4 Material und Umwelt
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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.
An approach to achieve “zero leakage” is discussed with respect to the experience in Germany, where strict regulations for landfill lining and capping systems have been developed and issued because of large environmental problems related to landfills that accumulated in the 1970’s and 1980’s. These regulations for landfills and geosynthetics which are used in landfill liner and capping systems are shortly described. The main certification requirements for the products as well as conclusions for their use are presented. Using a thick, high quality HDPE geomembrane (GMB), which is installed free of residual waves and wrinkles in intimate contact with a compacted clay liner (CCL) or geosynthetic clay liner (GCL) of very low permeability, by a qualified, experienced, well equipped and properly third‐party controlled installer and which are protected by heavy protection layers designed with respect to long‐term performance of the GMB, may result in a liner or capping system of practically no leakage. This is demonstrated by analyzing results of measurements obtained from permanently installed leak detection systems in combination with HDPE GMBs.
Vor nun 30 Jahren im Jahre 1989 wurde die erste Zulassung für eine Kunststoffdichtungsbahn von der BAM auf der Grundlage des „Niedersächsischen Dichtungserlasses“ erteilt. Vor ungefähr 10 Jahren wurde die BAM mit dem Erscheinen der Deponieverordnung (DepV) mit der Zulassung von Geokunststoffen, Polymeren und Dichtungskontrollsystemen beauftragt. Wir möchten dies zum Anlass nehmen, an dieser Stelle den viele ehrenamtlichen Experten des Fachbeirats und seiner Arbeitsgruppen für ihren Einsatz und die Unterstützung zu danken.
Darüber hinaus soll über aktuelle Arbeitsthemen und Entwicklungen im Fachbeirat berichtet werden. So soll in einer Sondersitzung des Fachbeirats über die Entlassung aus der Nachsorgephase beim Einsatz von Geokunststoffprodukten in Böschungen diskutiert werden. Es ist geplant, in einer Unterarbeitsgruppe eine Sitzung über die Fremdüber¬wachung in der Produktion abzuhalten. Darüber hinaus werden Änderungen in den Zulassungsrichtlinien für Kunststoff Dichtungsbahnen und Kunststoff Dränelemente kurz vorgestellt. In der Zwischenzeit wurde auch die abschließende Zulassungsrichtlinie für Geogitter verabschiedet. Neue Fragestellungen sind hier entstanden. Unter welchen Voraussetzungen können Geogitter in Zwischenabdichtungen eingesetzt werden. Bisher können diese Produkte formal nur in Oberflächenabdichtungen eingesetzt werden. Auch auf diese beiden Themen soll im Folgenden in Kürze eingegangen werden.
Kunststoffdichtungsbahnen (KDB) aus PE-HD (Polyethylen hoher Dichte) werden häufig zur Abdichtung von Bauwerken in der Geotechnik verwendet. Diese Produkte werden aus einem Kunststoff mit relativ komplexer Zusammensetzung hergestellt. Um eine Aussage über die Haltbarkeit von KDB aus PE-HD treffen zu können, muss das Materialverhalten berücksichtigt werden. In diesem Zusammenhang sind die wichtigsten Aspekte der Dauerhaftigkeit die Spannungsrissbeständigkeit und die Beständigkeit gegen Oxidation. Verschiedene PE-Sorten weisen eine unterschiedliche Spannungsrissbeständigkeit auf. Um dieser Eigenschaft von PE-HD zu begegnen, werden nur KDB aus sehr hochwertigen Rohstoffen zugelassen. Auf der anderen Seite werden hohe Anforderungen an die umgebenden Schichten, wie Auflager und Schutzschicht gestellt, um möglichst geringe Spannungen zu erzeugen und damit Dehnungen die Dehnungen der KDB gering zu halten. Bestimmte Medien, die bei den betreffenden Prüfungen verwendet werden, dürfen nicht mehr in der EU in Verkehr gebracht werden. Im Folgenden sollen die Zusammenhänge in Kürze dargestellt werden. Darüber hinaus sollen Diskussionen und Änderungen der Zulassungsrichtlinie für Schutzschichten im und durch den Fachbeirat vorgestellt werden.
