4 Material und Umwelt
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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.
Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) are a group of more than 4700 anionic and cationic anthrophonic substances which have been used extensively in a variety of products and industries due to their inert chemical stability and resistance to degradation by heat or acids. As a result of continuous use, mainly in aviation firefighting foams, thousands of industrial and military installations have been found to contain contaminated soil and groundwater resources. However, because of the continuous use of fluorinated consumer products, also effluents and sewage sludge from wastewater treatment plants (WWTPs) have been shown to be an important source of PFAS contamination into the aquatic environment. Resulting from recent stricter regulations and restrictions in the last years on the use of long chain (≥C8) PFAS, there is a significant shift in the chemical industry towards production of short (C4-C7) and ultrashort (C1-C3) chain alternatives. With the amendment of the Sewage Sludge Ordinance in 2017 the German legislation banned sewage sludge application on agricultural land, and by 2029/2032 sewage sludge will be completely prohibited from agricultural application. While environmental exposure of organic pollutants like PFAS, pesticides and pharmaceuticals are no longer desirable, phosphorus (P) from sewage sludge must still be used to produce high-quality P-fertilizers for a circular economy. Currently, plant-available P-fertilizers from sewage sludge/wastewater can be produced using a variety of treatment approaches including precipitation, leaching, and thermal treatment. However, the fate of legacy and emerging PFAS compounds during P leaching, precipitation and treatment from sewage sludge and wastewater is for the most parts still unknown.
Weltweit werden etwa 80–85 % aller abgebauten Rohphosphate für die Produktion von Düngemitteln verwendet. Bei noch steigendem Bedarf an Phosphor (P) geht man derzeit davon aus, dass die weltweiten P-Reserven noch über 200 Jahre ausreichen. Um den P-Vorrat langfristig abzusichern, sollte der in Reststoffen enthaltene Phosphor möglichst umfänglich genutzt werden. Dieser Forderung trägt das von der Bundesregierung 2012 erstmals beschlossene Deutsche Ressourceneffizienzprogramm ProgRess Rechnung. Rohphosphat wird auch seitens der Europäischen Kommission aufgrundseiner ökonomischen Bedeutung und des unsicheren Angebots als „kritischer Rohstoff“ eingestuft. Vor diesem Hintergrund hat die Bundesregierung in der Verordnung zur Neuordnung der Klärschlammverwertung vom 27. September 2017 in Deutschland eine verpflichtende technische Rückgewinnung von Phosphor für Abwasserbehandlungsanlagen ab einer Ausbaugröße von 100.000 Einwohnerwerten (12 Jahre nach Inkrafttreten der Verordnung) bzw. ab einer Ausbaugröße von über 50.000 Einwohnerwerten (15 Jahre nach Inkrafttreten der Verordnung) vorgeschrieben. Die Verordnung enthält keine Vorgaben hinsichtlich der anzuwendenden Technologie bei der Phosphorrückgewinnung. Ausgenommen von der Rückgewinnungspflicht sind Klärschlämme mit niedrigen Phosphorgehalten (weniger als 20 Gramm Phosphor je Kilogramm Klärschlamm-Trockenmasse). Auch die im Jahre 2017 verabschiedeten neuen Rechtsvorschriften für die Düngung verlangen zukünftig einen nachhaltigen und ressourceneffizienten Umgang mit Nährstoffen bei der landwirtschaftlichen Erzeugung und schränken die P-Zufuhr insbesondere auf hoch versorgten Böden ein (Düngeverordnung vom 26. Mai 2017). Dies wird zu einem mehr am Pflanzenbedarf orientierten und ggf. vermehrt überbetrieblichen Einsatz von wirtschaftseigenen Düngern führen. Um den politischen und gesetzlichen Anforderungen gerecht zu werden, müssen einerseits wirksame und kosteneffiziente technische Verfahren zum P-Recycling (weiter)entwickelt werden. Andererseits müssen die Recyclingprodukte die Anforderungen für eine direkte Verwendung in der Landwirtschaft oder als Rohstoff für die Herstellung von Düngemitteln erfüllen. In dem vorliegenden Standpunkt wird zunächst der potenzielle Beitrag von Reststoffen zur Deckung des P-Bedarfs in der deutschen Pflanzenproduktion geschätzt. Für die wichtigsten Reststoffe werden technische Verfahren zur P-Rückgewinnung bzw. Aufarbeitung skizziert. Auf Basis der Anforderungen der Landwirtschaft bzw. der Düngemittelindustrie
an die P-Recyclingprodukte werden deren Herstellungsverfahren bewertet. Schließlich wird der Regelungs- und Forschungsbedarf formuliert.
