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Influence of weathering on the leaching behaviour of zinc and PAH from synthetic sports surfaces
(2017)
Synthetic materials used for outdoor sports grounds consist of a mix of inorganic, organic and polymeric compounds that show ageing due to weathering and a complex leaching behaviour by percolation of rainwater, which can limit its lifetime. Additionally, weathering exposure induces degradation processes in the polymers, which leads to the formation of new surfaces allowing water to access additional reservoirs of leachable compounds. A laboratory test comprising artificial weathering, ozonisation and subsequent leaching was developed to investigate this behaviour in a reproducible and controllable way. The experiments showed a general decline of Zn, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) and total organic carbon (TOC) concentrations after an initial increase. Within this general trend, the course of concentration over exposure duration is very specific for individual sample materials and the analyte under investigation. The results indicate that weathering and degradation behaviour cannot be predicted from initial material conditions. Thus, weathering experiments are recommended to fill this gap of knowledge.
An Annex XV restriction dossier for cadmium in artists’ paints was submitted by an EU member state to the European Chemicals Agency ECHA. By cleaning used brushes under the tap cadmium can enter the food chain via waste water treatment and subsequent agricultural application of the sewage sludge. It was estimated that 110 kg Cd per year is spread on agricultural land via this exposure route. Other sources of Cd amount to almost 120 tons per year.
The mobility of Cd from pigments was studied in a field-like scenario by leaching experiments using soil samples amended with sewage sludge and spiked with Cd pigments in percolation columns. The redox conditions were confirmed to be the decisive factor for the release of Cd. The release of Cd from artists’ paints was in most cases 1% or lower in the experiments performed.
Cd from artists’ paints in sewage sludge applied in agriculture will be mobilized for intake by crops or to leaching either by oxidation of sulfide to sulfate or by dissolution at lower pH values. The quantity of Cd from artists’ paints calculated in the restriction dossier is however negligible compared to other sources of Cd to agricultural soil. Therefore ECHA did not consider the proposed restriction to be the most appropriate EU wide measure to address the negligible level of risk. In the presentation sources of Cd on agricultural land will be discussed together with possible policy instruments to mitigate such emissions.
Sub-aerial biofilms (SAB) are ubiquitous, self-sufficient microbial ecosystems found on mineral surfaces at all altitudes and latitudes. SABs, which are the principal causes of weathering on exposed terrestrial surfaces, are characterized by patchy growth dominated by associations of algae, cyanobacteria, fungi and heterotrophic bacteria. A recently developed in vitro system to study colonization of rocks exposed to air included two key SAB participants - the rock-inhabiting ascomycete Knufia petricola (CBS 123872) and the phototrophic cyanobacterium Nostoc punctiforme ATCC29133. Both partners are genetically tractable and we used them here to study weathering of granite, K-feldspar and plagioclase. Small fragments of the various rocks or minerals (1–6 mm) were packed into flow-through columns and incubated with 0.1% glucose and 10 μM thiamine-hydrochloride (90 μL min−1) to compare weathering with and without biofilms. Dissolution of the minerals was followed by: (i) analysing the degradation products in the effluent from the columns via Inductively Coupled Plasma Spectroscopy and (ii) by studying polished sections of the incubated mineral fragments/grains using scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and energy dispersive X-ray analyses. K. petricola/N. punctiforme stimulated release of Ca, Na, Mg and Mn. Analyses of the polished sections confirmed depletion of Ca, Na and K near the surface of the fragments. The abrupt decrease in Ca concentration observed in peripheral areas of plagioclase fragments favored a dissolution-reprecipitation mechanism. Percolation columns in combination with a model biofilm can thus be used to study weathering in closed systems. Columns can easily be filled with different minerals and biofilms, the effluent as well as grains can be collected after long-term exposure under axenic conditions and easily analyzed.
