4 Material und Umwelt
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The potential release of hazardous substances from polymer-based products is currently in the focus of environmental policy. Environmental simulations are applied to expose such products to selected aging conditions and to investigate release processes. Commonly applied aging exposure types such as solar and UV radiation in combination with water contact, corrosive gases, and soil contact as well as expected general effects on polymers and additional ingredients of polymer-based products are described. The release of substances is based on mass-transfer processes to the material surfaces. Experimental approaches to investigate transport processes that are caused by water contact are presented. For tailoring the tests, relevant aging exposure types and release quantification methods must be combined appropriately. Several studies on the release of hazardous substances such as metals, polyaromatic hydrocarbons, flame retardants, antioxidants, and carbon nanotubes from polymers are summarized exemplarily. Differences between natural and artificial exposure tests are discussed and demonstrated for the release of flame retardants from several polymers and for biocides from paints. Requirements and limitations to apply results from short-term artificial environmental exposure tests to predict long-term environmental behavior of polymers are presented.
Column leaching tests are frequently used and accepted for investigation of release of hazardous substances from solid materials. Independent of differences due to the field of application or national regulations, column tests assume that local equilibrium is established in the experiment which facilitates transfer of results to field conditions. In the process of harmonization and standardization within Europe the question on the influence of flow rate and grain size distribution on the local equilibrium was raised. Thus, a set of experiments using two different masonry materials with varying grain size distribution and flow rate were conducted including stop/flow experiments. Results are compared to a numerical model which takes intraparticle pore diffusion-controlled release of Mo and V into the percolating water into account. Due to the relatively high intraparticle porosity of the materials (24–29%) data and model indicate that initially equilibrium-state conditions prevail followed by rapidly decreasing concentrations. The model fits data for Mo and V reasonably well; however, after the initial decline of concentrations (at L/S > 2) extended tailing is observed especially of elements occurring as oxides, which is not captured by the model.
The environmental compatibility of reactive fire-retardant coatings (intumescent paints) was investigated by a combination of leaching and ecotoxicological tests. Three representative fire-retardant coating systems were tested using two leaching procedures: “Horizontal Dynamic Surface Leaching Test” (DSLT) and the “Intermittent Immersion Test” (IIT). All eluate fractions (8 for DSLT and 9 for IIT) were analyzed for pH, conductivity, concentration of total organic carbon and selected anions und cations. Additionally, a GC-MS screening of selected fractions was conducted for identification of organic compounds. Eluate fractions 1 + 2 and fraction 7 of the DSLT were analyzed in four ecotoxicological tests (algae, daphnia, fish egg, luminescent bacteria) and in one genotoxicity test (umu). Concentration of most analytes was rather low or below limit of detection for many eluates. Analytes detected in eluates of all three products are Zn, Ba, SO4(2−) and PO4(3−). Release patterns do not indicate a general trend: some compounds show maximum release in the first fractions while for others the maximum was observed in later test stages. Ecotoxic effects in eluates were found, which were higher in the eluate fraction 7 (maximum lowest ineffective dilution for luminescent bacteria (LIDL) 256) than in the eluate fraction 1 + 2 (maximum LIDL = 24). The sensitivity of the test systems was very different with highest effects for luminescent bacteria, followed by algae and daphnia and without effects in the fish egg test and umu test. A biotest battery for the comprehensive assessment is therefore advisable.
