73. Symposium des ANS e. V und 20. September Berlin

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1 73. Symposium des ANS e. V und 20. September Berlin Einsatz von Pflanzenkohlesubstraten zur Beschleunigung des Abbaus organischer Kontaminationen in Böden LaTerra Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze, Dr. Ines Vogel, Dipl.-Geogr. Florian Worzyk, Dipl.-Geogr. Karin Friede, Dipl.-Geogr. Rene Schatten Freie Universität Berlin 1

2 Bundesweite Kennzahlen zur Altlastenstatistik (LABO-Bericht ) Bundesland Altablagerungen Registrierte altlastenverdächtige Flächen Altstandorte Summe Altlastverdächtige Standorte Baden-Württemberg Bayern Berlin/Brandenburg Bremen Hamburg Hessen Informationsstand Mecklenburg- Vorpommern Niedersachsen Nordrhein-Westfalen Rheinland-Pfalz Saarland Sachsen Sachsen-Anhalt Schleswig-Holstein Thüringen Deutschland

3 Situation im Bundesland BRANDENBURG Situation im Bundesland Brandenburg: 1989 militärisch genutztes Areal (WGT, NVA): ha (8% des gesamten Bundeslandes Brandenburg) ha derzeit ohne weitere Nutzung Sandböden mit geringem Kohlenstoffgehalt

4 Worin besteht das Problem vor Ort? Kontaminierte Flächen mit avisierter kostenaufwändiger Sanierung Wettbewerb um Flächen zwischen Nahrungsmittel- und Energiepflanzenanbau Probleme PAK MKW

5 Projektziele LaTerra Abbau von Schadstoffen Erhöhung der Bodenfruchtbarbkeit Wiederherstellung des ökologischen und ökonomischen Potenzials kontaminierter und degradierter Flächen durch die Applikation von Pflanzenkohlesubstraten auf der Grundlage der Nutzung regional anfallender biogener Abfälle und nachwachsender Rohstoffe Nachwachsende Rohstoffe Schließung regionaler Kreisläufe 5

6 Projekt Partner und Projekt Struktur LaTerra Rekultivierung von ehemaligen Tagebauen Abbau von organischen Bodenkontaminationen Wiederaufforstung von Windbruchflächen 6

7 Auswahl der Testflächen Panzerreparatureinheit und Tanklager Ehemals industriell genutzte Liegenschaft alte Teerpappenfabrik Ölteich Panzerreparaturein heit Untersuchungsgebiet Tanklager MKW PAK

8 Kontaminationslevel MKW Boden PAK Boden MKW Gehalt mg/kg Probenahme MKW Kontaminationen PAK Gehalt mg/kg 0,7 277 Sehr hohe Gehalte an mobilen MKW Die höchsten Anteile an den vorliegenden PAK Kontaminationen nahmen im PAK Boden Fluoranthen (16 %), Pyren (15 %) und Benzo(a)pyren (10,1 %) ein. PAK Kontaminationen 8

9 Untersuchungsprogramm Kontaminierte Flächen (MKW, PAK) Gefäßversuche Lysimeterversuche Parzellentests Physikalische, physikalisch-chemische und chemische Untersuchungen zur Charakterisierung von Böden und Substraten - Elutionstests zu anorganischen und organischen Kontaminanten - Biologische Untersuchungen (Atmung, Biomasse, Nitirifikation, Regenwurmfluchttest, Keimungstest)

10 Herstellung der Biokohle-Substrate Inputstoffe: Grünschnitt Pflanzenkohle (15 u. 30 vol. %) flüssige Gärrückstände (5%TM.; 300 l m ³) Gesteinsmehl (15 kg m ³) Pilotanlage Hengstbacherhof Areal GmbH Kompostierung/ Fermentation + Pflanzenkohle BK Substrat N P K C org C/N ph Cu Zn M. % M. % M. % M. % mg 100g 1 BKS 15 Vol. % BK BKS 30 Vol. % BK