A laboratory biofilm consisting of the phototrophic cyanobacterium Nostoc punctiforme ATCC 29133 and the rock-inhabiting ascomycete Knufia petricola CBS 726.95 was tested for its mineral weathering potential. Minerals with different grain sizes and mineralogy were incubated with and without biofilm in batch and in flow-through column experiments. After incubation, the mineral dissolution was quantified analysing (i) leachate chemistry via ICP-OES/MS (inductively coupled plasma optical emission spectrometry/mass spectrometry) and (ii) the residual grains as thin polished sections via SEM/TEM-EDX (scanning electron microscopy/transmission electron microscopy-energy dispersive X-ray spectrometry). Mineral dissolution was enhanced in biotic experiments as compared to abiotic ones, for both batch culture and flow-through approaches. Analyses of thin polished sections confirmed the leaching of these elements near the surface of the mineral grains. These results clearly indicate a biotic effect on the weathering of minerals produced by the laboratory biofilm.
Die Normung von Analyseverfahren ermöglicht, dass Parameter unter standardisierten Bedingungen qualitätsgesichert ermittelt werden können. Insbesondere dann, wenn Verfahren in gesetzliche Regelwerke einfließen, ist es notwendig, dass die Ergebnisse sicher und vergleichbar sind und der Aufwand im Vollzug vertretbar ist. Derzeit werden viele Parameter in verschiedenen Verordnungen nach unterschiedlichen genormten Verfahren analysiert, was die Überwachungsarbeit erschwert und zudem unnötig teurer macht. Aus diesem Grund wir eine sogenannte horizontale Normung angestrebt, bei der geeignete Analyseverfahren auch Matrices-übergreifend genormt und anschließend EU-weit zitiert werden können. Grundvoraussetzung für die Verabschiedung als Norm ist die Validierung der Verfahren. Bereits vor einigen Jahren erteilte die EU ein Mandat an CEN (Europäisches Komitee zur Normung), um umweltrelevante Parameter Matrices-übergreifend zu validieren. Allerdings konnten nicht alle für diverse Verordnungsnovellen (z.B. Klärschlammverordnung) wichtigen Parameter im Rahmen dieses Projekts validiert werden. Aus diesem Grund wurde das aktuelle Vorhaben in den Umweltforschungsplan des BMUB aufgenommen und von der BAM durchgeführt. Im Forschungsvorhaben konnten im Bereich der anorganischen Parameter die CEN/TS 16170 (Elemente mit ICP-OES), CEN/TS 16171 (Elemente mit ICP-MS) und CEN/TS 16175-2 (Quecksilber mit CV-AFS) sowie im Bereich der organischen Parameter die CEN/TS 16181 (PAK mit HPLC und GC), die CEN/TS 16167 (PCB mit GC-MS und GC-ECD) und die CEN/TS 16190 (Dioxine, Furane und dl-PCB mit HR-GC-MS) für die Analyse von Klärschlamm, behandeltem Bioabfall und Boden erfolgreich validiert werden. Die validierten Verfahren stehen nun kurz vor der Verabschiedung als EN (Europäische Norm).
Dieses Buch ist die Fortstzung des 2012 ebenfalls in der Schriftenreihe des Bundesinstituts für Sportwissenschaft (2012,02) erschienenen Berichts zum Thema "Umweltverträglichkeit von Kunststoff- und Kunststoffrasenbelägen auf Sportfreianlagen". Bei der ersten Untersuchung lag der Focus auf der Entwicklung von Testmethoden im Labormaßstab, die eine Bewertung des Schadstoffaustrags und des möglichen Gefahrenpotentials für Mensch und Umwelt ermöglichen. Folgerichtig setzte sich das aktuelle Projekt nun mit der Modellierung der Stofffreisetzung auseinander. Diese ist Voraussetzung für eine Bewertung der Boden- und Grundwasserverträglichkeit der untersuchten Sportbodensysteme.
