LaTerra Nachhaltige Landnutzung bei Anwendung der Terra-Preta- Technologie auf militärischen Konversionsflächen

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1 Biokohle und Terra Preta Betrachtungen aus Sicht des Naturschutzes BfN Leipzig, LaTerra Nachhaltige Landnutzung bei Anwendung der Terra-Preta- Technologie auf militärischen Konversionsflächen Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze, Dr. Ines Vogel, Dr. Robert Wagner, Florian Worzyk, Rene Schatten, Karin Friede, Freie Universität Berlin, FB Geowissenschaften

2 Problemstellung Regionalprojekt 1 Land Brandenburg: 1989 militärisch genutzt (WGT, NVA, andere): ha (8% der Landesfläche Brandenburgs = Fläche des Saarlands) ha militärisch nicht nachgenutzt Landkreis Teltow-Fläming: 20% der Kreisfläche = ha ehemalige militärische Nutzung Altlasten verdächtige Flächen, darunter 110 Rüstungs-Altlasten LaTerra-Schwerpunkt: Konversionsflächen im Landkreis Teltow-Fläming Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 2

3 Abbildung: Modellregion Nuthe-Urstromtal (Quelle: Gemeinde Nuthe-Urstromtal 2009, LGB 2009) Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 3

4 Zielstellung des Forschungsvorhabens Inwertsetzung und Steigerung des ökologischen und ökonomischen Potentials von kontaminierten Böden/militärischen Konversionsflächen mit Terra Preta Substrat auf Grundlage einer regionalen Verwertung von biogenen Anfallstoffen und NawaRo Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 4

5 Hauptziele 1) Herstellung und Qualitätsstandards für TPS - Untersuchung und Bewertung von TPS auf wertgebende Inhaltsstoffe und Eigenschaften sowie geregelte Schadstoffe. Bereitstellung und Optimierung der Substrate für alle Regionalprojekte sowie Untersuchungen zu Applikationstechniken des TPS. 2) Nachweis der Wirkung von TPS auf das Selbstreinigungspotenzial von kontaminierten Böden und Pflanzenwachstum - Untersuchung der Auswirkungen des Einsatzes von TPn auf 1) Bodenchemie, 2) Pflanzenwachstum (NawaRo), 3) Abbauleistungen (Selbstreinigungsvermögen) und Lebensraumfunktion, 4) Schadstoffaustrag (Rückhaltefunktion) und 5) Wasserhaushalt im Rahmen von Labor- und Felduntersuchungen - auch im Vergleich zu anderen organischen Bodenverbesserungsmitteln 3) Untersuchung der Eignung von TPS als Kohlenstoffsenke (Technologieansatz) 4) Rechtliche Belange - Prüfung gesetzlicher Rahmenbedingungen zum großflächigen Auf- und Einbringen von Terra Preta auf und in Böden 5) Kommunikation des Vorhabens und Erstellung einer Handlungsanleitung Öffentlichkeitsarbeit mit dem Ziel einer breiten Akteursbeteiligung an dem Prozess einer nachhaltigen Landnutzung 6) Fachliche und organisatorische Verbundkoordination Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 5

6 Flächenauswahl Anknüpfend an die umfangreichen Kenntnisse zu betroffenen Konversionsliegenschaften aus dem BMBF-Projekt BioRefine (FKZ A-D) und weiterführenden Voruntersuchungen wurden 2 Liegenschaften gewählt 2 Ehem. WGT Liegenschaften (Panzerreparaturwerkstatt und Tanklager) MKW-Belastung Ehem. Teerpappenfabrik PAK- Belastung Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 6

7 Flächenauswahl Panzerreparaturwerkstatt und Tanklager Ölteich Panzerreparatureinheit Untersuchungsgebiet Tanklager Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 7

