Karin Weggler, Walter Richner, René Reiser, Diane Bürge, Thomas Bucheli, Jochen Mayer

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1 Eidgenössisches Departement für Wirtschaft, Bildung und Forschung WBF Agroscope Schadstoffgrenzwerte für MinRec-Dünger Karin Weggler, Walter Richner, René Reiser, Diane Bürge, Thomas Bucheli, Jochen Mayer Phosphorrecycling: Wie weiter? 30. August 2017, Bern I gutes Essen, gesunde Umwelt

2 Inhalte 1. Analysenergebnisse für MinRec Dünger: Schwermetalle und organische Schadstoffe 2. Input-Output Bilanzen als Grundlage zur Ableitung von Schadstoffgrenzwerten für Schwermetalle 3. Ableitung von Schadstoffgrenzwerten für Schwermetalle 4. Ableitung von Schadstoffgrenzwerten für organische Schadstoffe 5. Agronomische Anforderungen: P-Löslichkeit 2

3 Produktkategorien Quelle: Basler & Partner 2016 P-Rückgewinnungsgrad (% Gesamt P) Abkürzung Verfahren Ausgangsmaterial aktuell potenziell Struvit Kristallisation KS vor Entwässerung 8-12% 20% Schlammwasser 10-15% 25% F. Wasser Säueraufschluss und Kristallisation KS vor Entwässerung 38-50% Schlammwasser 50% > 50% Pyrolyse Thermochemischer Aufschluss aus KS Getrockneter KS 75-90% > 90% Nassch. Säureaufschluss aus Asche Asche aus KS- Monoverbrennung 75-90% > 90% Thermoch. Thermochemischer Aufschluss aus Asche Asche aus KS- Monoverbrennung 75-90% > 90% Asche ohne Aufschluss Asche aus KS- Monoverbrennung 3

4 Methoden Analytik Makro und Mikroelemente B, Cd, Ca, Co, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Na, Ni, P, Pb, S, Zn => Mikrowellenaufschluss mit Königswasser (ISO EN 13346), Messung ICP-OES Chrom (VI) => gemäss BAFU Vollzugshilfe mittels Eluatauszug (Labor ARCADIS Schweiz AG, Schlieren) Organische Schadstoffe PAK: Soxhlet-Extraktion, Messung GS-MS PCB und PCDD/F: Soxhlet-Extraktion; Messung GC und hochauflösender MS 4

5 Analysenergebnisse Phosphor mg P / kg TS Literaturauswertung eigene Analysen 5

6 Analysenergebnisse Blei Kupfer 6

7 Analysenergebnisse Zink Cadmium 7

8 Analysenergebnisse Chrom Chrom (VI) 8

9 Analysenergebnisse Cr(IV) / Crgesamt (%) Nickel Produkt Crom(VI) (% von Cr gesamt) NassCh 2a 1.15 NassCh 2b 1.15 ThermoCh 1 (null) 0.07 ThermoCh 1 (xx) 0.08 Asche

10 Analysenergebnisse Summe 16 EPA-PAK (Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe) 10

11 Analysenergebnisse PCB (Polychlorierte Biphenyle) 11

12 Analysenergebnisse PCDD/F (Polychlorierte Dibenzo[p]dioxine und furane) 12

13 Umweltziele Landwirtschaft: Boden (BAFU 2008) Schadstoffe im Boden 1. Keine Beeinträchtigung der Bodenfruchtbarkeit und der Gesundheit durch anorganische oder organische Schadstoffe aus der Landwirtschaft. 2. Der Eintrag einzelner Schadstoffe aus der Landwirtschaft in Böden ist kleiner als deren Austrag und Abbau. Ziele bestätigt durch Bericht des Bundesrates vom in Erfüllung des Postulats Bertschi 13

14 Input-Output Bilanz Atmosphärische Deposition Dünger Pflanzenaustrag Konzept 1: (Eintrag= Austrag) Dünger -Pflanzenaustrag + athm. Deposit -Sickerwasser = 0 Sickerwasser Konzept 2: Dünger -Pflanzenaustrag + athm. Deposit (-Sickerwasser) = gemässigte Akkum. 14

15 Ableiten von Schadstoff-Grenzwerten Zulässige Grenzfracht (g ha -1 ) Austrag Ernteprodukt + Austrag Auswaschung Zulässige Grenzfracht Eintrag Deposition Aufteilung Grenzfracht (g ha -1 ) NPK Normdüngung N (118 kg ha -1 ) P (34 kg ha -1 ) K (167 kg ha -1 ) g Schadstoffha -1 verbleibende GF g ha -1 g Schadstoff ha -1 Ableitung Grenzwert (g Schadstoff kg -1 P) = [ ] 34 [ ] 15