Für Sportböden in Außenanlagen haben sich Kunststoffbeläge und Kunststoffrasenbeläge als extrem nutzungsoptimierte Bodenbeläge bewährt. Neben der Benutzungsqualität ist auch die Bewertung möglicher negativer Auswirkungen auf die Umwelt durch produktionsbedingt enthaltene Schadstoffe notwendig. Sportböden auf Kunststoffbasis sind durch mehrlagige Aufbauten gekennzeichnet. Schadstoffe können in den oberen Lagen in den dort als Füllstoff verwendeten Gummigranulaten vorhanden sein. Die Gesamthöhe dieser Schichten umfasst in der Regel maximal 10 cm. Inhaltsstoffe können durch Regenwasser mobilisiert und mit dem Sickerwasser in den Boden und in das Grundwasser eingetragen werden. Durch eine Kombination von Elutionstests und numerischer Modellierung kann das Mobilisierungs- und Transportpotential ermittelt werden, um eine Boden- und Grundwassergefährdungsabschätzung auf Basis einer Sickerwasserprognose vorzunehmen.
Die hier vorgestellte Studie „Umweltverträglichkeit von Kunststoffbelägen auf Sportfreianlagen- Modellierung der Stofffreisetzung aus Sportböden auf Kunststoffbasis zur Bewertung der Boden- und Grundwasserverträglichkeit“befasst sich ausschließlich mit der Stofffreisetzung und den Pfad Boden-Grundwasser (Boden- und Grundwasserschutz). Der Pfad Boden-Mensch und Belange des Gesundheitsschutzes sind nicht Gegenstand dieser Untersuchungen.
Draft standards for the determination of organic pollutants in the solid matter of environmental matrices such as sludge, treated biowaste and soil have been basically developed in the framework of the European standardization project HORIZONTAL. A research project financed by the German Federal Environment Agency was initiated to finalize some of these CEN standard drafts, since fully validated standard procedures are crucial for the evaluation of their reliability in the context of implementation in legislation on environmental health.
Approach: Appropriate test materials (< 2mm particle size) were prepared and homogenized from contaminated soils, sludge and treated biowaste containing polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), polychlorinated biphenyls (PCB), dioxins, furans and dioxin-like-PCB and served, along with reference solutions, as the basis for international interlaboratory comparisons. Performance data of three analytical standard procedures were obtained by the statistical evaluation of results received from 11 to 29 participants per test material.
Results: The overall variation coefficients of reproducibility (between-lab standard deviations) for the sum parameters were roughly between 10 and 35 %. The variation coefficients of repeatability (within-lab standard deviations) range between 3 % and 8 % and show no trend considering the substance groups or matrices.
The highest coefficients of reproducibility were found for the analysis of PAHs, which were between 26 and 35 %, depending on the matrix, whereas 7-17 % reproducibility was observed for toxicity equivalents (TEQ) comprising dioxins, furans and dl-PCB.
Conclusions: Overall, the results confirm that the procedures described in the Technical Specifications are fit for purpose for all three matrices and that the feasibility of the HORIZONTAL approach, to cover several matrices with one standard per analyte, was thereby proven.
In order to estimating the amount and kind of emissions from polymeric sporting tracks a laboratory test was developed in BAM that combines artificial weathering and subsequent batch and column tests [1, 2, 3]. The goal consisted in nvestigating a possible change of emissions into soil and groundwater of a new sporting ground as a function of ageing and egradation of the system. At various stages of the weathering, the samples were removed and subjected to especially designed column extraction tests for the solid samples. Both these extracts and the accumulated rainwater run-off of the weathering device were subjected to analytical tests of their ingredients. The overall aim of the test consisted in developing ontrollable, reproducible, and standardisable conditions and methods of investigation that would allow an estimation of the emissions in the course of outdoor application of about five years.