Kunststoffdichtungsbahnen (KDB) aus PE-HD (Polyethylen hoher Dichte) werden häufig zur Abdichtung von Bauwerken in der Geotechnik verwendet. Diese Produkte werden aus einem Kunststoff mit relativ komplexer Zusammensetzung hergestellt. Um eine Aussage über die Haltbarkeit von KDB aus PE-HD treffen zu können, muss das Materialverhalten berücksichtigt werden. In diesem Zusammenhang sind die wichtigsten Aspekte der Dauerhaftigkeit die Spannungsrissbeständigkeit und die Beständigkeit gegen Oxidation. Verschiedene PE-Sorten weisen eine unterschiedliche Spannungsrissbeständigkeit auf. Um dieser Eigenschaft von PE-HD zu begegnen, werden nur KDB aus sehr hochwertigen Rohstoffen zugelassen. Auf der anderen Seite werden hohe Anforderungen an die umgebenden Schichten, wie Auflager und Schutzschicht gestellt, um möglichst geringe Spannungen zu erzeugen und damit Dehnungen die Dehnungen der KDB gering zu halten. Bestimmte Medien, die bei den betreffenden Prüfungen verwendet werden, dürfen nicht mehr in der EU in Verkehr gebracht werden. Im Folgenden sollen die Zusammenhänge in Kürze dargestellt werden.
Darüber hinaus sollen Diskussionen und Änderungen im Zusammenhang mit der Zulassungsrichtlinie für KDB vorgestellt werden. Der aktuelle Stand der Diskussion im Zusammenhang mit den verwendeten Tensiden in Bezug auf die Spannungsrissprüfung und weiterer Prüfungen wird aufgezeigt. 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 in Kürze aufgezeigt.
Der Fachbeirat kommt bereits seit 13 Jahren in seiner jetzigen Form zusammen, um Zulassungsrichtlinien, weitere Dokumente und fachliche Fragestellungen zu beraten. Die Zeit bringt auch personelle Veränderungen mit sich, darüber wollen wir berichten. Derzeit wird die Zulassungsrichtlinie für Schutzschichten im Fachbeirat und in seiner Arbeitsgruppe Geotextilien und Kunststoff Dränelemente (AG Geotextilien) überarbeitet. Zudem wurde die Zulassungsrichtlinie für Kunststoffdichtungsbahnen auf den aktuellen Stand der Regelsetzung und Normung gebracht. Bestimmte Medien, die hier bei einigen Prüfungen verwendet werden, dürfen nicht mehr in der EU in Verkehr gebracht werden. Hier werden die Hintergründe und Zusammenhänge in Kürze aufgezeigt. Zuletzt wird die Diskussion in Bezug auf den Einsatz von Rezyklaten in den zugelassenen Produkten aufgeführt.
Designing the performance of geogrids in reinforce soil constructions usually does not consider long-term behavior and possible failure modes of junctions between longitudinal and transverse ribs. How could behavior of junctions be included? To which extend is it necessary? On the conference Geo-Chicago 2016, Swan and Yuan presented an ultimate limit state equation for the short-term material resistance of junctions. We discuss limitations and suggest improvements to include long-term behavior of junctions. Nevertheless, the approach applies only to a specific mode of shear-tensile failure of junctions and only to strictly rigid geogrids. A new design concept presented in the same year by Jacobs on the conference GeoAmerica for the special case of the anchorage of geogrids, which reinforce capping system on long and steep slopes of landfills, tried to overcome these drawbacks. We discuss the aspects of this concept related to the long-term behavior of junctions and the interplay between the load applied to junctions and the flexibility of longitudinal ribs. This interplay and the long-term junction strength determine the long-term behavior of geogrids.
Es wird über aktuelle Arbeitsthemen und Entwicklungen im Fachbeirat berichtet. So wurde in einer Sondersitzung des Fachbeirats über die Entlassung aus der Nachsorgephase beim Einsatz von Geokunststoffprodukten in Böschungen diskutiert. Die Unterarbeitsgruppe Fremdüberwachung in der Produktion hat getagt. Darüber hinaus werden Änderungen in den Zulassungsrichtlinien für Kunststoffdichtungsbahnen, Kunststoff-Dränelemente und für die Fremdüberwachung kurz vorgestellt.