11 Biologische Tests zur Qualitätssicherung der Substrate Dipl.-Geogr. Karin Friede Kresse Test Ziel: Detektion phytotoxischer Gase (BGK) Regenwurmfluchttest Ziel: Bestimmung der Auswirkungen auf die Fauna an Hand der Substrat Preferenz (DIN ISO : ) Pitures: Cress test (Karin Friede) Mindestens 80% der Frischmasse eines Referenzsubstrates EE0 muss erreicht werden. BKS A3 = 99,3 % BKS B3 = 83,8 % Die untersuchten Proben waren frei von phytotoxischen Gasen. Pictures: Eartworm avoidance test (Karin Friede) Bei weniger als 20% der Gesamtwurmzahl im Testsubstrat ist die Habitat Funktion eingeschränkt. GA2 F0% = 6,4 GA2 F15% = 3,6 GA2 IR0% = 6,6 GA2 IR15% = 3,4 BK Substrate werden nicht bevorzugt, jedoch keine Störung der Habitatfunktion

12 Nitrifikation (DIN ISO 15685) Effekte von BKS auf unkontaminierte Böden Dipl.-Geogr. K. Friede 20,0 18,0 Wirkung der Zugabe von Pflanzenkohlesubstrat auf die potentielle Nitrifikation eines unkontaminierten Boden Die Zugabe von BKS führte zur Erhöhung der Nitrifikation. NO2-N [ng/g/min] 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 unk. B. unk. B. + 10% TPS-A3 unk. B. + 50% TPS-A3 unk. B. + 10% TPS-B3 unk. B. + 50% TPS-B3 unk. B. + BK Die Aktivität der Nitrifikanten erhöhte sich mit zunehmender Substratzugabe. Ein höherer BK-Gehalt führte zu einer geringfügigen Verringerung der Nitrifikation. Boden-, Boden/Substrat- und Boden/Pflanzenkohle-Mischungen Schwarzerde (Referenz-Boden) NO2-N=13,3 ng/g/min (Dreher & Hund-Rinke 2001) 1600, ,00 Rohdichte in Abhängigkeit von der Zugabe von BKS Die Zugabe von BKS führte zu einer Verringerung der Rohdichte Bessere Durchlüftung der Böden Erhöhung der Aktivität der Nitrifikanten Rohdichte (frisch) [g/l] 1200, ,00 800,00 600,00 400,00 200,00 0,00 unk. B. unk. B. + 10% TPS-A3 unk. B. + 50% TPS-A3 unk. B. + 10% TPS-B3 unk. B. + 50% TPS-B3 Boden-, Boden/Biokohle-Substrat-, und Boden/Biokohle-Mischungen unk. B. + BK

13 Versuchsdesign der Mitscherlich-Gefäß-Versuche 2011 MKW, PAK kontaminierte und nicht kontaminierte Böden ohne Pflanzen 10 Vol.-% Substrat 15 Vol.% BK (A3) 30 Vol.% BK (B3) 50 Vol.-% Substrat 15 Vol.% BK (A3) 30 Vol.% BK (B3) Biokohlesubstrat Zugabe mit Pflanzen 50 Vol.-% Substrat 15 Vol.% BK (A3) 30 Vol.% BK (B3) Biokohle Zugabe 15 Vol.%

14 Mitscherlich-Versuch 2011 Variation des Boden-pH (MKW-Kontamination) ph-wert MKW MKW+Kalk MKW + 10 Vol.-% A3 (15% BK) MKW + 10 Vol.-% B3 (30% BK) MKW + 50 Vol.-% A3 (15% BK) MKW + 50 Vol.-% B3 (30% BK) MKW + BK (30) Bereits durch eine sehr geringe BK-Zugabe (1,5%) wurde ein starker Einfluss auf den ph-wert beobachtet.

15 Gefäßversuche Wachstumsverlauf der Maispflanze (MKW-Kontaminationen) Growth patter of the maize type Subito in MHC-contaminated soil hight [cm] Picture: Pot trial, maize type Subito, MHC-soil (Kathrin Rößler) MHC soil (NPK fertilization) MHC soil + Biochar-Substrate A3 MHC soil + Biochar-Substrate B3 MHC soil + Biochar (NPK Fertilization) control (NPK Fertilization) Reduzierung des Pflanzenwachstums durch MKW-Kontaminationen Steigerung des Wachstums durch die Einmischung von Pflanzenkohlesubstraten

