4 Material und Umwelt
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Eingeladener Vortrag
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Der Verwertung von Bodenmaterialien wird auf Grund des Volumens dieses Stoffstromes eine hohe umweltpolitische Bedeutung beigemessen. Dabei ist unter Gewährleistung des Vorsorge- und Nachhaltigkeitsprinzips eine möglichst hochwertige Verwertung anzustreben, um natürliche Ressourcen zu schonen und die Beseitigung von Abfällen weitestgehend zu vermeiden.
Die vorgesehene Novelle der BBodSchV enthält in den Paragraphen 6 bis 8 neue Vorgaben hinsichtlich des Auf- und Einbringens von Bodenmaterialien unterhalb oder außerhalb einer durchwurzelbaren Bodenschicht. So soll die Möglichkeit eingeräumt werden, Bodenmaterialien mit Feststoffgehalten von regulierten Stoffen zwischen dem einfachen und doppelten Vorsorgewert einer weiteren Verwertung zuzuführen unter der Voraussetzung, dass die Eluatwerte eingehalten werden.
Im Rahmen eines Forschungsvorhabens des Umweltbundesamtes (FKZ: 3716 74 203 0) wurden unterschiedliche Bodenmaterialien (Baggergut, Bankettschälgut, Stadt- und Auenböden, Bergematerial), die unter diese Kriterien fallen, mit besonderem Fokus auf PAK hinsichtlich ihres Verwertungspotentials untersucht.
Dabei wurden auch die Auswirkungen der Umstellung des Elutionsverfahrens von einem Wasser-Feststoffverhältnis (W/F) von 10 l/kg auf ein W/F von 2 l/kg auf die Einstufung von Bodenmaterialien betrachtet.
Insbesondere für die Stoffgruppe der PAK konnte gezeigt werden, dass sich mit Verabschiedung der neuen Regelungen zusätzliche Verwertungsmöglichkeiten von Bodenmaterialien außerhalb der durchwurzelbaren Bodenschicht eröffnen und deren Deponierung teilweise vermieden werden kann.
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.
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.
EI‐GEO is a multinational research project (Germany, Latvia, Russia) funded under the ERA.Net RUS Plus Call 2017. Aim of the project is the investigation whether geosynthetics in hydraulic engineering applications could be a source of microplastics (MPs) and other contaminants to the aquatic environment causing negative effects to aquatic organisms.
Whereas the behavior of geosynthetics in landfill engineering is well studied and documented since decades, little is known on application in applications such as coastal protection or ballast layers for wind energy plants. However, due to the rapid expansion of offshore wind energy, rising water levels and more extreme weather conditions as a result of climate change more and more hydraulic engineering projects will be realized in the future.
Applied methods are artificial ageing of geosynthetics in environmental simulation chambers, storage of samples under environmental condition for comparison with laboratory simulation, sample characterization by microscopic methods and ecotoxicological testing of water in contact with geosynthetics.
In parallel a case study at the Baltic Sea shore at Kaliningrad Oblast (Russia) will be performed. The aim of study is to estimate the level of pollution of the beaches by geosynthetic debris and identify the possible sources.
