magnetic susceptibility) and the chemical composition of collected anthropogenic particles. This result confirms the assumption that the magnetic properties can provide an effective tool for demonstrating soil contaminants. The study ends with recommendations for reducing the anthropogenic influences.

Abstract

Das Nildelta, das Untersuchungsgebiet dieser Arbeit, ist die größte und fruchtbarste landwirtschaftliche Nutzfläche Ägyptens. Gekennzeichnet ist es durch eine hohe Bevölkerungsdichte, verschiedene Industrien, die mit der hydroelektrischen Stromerzeugung am Hohen Damm (erbaut im Jahr 1964) versorgt werden, sowie intensive landwirtschaftliche Nutzung. Aufgrund fehlender Flächennutzungspläne kommt es häufig zur Überlappung von Industrie- und Wohngebieten. Die intensive Nutzung des Nildeltas führt zur Kontamination von Boden, Wasser und Luft mit negativen Auswirkungen auf Flora, Fauna und die menschliche Gesundheit. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Element- und Mineralkonzentrationen im Boden und in den Sedimenten des Nildeltas zu erfassen und zu evaluieren. Dafür wurden die Quellen und Wege der potentiell gesundheitsgefährdenden Substanzen identifiziert. Durch den Bau des Hohen Damms im Jahre 1964 wurde das Sedimentationsregime des Nils verändert, weshalb die Sedimente (Bohrkerne bis 50 cm Tiefe) eine Gradierung von Sand zu schluffig-sandigem Ton aufweisen. Der Mineralgehalt änderte sich ebenfalls. Der Anreicherungsfaktor (enrichment factor EF) zeigt, dass der obere Bereich an Quarz, Granat und Epdiot abgereichert sowie an Kalzit, magnetischen Mineralen, Ton, Pyroxen, Apatit, Amphibol, Plagioklas, Biotit und Kalium-Feldspat angereichert ist. Industrieabwässer führten zu einer Anreicherung von Spurenelementen in den Sedimentschichten unterhalb der Einleitungsstelle in den Nil. Diese Sedimente weisen gegenüber des natürlichen Mineralgehaltes eine deutlich höhere Konzentration von As, Cu, Pb, P, Zn, Mn und Ca auf. In den oberen Sedimentschichten kommt es zu einer Akkumulation der Spurenelemente, während ihre Konzentration mit zunehmender Tiefe abnimmt. Die jährliche Akkumulationsrate von Cu, Mn, Pb und Zn in den Sedimenten in der Nähe der Abwasserzuleitung beträgt 1.6, 16.4, 2.3 and 4.7ppm y-1. Die Deltasedimente sind ein schluffiger Ton, die zu 59.6% aus Tonmineralen und 21.5% aus Quarz bestehen. Plagioklas macht 5.4 % aus und die restlichen 13.5% setzen sich aus weniger häufig vorkommenden Mineralen zusammen (Kalim-Feldspate, Amphibole, Pyroxene, Biotit, Granat, Epidot, Kalzit, Apatit, magnetische Minerale wie Fe- und Ti-Oxiden, Gips und Halit). Es lassen sich zwei Gruppen von Mineralen aufgrund ihrer mineralogischen Zusammensetzung unterscheiden: natürliche (geogene) Phasen und anthropogene/geogene Phasen. Die natürlichen Mineralphasen beinhalten Quarz, Tonminerale, Plagioklas, Kalium-Feldspat, Pyroxene, Amphibole, Biotit, Granat und Epidot, die anthropogenen Mineralphasen Kalzit, Apatit, magnetische Minerale, Gips und Halit. Dünnschliffanalysen zeigen, dass die anthropogenen Partikel in den oberflächennahen Bodenproben enthalten sind. Diese Partikel wurden händisch angereichert (ausgelesen), ihre Menge geschätzt und mit SEM/EDX analysiert. Bei Böden von landwirtschaftlichen Nutzflächen erfolgt die Zufuhr von anthropogenen Partikeln durch Holz- und Strohverbrennung, Düngung und andere landwirtschaftliche Tätigkeiten. In Industriegebieten sind die Quellen der anthropogenen Partikel chemische Industrien, Ziegeleien und Abgase. Urbane Bereiche in der Nähe von Industrien sind deutlich von Industrieabgasen betroffen, besonders diejenigen, die in der Hauptwindrichtung (Südost) liegen. Zwei Diagramme zur Verteilungsdichte (Drahtgitterkarten) wurden mit Hilfe der magnetischen Eigenschaften der Partikel in den oberflächennahen Bodenschichten (magnetische spherules pro Gramm und magnetische Suszeptibilität) erstellt. Sie zeigen, dass Partikel aus den industriellen Zonen bis zu 16 km in südöstliche Richtung durch Wind transportiert werden können. In Gewerbegebieten ist die maximale Transportdistanz mit 4.8 km deutlich geringer. Die geochemische Analyse unterteilt die untersuchten Elemente in 2 Gruppen. Die erste Gruppe enthält die Elemente Fe, Co, Cr, Ni and V, die überwiegend einen natürlichen Ursprung haben und deren Vorkommen durch die Verteilung der Tonminerale bestimmt wird. Die zweite Gruppe ist anthropogenen Ursprungs und lässt sich nach der Landnutzung in folgende Gruppen klassifizieren: Elemente, die durch industrielle Aktivitäten verbreitet werden (As, Ca, Cu, Ba, Cu, Pb, P und Zn), Elemente, die durch Abgase verbreitet werden (Pb, Zn und Cu) und Elemente, die durch landwirtschaftliche Aktivitäten (Düngung, Bewässerung) verbreitet werden (As, P, Ca, Cu und Pb). Regionen mit hohen Konzentrationen von natürlichen Elementen weisen Anomalien in den Isolinienlkarten auf. Die Profilkarten basieren auf den magnetischen Bodeneigenschaften und der chemischen Zusammensetzung der anthropogenen Partikel. Somit zeigen diese Ergebnisse, dass magnetische Bodeneigenschaften geeignet sind, um Bodenkontaminationen anzuzeigen. Abschließend werden Empfehlungen ausgesprochen, wie sich negative anthropogene Einflüsse verringern lassen.

DOI
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