Die Umweltverträglichkeit von Bauprodukten, die in Kontakt mit Regen- oder Sickerwasser kommen, wurde durch Kombination normierter Elutions- (DSLT, Perkolationstest) und Ökotoxizitätstests (Algen, Daphnien, Fischeier, Leuchtbakterien) sowie Gentoxizitätstests (Ames, umu) untersucht. Ziel des Projektes war es einerseits, einen Beitrag zur Harmonisierung der Prüfmethoden unter CEN/TC 351 zu leisten und andererseits potentielle Produktgruppen, die sich für die Umweltzeichenvergabe des Blauen Engels eignen würden, zu erkennen. Durch umfangreiche qualitative und quantitative chemische Analysen (u. a. GC-MS- sowie LC-MS-Screening) wurden einige der freigesetzten Stoffe identifiziert und anhand von Literaturdaten ökotoxikologisch charakterisiert. Insgesamt wurden 34 Bauprodukte (Dachbahnen, Lacke, Wood-Plastic-Composites, Pflasterfugenmörtel, Korkgranulate, Schaumglasschotter, Wegedecken, Dichtmassen) untersucht. Hierbei wurden insbesondere bei den Fugenmörteln und Korkgranulaten sehr hohe
Ökotoxizitäten (bis LID = 16384 bei den Fugenmörteln und LID = 24578 bei den Korkgranulaten) beobachtet. Algen- und Leuchtbakterientests waren in der Regel deutlich empfindlicher als der Daphnien- und Fischeitest. Die untersuchten Dachbahnen, Lacke, Wood-Plastic-Composites und Schaumglasschotter zeigten hingegen keine oder nur sehr geringe Ökotoxizitäten. Zur Qualitätssicherung und Validierung wurde ein Europäischer Ringversuch gemäß den Vorgaben der DIN ISO 5725 organisiert, durchgeführt und ausgewertet. Hierzu wurde ein Fugenmörtel als flächiges Produkt im DSLT und als gebrochenes körniges Produkt im Perkolationstests eluiert und die Eluate nachfolgend in den 29 teilnehmenden Laboren hinsichtlich ihrer Ökotoxizität untersucht. Hierbei wurden insgesamt plausible Ergebnisse und gute (<50 %) bis sehr gute (<20 %) Reproduzierbarkeiten erzielt. Es wird empfohlen, für die Produktgruppen Dachbahnen, Kunstrasen und Sportböden sowie Fugenmörtel Vergabekriterien für den Blauen Engel zu entwickeln
The release of hazardous compounds from construction products can harm human health and the environment. To improve the sustainability of construction materials, the leaching of substances from construction products and their potential environmental impact should be assessed. Twenty-seven construction products from different product groups were examined with a combination of standardized leaching tests (dynamic surface leaching test and percolation test) and biotests (algae, daphnia, fish egg, luminescent bacteria, umu and Ames fluctuation tests). To identify the released substances, extensive qualitative and quantitative chemical analyses were performed, including gas chromatographic and liquid chromatographic screening techniques.
Results: Many of the tested eluates caused signifcant ecotoxic efects. Particularly high ecotoxicities were observed for grouts (lowest ineffective dilution (LID) up to 16384) and cork granules (LID up to 24578). The results of ecotoxicity tests allow the prioritization of the eluates that should be subjected to detailed chemical analyses. Organic screening by different methods and ranking the identifed substances based on recorded hazard classification is a suitable approach to identify the relevant toxic substances.
Conclusions: Determining the ecotoxicity of eluates from construction products records the summary effect of all leachable substances. This instrument is especially useful for construction products of complex and largely unknown composition. The ecotoxicological and the chemical–analytical approach complement each other in an ideal way to characterize the potential hazard of eluates from construction products and to identify the environmentally hazardous components in these eluates. Our results confirm that the proposed harmonized methods for testing eluate toxicity are an adequate and applicable procedure to move toward a more sustainable way of building and to reduce toxic effects of construction products in their use phase in the environment.
Background
A European inter-laboratory test with 29 participating laboratories investigated whether a battery of four ecotoxicological tests is suitable for assessing the environmental compatibility of construction products. For this purpose, a construction product was investigated with the dynamic surface leaching test (DIN CEN/TS 16637-2) and the percolation test (DIN CEN/TS 16637-3). The eluates were produced centrally by one laboratory and were tested by the participants using the following biotests: algae test (ISO 8692), acute daphnia test (ISO 6341), luminescent bacteria test (DIN EN ISO 11348), and fish egg test (DIN EN ISO 15088). As toxicity measures, EC50 and LID values were calculated.
Results
Toxic effects of the eluates were detected by all four biotests. The bacteria test was by far the most sensitive, followed by the algae test and the daphnia test; the fish egg test was the least sensitive for eluates of both leaching tests. The toxicity level of the eluates was very high in the bacteria, daphnia, and algae test, with lowest ineffective dilution values of LID = 70 to LID = 13,000 and corresponding EC50 values around or even below 1 volume percent. The reproducibility (approximated by interlaboratory variability) of the biotests was good (< 53%) to very good (< 20%), regardless of the toxicity level of the eluates. The reproducibility of the algae test was up to 80%, and thus still acceptable.