Das Jahr 2020 war vor allen Dingen von der Pandemie geprägt, die alle Bereiche des Lebens und Arbeitens beeinflusst hat und immer noch beeinflusst. Dies hat sich auch auf verschiedene Maßnahmen im Zusammenhang mit zugelassenen Produkten ausgewirkt. In diesem Zusammenhang sollen die Punkte kurz aufgeführt werden. Des Weiteren soll aufgezeigt werden, wie bei der Bearbeitung der Richtlinien, der Zulassungstätigkeit und Beurteilung der Produkte an der BAM und im Fachbeirat vorgegangen wird. Darüber hinaus soll noch einmal kurz auf die Entlassung aus der Nachsorgephase eingegangen werden. Am Ende sollen verschiedene aktuelle Fragestellungen des Fachbeirat aufgezeigt werden.
Vor nun 30 Jahren, im Jahre 1989, wurde die erste Zulassung für eine Kunststoffdichtungsbahn (KDB) von der BAM auf der Grundlage des „Niedersächsischen Dichtungserlasses“ erteilt. Vor ungefähr 10 Jahren wurde die BAM mit dem Erscheinen der Deponieverordnung (DepV) mit der Zulassung von Geokunststoffen, Polymeren und Dichtungskontrollsystemen beauftragt. Wir möchten dies zum Anlass nehmen, an dieser Stelle den viele ehrenamtlichen Experten des Fachbeirats und seiner Arbeitsgruppen für ihren Einsatz und die Unterstützung zu danken.
Darüber hinaus soll über aktuelle Arbeitsthemen und Entwicklungen im Fachbeirat berichtet werden. So wurde in einer Sondersitzung des Fachbeirats über die Entlassung aus der Nachsorgephase beim Einsatz von Geokunststoffprodukten in Böschungen diskutiert. Die Unterarbeitsgruppe Fremdüberwachung in der Produktion hat getagt. Darüber hinaus werden Änderungen in den Zulassungsrichtlinien für Kunststoffdichtungsbahnen, Kunststoff-Dränelemente und Geogitter kurz vorgestellt.
Geokunststoffe spielen sowohl im internationalen als auch im deutschen Deponiebau eine Schlüsselrolle. Seit dem Erscheinen der Deponieverordnung (DepV) im Jahre 2009 bedürfen Geokunststoffe, Polymere und Dichtungskontrollsysteme einer Zulassung durch die BAM, wenn diese in deutschen Deponieabdichtungssystemen eingesetzt werden sollen. Die DepV stellt dabei allgemeine Anforderungen an die Geokunststoffe und den Zulassungsprozess für die Produkte auf. Geokunststoffe müssen danach ihre Funktion unter allen zu erwartenden äußeren und inneren Einflüssen über einen Zeitraum von mindestens 100 Jahren erfüllen. Dichtungskontrollsysteme müssen ihre Funktion über mindestens 30 Jahre erfüllen. Die Anforderungen der DepV werden durch die Zulassungsrichtlinien der BAM in konkrete technische Anforderungen für die Produkte aber auch für das Qualitätsmanagement und den Einbau etc. überführt. Bei der Erarbeitung der Zulassungsrichtlinien wird die BAM durch einen Fachbeirat, der sich aus Experten aus allen relevanten Bereichen zusammensetzt, beraten. Der Vorsitz des Fachbeirats liegt beim UBA. Es soll eine kurze Übersicht über die Produkte und die wichtigsten Anforderungen gegeben werden. Zudem soll erläutert werden, durch welche Maßnahmen in der Produktion und auf der Deponiebaustelle eine gleichbleibende Qualität der Produkte gewährleistet wird.
Seit dem Erscheinen der Deponieverordnung (DepV) bedürfen Geokunststoffe, Polymere und Dichtungskontrollsysteme einer Zulassung durch die BAM, wenn diese in deutschen Deponieabdichtungssystemen eingesetzt werden sollen. Die DepV ermöglicht den Einsatz verschiedener Komponenten. Sie stellt dabei allgemeine Anforderungen an die Geokunststoffprodukte auf. Dadurch beschreibt sie den Stand der Technik für Geokunststoffe, die in deutschen Abdichtungen eingesetzt werden. Diese Anforderungen werden durch die Zulassungsrichtlinien der BAM in konkrete technische Spezifikationen überführt. In dem Beitrag wird eine Übersicht über die Produkte und die entsprechenden Anforderungen gegeben. Zudem soll erläutert werden, durch welche Qualitätsmanagementmaßnahmen eine gleichbleibende Qualität und Funktionserfüllung der Produkte gewährleistet wird.