16 Gefäßversuche Wachstumsverlauf der Maispflanze PAK-Kontaminationen Growth pattern of the maize plants Subito in PAH contaminated soil hight [cm] Picture: Pot trial, maize type Subito, PAH-soil (Kathrin Rößler) PAH soil (NPK Fertilization) PAH soil + Biochar-Substrate A3 PAH soil + Biochar-Substrate B3 PAH soil + Biochar (NPK Fertilization) control (NPK Fertilization) Kaum Einfluss auf das Pflanzenwachstum, da PAK gealtert

17 Gefäßversuche Pflanzenwachstum Bei den Varianten mit kontaminierten Böden (PAK: mg/kg, MKW: mg/kg) zeigte sich ein erhöhtes Pflanzenwachstum bei 30 Vol % gegenüber 15 Vol % Biokohleanteil in den Substraten. Eine N Ergänzungsdüngung der Pflanzenkohlesubstrate Varianten war im ersten Versuchsjahr erforderlich, da der zugegebene organische Stickstoff nur langsam freigesetzt wurde. Nicht aufgeladene Pflanzenkohlekohle zeigte keine positiven Effekte hinsichtlich des Pflanzenwachstums. Eine Beeinflussung des Pflanzenwachstums durch hohe MKW Kontaminationen war deutlicher zu erkennen als bei PAK Kontaminationen aufgrund der höheren verfügbaren MKW Anteilen (bis max. 60%, C 10 C 22 ).

18 Ergebnisse zweite Vegetationsperiode - PAK-Kontaminationen Knaulgras - Dactylis glomerata 1. Grasschnitt Knaulgras Kontrolle PAK PAK + Sub. A3 (15% BK) PAK + Sub. B3 (30% BK) 60,00 50,00 40,00 [g] 30,00 In den Pflanzenkohlesubstarten: 20,00 10,00 höhere Nährstoffeffizienz Signifikant höheres Wachstum keinen Wachstumsdepressionen 0,00 PAK PAK + 50 Vol.% A3 (15% BK) PAK + 50 Vol.% B3 (30% BK) PAK + 15 Vol.% BK

19 Ergebnisse zweite Vegetationsperiode - MKW-Kontaminationen Knaulgras - Dactylis glomerata Kontrolle MKW MKW + Sub. A3 (15% BK) MKW + Sub. B3 (30% BK) 1. Grasschnitt Knaulgras 60,00 50,00 In den Pflanzenkohlesubstarten: höhere Nährstoffeffizienz [g] 40,00 30,00 20,00 10,00 signifikantes Wachstum keinen Wachstumsdepressionen 0,00 MKW MKW + 50 Vol.% A3 (15% BK) MKW + 50 Vol.% B3 (30% BK) MKW + 15 Vol.% BK

20 Gefäßversuche Reduzierung der MKW Gehalte Anfangsgehalt Endgehalt 120 Reduzierungsrate der MKW in [%] ,48 92,78 92,39 85,69 70, ,08 MKW + BK MWK-Bodengehalte (Absolutwerte) MKW MKW + 10 Vol% TPS A3 MKW + 10 Vol% TPS B3 MKW + 50 Vol% TPS A3 MKW + 50 Vol% TPS B3 MKW + BK Reduzierung in [%] MKW MKW + 10 Vol% TPS A3 MKW + 10 Vol% TPS B3 MKW + 50 Vol% TPS A3 MKW + 50 Vol% TPS B3 MKW [mg/kg]

21 Gefäßversuche Reduzierung der PAK Gehalte PAK Bodengehalte (Absolutwerte) PAK PAK + 10 Vol% TPS A3 PAK + 10 Vol% TPS B3 PAK + 50 Vol% TPS A3 PAK + 50 Vol% TPS B3 PAK + BK Reduzierungsraterate der PAK in [%] Anfangsgehalt Endgehalt ,68 67,40 52,39 54, ,83 78,30 PAK + BK PAK PAK + 10 Vol% TPS A3 PAK + 10 Vol% TPS B3 PAK + 50 Vol% TPS A3 PAK + 50 Vol% TPS B3 PAK [mg/kg Boden] Reduzierung in [%]