16 Input Output Grössen Atmosphärische Deposition => Daten aus NABEL Messwerten Schweiz => Daten aus Europa (Bannick et al. 2001, Nziguheba & Smolders, 2008) Austrag Sickerwasser => Daten von Bielert et al. 1999, aufbereitet von Knappe et al => Annahme 200 mm / Jahr Sickerwasseraustrag 16

17 Input Output Grössen Mittlerer Kulturpflanzenertrag Acker Schweiz Pflanze Austrag Pflanzenteil Ertrag (dt/ha) TM (%) Anbaufläche (%) W.weizen Korn W.weizen Stroh W.gerste Korn W.gerste Stroh Mais Korn Mais Silomais Kartoffel Knolle Rüben Rübe Raps Korn Kunstwiese Schnitt Mittlerer Düngung Ackerkulturen Schweiz Anbaufläche 2013 Fläche (ha) P-Düngung (kg P/ha) Kunstwiese (-39) Weizen Mais Gerste Raps Zuckerrüben Kartoffeln Freilandgemüse (40) 1 Triticale Sonnenblume Gew Mittel Quellen: GRUD Richner und Sinaj (2017), SBV (2013) 17

18 Input Output Grössen Schwermetallkonzentrationen der wichtigsten landwirtschaftlichen Nutzpflanzen der Schweiz. Quellen: RECOSOL-Datenbank, UBA-Datenbank (Knoche et al. 1997) Pflanze, Erntegut Cd Ni Cr Hg As Pb Zn Cu (mg/kg) W.weizen, Korn W.weizen, Stroh W.gerste, Korn W.gerste, Stroh Mais, Korn Mais, Silo Kartoffel, Knolle Rüben, Rübe Raps, Korn Kunstwiesen (Kleegrasmischungen)

19 Input - Output Bilanzsaldo Austrag/Eintrag Cd Ni Cr Hg As Pb Zn Cu (g/ha*a) Eintrag: Atmosph. Deposition na Eintrag: N-Dünger na Eintrag: K-Dünger na Austrag Sickerwasser Austrag Kulturenmix Nettoaustrag (g/ha*a) Bilanzsaldo Bilanzsaldo = zulässige maximale Grenzfracht (g Schwermetall / ha * Jahr) 19

20 Ableitung Schadstoffgrenzwert = %&ä [ ] 34 [ ] Mittlere Düngung Ackerkulturen Schweiz: 34.3 kg P / ha * a Bezugsgrösse P? => Grosse Variabilität der P-Gehalte in MinRec-Düngern! Cd Ni Cr Hg As Pb Zn Cu (mg/kg P ) Theoretischer Grenzwert * *nicht berechenbar, das Bilanzsaldo negativ 20

21 Vergleich theoretischer GW mit Schadstoffbelastungen MinRec Mediane der Relationen von Schwermetall zu Phosphor für MinRec-Typen (Herstellerangaben, Literatur) Rot markierte Relationen übersteigen, grün markierten unterschreiten die theoretischen Grenzwerte MinRec-Typ Cd Ni Cr Hg As Pb Zn Cu Median Relationen (mg/kg P) Struvit F.Wasser Pyrolyse NassChem ThermoChem Theoretischer Grenzwert *

22 Konzept 2: Gemässigte Akkumulation Bei Schadstoffen bei denen nach heutigem Kenntnisstand Input MinRec> Output => Anwendung Konzept gemässigte Akkumulation Beispiel Blei 22

23 Konzept 2: Gemässigte Akkumulation Pb mit SW* ohne SW* ohne SW* Relation (mg Pb /kg P) Boden Median Boden Median (Jahre bis VBBo-Richtwert) Boden 90. Perzentil Cu mit SW ohne SW ohne SW ohne SW Relation (mg Cu/kg P) Boden Median Boden Median (Jahre bis VBBo-Richtwert) Boden 90. Perz. Boden 30 mg/kg Cr mit SW ohne SW ohne SW Boden Boden Boden Relation Median Median 90. Perzentil (mg Cr/kg P) (Jahre bis VBBo-Richtwert) 250 na Zn mit SW ohne SW ohne SW Relation (mg Zn /kg P) Boden Median Boden Median Boden 90. Perzentil (Jahre bis VBBo-Richtwert)

24 Organische Schadstoffe Belastungen in MinRec Düngern insgesamt sehr gering! PAK (16 EPA-PAK) 14 von 18 Proben < VBBO Richtwert von 1000 µg / kg TS PCB (Summe / IRMM Kongenere) alle Proben unter 2 µg / kg TS PCDD/F 14 von 18 Proben VBBO Richtwert von 5 ng I-TEQ / kg TS 24