Die agronomische Effizienz von Düngemitteln wird üblicherweise in Vegetationsversuchen geprüft. Diese erlauben die es, unterschiedliche Kulturpflanzen und deren Strategien der Nährstoffmobilisierung und -aneignung zu betrachten und verschiedene Substrattypen und deren Eigenschaften im Hinblick auf Nährstofffixierung und -freisetzung zu berücksichtigen. Solche Versuche, selbst wenn sie nicht im Feld, sondern nur im Gefäß durchgeführt werden, sind jedoch sowohl zeit- als auch kostenintensiv. In erster Näherung wird die Pflanzenverfügbarkeit insbesondere von Phosphor (P)-Düngemitteln daher in der Regel mit Hilfe standardisierter chemischer Extraktionsmethoden abgeschätzt, deren Durchführung in der deutschen ebenso wie in der europäischen Düngemittelverordnung normiert ist. Diese Methoden werden auch bei der staatlichen Düngemittelverkehrskontrolle genutzt, um zu überprüfen, ob die düngemittelrechtlichen Vorgaben eingehalten werden. Wie jüngere Arbeiten gezeigt haben, ist es jedoch schwierig, herkömmliche Standardextraktionsmethoden auf neue Dünger aus Recyclingmaterialien wie Klärschlamm zu übertragen. Korrelationen zwischen P-Aufnahme im Vegetationsversuch und chemischer Löslichkeit im Standardextrakt sind oft nur mäßig bis schwach oder überhaupt nicht signifikant. Die vorliegende Literaturübersicht gibt einen Überblick zum aktuellen Stand des Wissens über die chemische Löslichkeit von klärschlammbasierten P-Recyclingdüngern, deren Effizienz im Vegetationsversuch und statistische Relationen zwischen beiden Parametern. Anschließend werden alternative Methoden zur Abschätzung der P-Verfügbarkeit von Recyclingdüngern vorgestellt, die derzeit Gegenstand der wissenschaftlichen Diskussion sind.
Die agronomische Effizienz von Düngemitteln wird üblicherweise im Vegetationsversuch geprüft. Vegetationsversuche erlauben die Betrachtung unterschiedlicher Kulturpflanzen und deren Strategien der Nährstoffmobilisierung und -aneignung ebenso wie die Berücksichtigung verschiedener Substrattypen und deren Eigenschaften hinsichtlich Nährstofffixierung und –freisetzung. Solche Versuche, selbst wenn sie nicht im Feld, sondern nur im Gefäß durchgeführt werden, sind jedoch sowohl zeit- als auch kostenintensiv. In erster Näherung wird die Pflanzenverfügbarkeit insbesondere von Phosphor (P)-Düngemitteln daher herkömmlicherweise mit Hilfe standardisierter chemischer Extraktionsmethoden abgeschätzt, deren Durchführung in der deutschen ebenso wie in der europäischen Düngemittelverordnung normiert ist. Diese Methoden werden auch im Rahmen der staatlichen Düngemittelverkehrskontrolle genutzt, um die Einhaltung düngemittelrechtlicher Vorgaben zu überprüfen. Wie jüngere Arbeiten gezeigt haben, ist jedoch die Übertragung herkömmlicher Standardextraktionsmethoden auf neue Dünger aus Recyclingmaterialien wie Klärschlamm mit einigen Schwierigkeiten verbunden, Korrelationen zwischen P-Aufnahme im Vegetationsversuch und chemischer Löslichkeit im Standardextrakt sind oft nur mäßig bis schwach oder überhaupt nicht signifikant. Die vorliegende Literaturübersicht gibt einen Überblick zum aktuellen Stand des Wissens über die chemische Löslichkeit von klärschlammbasierten P-Recyclingdüngern, deren Effizienz im Vegetationsversuch und statistische Relationen zwischen beiden Parametern. Anschließend werden alternative Methoden zur Abschätzung der P-Verfügbarkeit von Recyclingdüngern vorgestellt, die derzeit Gegenstand der wissenschaftlichen Diskussion sind.
