Reifenabrieb in der Siedlungswasserwirtschaft

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1 Reifenabrieb in der Siedlungswasserwirtschaft 31. Abwasserkolloquium Hamburg , Daniel Venghaus, Philipp Lau, Johannes Neupert TU Berlin, FG Siedlungswasserwirtschaft, Sekr. TIB1-B16, Gustav-Meyer-Allee 25, D Berlin Tel.: +49 / (0) 30 / , matthias.barjenbruch@tu-berlin.de

2 FG Siedlungswasserwirtschaft Leitung Projektmitarbeiter Kernthemen Prof. Dr.-Ing., Leiter des Fachgebiets seit 2006 Direktor TU Campus El Gouna, Ägypten 20 Wissenschaftliche Mitarbeiter und Doktoranden Obmann des DWA FA KA 8 Weitergehende Abwasserreinigung Präsidiumsmitglied DWA Philipp Lau, Daniel Venghaus, Johanes Neupert, Paul Kober, Luisa Reinhold M. Sc., Reifenabrieb in der Umwelt (RAU, Bmbf) Optimierte Materialien und Verfahren zur Entfernung von Mikroplastik aus dem Wasserkreislauf (OEMP, BMBF) Dezentrale Reinigung von Straßenabläufen (DSWT, EFRE) REPLAWA (Bestandsaufnahme MP in der SiWaWi, BMBF) MikroSep (AIF Zim BMWI) Mischwasser- und Niederschlagswasser Bewirtschaftung und Behandlung Weitergehende Abwasserreinigung Mikroplastik/Spurenstoffe P-Elimination Wasser Energy - Nexus Schlammbehandlung Industrieabwasserreinigung Wäschereiabwasser Neuartige Sanitärkonzepte - Grauwasserbehandlung

3 Mikroplastik-Eintrag in die Umwelt Forschungsprojekte TUB-SIWAWI OE MP Optimierte Materialien und Verfahren zur Entfernung von Mikroplastik aus dem Wasserkreislauf Reduktion des Eintrags von Plastik über das Abwasser in die aquatische Umwelt Mikroplastikseparation aus Straßenablaufwasser - MikroSep Reifenabrieb in der Umwelt Cradle to Cradle AIF-ZIM_Projekt,BMWi mit Fa. Aris u. aquality 3

4 Marktsektoren der Kunststoffe 51,2 mio t/a in Europa; 11 Mio t in D Plastics the Facts 2018, Plastic Europe 4

5 Top-Ten der Mikroplastikemissionen Gesamt t/a; g /(E a) Umsicht Min. max 1 Reifenabrieb 1.228,5 49, Siwawi ++ 2 Freisetzung Abfallentsorgung 302, Abrieb Bitumen im Asphalt Pelletverluste 182 0,5 2567,2 5 Verwehungen Sportplätze 131, Freisetzung Baustellen 117,1 7 Abrieb Schuhsohlen ,5 175,4 8 Abrieb Kunststoffverpackungen 99, Abrieb Textilwäsche 76, Flockungsmittel in der Siedlungswasserwirtschaft 42, (+-) Fraunhofer-Umsicht- Studie

6 Negative Effekte von Mikroplastik in aquatischen Ökosystemen Aufnahme als Nahrung (Cole, Lindeque et al. 2013) Leaching von Additiven (Debenest, Gagne et al. 2010) Adsorption von Schadstoffen (POPs) (Koelmans et al. 2013) Bioakkumulation in der Nahrungskette (Setäläet al. 2014) Verbreitung fremder und invasiver Arten (Browne, Galloway et al. 2010; Maso et al., 2003, Zettler et al., 2013) Gewebeveränderungen (Browne et al 2008; Moos et al. 2012) Veränderung von Ökosystemfunktionen (Gregory 2009) zusammengestellt nach Gerdts