22 Gefäßversuche Reduzierung der PAK/MKW Gehalte Reducing rate of MHC-content (absolute value) with Biochar-Substrate-Mixture or Biochar-Mixture after the first vegetation period rate [%] MHC-Soil MHC + 50 Vol.-% A3 MHC + 50 Vol.-% B3 MHC + Biochar without maize plant with maize plant Reducing rate of PAH- content (absolute value) with Biochar-Substrate-Mixture or Biochar-Mixture after the first vegetation period Mit Pflanze geringere Reduzierungsrate, da Nährstoffkonkurrenz (N u. P limitierende Faktoren beim Abbau) Nachweis durch biologische Tests erforderlich! ra te [ % ] PAH - Soil PAH + 50 Vol.-% A3 PAH + 50 Vol.-% B3 PAH+ Biochar without maize plant with maize plant

23 Elutionsversuche Dipl.-Geogr. René Schatten Versuchsdesign Schütteltest in Bearbeitung DIN 19527: DIN 19529: Säulentest geplant 2012/2013 DIN 19528: W/F Verhältnis: 2:1 statischer Test Schüttelzeit: 24h Zentrifugation und Filtration der Eluate W/F Verhältnis: variiert (1:1; 2:1; 4:1 etc.) dynamischer Test inverse Fließrichtung Bestimmung der Auswaschung von Schad- und Nährstoffen aus Böden/Pflanzenkohlesubstraten

24 Schütteltests erste Ergebnisse PAK-Kontaminationen 45,0 40,0 35,0 PAK - Eluatkonzentrationen Eluate concentration [µg/l] 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 Mit steigender BK-Zugabe sinken die PAK- Konzentration in den Eluaten. 0,0 PAH PAH + 10 Vol% Biochar substrate A3 PAH + 10 Vol% Biochar substrate B3 PAH + 50 Vol% Biochar substrate A3 PAH + 50 Vol% Biochar substrate B3 PAH + BC initial concentration final concentration 0,12 Prozentualer Anteil eluierbarer PAK am Gesamtkontaminationsgehalt im Feststoff leachable PAH contents in % of total value [%] 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 ABER Eluatkonzentration sehr gering < 0,1% vom Gesamtgehalt in den Böden 0,00 PAH PAH + 10 Vol% Biochar substrate A3 PAH + 10 Vol% Biochar substrate B3 PAH + 50 Vol% Biochar substrate A3 PAH + 50 Vol% Biochar substrate B3 PAH + BC

25 Schütteltests erste Ergebnisse MKW-Kontaminationen MHC eluat concentrationen MKW - Eluatkonzentration Eluate concentration [µg/l] MHC MHC + 10 Vol% Biochar substrate A3 MHC + 10 Vol% Biochar substrate B3 MHC + 50 Vol% Biochar substrate A3 MHC + 50 Vol% Biochar substrate B3 MHC + BC Mit steigender BK-Zugabe sinken die MKW- Konzentration in den Eluaten. 3,00 initial concentration final concentration Prozentualer Anteil eluierbarer MKW am Gesamtkontaminationsgehalt im Feststoff leachable MHC contents in % of total value [%] 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 Ohne BK-Zugabe höchste Elutionsraten (2,5%) mit BK- Zugabe teilweise unter 0,5%. 0,00 MHC MHC + 10 Vol% Biochar substrate A3 MHC + 10 Vol% Biochar substrate B3 MHC + 50 Vol% Biochar substrate A3 MHC + 50 Vol% Biochar substrate B3 MHC + BC

26 Fazit Nachweisbare Reduzierung von organischen Schadstoffgehalten. Es bedarf Langzeitversuchen um das Potenzial von Pflanzenkohlesubstraten nachzuweisen sowohl im Hinblick auf die Schadstoffreduzierung, die Bioverfügbarkeit von adsorbierten Schadstoffen als auch auf das Pflanzenwachstum. Entsprechend den Anwendungszielen ist die Verwendung von Pflanzenkohlesubstraten mit unterschiedlichen Eigenschaften notwendig. Erstellung einer Handlungsanleitung für die Anwendung von Pflanzenkohlesubstraten Sicherung der Übertragbarkeit von Ergebnissen

27 Viele Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Projektfinanzierung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Projektlaufzeit: Arbeitsgruppe Geoökologie