Im Rahmen eines ZIM-geförderten Projektes wurde eine nass-mechanische Aufbereitung von Hausmüllverbrennungsasche (HMVA) hinsichtlich der Mengen und der Qualitäten generierter Fraktionen optimiert. Dabei standen besonders die Qualitäten der mineralischen Fraktionen, die mengenmäßig den größten Anteil darstellen, im Vordergrund, da sie für einen möglichen Einsatz als Baustoff nutzbar gemacht werden sollen. Insbesondere die Chlorid- und Sulfatgehalte sollten dafür reduziert werden. Durch die BAM wurde im Projekt u. a. die Freisetzung von umweltrelevanten Stoffen in den mineralischen Fraktionen untersucht. Dafür wurden Schütteleluate als Übereinstimmungstest und Eluate aus Lysimeterversuchen im Labormaßstab zur Bewertung des Langzeitverhaltens auf ihre Inhaltsstoffe analysiert.
Column tests are a common tool to investigate the leaching behavior of contaminated soil and waste materials. In contrast to inorganic analytes, fewer studies with organic contaminants are available based on column tests. This paper is aimed at the question if soil materials contaminated with organic pollutants can be reliably investigated by column tests. Soils contaminated with TPH (total petrol hydrocarbons), PFC (perfluorinated surfactants) and the biocide tebuconazole were used for column percolation tests. Differences in the leaching behavior are mainly driven by partitioning behavior between organic carbon and water, which can be estimated from log KOW values and size and shape of molecules. PFC show higher release (10–50% for individual compounds) than pesticides (3.7–5.3%) and TPH (< 1%) at liquid to solid ratio of 4 l/kg. All eluate concentrations are low with maximum concentrations of 50 µg/l for PFC and 1–2 mg/l for pesticides and TPH. Despite this, the observed standard deviations are quite small suggesting good repeatability. In general the observed concentration trends are similar to that from lysimeter studies found in the literature and thus, it can be concluded that laboratory column experiments are a reliable tool for organic compounds with various physico-chemical properties.
The industrial sector of bottom ash (BA) treatment from municipal solid waste incineration (MSWI) in Germany is currently changing. In order to increase the recovery rates of metals or to achieve a higher quality of mineral aggregates derived from BA, new procedures have been either implemented to existing plants or completely new treatment plants have been built recently. Three treatment trains, which are designated as entire sequences of selected processing techniques of BA, are introduced and compared. One treatment train is mainly characterized by usage of a high speed rotation accelerator whereas another is operating completely without crushing. In the third treatment train the BA is processed wet directly after incineration. The consequences for recovered metal fractions and the constitution of remaining mineral aggregates are discussed in the context of legislative and economical frameworks. Today the recycling or disposal options of mineral residues still have a high influence on the configuration and the operation mode of the treatment trains of BA despite of the high value of recovered metals.
Kurzfassung
Die Umweltverträglichkeit reaktiver Brandschutzbeschichtungen wurde anhand einer Kombination von Auslaugprüfungen und nachfolgender Ökotoxizitätstestung bewertet. Hierzu wurden drei repräsentative reaktive Brandschutz-beschichtungssysteme, die vom Anwendungsbereich her einer direkten Bewitterung ausgesetzt sein können, untersucht. Der Aufbau bestand aus einem Stahlkörper, der Grundierung, einem Haftvermittler, der reaktiven Komponente sowie einem Deckanstrich. Die Prüfkörper wurden in Auslaugversuche nach DIN EN 16105 (Intermittierender Wasserkontakttest mit 9 Immersionszyklen je 1 h Tauchen, 4 h Trocknung und erneut 1 h Tauchen, Flüssig-zu-Flächen (L/A) Verhältnis 25 L/m²) und CEN/TS 16637-2 (Horizontale dynamische Oberflächenauslaugprüfung, DSLT, 8 Fraktionen mit einem L/A Verhältnis von 25 L/m²) getestet. Nachfolgend wurden die DSLT-Eluate hinsichtlich ihrer ökotoxischen Effekte im Algentest (DIN EN ISO 8692), Daphnientest (DIN EN ISO 6341), Fischeitest (DIN EN ISO 15088), Leuchtbakterientest (DIN EN ISO 11348-2) und umu-Test (ISO 13829) sowie bei einem TOC über 10 mg/L im Respirometertest (OECD 301 F) untersucht. Es wurden je eine Eluatmischung der beiden ersten DSLT-Fraktionen sowie ein Eluat nach längerer Exposition (Fraktion 7) untersucht. Zusätzlich wurden Blindwertkontrollen über das gesamte Verfahren mitgetestet.