7 Eintragspfade Quelle: [Bild03], [Bild04] 8

8 Rückhalt auf Kläranlagen Zulauf Kläranlage: Feststoffe ca. 500 mg/l Mikroplastik 14 mg/l Stern.de im Ablauf Kläranlagen Feststoffe: 5 10 mg/l Mikroplastik 0,16 mg/l Elimination 99% Nach Spelthahn, 2019 Ablauf Kläranlage Weitergehende Entnahme Feststoffe Raumfilter Siebe < 1,0 mg/l 1,0 mg/l 9

9 Aufbau eines Reifens Aufbauart (a) und Querschnitt (b) eines Reifens (EVANS UND EVANS 2006, MATSCHINSKY 2007) 11

10 Anforderungen an Fahrzeugreifen (HEIßING, ERSOY UND GIES 2013, LEISTER 2015) 12

11 Einflussfaktoren auf Reifenabrieb CONTINENTAL,

12 Reifen- Zusammensetzung und Emissionen Reifenmaterial verwendetes Bauteil Massenanteil im Reifen [%] Kautschuk Laufstreifen/ 42 Seitenstreifen Laufstreifen/ Innenschicht/ Kernprofil Füllstoffe (Ruß/ Silica) Laufstreifen (Zur Herstellung des Kautschuks) 34 Mineralöle Laufstreifen 17 Weitere Stoffe (Zink-Seifen; Zink-; Blei-; Cadmiumoxid; PAK; Schwefel) Laufstreifen (Zur Herstellung des Kautschuks, Chemikalien für Vulkanisierung) 7 Umweltrelevante Stoffe (gemäß WRRL) - Schwermetalle t/a (davon t Zink) emittierte Schwermetalle aus dem Reifenabrieb [Kocher 2010] - PAK PAK-Emissionen im Straßenverkehr aus Reifenabrieb 580 t/a [UBA 2010] - Octylphenol Eintrag in die Oberflächengewässer beträgt 42,9 t/a, davon 95 % Emission aus Reifenabrieb [UBA 2007] [Kocher 2010] 14

13 Überblick der Emissionsraten in der Literatur aus BOULTER (2006) Übliches Fahrverhalten ca. 100 mg/km ca. 5% luftgängig Abgasgrenzwert bei PKW: 4,5 mg/km 15

14 Reifenabrieb Abhängigkeit zur Geschwindigkeit 16

15 Evaluierung durch Reifenwiegen Messung von Reifenabrieb Wiegen von benutzten Reifen (4x Alt) und Vergleich mit neuen Reifen (2x) Fahrt km mit Bremsmanövern Abrieb der Reifen Ø 800,4g ca. 1g/vkm untypische Fahrt [Daten und Reifen vom FG Kraftfahrzeuge, TU Berlin] Taxi-Versuch in Dortmund Allwetterreifen: 0,09 und 0,14 g Gummiabrieb/vkm [W-wie Wissen ARD,2019] Reifenabrieb (vgl. Literatur) ~ 0,1g/vkm Neu Alt Reifen die gewogen wurden Reifen Gewicht [g] Annahme Abrieb [g] Vorne Links: 11351,4 772,6 Vorne Rechts 11122,0 1002,0 Hinten Links: 11444,5 679,5 Hinten Rechts 11376,4 747,6 "Alt" Ø 11323,6 800,4 Summe 3201,7 Neu 1: 12107,3 Neu 2: 12140,7 Neu Ø 12124,0 Ungewöhnlicher Abrieb von Hinterreifen links 17

16 Reifen: Nutzung und Verwertung etwa t Reifen pro Jahr in Deutschland ca. 47.Mio PKW und ca. 3,1 Mio. Nutzfahrzeuge Straßennetzlänge km; davon nur 2% Autobahn 744 Milliarden km Fahrleistung (PKW, LKW etc.) Reifenabrieb Deutschland 100 mg/km (Reifenmasse) ges ( ) t/a; Deutschland weist eine Verwertungsquote von 100% und Europa 96% auf Die Menge an Altreifen liegt jährlich bei t [IUCN 2017, Hillenbrand et al.], [Rauterberg- Wulff 1998, Hiebel, et al. 2017] 18