8 Flächenauswahl Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 8

9 Flächenauswahl ehemalig industrielle Nutzung: Teerpappenfabrik Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 9

10 Versuchsdesign Kontaminierte Flächen Gefäßversuche Lysimeterversuche Freilandversuche Physikalische, physikalisch-chemische und chemische Untersuchungen zur Charakterisierung der Böden und der eingesetzten Substrate - Schadstoffe (anorganisch/organisch) - Elutionsuntersuchungen - Bodenbiologische Untersuchungen Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 10

11 Bodenentnahme Kontaminierter Boden (PAK) Bodenentnahme (kontaminiert) Kontaminierter Boden (MKW) Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 11

12 Untersuchung der Inputstoffe Grünschnitt Schmalfelder Hof Biokohle Pyreg GmbH Biokohle Schottdorf Gärrreste BGA Bischheim private und kommunale Anlieferer aus gesiebten Grünschnitt aus Holzhackschnitzeln/Rinde von Waldstandorten NaWaRo-Gärreste ohne Gülleanteil Qualität der Inputstoffe für die Herstellung der TPS entscheidend! Analysen: a) anorganische Stoffe (Schwermetalle, Spurenelemente) b) organische Schadstoffe (PAK, PCB) c) Makronährstoffe (N, P, K, Mg) d) ph-wert, Salzgehalt, TS, Glühverlust, Rohdichte Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 12 12

13 Analytik der Inputstoffe Parameter Grünschnitt Schmalfelder Hof Biokohle Pyreg Biokohle Schottdorf Gärreste Bischheim chemisch-physikalische Parameter Trockensubstanz Wassergehalt Glühverlust ph (CaCl 2 ) Salzgehalt Rohdichte, frisch Rohdichte, trocken Pflanzennährstoffe Stickstoff, gesamt (N) in Bearb. Phosphat, gesamt (als P 2 O 5 ) in Bearb. Kalium, gesamt (als K 2 O) in Bearb. Magnesium, gesamt (als MgO) in Bearb. organische Schadstoffe Summe PAK (EPA) Summe 6 PCB PCDD 2378-Kongenere PCDF 2378-Kongenere anorganische Stoffe Arsen Blei Cadmium Chrom Kupfer Nickel Quecksilber Zink [mg/kg TS] Inputstoffe BioAbfV BioAbfV Richtwerte Spannweiten 20 t 30 t BGK Blei < Cadmium <0,4 - <0,8 1,5 1 1,5 Chrom < Kupfer Plausibilitätswerte Nickel < Quecksilber <0,01-0,2 1 0,7 1,0 Zink Plausibilitätswerte BGK - Bundesgütegemeinschaft Kompost e.v. Grenzwerte BioAbfV für Ausbringungsmenge 20 t/ha und 30 t/ha sowie Richtwerte BGK werden unterschritten [mg/kg TS] Grünschnitt Schmalfelder Hof Biokohle Pyreg GmbH Biokohle Schottdorf Gärreste Bischheim Vorsorgewerte BBodSchV* PAK nach EPA 0,6 0,2 5,0 0,4 10 PCB *Humusgehalt > 8 % 0,003 < 0,001 n.b. < 0,06 0,1 Organische Schadstoffgehalte sind als gering einzuschätzen FAZIT: Qualität der Inputstoffe ist geeignet für die Herstellung der TPS Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 13 13

14 Grundcharakterisierung Substrat und Böden Physikalisch-chemische Parameter der TPS-Chargen und verwendeten Böden Parameter Böden TP - LA - A3 (15% Kohle) TP - LA - B3 (30% Kohle) unk.b. (< 2mm) MKW (< 2mm) PAK (< 2 mm) Trockensubstanz [% FS] 45,5 54,5 92,9 93,8 95,42 Wassergehalt [% FS] 51,5 48,5 7,1 6,2 4,58 ph (CaCl2) 7,53 7,60 6,35 4,57 7,12 Salzgehalt (feucht) [g/l] 3,50 1,94 0,3 0,02 0,28 Rohdichte (feucht) [g/l] 772, , ,1 Rohdichte (trocken) [g/l] Maximale Wasserkapazität [Vol.-%] 71,8 77,5 39,4 41,3 39,5 Corg (aus Glühverlust) [% TS] 27,4 30,0 1,7 0,6 1,97 Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 14

