Biologische Abbaubarkeit von Tensiden (waschaktive Substanzen)

Transkript

1 Biologische Abbaubarkeit von Tensiden (waschaktive Substanzen) Biologische Abbaubarkeit im Allgemeinen Bei der Betrachtung des biologischen Abbaus von Substanzen, die in der Natur unerwünscht sind, weil sie dort Schaden anrichten könnten, wird von der Biologischen Abbaubarkeit gesprochen. In erster Linie ist unter Biologischer Abbaubarkeit das Abbauen oder Zerstören einer organischen Substanz auf biologischem Weg zu verstehen. Der Abbauvorgang wird meistens durch Mikro-organismen durchgeführt, die Ihren natürlichen Lebensraum in Gewässern haben. Mikroorganismen sind mikroskopisch kleine, einzellige Organismen, wie beispielweise Bakterien, Pilze oder Algen (Blaualgen), jedoch keine Viren. Die Biologische Abbaubarkeit definiert, wie schnell und wie gut Mikroorganismen eine organische Substanz zersetzen können. Tenside (waschaktive Substanzen) In fast allen Wasch- und Reinigungsmitteln sind Tenside (Seifen, Detergenzien) enthalten, die maßgeblich für die Reinigung verantwortlich sind. Tenside sind organische Substanzen, die in der Lage sind, aufgrund ihrer chemischen Beschaffenheit zwei ansonsten nicht mischbare Substanzen zusammenzuführen. Schmutzpartikel und Wasser sind beispielsweise zwei nicht mischbare Substanzen, wodurch ausschließlich mit Wasser kaum eine Reinigung erzielt werden kann. Tenside agieren zwischen den Grenzen zweier nicht mischbarer Substanzen als Vermittler. Diese Grenzflächenaktive Substanzen wirken Oberflächenspannung reduzierend auf Wasser, wodurch Gegenstände besser benetzt werden können. Zudem können sich Tenside zwischen Schmutz und andere Materialien schieben, Verunreinigungen ablösen und zerkleinern. Anschließend kann der Schmutz mit der Waschflotte abgeführt werden. Zwar ist das zu reinigende Material nun sauber, jedoch ist das Schmutzwasser (Abwasser) nun mit Tensiden verunreinigt. Diese Tenside müssen nun wieder unschädlich gemacht werden, so dass sie weder Umwelt noch Mensch gefährden können.

2 Biologischer Abbau von Tensiden in Wasch- und Reinigungsmitteln Neben der Waschleistung ist, der Umwelt und der Gesundheit des Menschen zuliebe, auch die biologische Abbaubarkeit bei der Beurteilung von Wasch- und Reinigungsmitteln ein wichtiger Aspekt. Am besten ist ein vollständiger Abbau. Hierbei werden die organischen Verbindungen, aus denen die Tenside bestehen, vollständig zu Kohlendioxid, Wasser und Mineralstoffe abgebaut. Dieser vollständige Abbau, auch Totalabbau genannt, wird durch Stoffwechselvorgänge von Mikroorga-nismen vollzogen, die entsprechende organische Substanzen als Nahrungsquelle nutzen. Dieser Abbauvorgang muss jedoch kontrolliert erfolgen, indem mit Tensiden verunreinigte Abwässer in eine biologische Kläranlage abgegeben werden, da bei diesem Oxidationsvorgang eine hohe Menge an Sauerstoff verbraucht wird. Gelangen Abwässer, die mit diesen Substanzen verunreinigt sind, unkontrolliert in die Umgebung, so können sie dazu führen, dass Gewässer umkippen. Tenside können gut abbaubar sein. Abhängig ist dies vom Molekülaufbau. Je weiter diese von der Struktur der in der Natur vorkommenden Stoffe abweicht, desto schwerer abbaubar sind die Verbindungen. Dies kann auch dazu führen, dass diese Stoffe den Abbau anderer Stoffe letztendlich hemmen oder sogar verhindern, und somit die Arbeit der Kläranlagen erschweren. Letztendlich wirken sie dann giftig auf Oberflächengewässer und auf Wasserlebewesen. Die Entwicklung in der Reinigungsmittelchemie hat neuartige Substanzen hervorgebracht, die weitestgehend aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden, und daher vollständig abbaubar sind. Somit sind sie auch nicht toxisch für die Umwelt. Der biologische Abbau von Tensiden wird in zwei Schritte unterteilt: Davon ausgehend, dass die mit Tensiden beladenen Abwässer in eine Kläranlage gelangen, durchlaufen diese eine Reinigungskette wie folgt: Der Abbauprozess des biologischen Abbaus von organischen Stoffen findet z.b. in Kläranlagen bei der Abwasserreinigung statt. Nach der ersten Stufe (Vorstufe, mechanische Reinigung), in der grobe Bestandteile durch Rechen und Absetz- oder Vorklärbecken getrennt werden, folgt die biologische zweite Stufe (Primärabbau), in der die löslichen Abwasserbestandteile mit den Mikroorganismen in Kontakt gebracht werden. Man spricht hier vom sog. Belebtschlamm (auch: belebter Schlamm), welcher eine Ansammlung vieler Kleinstlebewesen (Mikroorganismen) ist.

