4 Material und Umwelt
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- 4.3 Schadstofftransfer und Umwelttechnologien (81) (entfernen)
Eingeladener Vortrag
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Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) have been used extensively in the past because of their inert chemical character and resistance to degradation by environmental influences. Since the beginning of their commercial use, PFAS have been widely exposed to the environment by application of PFAS in consumer products or as foaming agent in firefighting foams, thus several cases of contaminated soils sites have been reported. Since the number of known PFAS already exceeds 4700, their characterization and direct analysis is challenging given the current available techniques. Here, we introduce the novel fluorine (F) K-edge X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy as a tool to analyze PFAS and inorganic fluorine compounds in contaminated soils and sewage sludges. While F K-edge bulk-XANES spectroscopy provide us information on the overall fluorine bonding in a sample micro X-ray fluorescence (XRF) in combination with F K-edge micro-XANES spectroscopy can also detect minor fluorine compounds and PFAS hotspots in investigated soils and sludges. Additionally, we used the combustion ion chromatography (CIC) to analyze the total amount of all PFAS as a sum parameter (extractable organic fluoride: EOF) in soils and sewage sludges. During combustion in the CIC, the PFAS in the sample get destroyed at temperatures of approx. 1000 °C and converted in inorganic fluorides that subsequently gets quantified by ion chromatography. Thus, for the first time we successfully combined F K-edge XANES spectroscopy and CIC as analytical tools to detect and quantify PFAS contaminants in soils and sewage sludges.
Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) im Klärschlamm - Analytische Methoden und Grenzwerte
(2022)
Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) sind eine Gruppe von mehr als 4700 anionischen und kationischen anthrophonen Stoffen, die aufgrund ihrer inerten chemischen Stabilität und ihrer Widerstandsfähigkeit gegen den Abbau durch Hitze oder Säuren in einer Vielzahl von Produkten verwendet werden. Infolge der ständigen Verwendung, vor allem in Feuerlöschschäumen für die Luftfahrt, wurden in Tausenden von Industrie- und Militäranlagen kontaminierte Böden und Grundwasservorkommen gefunden. Aufgrund der ständigen Verwendung von fluorierten Konsumgütern haben sich jedoch auch Abwässer und Klärschlamm aus Kläranlagen als Quelle für die Kontamination der aquatischen Umwelt mit PFAS erwiesen. Infolge der strengeren Vorschriften und Beschränkungen, die in den letzten Jahren für die Verwendung langkettiger (≥C8) PFAS erlassen wurden, findet in der chemischen Industrie eine deutliche Verlagerung hin zur Herstellung kurz- (C4-C7) und ultrakurzkettiger (C1-C3) Alternativen statt. Mit der Novellierung der Klärschlammverordnung im Jahr 2017 hat der deutsche Gesetzgeber die Ausbringung von Klärschlamm auf landwirtschaftlichen Flächen verboten, und bis 2029/2032 wird die Ausbringung von Klärschlamm in der Landwirtschaft vollständig verboten sein. Während die Belastung der Umwelt mit organischen Schadstoffen wie PFAS, Pestiziden und Arzneimitteln nicht mehr erwünscht ist, muss Phosphor (P) aus Klärschlamm weiterhin zur Herstellung hochwertiger P-Dünger für eine Kreislaufwirtschaft genutzt werden. Derzeit können pflanzenverfügbare P-Düngemittel aus Klärschlamm/Abwasser mit verschiedenen Behandlungsmethoden hergestellt werden, darunter Fällung, Auslaugung und thermische Behandlung. Der Verbleib von PFAS bei der Auslaugung, Ausfällung und Behandlung von Klärschlamm und Abwasser ist jedoch noch weitgehend unbekannt.
The aim of this study was to investigate the passive sampler method Diffusive Gradients in Thin-films (DGT) for ammonium and nitrate in amended soils. Therefore, we used soils from a pot experiment with maize where nitrogen (N) was supplied as ammonium sulfate nitrate (ASN), without and with a nitrification inhibitor (NI). The additional use of a NI can delay the nitrification in the soil and making the ammonium available for a longer period in the soil solution after its application. Homogenized soil samples were collected directly from each pot after one week of incubation before sowing and after harvesting the maize. Nitrate and ammonium in these soil samples were extracted using DGT devices equipped with a Putolite A520E (for nitrate) and Microlite PrCH (for ammonium) binding layer. Ammonium DGT which determined the mobile and labile ammonium forms based on diffusion and the resupplies from the solid soil phase, only showed a significantly higher amount of extractable ammonium with NI compared to that without NI for some samples. However, significantly lower values were found for nitrate of treatments with NI compared to without NI after harvest. Thus, the lower nitrate amounts for treatments with NI compared to the treatments without NI after harvest indicated the delay of the nitrification process by the NI. Furthermore, we compared also the ammonium and nitrate
DGT results to chemical extraction with KCl solutions. The results demonstrated that the trends of DGT results and chemical extraction were complimentary through all the treatments.
Phosphorus (P) fertilizers from secondary resources became increasingly important in the last years. However, these novel P-fertilizers can also contain toxic pollutants. Chromium in its hexavalent state (Cr(VI)) is regulated with low limit values for agricultural products due to its high toxicity, but the determination of Cr(VI) in these novel fertilizer matrices can be hampered by redox processes that lead to false results. Thus, we applied the passive sampler technique Diffusive Gradients in Thin-films (DGT) for the determination of Cr(VI) in fertilizers and compared the results with the standard wet chemical extraction method (German norm DIN EN 15192) and Cr K-edge X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy. We determined an overall good correlation between the wet chemical extraction and the DGT method. DGT was very sensitive and in most cases selective for the analysis of Cr(VI) in P-fertilizers. However, hardly soluble Cr(VI) compounds cannot be detected with the DGT method since only mobile Cr(VI) is analyzed. Furthermore, Cr K-edge XANES spectroscopy showed that the DGT binding layer also adsorbs small amounts of mobile Cr(III) compounds which leads to overestimated Cr(VI) values. The results of certain types of P-fertilizers containing mobile Cr(III) or partly immobile Cr(VI), showed that optimization of the DGT method is required to avoid over- or underestimation of Cr(VI).