Conclusion
It can be confirmed that the combination of leaching and ecotoxicity tests is suitable to characterize with sufficient reproducibility the environmental impact posed by the release of hazardous substances from construction products.
Die Untersuchung altlastverdächtiger Flächen umfasst viele einzelne Schritte von der Probenahme über die Probenvorbehandlung bis hin zur eigentlichen Analyse, die zur Ergebnisunsicherheit beitragen. Beim Vergleich der Ergebnisse mit Bewertungsmaßstäben, um Entscheidungen zur Bewertung von Altlasten zu treffen, sind diese Faktoren zu berücksichtigen. Die Rolle von verschiedenen Unsicherheitskomponenten wird mit Blick auf Elutionsverfahren diskutiert.
Tools for the characterization of secondary raw materials - status of leaching test application
(2018)
Leaching tests are used as tools for the assessment of environmental compatibility of granular waste materials with potential for reuse. The presentation gives an overview on available leaching tests, their field of application and relation to legislation. Furthermore robustness testing to elaborate optimized test conditions as well as performance characteristics from validation studies by BAM are addressed.
Tools for the characterization of secondary raw materials - status of leaching test application
(2018)
Leaching tests are used as tools for the assessment of environmental compatibility of granular waste materials with potential for reuse. The presentation gives an overview on available leaching tests, their field of application and relation to legislation. Furthermore robustness testing to elaborate optimized test conditions as well as performance characteristics from validation studies by BAM are addressed.
Tools for the characterization of secondary raw materials - status of leaching test application
(2018)
Leaching tests are used as tools for the assessment of environmental compatibility of granular waste materials with potential for reuse. The presentation gives an overview on available leaching tests, their field of application and relation to legislation. Furthermore robustness testing to elaborate optimized test conditions as well as performance characteristics from validation studies by BAM are addressed.
Im Beitrag wurden erste Ergebnisse eines laufenden UFOPLAN-Vorhabens zu den neuen Kriterien der Verwertungsmöglichkeiten von Bodenmaterialien außerhalb der durchwurzelbaren Bodenschicht nach den §§ 6 bis 8 der Novelle der BBodSchV vorgestellt. Der Schwerpunkt lag auf Untersuchungen der Schadstoffgruppe der PAK. Dabei wurden Probleme der Vergleichbarkeit und Leistungsfähigkeit verschiedener Elutions- und Analyseverfahren der PAK-Analytik diskutiert.
Im Beitrag wurden Ergebnisse von Elutionsuntersuchungen mit PFC kontaminierten Bodenmaterialien vorgestellt. Zum einen waren das Untersuchungen zur Eignung von Säulenversuchen für diese Schadstoffgruppe und zum anderen vergleichende Schüttel- und Säulenversuche für zwei verschiedene Böden mit unterschiedlichen PFC-Kontaminationsquellen.
Potential use of incineration bottom ash in construction – Evaluation of environmental impact
(2018)
Around 5 million tonnes of MSWI bottom ash (BA) are generated per year in Germany. The incineration itself serves for metals as a concentrating and cleaning process. However, due to the almost exclusive wet extraction out of the furnace chamber the various metals are integrated in a heterogeneous and instable matrix. The metal recovery is therefore still a challenge relating the recovery rate and the purity, respectively. With state of the art treatment trains in Germany around 7.7% of ferrous metals and 1.3% of non-ferrous metals can be recovered out of MSWI BA. Large quantities of the mineral fraction are reused for sub-base material in road construction. A three month ageing period has been established as the common practice of further treatment of bottom ash before reuse applications. In the course of this aging the pH value of bottom ash decreases and contaminants are immobilized by processes like carbonation, hydration and oxidation. In particular leaching of heavy metals may be reduced to environmentally acceptable levels. However, the aging results in fixing of other valuable resources such as metals. Two laboratory scale lysimeters (30 cm in diameter) are being operated for more than three years aiming at the investigation of the long-term leaching behavior of a 0.25/45 mm mineral material obtained by treatment of MSWI bottom ash directly after incineration by a wet processing technology. Artificial rainwater is used as leachant (pH ≈ 6, ingredients NO32-, Cl-, SO42-, Na+, K+, Ca2+, Mg2+). The lysimeters are irrigated related to an average annual precipitation rate of 600 mm/a leading to a liquid to solid ratio (L/S) of about 0.7 per year of operation. Lysimeter tests are more adequate to simulate field scenarios and long-term leaching behavior in contrast to laboratory column tests particularly due to the unsaturated conditions and realistic contact time with the leachant.