15 Grundcharakterisierung Substrat und Böden NPK-Gehalte der TPS-Chargen und verwendeten Böden Parameter Böden TP - LA - A3 (15% Kohle) TP - LA - B3 (30% Kohle) unk.b. (< 2mm) MKW (< 2mm) PAK (< 2 mm) Stickstoff gesamt [%] 1,2 1,0 0,07 0,04 0,08 Phosphor gesamt [mg/kg TS] Kalium gesamt [mg/kg TS] Nährstoffgehalte der unkontaminierten und kontaminierten Böden in der Größenordnung vergleichbar Stickstoff, Phosphor und Kalium in der TPS erwartungsgemäß um ein Vielfaches höher Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 15

16 Versuchsdesign Gefäßversuche MKW, PAK kontaminierte und unkontaminierte Böden Unbepflanzte Ansätze 2,8 M.-% mit 15 Vol.% BK mit 30 Vol.% BK 14 M.-% mit 15 Vol.% BK mit 30 Vol.% BK TPS-Varianten: Biokohle-Zusätze: Bepflanzte Ansätze 14 M.-% mit 15 Vol.% BK mit 30 Vol.% BK Menge entspricht dem Biokohleanteil der TPS mit 30 Vol-% Biokohle Reine TPS-Ansätze Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 16

17 Gefäßversuche MKW-Gehalte MKW MKW MKW MKW MKW MKW MKW ,8 (15) 2,8 (30) 14 (15) 14 (30) BK (30) unk. B., MKW-Gehalte in mg/kg TS, rot: Gesamtgehalte C10 C40, blau mobiler Anteil C10-C22 MKW-Gehalte der Mischungen: mg/kg TS (kein Einfluss der Einmischungsmenge auf die Gehalte) sehr hohe mobile MKW-Gehalte: 89 und 95 %, Ausnahme: MKW + 14(30) mit 53,6 % Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 17

18 Gefäßversuche PAK-Gehalte PAK PAK PAK PAK PAK PAK PAK ,8 (15) 2,8 (30) 14 (15) 14 (30) BK (30) unk. B., ,2 130,2 175,4 183,4 134,7 100,7 PAK-Gehalte in mg/kg TS PAK-Gehalte der Mischungen: 130,2 184,2 mg/kg TS (kein Einfluss der Einmischungsmenge auf die Gehalte) Den höchsten Anteil an der PAK-Kontamination (reiner PAK-Boden) haben die Stoffe Fluoranthen mit 16 %, Pyren mit 15 % und Benzo(a)pyren mit 10,1 % Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 18

19 Vorbereitung der Gefäßversuche Mischung 2,8 M-% TS Terra Preta Substrat (10 V-%) Mischung 14 M-% TS Terra Preta Substrat (50 V-%) Mischung 2,8 M-% TS Terra Preta Substrat (10 V-%) Mischung 14 M-% TS Terra Preta Substrat (50 V-%) Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 19

20 Gefäßversuche - Parameter Böden/TPS Beprobung und Analyse des Bodens/ der Substrate: zu Beginn der Versuche nach Ende der Vegetationsperiode PAK, MKW Wassergehalt, ph-wert, elektrische Leitfähigkeit, KAK C t, N t, S t, N min, KAK pot, P verf, K verf, Mg verf, C org. Ca, Mg, K, P, Mn, Cu, Zn, Ni, Cr, Pb, Cd, Hg, AS, Tl, Elutions- Säulen- und Schüttelversuche Bodenbiologischen Leistungen (in Bearbeitung): Bodenbiomasse Bodenatmung Nitrifikation Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 20 20