17 Reifenabrieb Rasterelektronenmikroskopische Bilder µm groß (im Mittel 100 µm) Kreider et al

18 Glühverlust [Masse-%] Masse- % Straßenkehrichtanalysen ,36 32, ,35 8,03 7,98 4,30 1,11 3,26 56,72 45,02 34,42 10,22 9,74 12,11 4,17 3,67 <0,063 0,063 0,125 0,25 0, Maschenweite [mm] März April Mai Juni Juli Aug Sept Okt Nov Dez März '17 Mittelwerte 20

19 Konzept Probenahme Schmutz- und Mischwasser 21

20 1048 mm 45 mm 1232 mm 390 mm MLog Konzept Probenahme Straßenablauf Probenahme Notüberlauf (An/Aus) - Online Durchflussmessung Sieblinie [µm]: (100) (20) Vermeidung der Veränderungen der Probeninhaltsstoffe - Gesamter Feststoffrückhalt des Straßenablaufwassers - Niesel- bis Starkregen/ Unterschiedliche Regendauer MID Leitfähigkeit - Siebkorb mit variabler Filterkaskade > µm bis 20 µm mit Quadratmasche und bis 6 µm mit Hochleistungstresse Analyse 150 mm - Probenaufbereitung ist entwickelt - Erste Analyseergebnisse ermöglichen Zuordnung zu Reifenmaterial 450 mm - Optimierung der Wiederfindungsrate 22

21 PNK Windeintrag/ Straßenreinigung FOTOS µm Sieb 500 µm Sieb 250 µm Sieb 125 µm Sieb 63 µm Sieb 20 µm Sieb 23

22 Probenvorbereitung Straßenkehricht Lösungsansatz - Abtrennung der Reifenpartikel von Anorganik und Organik Siebung FG SIWAWI Dichteseparation Filtration Oxidation Cellulase u.a. 24

23 TGA kombiniert mit GCMS TGA: Bestimmung des Massenverlust während der Pyrolyse (unterschiedliche Heizraten möglich) Abgas wird auf Träger gesammelt und in die GCMS überführt GCMS: Bestimmung der einzelnen Bestandteile Gemeinsame Messung mit BAM -> Ringversuch GC-MS TGA 25

24 TGA-Analyse PVC POM PA PS PP PE PMMA PBT PET 26

25 RAU-Messpunkte: Tagesfegung, PNK PNK 27

26 RAU-Messpunkte, Sonderproben Nassschlammfang BSR-Test: Effizienz Straßenreinigung Abwasser der Reinigung Rinnenmaterial 28

27 Vorgehensweise Emission Straße Tagesfegungen mit DTV-Zählgeräten Abspülversuche mit PNK-Probenahme Absprache Straßenreinigung: keine zusätzliche Spülung der Straße (Spüllanze) Protokolle: Straßenreinigung und Reinigung der Nassschlammfänge Absprachen bei Tagesfegungen (keine Straßenreinigung durchführen) 29

28 Fegen versus Saugen Vergleich von zwei neben aneinander liegenden Flächen (0,8m x 1,5m) 0,8 m 1,2m² 1,5 m Besen Breite: 80cm Rosshaar 1,5 m Dyson Cinetic Big Ball Animalpro Nennleistung 1300W Saugleistung 250 AirWatt Gewicht 7,5kg 30

29 Masse / Fläche [g/m²] Massenverteilung Straßenquerschnitt Lichtsignalanlage (Straße des 17.Juni) BREITE 2 1 1,4m 1,6m 1,6m 1,6m 1,6m 1,6m 1,6m 0,8m 11,8 m 31

30 Anzahl Verkehrszählung Geschwindigkeit zu Fahrzeuglänge Verkehrszählung 0 TV_TUB PKW LKW Fahrrad HS-Gerade HS -Kurve HS-Ampel HS-Steigung S-Str-Kreisel 32

