Nutzen und Risiken der landwirtschaftlichen Klärschlammverwertung Franz Wiesler Martin Armbruster, Dieter Martens, Kurt Seibert, Klaus Wies

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1 Nutzen und Risiken der landwirtschaftlichen Klärschlammverwertung Franz Wiesler Martin Armbruster, Dieter Martens, Kurt Seibert, Klaus Wies Darstellung am Beispiel - der Wert- und Schadstoffgehalte der an der LUFA Speyer untersuchten Klärschlämme - der Auswertung eines Langzeit-Klärschlammversuchs der LUFA Speyer Formulierung einiger Herausforderungen für den zukünftigen Umgang mit Klärschlamm und anderen Düngern

2 Die Einschätzung von Nutzen und Risiken der landwirtschaftlichen Klärschlammverwertung im Spiegelbild von Politik und Gesetzgebung 1982 Verabschiedung der ersten Klärschlammverordnung 1986 Klärschlammrichtlinie der EU 1992 Verabschiedung der bis heute geltenden AbfklärV 2001 Versuch einer Novellierung der AbfklärV ( Gleiches zu Gleichem ) 2006 Neues Eckpunktepapier für eine novellierte AbfklärV ( Ressourcen nutzen Böden schonen ), Expertentagung in Bonn 2007 Arbeitsentwurf einer novellierten AbfklärV 2008 Inkrafttreten einer neuen Düngemittelverordnung 2013 Koalitionsvertag Wir werden die Klärschlammausbringung zu Düngezwecken beenden und Phosphor und andere Nährstoffe zurückgewinnen 2014 Bundesländer fordern, die vom BMUB erwogene Übergangsfrist von 10 Jahren für den Ausstieg aus der landwirtschaftlichen Klärschlammverwertung signifikant zu verkürzen (AgE, Bericht aus der UMK)

3 Anfall und Entsorgung von Klärschlamm in Deutschland und Rheinland-Pfalz im Jahre 2010 (öffentliche Kläranlagen; Statistisches Bundesamt, 2013) Deutschland 1,89 Mio. t TM Rheinland-Pfalz t TM

4 Welchen Nutzen hat die landwirtschaftliche Klärschlammverwertung? Kostenersparnis Nährstoffrecycling Zufuhr basisch wirksamer Stoffe Humusersatz

5 Welchen Nutzen hat die landwirtschaftliche Klärschlammverwertung? Kostenersparnis Nährstoffrecycling Zufuhr basisch wirksamer Stoffe Humusersatz

6 Kosten der Klärschlammentsorgung in Deutschland [nach Schmelz, in KTBL-Schrift 453, 2007]

7 Welchen Nutzen hat die landwirtschaftliche Klärschlammverwertung? Kostenersparnis Nährstoffrecycling Zufuhr basisch wirksamer Stoffe Humusersatz

8 Nährstoffe, basisch wirksame Stoffe (BWS) und organische Substanz in den 2012/2013 an der LUFA Speyer untersuchten Klärschlämmen sowie mit 1,67 t ha -1 KS applizierte Stoffmengen N ges NH 4 -N P K Mg BWS als CaO C org Gehalt [% i. d. TM] Stoffmenge [kg ha -1 a -1 ] 4,59 0,59 2,41 0,36 0,54 6,7 55, Geschätzter Nährstoffentzug von Winterweizen [80 dt Korn] Bei vollständiger Nutzung des im Klärschlamm kommunaler Anlagen gebundenen Phosphats für den Ackerbau könnten - Entzugsdüngung unterstellt - in Deutschland knapp 15 %, in RLP etwas mehr als 15 % des P-Bedarfs gedeckt werden.