21 Gefäßversuche Keimungsrate Trocken- und Frischgewicht (Spross, Blätter, Wurzel) Sprosslänge zu Beginn der Vegetationsperiode am Ende der Vegetationsperiode morphologische Veränderungen (Wuchs, Verfärbungen) phänologische Entwicklungsstadien (BBCH-Codierung) Pflanzenlänge Chlorophyllmessungen während und am Ende der Vegetationsperiode während der Vegetationsperiode während der Vegetationsperiode während der Vegetationsperiode Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 21

22 Gefäßversuche Es zeigte sich eine starke Hydrophobie der ausgetrockneten Böden. Aussaat von jeweils drei Maiskörnern pro Gefäß am Keimungsrate lag fast überall bei 100% Ausdünnung der Gefäße (eine Pflanze pro Gefäß) am Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 22 22

23 Gefäßversuche MKW-Kontamination Wochen nach Aussaat) (ohne Düngung der TPS) MKW MKW + unk. Boden MKW + TPS A3 MKW + TPS B3 MKW + BK TPS A3 TPS B3 Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 23 23

24 Gefäßversuche PAK-Kontamination Wochen nach Aussaat) (ohne Düngung der TPS) PAK PAK + unk. Boden PAK + TPS A3 PAK+ TPS B3 PAK+ BK TPS A3 TPS B3 Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 24 24

25 Gefäßversuche MKW-Kontamination Wochen nach Aussaat MKW MKW + unk. Boden MKW + TPS A3 MKW + TPS B3 MKW + BK Unk. Boden Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 25 25

26 Gefäßversuche PAK-Kontamination Wochen nach Aussaat PAK PAK + unk. Boden PAK + TPS A3 PAK+ TPS B3 PAK+ BK Unk. Boden Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 26 26

27 Gefäßversuche Fazit Pflanzenwachstum Erhöhtes Pflanzenwachstum bei 30 Vol-% gegenüber 15Vol-% Biokohleanteil in den Substraten Ergänzungsdüngung N der TPS Ansätze war notwendig da der zugegebene organische Stickstoff nur langsam freigesetzt wurde nicht aufgeladene Biokohle zeigte keine positiven Effekte hinsichtlich des Pflanzenwachstums Hemmung des Pflanzenwachstums bei MKW-Kontamination wesentlich stärker als bei PAK-Kontamination aufgrund der höheren verfügbaren MKW- Anteile Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 27 27

28 Zusammenfassung und Ausblick Verbesserung der ökologischen Bodenfunktionen Maßnahmen zur Erhöhung des Selbstreinigungspotentials kontaminierter Böden Auswirkungen auf die Diversität und Aktivität der Bodenorganismen Erarbeitung von wissenschaftlichen Grundlagen zur Beschleunigung der Entscheidung zur Nachnutzung der Flächen, z. B. für den Anbau von nachwachsenden Rohstoffen oder Inwertsetzung innerstädtischer Industriebrachen als Erholungsflächen Renaturierung kontaminierter Flächen Verallgemeinerung des Herangehens für andere Schadstoffe und Szenarien Festlegung von Qualitätsstandards für Ausgangsstoffe und Endprodukte Implementierung in entsprechende rechtliche Regularien Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 28

29 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 29 29

30 Gefäßversuche Düngung Ansätze ohne TPS Einmischung: - Grünkorn von Substral ( ) 40 kg N/ha ( ) - Blumendünger flüssig (7+3+6) 200 kg N/ha ( ) - Kalken der MKW Ansätze aufgrund von niedrigen ph-wert Chlorophyllmessung mit SPAD 502Plus ergab N-Mangel bei TPS Varianten Ansätze mit TPS: Düngung mit Ammoniumnitrat 100 kg N/ha ( ) Prof. Dr. mult. Dr. h. c. Konstantin Terytze Freie Universität Berlin, AG Geoökologie 30 30