3 Der Primärabbau ist der erste und entscheidende Schritt des biologischen Abbauprozesses. In einigen wenigen Stufen werden die organischen Substanzen durch Oxidation und Veränderung der Struktur eliminiert. Dabei verlieren die eingesetzten Tenside ihre charakteristische, schmutzlösende Eigenschaft und gleichzeitig ihre Gefährlichkeit für Wasserlebewesen. Dieser Prozess läuft sehr schnell ab, teilweise schon in der Kanalisation auf dem Weg zur Kläranlage. Der Abbau ist hiermit jedoch noch nicht abgeschlossen. Es folgt der Endabbau. Beim Endabbau wird das letzte Zwischenprodukt des Primärabbaus mineralisiert, bis nur noch Kohlendioxid, Wasser und Mineralstoffe übrig bleiben. Dabei vermehren sich in der Kläranlage die Bakterien, das heißt es entsteht Biomasse. Der ganze biologische Prozess, d. h. Primärabbau und Endabbau zusammengefasst, wird als Totalabbau bezeichnet. Mikroorganismen leben davon, die in der Natur befindlichen organischen Stoffe zu zersetzen. Demnach stellen auch die von Menschen zusätzlich in die Natur eingeführten organischen Substanzen eine Nahrungsquelle dar. Jedoch nur, wenn diese nicht toxisch auf Mikroorganismen wirken und Mikroorganismen in der Lage sind, diese Substanzen anzugreifen. Um abschätzen zu können, wie gut Tenside sich abbauen lassen, wurden Tests entwickelt, mit denen sich die biologische Abbaubarkeit messen lässt. Bei diesen Abbaubarkeitstests werden Mikroorganismen (hier: Bakterien) zusammen mit der Prüfsubstanz (z.b. mit Tensiden angereichertes Abwasser) in einen Behälter gegeben. Der Abbauvorgang kann dann über die Menge an entstehendem Kohlendioxid oder an der Abnahme an Sauerstoff überwacht werden. Letztendlich kann somit bestimmt werden, ob die organische Substanz (das Tensid) vollständig oder nur teilweise abgebaut wird, und gibt so Aufschluss darüber, ob ein Totalabbau vollzogen werden kann, bzw. wie weit ein Abbau im Verhältnis zur Ausgangsmenge abläuft. Dieser Test lässt Rückschlüsse auf die biologische Abbaubarkeit zu, und dient der Kontrolle der Einhaltung gesetzlich geforderter Richtwerte. Weshalb ist der Biologische Abbau von Tensiden so wichtig? Nach dem zweiten Weltkrieg wurde die gut eliminierbare Seife durch ein petrochemisches Tensid ersetzt. Im trockenen Sommer 1959 führte dies zu einer starken Schaumentwicklung auf Flüssen und anderen Oberflächengewässern, welche auf der schlechten Abbaubarkeit der Tenside beruhte. Dies zeigt, wie wichtig die biologische Abbaubarkeit von Tensiden ist.