8. Netzwerktreffen PerFluSan
(2020)
Bottom ash (BA) from municipal solid waste incineration (MSWI) contains harmful substances such as heavy metals, chloride and sulfate which are mobilized in contact with water. Standardized leaching tests are used to measure the extent of mobilization. It is known that fresh bottom ash displays elevated concentrations of various heavy metals such as lead or zinc due to the formation of hydroxo complexes as a result of high pH values of 12 and above. Storage of BA is accompanied by ageing processes, mainly the reaction of CaO and Ca(OH)2 with CO2 leading to lower pH values in contact with water around 11. Usually heavy metals concentrations are minimum at these conditions. Knowledge of the long-term leaching behavior of potentially harmful substances is crucial for the assessment of the environmental compatibility of reusing municipal solid-waste incineration bottom ash (MSWI BA) in construction, i.e., as a road base layer. BA fractions obtained from wet-processing aiming at the improvement of environmental quality were used to investigate the mobility of relevant substances. Eluates from laboratory-scaled leaching procedures (column percolation and lysimeters) were analyzed to learn about the long-term release of substances. Unsaturated conditions and artificial rainwater were used in the lysimeter tests to simulate field conditions. In addition, batch test eluates were generated at usual liquid-to-solid ratios (L/S) for compliance testing purposes. A variety of cations and anions was measured in the eluates. The wet treatment reduces the leaching of chloride and particularly sulfate by more than 60%. The release of typical contaminants for the treated MSWI BA such as the heavy metals Cu and Cr was well below 1% in the conducted leaching tests. An increase in the Sb concentration was observed in the lysimeter experiments starting at L/S 0.75 L/kg and in the column experiment at L/S 4 L/kg is assumed to be related to decreasing concentrations of Ca and thus to the dissolution of sparingly soluble calcium antimonate. The same leaching mechanism applies with V, but the concentration levels observed are less critical regarding relevant limit values. However, on the long term the behavior of Sb could be problematic for the application of MSWI BA as secondary building material.
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.
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.
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.
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.
Antimony in incineration bottom ash – Leaching behavior and conclusions for treatment processes
(2020)
Antimony (Sb) is used in industrial products mainly as flame retardant in plastic material. Due to such additives in plastics, about a half of Sb ends up in municipal solid waste incineration at the end-of-life and consequently in relevant amounts in the generated bottom ash. In contact with water, the initial leachability is low, as antimonates form sparingly soluble compounds with Ca2+. Following the carbonation of the incineration bottom ash (IBA) during the proceeding ageing the pH in the leachates decreases. With decreasing concentration of Ca in the eluate the solution equilibrium changes and antimonates dissolve. In Germany it is intended to regulate Sb in IBA with the planned implementation of the so called Mantelverordnung (MantelVO, containing provisions on the utilisation of mineral waste) in the near future. The limit values set in the draft might be critical for IBA and therefore pose a risk for the utilisation of the mineral fraction of IBA in the well-established recycling routes.
Innovation Network PerFluSan
(2020)
Per- and polyfluorinated alkyl substances (PFAS) are transferred into the environment as part of their broad industrial use, where they pose a problem due to their critical properties. The sustainable protection of people and the environment from this group of substances is an important task for the future. However, available PFAS removal and remediation processes are expensive and often inadequate. PerFluSan would like to make a relevant contribution to solve this problem by developing new PFAS remediation methods for soils and water, as well as innovative analytical methods for PFAS detection.
The long-term vision is to develop PerFluSan into a national contact point for the PFAS topic, which uses synergies between the PerFluSan actors to address all aspects of the problem holistically, sustainably and effectively.
Mit der Novellierung der Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV) (am 6.11.2020 im Bundesratsverfahren beschlossen) werden Regelungen zum Auf- und Einbringen von Bodenmaterial außerhalb der durchwurzelbaren Bodenschicht aufgenommen (sogenannte Verfüllungen). Ziel des Vorhabens war es, durch die Auswertung vorhandener und durchzuführender Untersuchungen eine Einstufung von Bodenmaterialien (jährlich fallen weit über 100 Mio. Tonnen davon an) für bestimmte Verwertungswege vornehmen zu können. Es sollte herausgefunden werden, ob Veränderungen hinsichtlich des Verwertungspotentials nachgewiesen werden können.
Basis für die Durchführung und Bewertung waren die neuen Regelungen (hier insbesondere die Untersuchung mit einem Wasser/Feststoffverhältnis von 2:1, neue nationale und europäische Elutions- und Untersuchungsverfahren) der novellierten BBodSchV. Der Fokus lag dabei auf den polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) sowie ausgewählte anorganische Stoffe (Schwermetalle und Anionen) unter der Berücksichtigung unterschiedlicher Bodenmaterialien zur Verwertung.