In comparison to the leaching of bottom ash (aged for 3 month and non-treated) in column tests the chloride and sulfate leaching in the lysimeters was reduced as a consequence of the previous wet processing. The sulfate release kept almost constant limited by CaSO4 solubility up to an L/S of about 0.7 l/kg. The chloride concentrations dropped quickly, starting from 7300 mg/l, and are now at an almost constant level of 50 mg/l which is significantly above the chloride concentration in the leachant. After an initial decrease of the pH from about 10.4 to 8 at L/S of 0.2 l/kg, the pH increased again and leveled out around 9.8 up to L/S 2.2 l/kg. At an L/S of about 2.5 l/kg now, Cr, Cu are still released. The Cu and Cr concentrations in the leachates were about 760 µg/l and 90 µg/l respectively at the beginning. For both metals the concentration decreased to about 35 µg/l now. The Mo concentrations dropped steadily from 1300 to 250 µg/l, whereas V and Sb concentrations increased in the course of the tests. Fe and Mn are not detectable anymore. More results of this experimental study will be presented and discussed with a special focus on elements forming oxyanions.
Dem Fachbeirat Bodenuntersuchungen des BMBF/UBA wurden die abschließenden Ergebnisse zum UFOPLAN-Forschungsvorhaben „Monitoring zur Verwertung von Bodenmaterial“ vorgestellt. Die potentielle Auswirkung der neuen Regularien in der geplanten Novelle der BBodSchV (4. Referentenentwurf der Mantelverordnung) auf die Erweiterung der Verwertungsmöglichkeiten von Bodenmaterialien wurden aufgezeigt.
Dem Fachbeirat Bodenuntersuchungen des BMBF/UBA wurden Ergebnisse aus BISp-Forschungsvorhaben zur Untersuchung der Stofffreisetzung aus Sportböden auf Kunststoffbasis sowie zur Modellierung des Schadstofftransfers auf dem Pfad Boden-Grundwasser vorgestellt. Dabei wurde auch auf die derzeitigen gesetzlichen Regelungen auf EU Ebene und die vorhandenen Anforderungen in der Normung eingegangen. Der verbliebene Forschungsbedarf wurde aufgezeigt und dabei auch die Problematik der Bildung von Mikroplastik im Zusammenhang mit Sportböden thematisiert.
Paragraphs 6 to 8 of the proposed amendment to the German Federal Soil Protection and Contaminated Sites Ordinance contain new requirements regarding the application of soil-like material outside of a rootable soil layer. For example, it is intended to enable reusing of soil-like materials containing regulated substances in concentrations between the single and double precautionary values (PV), provided that the limit values for the eluate are complied with. The aim of a running project (funding code UFOPLAN 3716 74 203 0, German Federal Environmental Agency) is to fill data deficits for soil-like materials which meet the above-mentioned criteria to promote circular economy and conservation of natural resources. Different soil-like materials of various origin (for example dredged material, banquet peeling material, urban and meadow soils) are considered with a special focus on PAHs. A major challenge in sample acquisition is the relatively narrow target range of the PAH content between 3 and 6 mg/kg dm considering a high measurement uncertainty at this concentration level.
The contents of PAHs, heavy metals and other inorganic elements in solid matter are determined following established standards. In addition, the soil-like materials are characterized concerning particle size, pH, conductivity, SOM, TOC and carbonate content. To determine the eluate concentration, column tests according to DIN 19528 and batch tests according to DIN 19529 at a liquid/solid ratio (L/S) of 2 l/kg and 10 l/kg are performed comparatively.
The results show that the new requirements of the planned amendment to the Federal Soil Protection and Contaminated Sites Ordinance certainly opens additional possibilities for reuse of soil-like materials. Even most soil-like materials within 2-3 x PV comply with the eluate value for PAH (0.2 μg/l) both in the batch test and in the column test at L/S 2 l/kg. Selected inorganic substances lead to similar evaluations. Therefore, the application of such soil-like materials outside of rootable soil layers would be possible. Previously, those materials were often used for landfill construction. In the future, a utilization in the adjacent environment by backfilling, recultivation, renaturation, composting or landscaping would be conceivable.