9 Varianten im Klärschlammversuch der LUFA Speyer Kontrolle Variante Klärschlammengen Mineraldüngung 1 ohne (Kontrolle) N, P, K 2 1,66 t TM ha -1 jährlich N, K 1,67 t KS / a 3,33 t KS / a 3 3,32 t TM ha -1 jährlich N, K 4 5,0 t TM ha -1 jedes 3. Jahr N, K 5 10,0 t TM ha -1 jedes 3. Jahr N, K 6 5,0 t TM ha -1 jedes 3. Jahr K 7 10,0 t TM ha -1 jedes 3. Jahr K Bis 1989 wurden 3-fache Klärschlammengen ausgebracht Bis 1981: 1992 alle Varianten Versuchsbeginn mit mineralischer P-Düngung Bis bis 1989: Varianten Ausbringung 6 und 7 nur 3-facher im Klärschlammanwendungsjahr Klärschlammmengen ohne mineralische bis 1992: Mineralischer P-Düngung in allen Varianten

10 Bodenuntersuchungsergebnisse nach 30-jähriger Klärschlammdüngung in einem Langzeitversuch der LUFA Speyer P K N ges C org ph [mg g] [mg g] [%] [%] [CaCl2] Kontrolle 7 (C) 7 (B) 0,08 0,73 5,4 1,67 t KS 9 (C) 7 (B) 0,10 0,93 5,8 3,33 t KS 16 (E) 8 (B) 0,10 0,92 6,2

11 Zwischenfazit Die Nutzung von Klärschlamm zu Düngungszwecken stellt die kostengünstigste Form der Klärschlammentsorgung dar. Sie ist mit einem Recycling von Nährstoffen (P, N), einer Zufuhr von basisch wirksamen Stoffen und einem Beitrag zum Humusersatz verbunden. Aber: Zunehmende Anforderungen (z.b. Schadstoffgrenzwerte nach DüMV, ggf. Hygienisierung) werden zu abnehmenden Kostenvorteilen führen. Klärschlamm ist, wie alle org. Dünger, eine schwer steuerbare N-Quelle. Die anstehende Novellierung der Düngeverordnung wird die Anwendungsmöglichkeiten von Klärschlamm im Hinblick auf Höchstmengen (170 kg N ha -1 aus org. Düngern) und Sperrfristen einschränken. Die Nährstoffwirksamkeit des im Klärschlamm gebunden Phosphats hängt wesentlich von der P-Fällung ab und kann bei weitem Fe:P-Verhältnis sehr gering sein.

12 Welchen Risiken sind mit der landwirtschaftlichen Klärschlammverwertung verbunden? Schwermetalle Organische Schadstoffe Pharmakologisch wirksame Substanzen und Hormone Pathogene Keime

13 Schwermetallgehalte der von der LUFA Speyer untersuchten Klärschlämme [in mg kg -1 TM] Mittelwerte LUFA Speyer Pb Cd Cr Cu Ni Hg Zn 1970er Jahre 254 6, , / , , / , , relativ Grenzwerte nach AbfKlärV (1992) * Grenzwerte nach DüMV (2012) ** , , ,5 80 1,0 * Nach AbfKlärV 5,0 mg Cd bzw mg Zn auf leichten Böden unter 5 % Ton und ph-werten 5-6 ** Nach DüMV zusätzliche Grenzwerte für As (40) Cr VI (2,0) und Tl (1,0)

14 Anteil der von der LUFA Speyer untersuchten Klärschlämme mit Grenzwertüberschreitungen unter Zugrundelegung der Grenzwerte (i) nach AbfKlärV bzw. (ii) nach DüMV [in %] Pb Cd Cr Cu Ni Hg Zn Grenzwerte nach der AbfKlärV (1992) 0 0,1 0 1,2 0,2 0,1 0,5 Grenzwerte nach der DüMV (2012) 2,1 6, ,8 2,6 - Unter Zugrundelegung der ab 2015 geltenden Grenzwerte nach DüMV ist bei den in Rheinland-Pfalz aktuell landwirtschaftlich verwerteten Klärschlämmen bei maximal 12 % Proben mit einer Überschreitung der Grenzwerte zu rechnen (ohne Berücksichtigung von Arsen, Chrom VI, Thallium sowie organischer Kontaminanten). In Deutschland beträgt dieser Wert ca. 30 %.