Dabei handelte es sich um:
- Böden aus urban geprägten Gebieten,
- Oberböden aus dem Straßenrandbereich in Form von Bankettschälgut,
- Baggergut aus Gewässern mit Verdacht auf eine Kontamination,
- Bergematerial (Mischung von Abraum- und Bodenmaterial),
- Auenböden mit vermuteten Verunreinigungen aus Industrie und Gewerbe.
Anhand der vorgelegten Ergebnisse kann nun eine Versachlichung der Diskussion um Ressorcenschutz vs. Schadlosigkeit der Verwertung erfolgen. Sie zeigen für die untersuchten Stoffe, dass bei einer Einführung der §§ 6-8 Novelle BBodSchV mit einer Erhöhung der Verwertungsquote für Bodenmaterial gerechnet werden kann. Eine Erhöhung des Deponievolumens ist somit nicht zu befürchten. Neben den ermittelten Daten konnten Grundlagen für die Überarbeitung verschiedener DIN-Normen für Bodenuntersuchungen erarbeitet werden.
Per- and polyfluoralkyl surfactants (PFASs) are industrially produced surface chemicals used in daily applications that have gained public and political attention due their unnaturally high appearance in drinking water, nourishments and soils. Their chemical structures exhibit both lipophilic and hydrophilic properties, leading to a highly inert and persistent character. Various PFASs have shown to be bioaccumulative in plants and animals, and some have been characterized as highly toxic when ingested. When exposed to the environment, PFASs slowly get mobilized by natural water resources, leading to contamination of large areas of soil and natural water sources. While PFASs contamination of drinking water has been investigated intensively, perfluoralkyl contamination of soils has been rarely examined as of yet. At the same time, an increasing amount of PFASs contamination sites are being discovered worldwide, calling for a sophisticated strategy towards analytical characterization. Since the number of known PFASs already exceeds 4700, the established sum parameters like extractable organic fluorine (EOF) and adsorbable organic fluorine (AOF) are key elements to fully survey the impact of exposure. Simultaneously, innovative soil remediation strategies are required to contain environmental destruction and to minimize further
spreading of contaminants. Addressing these challenges requires suitable analytical devices that are capable of mobilizing PFASs in the solid as well as in the liquid phase. The use of combustion ion
chromatography (CIC) enables analysis of both immobile and volatile PFASs and allows the detection of both total fluorine (TF) and EOF or AOF of a given soil or aqueous sample. Based on preliminary results, the clean-up of a PFAS contaminated solid matrix is monitored via EOF detection over time.
Additionally, we demonstrate the pH dependency of hydrogen fluoride absorption on active carbon (AC) and found a simple organic additive to be an effective fluoride scavenger. The presented findings can be contributive with regard to future AOF/EOF sum parameter development and application.
Abstract: Since it is unknown for many applications, which PFASs are used and how they enter the environment, target analysis-based methods reach their limits. The two most frequently used sum parameters are the adsorbable organically bound fluorine (AOF) and the extractable organically bound fluorine (EOF). Both can be quantified using either combustion ion chromatography (CIC) or high resolution-continuum source-graphite furnace molecular absorption spectrometry (HR-CS-GFMAS). Here we provide an insight on the advantageous and disadvantageous of both sum parameters and both detection methods. Our study is based on the analysis of surface water samples. Next to total fluorine (TF) analysis, AOF and EOF were determined as well as CIC and HR-CS-GFMAS are compared and results are comparatively discussed. Fluorine mass balancing revealed that, the AOF/TF proportion was higher than the EOF/TF proportion. The AOF made up 0.14–0.81% of TF and the EOF 0.04–0.28% of TF. Although, organically bound fluorine represents only a small portion of TF, PFASs are of worldwide concern, because of their extreme persistence and their bioaccumulation potential. The EOF-HR-CS-GFMAS method turned out to be more precise and sensitive than the AOF-CIC method and is a promising tool for future monitoring studies/routine analysis of PFASs in the environment.