Boden und Steine sind mit jährlich etwa 140 Mio t der mengenmäßig größte Abfallstrom in Deutschland. Bodenmaterial kann in Abhängigkeit seiner vorherigen Nutzung oder Herkunft mit Schadstoffen belastet sein. Seine weitere Verwertungsmöglichkeit hängt nicht nur vom Schadstoffgehalt im Feststoff, sondern auch von der Mobilisierbarkeit dieser Stoffe ab.
Die Paragraphen 6 bis 8 der vorgesehenen Novelle der BBodSchV enthalten neue Vorgaben hinsichtlich des Auf- und Einbringens von Bodenmaterial unterhalb oder außerhalb einer durchwurzelbaren Bodenschicht (4. Referentenentwurf Mantelverordnung, Stand: 06.02.2017). Es soll die Möglichkeit eingeräumt werden, Bodenmaterialien mit Feststoffgehalten von regulierten Stoffen bei Überschreitung des Vorsorgewertes einer weiteren Verwertung zuzuführen unter der Voraussetzung, dass die Eluatwerte eingehalten werden. Für die Auswirkung dieser neuen Regelungen auf die Verwertung von Bodenmaterialien bestehen bisher noch Datendefizite besonders für organische Stoffe.
Durch die Umstellung des Elutionsverfahrens von einem W/F von 10 l/kg (bisherige Regelung in der LAGA M 20) auf ein W/F von 2 l/kg bestehen zusätzliche Unsicherheiten im Hinblick auf die Einstufung von Bodenmaterialien zu Verwertungszwecken.
Im Rahmen eines UFOPLAN-Projektes (FKZ 3716 74 203 0) wurden unterschiedliche Bodenmaterialien verschiedenen Ursprungs (z.B. Baggergut, Bankettschälgut, Stadt- und Auenböden, Bergematerial) mit besonderem Fokus auf PAK untersucht. Von den unter die Kriterien fallenden, ausgewählten Bodenmaterialien wurden Feststoffgehalte, TOC-Gehalte sowie die Eluatwerte aus Säulenversuchen nach DIN 19528 und Schüttelversuchen nach DIN 19529 bei einem Wasser-/Feststoffverhältnis (W/F) von 2 l/kg und 10 l/kg ermittelt und gegenübergestellt.
Mit den neuen und auch mit Auswertung vorhandener Daten kann hinsichtlich PAK gezeigt werden, dass mit Verabschiedung der neuen Regelungen sich zusätzliche Verwertungsmöglichkeiten von Bodenmaterialien außerhalb der durchwurzelbaren Bodenschicht eröffnen und deren Deponierung vermieden werden kann. Analysen zu anorganischen Schadstoffen wurden parallel miterfasst und ausgewertet.
Verwertung von Bodenmaterialien - Ergebnisse aus dem UFOPLAN-Vorhaben und Transfer der Ergebnisse
(2019)
Dem Fachbeirat Bodenuntersuchungen des BMBF/UBA wurden Ergebnisse zum UFOPLAN-Forschungsvorhaben „Monitoring zur Verwertung von Bodenmaterial“ vorgestellt. Die potentielle Auswirkung der neuen Regularien in der geplanten Novelle der BBodSchV (4. Referentenentwurf der Mantelverordnung) auf die Erweiterung der Verwertungsmöglichkeiten von Bodenmaterialien wird aufgezeigt. Probleme des Umgangs mit der analytischen Messunsicherheit im Grenzwertbereich und mit der Vergleichbarkeit der zugelassenen Elutionsverfahren werden diskutiert.
Im Beitrag wurden auf der Basis der Ergebnisse des laufenden UFOPLAN-Forschungsvorhabens „Monitoring zur Verwertung von Bodenmaterial“ die nach BBodSchV anzuwendenden Untersuchungsverfahren bewertet und Probleme bei der Untersuchung von Bodenmaterial insbesondere im Zusammenhang mit der Analyse von PAK im Feststoff und im Eluat aufgezeigt. Dabei wurde der Einfluss der Probenaufbereitung und Probenvorbereitung vor der Analytik berücksichtigt.