In den DSLT-Eluaten wurden mit Ausnahme von Zink (Zn) und Barium (Ba) geringe Konzentrationen an Kationen bestimmt. Im GC-MS Screening wurden insbesondere Phenol, 1-Methoxypropylacetat und Benzaldehyd detektiert. Der TOC war in der Fraktion 1 und 2 (Gesamtelutionsdauer 24 h) deutlich geringer, als in der 7. Fraktion (Gesamtelutionsdauer 36 Tage). Als Grund sind ein Aufweichen der Beschichtung sowie die um Faktor 20 verlängerte Kontaktzeit zu nennen. Die Ökotoxizitäten stiegen in der 7. Fraktion deutlich an und erreichten im Leuchtbakterientest Werte bis zu LIDL = 256, während in den vereinigten 1. und 2. Fraktionen lediglich bis zu LIDL=24 bestimmt wurden. Der Daphnientest sprach nur in der 7. Fraktion eines Herstellers an (LIDD = 8), der Fischeitest zeigte in keinem Eluat Effekte. Keine der Proben war im umu-Test gentoxisch. Die Eluate der Fraktion 7 zeigten eine deutliche Abbaubarkeit der organischen Inhaltsstoffe von 69 bis 88%.
Im intermittierenden Tauchtest wurden nur geringe Konzentrationen an Kationen und Anionen im Eluat nachgewiesen. Die berechneten kumulativen Freisetzungen bewegen sich zwischen 10 und 54 mg/m² für Phosphat, zwischen 0,3 und 3 mg/m² für Zn sowie zwischen 0,2 und 0,7 mg/m² für Ba. Im Gegensatz zum DSLT lagen die TOC-Werte der Eluate deutlich niedriger (bis 5 mg/L) und nahmen mit Zunahme der Versuchsdauer ab.
Es wurden Vorschläge für ein geeignetes Untersuchungskonzept für reaktive Brandschutzbeschichtungen erarbeitet.
The European Construction Products Regulation allows Member States to adopt rules for evaluating the environmental impact of their buildings. The aim of the project was to develop recommendations for a test battery for the ecotoxicological assessment of the environmental impact of construction products for outdoor use and contribute to the European harmonization of test methods. From a shortlist of 39 products 20 products were included in the ecotoxicological testing program. Monolithic and plate-like construction products were eluted in the Dynamic Surface Leaching test (DSLT) in accordance with CEN/TS 16637-2, granular products were eluted in a one stage batch test in accordance with DIN EN 12457-1. The eluates were examined in four aquatic toxicity tests (algae, daphnia, luminescent bacteria, fish eggs), a genotoxicity test (umu test) and in the respirometer test (OECD 301 F). Here, low to very high ecotoxicity was observed (up to a dilution factor of 1536). Six out of 8 eluates, whose TOC exceeded 10 mg L⁻1 showed a good biodegradability above 75%. The intra-laboratory repeatability of the Lowest Ineffective Dilution (LID) usually was within ±1 dilution steps (ecotoxicity tests) and ±2 dilution steps (leaching and ecotoxicity tests). This is acceptable, when considering that the overall variability of sample preparation, leaching test, and bioassays add up. The conclusions lead to practical recommendations for a suitable combination of leaching and ecotoxicity tests.
Rainfall-triggered runoff is a major driver of pesticide input in streams. Only few studies have examined the suitability of passive sampling to quantify such episodic exposures. In this study, we used Empore-TM styrene-divinylbenzene reverse phase sulfonated disks (SDB disks) and event-driven water samples (EDS) to assess exposure to 15 fungicides and 4 insecticides in 17 streams in a German vineyard area during 4 rainfall events. We also conducted a microcosm experiment to determine the SDB-disk sampling rates and provide a free-software solution to derive sampling rates under time-variable exposure. Sampling rates ranged from 0.26 to 0.77 L d-1 and time-weighted average (TWA) concentrations from 0.05 to 2.11 µg/L. The 2 sampling systems were in good agreement and EDS exceeded TWA concentrations on average by a factor of 3. Our study demonstrates that passive sampling is suitable to quantify episodic exposures from polar organic pesticides.