15 [mg/kg TM] [mg/kg TM] Pb Cr Ni Cd Hg Vorschlag Novelle AbfKlärV Langzeitversuch der LUFA Speyer Verlauf der Schwermetallgehalte im verwendeten Klärschlamm 0 [mg/kg TM] Jahr Zn Cu

16 Schwermetallgehalte im Boden nach 30-jähriger Klärschlammdüngung in einem Langzeitversuch der LUFA Speyer Kontrolle 1.67 t KS 3.3 t KS Schwermetallgehalt [mg / kg Boden] Vorsorgewerte nach BBodSchV (Sand) ,4 0,1 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Pb Cr Ni Cu Zn Cd Hg 0,0

17 Cadmiumgehalte und Cadmiumfrachten bei der Ausbringung unterschiedlicher organischer Dünger Ausbringungsmenge [t ha -1 a -1 ] Cd-Gehalt [mg kg -1 TM] Cd-Fracht [g ha -1 a -1 ] Klärschlamm 1,67 0,96 1,60 Bioabfallkompost 6,67 0,39 2,60 Grüngutkompost 6,67 0,36 2,40 [Daten nach Severin, BMEL, persönliche Mitteilung, 2014]

18 Welchen Risiken sind mit der landwirtschaftlichen Klärschlammverwertung verbunden? Schwermetalle Organische Schadstoffe Pharmakologisch wirksame Substanzen und Hormone Pathogene Keime

19 In der AbKlärV geregelte organische Schadstoffe in Klärschlamm Polychlorierte Biphenyle Kondensatoren, Hydraulikanlagen, Weichmacher, Bohröl. Sehr persistent. Immunabwehr schwächend und Tumorbildung fördernd Polychlorierte Dibenzofurane und Dibenzodioxine Nebenprodukte bei der Herstellung chlororganischer Chemikalien oder bei Verbrennungsreaktionen. Auch natürlich vorkommend Sehr persistent. Je nach Kongener hohe akute (z.b. Chlorakne) und chronische Toxizität (krebsauslösend?) Adsorbierbare organisch gebundenen Halogene Summenparameter. Erfassung sowohl unschädlicher als auch hochtoxischer Verbindungen (Dioxine, Furane). Beschränkte Aussagekraft hinsichtlich der Belastung einer Probe mit halogenorganischen Verbindungen. Keine ökotoxikologische Aussagekraft.

20 Gehalte an PCB, PCDF/PCDD und AOX der an der LUFA Speyer untersuchten Klärschlämme im Vergleich zu den Grenzwerten der gültigen AbfKlärV PCB 6 [mg kg -1 TM] PCDF/PCDD [ng TÄ kg -1 TM] AOX [mg kg -1 TM] Mittelwerte LUFA Speyer (2005/2006) Mittelwerte LUFA Speyer (2012/2013) Grenzwert AbfklärV (1992) 0,12 8, ,08 7, ,

21 Weitere als relevant diskutierte organische Schadstoffe in Klärschlamm, z.b. Umweltministerkonferenz, 2000 mit vorrangiger Relevanz mit Informationsbedarf mit nachrangiger Relevanz PCDD/F Clofibrinsäure Toluol AOX Chlorparaffine 1,4-Dichlorbenzol PCB EDTA 1,2,4-Trichlorbenzol Benzo(a)pyren Moschusxylol HCB Nonylphenole Tris-(chlorethyl)-phosphat 1,1,1-Trichlorethan Tributylzinnhydrid (TBT) Bromidphenyether UGILEC Diethylhexylphthalat (DEHP) 2,4,6-Trichlorphenol DDT, DDD, DDE 2,4-Dimethylphenol Ethinylöstradiol Polyacrylamide DNBP Lindan 2,4-Dichlorphenol PCP PER Bromophosethyl Siliconöl Phenol *je nach Öko- u. Humantoxizität, Transferverh. ins Grundwasser, Auftreten in Klärschlamm etc.