31 MW Masse/Fläche [g/m²] Bilanz Tagesfegungen Hot-Spots DTV: TV_TU: DTV:9.362 TV_TU: DTV: beidseitig TV_TU: einseitig DTV: TV_TU: DTV: TV_TU: HS- Gerade S1 HS- Gerade S2 HS- HS- Kurve S1 Kurve S2 HS- Ampel S1 HS- Ampel S2 HS- HS- Steigung Steigung S1 S2 S-Str- Kreisel S1 S-Str- Kreisel S2 n=10 n=4 n=4 n=3 n=2 Grundreinigung der Spur 1 (S1) und Spur 2 (S2) nach 24 h Probenahme der Spur 1 (S1) und Spur 2 (S2) 33

32 RAU Beregnungsteststand 34

33 Teststand für dezentrale Straßenabwasserbehandlung Technische Daten: Definierte Volumenströme von 0,1 l/s bis 16 l/s (unterschiedliche Regenintensitäten für bis 1000 m²) Vergleich unterschiedlicher Niederschlagswasserbehandlungsanlagen Prüfung: Zugabe sortenreiner Prüfstoffe in definierten Mengen Optimierung der Filtersysteme bzw. der Mess- und Probenahmetechnik Untersuchung des Abtrags der Partikel von Oberflächen 35

34 Verfahren Straßenablaufwasser Dezentral (Beispiele) BUDAVICI Typ-N/ MeierGuss Optimiertes Ablaufsieb in der Filterkartusche Maschenweite 300 µm INNOLET -G, Funke Optimierter Notüberlauf Maschenweite 315 µm Zustromumlenkung am Filtergranulat MeierGuss Sales & Logistics GmbH Funke Kunststoffe GmbH 36

35 Mikroplastikrückhalt am TUB Teststand Simulation von Regenereignissen Nieselregen Landregen Stärkerer Regen Starkregen (Ausspülversuch) Teilprüfung Regenspende Regenspende* [l (s ha) 1 [l min 1 ] Dauer [min] Gesamtspen de [l] 1 2, , * Bezogen auf 400 m2 angeschlossene Fläche Tabelle 1: Regenintensität und -dauer der einzelnen Teilversuche Prüfstoffe unterschiedlicher Dichte PS r = 1,05 g/cm³ PE r = 0,95 g/cm³ Reifenmehl r = 1 1,5 g/cm³ Prüfstoff Rückhalt [%] Nassschlammfang Rückhalt [%] Innolet Rückhalt [%] Budavinci PS ( 298 µm) PS ( 250 µm) PE ( 145 µm) PE ( 4000 µm)

36 Kehreffizienz Untersuchung Straßenreinigung - Ermittlung der Reinigungsleistung der Straßenreinigung - Prüfstandversuch und In situ Messungen Korngröße [mm] FG SIWAWI - Nassschlammfang als Senke für Reifenabrieb? 38

37 Flughafen-Beprobung Schönefeld Keine Probenahme möglich, da keine Partikel auffindbar waren Landebahn mit Reifengummi-Schicht überzogen werden Partikel emittiert? Oder werden Partikel durch Flugzeugturbinen direkt verweht? SHX 02:30 Uhr bis 04:00 Uhr 39

38 Bewertung - Stoffstrommodellierung FG SIWAWI - Bewertung von Maßnahmen - Technische Behandlungsanlagen - Maßnahmenkatalog 40

39 Fazit/Ausblick Probenahme sehr aufwändig großes Probevolumen erforderlich Probenahme- und Analysetechnik ist in definierten Systemgrenzen anwendbar FTIR Partikelanzahl und Material (Auszug) TGA +GCMS Partikelmasse und Material Feststoffrückhalt von Kläranlagen > 99% Kläranlagenabläufe tragen nur im geringen Maße zum Mikroplastikeintrag bei Filtrationsverfahren liefern weitere MP-Reduzierung Reifenabrieb größter Anteil vom Mikroplastik Bestehend aus Reifenmaterial, Straßenbelag, Staub etc. Erhöhter Anteil bei niedriger mittlere Geschwindigkeit Hot-Spots Zentrale und dezentrale Reinigungsmaßnahmen möglich Priorisierung und Bewertung von Maßnahmen 41

40 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 44