Background and aims
Olive mill wastewater (OMW) generated in Mediterranean countries is partly disposed of on soil. Its underlying fate mechanisms and influences on plant growth are still largely unknown. Our goal was to understand OMW organic matter (OMW-OM) degradation in soil and its phytotoxic effects. We hypothesized that OMW phytotoxicity decreased with degradation of its phenolic components.
Methods
In a 60 day incubation study, we monitored soil respiration, extractable total phenolic content (TPC) and carbon isotope ratio (δ13C) of OMW treated Israeli soil. The soil was extracted using accelerated solvent extraction (ASE) and its extracts were exemplarily analyzed for four phenolic substances by LC/MS. Phytotoxicity of soil and soil extracts were tested using a Lepidium sativum seed germination bioassay.
Results
Soil respiration was 2.5 times higher for OMW treated soil with two respiration maxima and indicated a degradation of up to 27 % of the added OMW-OM. Four phases of OMW-OM degradation were identified: (i) degradation of easily degradable OMW-OM and transformation of phenolic compounds, (ii) intermediate suppression of phytotoxicity, (iii) degradation of phytotoxic phenolic compounds and (iv) significant physical immobilization of phytotoxic compounds.
Conclusion
Environmental conditions during and after OMW disposal on soil ought to favor fast degradation of OMW-OM, minimizing their physical immobilization and phytotoxic effects.
In Deutschland fallen aktuell über 5 Mio. Tonnen Hausmüllverbrennungsaschen (HMVA) pro Jahr an. Aus diesen werden nur ca. 8 % Metalle (davon ca. 1 % NE-Metalle) zurückgewonnen. Zur Beurteilung des Wertstoffpotentials werden die HMVA nach standardisierten Vorschriften beprobt, für die Analytik vorbehandelt/vorbereitet/aufgearbeitet und auf ihre Inhaltsstoffe analysiert. Im nachfolgenden Beitrag wird der Schwerpunkt auf die Probenvorbehandlung und -vorbereitung gelegt, wobei der Merkmalstransfer von der Ausgangs-(Feld-)Probe über die Laborprobe und die Prüfprobe bis zur Mess-(Analysen-) Probe am Beispiel von NE-Metallen einer nassaufbereiteten HMVA untersucht wurde. Die Ergebnisse wurden mit Hilfe statistischer Methoden bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verteilung der NE-Metalle in den einzelnen Schritten der Probenbehandlung elementspezifisch ist. Bei Blei ist ein Erhalt der Merkmalsverteilung über alle Behandlungsschritte erkennbar. Bei Kupfer nehmen die Konzentrationen in den aufeinander folgenden Behandlungsschritten deutlich ab. Die Ursache könnte das in der Feinfraktion enthaltene metallische Kupfer mit seinen spezifischen Eigenschaften sein. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
More than 5 billion tons of municipal solid waste incineration bottom ashes (MSWI BA) are generated by incineration per year in Germany. Currently only 8 % of metals (of these 1 % are non-ferrous metals) are recovered from MSWI BA. For characterization of recovery potential, MSWI BA samples have to be taken, pre-treated and analyzed according to standardized methods. This manuscript focuses on sample pre-treatment and preparation of a MSWI BA sample aiming to investigate the characteristics transfer over the process of sub-sampling from the original (field) sample to the laboratory sample, test sample until the analytical sample. All results have been evaluated with statistical methods. The results show that influence of each single pre-treatment and preparation step on metal content differs for the individual metals. For lead a conservation of characteristics distribution can be observed, while for copper a continuous decline of solid concentration is observed over all preparation steps. One possible reason may be the fact that copper is mainly contained in the fine fraction as metallic copper with specific properties.