22 Weitere als relevant diskutierte organische Schadstoffe in Klärschlamm, z.b. Fragemann und Barkowski, 2007

23 In der DüMV geregelte organische Schadstoffe Dioxinähnliche PCB Diejenigen PCB, die eine den Dioxinen ähnliche räumliche und elektronische Struktur aufweisen (12 von 209 Kongeneren). Entstehung bei der Herstellung von PCB. Ähnliche Gesundheitsgefährdungen wie durch Dioxine. Grenzwert: 30 ng WHO-TEQ kg -1 TM (Dioxine + dl PCB) auf Ackerland, 5 ng WHO-TEQ kg -1 TM (Dioxine + dl PCB) auf Grünland Perfluorierte Chemikalien Verwendung in der Textil-, Papier- und Metallindustrie. Sehr persistent. Verdacht auf Krebs erzeugende Wirkung. Grenzwert von 100 µg kg -1 TM [Perfluoroctansäure (PFOA) + Perfluoroctansulfonat (PFOS)]

24 [ng WHO-TE / kg TM] Dioxinen + dl-pcb-gehalte der an der LUFA Speyer 2013/2014 untersuchten Klärschlämme Grenzwert Düngung Ackerland In 30 % der Proben (n = 30) wurde der Grenzwert (30 ng TEQ kg -1 TM Dioxine plus dl-pcb) überschritten

25 In 8,4 % d. Proben (n = 166) wurde der Grenzwert (100 µg kg -1 TM) überschritten PFOS-Gehalte der an der LUFA Speyer untersuchten Klärschlämme [Mittelwerte aller Proben pro Klärwerk] PFOS-Gehalt [µg kg -1 TM] Zahl der Proben [n] Anteil [%] , , , , , , ,6

26 Boden-Pflanze Transfer von perfluorierten Chemikalien [Pang, Armbruster, Martens, Wies und Wiesler, VDLUFA-Schriftenreihe 67, 2011]

27 Perfluoroctansäure (PFOA) und Perfluoroctansulfonat (PFOS) in Boden und Pflanze in einem Gefäßversuch nach einer PFC-Zugabe [Pang, Armbruster, Martens, Wies und Wiesler, VDLUFA-Schriftenreihe 67, 2011] PFC-Angebot Gehalt im Boden Gehalt in der Pflanze PFOA PFOS PFOA PFOS [µg kg -1 TM] Kontrolle Niedrig Hoch

28 Perfluoroctansulfonat (PFOS) in Boden und Pflanze nach 30-jähriger Klärschlammdüngung* (Angaben in µg kg -1 TM) [Pang, Armbruster, Martens, Wies und Wiesler, VDLUFA-Schriftenreihe 67, 2011] Boden Salat Wurzel Äußere Blätter Kopf Kontrolle 7,0 32,8 2,9 0,8 1,67 t KS 15,2 83,7 5,1 1,1 3,33 t KS 26,4 99,5 7,0 2,2 * PFOS-Gehalt im 2011 applizierten Klärschlamm: 62 µg kg -1 TM

29 Welchen Risiken sind mit der landwirtschaftlichen Klärschlammverwertung verbunden? Schwermetalle Organische Schadstoffe Pharmakologisch wirksame Substanzen und Hormone Pathogene Keime