A wide range of analytical methods are used to estimate the plant-availability of soil phosphorus (P). Previous investigations showed that analytical methods based on the Diffusive Gradients in Thin films (DGT) technique provide a very good correlations to the amount of bioavailable nutrients and pollutants in environmental samples (Davison 2016, Vogel et al. 2017). However, the DGT results do not identify which P compound of the soil has the high bioavailability. But there are various spectroscopic techniques (infrared, Raman, P K-edge and L-edge XANES and P NMR spectroscopy) available to characterize P species in soils. Therefore, spectroscopic investigation of DGT binding layers after deployment allow us to determine the specific compounds. Nutrients such as phosphorus and nitrogen are often, together with other elements, present as molecules in the environment. These ions are detectable and distinguishable by infrared, P K- and L-edge X-ray absorption near-edge structure (XANES) and NMR spectroscopy, respectively. Additionally, microspectroscopic techniques make it also possible to analyze P compounds on the DGT binding layer with a lateral resolution down to 1 μm2. Therefore, species of elements and compounds of e.g. a spatial soil segment (e.g. rhizosphere) can be mapped and analyzed, providing valuable insight to understand the dynamics of nutrients in the environment.
Dust deposition is an important source of phosphorus (P) to many ecosystems. However, there is little evidence of dust-derived P-containing minerals in soils. Here we studied P forms along a well-described climatic gradient on Hawaii, which is also a dust deposition gradient. Soil mineralogy and soil P forms from six sites along the climatic gradient were analyzed with bulk (X-ray diffraction and P K-edge X-ray absorption near edge structure)
and microscale (X-ray fluorescence, P K-edge X-ray absorption near edge structure, and Raman) analysis methods. In the wettest soils, apatite grains ranging from 5 to 30 μm in size were co-located at the micro-scale with quartz, a known continental dust indicator suggesting recent atmospheric deposition. In addition to colocation with quartz, further evidence of dust-derived P included backward trajectory modeling indicating that dust particles could be brought to Hawaii from the major global dust-loading areas in central Asia and northern Africa. Although it is not certain whether the individual observed apatite grains were derived from long-distance transport of dust, or from local dust sources such as volcanic ash or windblown fertilizer, these observations offer direct evidence that P-containing minerals have reached surface layers of highly-weathered grassland soils
through atmospheric deposition.
Im Folgenden soll über aktuelle Diskussionen und Arbeitsschwerpunkte im Fachbeirat der BAM und von der Zulassungsstelle berichtet werden. Es werden Änderungen im Zusammenhang mit der Zulassungsrichtlinie für Kunststoffdichtungsbahnen vorgestellt. Es wird über die aktuelle Diskussion über die Anforderungen z. B. an metallische Sensoren für Dichtungskontrollsysteme berichtet. Änderungen der Fremdprüfung von sogenannten Sandschutzmatten, des Standards zur Qualitätsüberwachung (SQÜ) von Kunststoff Dränelementen (KDE) und der Anpassung der Formulierungen zum Überbau der in Abdichtungen verwendeten Produkte werden aufgezeigt.
Die BAM wurde 2009 u. a. mit der Zulassung von Bewehrungsgittern für den Deponiebau beauftragt. Der Stand von Wissenschaft und Technik bot jedoch keine ausreichende Grundlage, die tatsächlich relevanten Widerstände und die mit diesen Widerständen verbundene Wechselwirkung zwischen Gitter und Boden im Hinblick auf eine mindestens 100-jährige Funktionsdauer realistisch beurteilen zu können. Es wurde daher nur eine vorläufige Zulassungsrichtlinie für diese Produkte erarbeitet. In der Zwischenzeit hat sich ein neuer Kenntnisstand ergeben. Vor diesem Hintergrund hat die AG (Arbeitsgruppe) Geogitter des Fachbeirats der BAM am 26.09.2017 getagt. Es sollen die aktuellen Erkenntnisse und Schlussfolgerungen für die Zulassung in Kürze vorgestellt werden. Die entsprechenden Kapitel beruhen dabei auf einem Arbeitspapier von W.W. Müller und dem Autoren, das der Arbeitsgruppe zur Diskussion vorgelegt wurde.
Weiterhin soll über Entwicklungen in Zusammenhang mit Kunststoffdichtungsbahnen (KDB) berichtet werden. Die Anforderungen an die Schweißzusätze für das Extrusionsschweißen wurden angepasst. Zudem soll über die aktuelle Diskussion der Schweißbarkeit unterschiedlicher HDPE Materialien informiert werden. Die maßgebliche DVS (Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren) Richtlinie 2225-4 wird derzeit offenbar so ausgelegt, dass Materialien mit völlig unterschiedlichen Schmelze-Massefließrate miteinander verbunden werden können. Dies steht allerdings im grundlegenden Widerspruch zum Stand der Technik.
Die Präsentation erläutert die Hintergründe der nationalen Anforderungen für die Verwendung von Kunststoffdichtungbahnen in Deponieabdichtungen. Die Beständigkeit wird diskutiert. Anforderungen an das Qualitatsmanagement während der Produktion der Produkte und der Bauphase werden aufgezeigt und die Auswirkungen auf die langzeitige Funktionserfüllung werden beschrieben.