25 Ableitung Schadstoffgrenzwert Bei sehr geringen Belastungen nahe den «natürlichen» Bodenbelastungen Anwendung Prinzip«Gleiches zu Gleichem» Dünger Schadstoffkonzentration VBBO Richtwert MinRec Dünger Boden Boden Schadstoffkonzentration im Boden steigt nicht über VBBO Richtwert 25

26 Ableitung Schadstoffgrenzwert MinRec-Dünger PAK PCB PCDD/F (µg/kg TS) (ng TEQ/kg TS) VBBO Richtwert * 5 Eintrag Schadstoffe (bei 34.3 kg P / ha) (mg/ha*a) (mg/ha*a) (µg/ha*a) Applikation mit MinRec-Dünger(5 % P 2 O 5 ) Applikation mit MinRec-Dünger (10 % P 2 O 5 ) Applikation mit MinRec-Dünger (20 % P 2 O 5 ) Relation org. Schadstoff /P (34.3 kg P) (mg/kg P) (mg/kg P) (ng I-TEQ/kg P) MinRec-Dünger (5 % P 2 O 5 ) MinRec-Dünger (10 % P 2 O 5 ) MinRec-Dünger (20 % P 2 O 5 ) Grenzwert organischer Schadstoff gerundet *VBBO Prüfwert / 10 = 20 µg/kg TS 26

27 Ableitung Schadstoffgrenzwert Beziehung zwischen P-Konzentration im MinRec-Dünger [% P 2 O 5 ] und Konzentration PAK bei einer definierten Grenzrelation von 25 mg PAK /kg P 27

28 Ableitung Schadstoffgrenzwert Zusammenfassung Schadstoffgrenzwerte für organische Schadstoffe Grenzwert Grenzrelation (µg/kg TS) (mg/kg P) PAK PCB (ng I-TEQ/kg TS) (ng I-TEQ/kg P) PCDD/F I-TEQ = Internationale Toxizitätsäquivalente; TS = Trockensubstanz; P = Phosphor 1 Die Beurteilungswerte gelten für die Summe der folgenden 16 PAK-Leitverbindungen der EPA (Priority pollutants list): Naphthalin, Acenaphthylen, Acenaphthen, Fluoren, Phenanthren, Anthracen, Fluoranthen, Pyren, Benzo(a)anthracen, Chrysen, Benzo(b)fluoranthen, Benzo(k)fluoranthen, Benzo(a)pyren, Indeno (1,2,3-c,d)pyren, Dibenzo(a,h)anthracen und Benzo(g,h,i)perylen 2 Summe der 7 Kongeneren gemäss IRMM (Institute for Reference Materials and Measurements), IUPAC-Nr. 28, 52, 101, 118, 138, 153, PCDD/F = Summe der polychlorierten Dibenzo-p-dioxine und polychlorierten Dibenzofurane 28

29 Agronomische Anforderungen Charakterisierung MinRec Dünger: gesamt P mg P / kg TS 29

30 Agronomische Anforderungen Charakterisierung MinRec Dünger: löslicher P 30

31 Agronomische Anforderungen Korrelation der P-Löslichkeit von MinRecin verschiedenen Extraktionsmitteln und Wachstumsattributen von Pflanzen Quelle Produkt ph Wasser NAC Wasser +NAC AAS Citr. AS Netto P-Aufnahme Römer (2006) Struvit - ns Sinter - ns ns - Pinnecamp et al. (2011) Struvit 4.5 ns - - ns (0.03) ns Pinnecamp et al. (2011) KSA 4.5 ns - - ns (0.03) ns Struvit 6.8 ns - - ns ns ns KSA 6.8 ns - - ns ns ns Kratz (2010) (1. Schnitt) Gemischt ** 0.48** 0.59** 0.61** 0.59** 0.41* (1.-3. Schnitt) Gemischt ** 0.63** 0.55** 0.39** 0.72** 0.40** Schick (2010) KSA ** 0.82* Trockenmasse Schick (2010) KSA * 0.89** 0.79* 0.95** 0.79* Rel. Düngereffektivität zu TSP Cabeza et al. (2011) KSA 4.7 ns Cabeza et al. (2011) KSA 6.6 ns Gemischt: Struvit, KSA, org. Dünger (Fleisch-und Knochenabfälle) 2 Nicht signifikant 31

32 Gesetzliche Regelungen Grundlagen für Ableitung von Schadstoffgrenzwerten durch Agroscope erarbeitet Schlussfolgerungen aus Grundlagen und gesetzliche Regelungen Bundesamt für Landwirtschaft Michael Zimmermann 32

33 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Agroscope gutes Essen, gesunde Umwelt 33