30 Gibt es Methoden zum Schadstoffscreening in Klärschlamm? Zwiener et al., Univ. Tübingen (2014) Non-Target-Analytik von Klärschlämmen Prinzip Trennung der Inhaltstoffe mittels Flüssigkeits- oder Gaschromatographie, Detektion mit hochauflösenden Massenspektrometern Ableitung von Summenformeln aus den Signalen Weitergehende Identifizierung der Substanzen durch Abgleich der Daten mit Spektrenbibliotheken Aber Es wird eine sehr hohe Anzahl an Substanzen detektiert (ggf. > ) Pro Substanz werden aus den Bibliotheken mehrere Vorschläge zur Identität gemacht Es sind weitere Untersuchungen zur eindeutigen Identifizierung notwendig Ohne Referenzstandards sind keine Gehaltsbestimmungen möglich Es sind oft keine Angaben zu Toxizität und Umweltverhalten verfügbar

31 Welchen Risiken sind mit der landwirtschaftlichen Klärschlammverwertung verbunden? Schwermetalle Organische Schadstoffe Pharmakologisch wirksame Substanzen und Hormone Pathogene Keime Klärschlamm weist, wie Stalldung, Gülle, Biogasgülle (mesophil), tierische Nebenprodukte sowie pflanzliche Nebenprodukte wie Bioabfälle aufgrund einer Vielzahl von Erregern unterschiedlicher Pathogenität ein insgesamt hohes seuchenhygienisches Risiko auf. Die landwirtschaftliche Verwertung von Klärschlamm sollte aus Sicht der Seuchenhygiene nur dann erfolgen, wenn erforderlichenfalls zuvor eine ausreichende Reduzierung der pathogenen Erreger durch eine Behandlungsmaßnahme stattgefunden hat.

32 Fazit - Herausforderungen für den zukünftigen Umgang mit Klärschlamm (I) Klärschlamm ist ein nährstoffreicher (N, P, Cu, Zn) und, je nach Konditionierung basisch wirksamer, organischer Dünger. Die landwirtschaftliche Verwertung von Klärschlamm / Klärschlamminhaltsstoffen trägt somit zur Schonung von Ressourcen (P) bei. Die Belastung von Klärschlamm mit Schadstoffen (SM, PFC) ist im Laufe der Zeit geringer geworden. Auch in Zukunft sollte das Prinzip der Schadstoffvermeidung eine hohe Priorität haben. Dies trägt nicht nur zur Schadstoffarmut im Klärschlamm, sondern auch in den Kläranlagenabläufen bei. Da Klärschlamm eine Senke für Schwermetalle, organische Schadstoffe, Arzneimittelrückstände etc. darstellt, können sich diese Substanzen bei langjähriger Klärschlammanwendung allmählich im Boden akkumulieren, womit auch ein Eintrag in die Nahrungskette nicht ausgeschlossen werden kann.

33 Fazit - Herausforderungen für den zukünftigen Umgang mit Klärschlamm (II) Die mittelfristige Umstellung auf alternative Verfahren der Klärschlammentsorgung ist deshalb zu begrüßen, wenn wertvolle Klärschlamminhaltsstoffe schadstoffarm, nutzbar und wirtschaftlich zurückgewonnen werden können. Die P-Verfügbarkeit verschiedener P-Recyclingprodukte erwies sich in Modellversuchen als sehr unterschiedlich (z.b. Römer, 2013; Rex et al. 2013). Das landwirtschaftliche Versuchswesen sollte sich dieser Thematik mit einer hohen Priorität annehmen. Die Rückgewinnung von Rohstoffen aus Klärschlamm sollte sich nicht auf P beschränken, sondern sollte alle Stoffe mit geringer statischer Reichweite einbeziehen (z.b. Pb 42 Jahre, Zink 46 Jahre, Cu 61 Jahre; Gäth, 2011). Die Minimierung von Schadstoffeinträgen in landwirtschaftliche Böden sollte sich nicht auf Klärschlamm beschränken, sondern alle mineralischen und organischen Düngemittel einbeziehen. In diesem Zusammenhang sind Gesetzgebung ( EU Düngemittelverordnung ) und Kontrolle ( amtliche Düngemittelkontrolle in den Bundesländern) gefordert.