Recycling-Düngemittel auf Basis von sekundären Ressourcen (Gülle, Gärreste, Klärschlamm, Tiermehl etc.) gewinnen in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung in der Landwirtschaft. Die in den Recycling-Düngemitteln enthaltenen P-Spezies weichen oft stark von denen in konventionell hergestellten Düngemitteln aus Rohphosphat ab, zudem enthalten Recyclingdünger oft mehrere verschiedene P-Formen. Die Pflanzenverfügbarkeit des P in ist ganz wesentlich von der enthaltenen P-Form abhängig. Derzeit gibt es außer zeitaufwendigen und kostspieligen Gefäß- und Feldversuchen keine zufriedenstellende Testmethode zur Analyse der P-Pflanzenverfügbarkeit von unterschiedlichen Recycling P-Düngemitteln. Die im europäischen Düngemittelrecht normierten chemischen Extraktionsmethoden (Wasser, Zitronensäure, Ameisensäure, neutral Ammoniumcitrat etc.) zeigen oftmals keine oder nur sehr geringe Korrelation zu der P-Aufnahme von Pflanzen in Gefäßversuchen mit Recycling-Düngemitteln (Kratz et al. 2010, Steckenmesser et al. 2017, Vogel et al. 2017). Eine grundlegende Schwäche chemischer Extraktionsmethoden liegt darin, dass es sich dabei um statische Methoden handelt, die nicht in der Lage sind, die im System Boden/Düngemittel-Bodenlösung-Pflanze stattfindenden dynamischen Prozesse wie P-Freisetzung und Entzug durch die Pflanzenwurzeln abzubilden.
Einen Lösungsansatz bieten hier sog. P-Senken-Methoden. Bereits in den 1950er Jahren wurden erstmals P-Senken zur Analyse des Boden-P angewendet (Chardon et al. 1996). In den darauffolgenden Jahrzehnten wurden verschiedene P-Senken auf der Basis von Eisenoxid-Papier entwickelt (Chardon et al. 1996). Jedoch konnten diese Ansätze auch nur begrenzt zur Bestimmung der P-Pflanzenverfügbarkeit des Boden-P eingesetzt werden. Mitte der 1990er Jahre wurde die DGT (engl. diffusive gradients in thin films) Methode entwickelt (Zhang et al. 1998). Bei der DGT Methode diffundiert P aus der Bodenlösung des angefeuchteten Bodens durch einen Membranfilter und die Diffusionsschicht und wird anschließend an einer Bindungsschicht absorbiert. Durch den Diffusionsgradienten wird das Gleichgewicht in der Bodenlösung permanent gestört, wodurch auch labiles P im Boden gelöst wird. Die stetige Entnahme von P aus der Bodenlösung über die Diffusions-/Bindungsschicht simuliert dabei den Entzug von P durch die Pflanzenwurzel. Die an die Bindungsschicht adsorbierte Menge an P korreliert stark mit der P-Aufnahme von Pflanzen (u.a. Mason et al. 2005, 2013; Menzies et al. 2005, Six et al. 2012). Im Gegensatz zu chemischen Extraktionsmethoden werden bei der DGT Methode Mischungen an Düngemittel und Boden für mehrere Tage inkubiert (Vogel et al. 2017; Duboc et al. 2017), da ansonsten wasserlösliche P-Dünger den DGT Adsorber sättigen und wasserunlösliche P-Dünger unterschätzt werden. Ein bis zwei Wochen Inkubation sind ausreichend, damit sich pflanzenverfügbares P in die Mischungen bildet.
In letzter Zeit haben verschiedene Forschungsgruppen gezeigt, dass die DGT Methode auch eine sehr gute Korrelation mit der Pflanzenverfügbarkeit verschiedener Typen von (Recycling-)P-Düngemitteln aufweist (Vogel et al. 2017; Duboc et al. 2017; Foereid 2017; Haarstad and Bavor 2017; Lemming et al. 2017). Bei Gefäßversuchen mit verschiedenen Recycling P-Düngemitteln konnte die DGT Methode den Ertrag bzw. die P-Aufnahme von Mais deutlich besser vorhersagen als herkömmliche chemische Extraktionsmethoden (Vogel et al. 2017; Duboc et al. 2017).
Daher kann die DGT Methode im Vorfeld der Zulassung von neuen Düngermitteltypen als zuverlässige und robuste Methode zum Screening von Produktvarianten eines Düngemittelherstellers verwendet werden. Um dieses Messverfahren im Rahmen des Düngemittelrechts als Bewertungsinstrument für die Abschätzung der Pflanzenverfügbarkeit unterschiedlicher Düngemittel zu verwenden, muss es allerdings zunächst standardisiert werden. Zu diesem Zweck bietet sich der Einsatz eines „standardisierten“ Bodens bzw. Bodenrezepts an. Zur Kalibrierung der Methode im jeweiligen Labor könnten auch chemisch definierte P-Verbindungen mit bekannter Löslichkeit/Pflanzenverfügbarkeit als Referenz-substanzen verwendet werden.