4 Seit diesem Ereignis begann man das biologische Verhalten der Tenside im Abwasser zu untersuchen. Die damals vorrangige schlechte Abbaubarkeit war auf die Verwendung eines komplexen Tensids zurückzuführen, welches heute keine Anwendung mehr findet. Komplexe Strukturen können von Mikroorganismen nur schlecht angegriffen werden, wodurch diese Moleküle nur schwer abgebaut werden können. Die heute eingesetzten Tenside werden bis zu 90% sehr schnell abgebaut. Die restlichen 10% werden in einer nachgeschalteten chemischen Reinigung (Flockung und Fällung) auch noch eliminiert. Hier gibt es viele verschiedene Verfahren. Um die Umwelt nachhaltig zu entlasten und die Gesundheit des Menschen zu gewährleisten, hat der Gesetzgeber Regelwerke etabliert, die das Inverkehrbringen von organischen Substanzen, die nach ihrer bestimmungsgemäßen Anwendung in die Umwelt gelangen könnten, regelt. Ein solches Regelwerk ist die Detergenzienverordnung aus dem Jahre Detergenzienverordnung (EG) Nr. 648/2004: Diese Verordnung gilt für alle Wasch- und Reinigungsmittel einschließlich Weichspüler und Waschhilfsmittel. Sie ist seit dem 08. Oktober 2005 in Kraft. Hierin wird auch die biologische Abbaubarkeit von Tensiden in Wasch- und Reinigungsmitteln geregelt. (Es gibt bereits neuere Ergänzungen wie beispielsweise die Verordnung (EG) Nr. 907/2006 sowie die Verordnung (EG) Nr. 551/2009 vom 25. Juni 2009) In Deutschland wurde im Jahre 2007 mit dem Neuen Wasch- und Reinigungsmittelgesetz das national geltende Recht an das EU-Recht angepasst. Dieses Wasch- und Reinigungsmittelgesetz aus dem Jahre 2007, welches am in Kraft getreten ist, löst das Wasch- und Reinigungsmittel-gesetz aus dem Jahre 1987 ab, und ergänzt die EU- Detergenzienverordnung (EG) Nr. 648/2004. Laut EU-Detergenzienverordnung dürfen nur noch Wasch- und Reinigungsmittel in den Verkehr gebracht werden, deren waschaktive Substanzen (Tenside) vollständig biologisch abbaubar sind. Die Verordnung definiert bestimmte Vorgaben zur biologischen Endabbaubarkeit der zum Einsatz kommenden Tenside. So müssen die eingesetzten Stoffe nach 28 Tagen zu mehr als 60% biologisch vollständig abgebaut sein. Sie gelten damit als leicht abbaubar. Diese Vorgabe beruht zudem auf bestimmte, in der Verordnung niedergeschriebene Prüfverfahren. Das Wasch- und Reinigungsmittelgesetz (WRMG) vom 29. April 2007 (am in Kraft getreten) verweist auf die Bestimmungen und Prüfverfahren der EU-Verordnung. So gilt für bestimmte Tenside die oben beschriebene 28-Tage-Regelung, für bestimmte anionische und nichtionische Tenside ist eine primäre Bioabbaubarkeit definiert. Diese besagt, dass

5 entsprechende Wasch- und Reinigungsmittel nur in Verkehr gebracht werden dürfen, wenn die primäre Bioabbaubarkeit der in ihnen enthaltenen anionischen und nichtionischen Tenside mindestens 80% entspricht, wobei diese Rate nach einer vorgegebenen Prüfmethode verifiziert werden muss. Hierfür wurden diverse Labortest entwickelt, wie beispielsweise die Messung des entstandenen Kohlendioxids während der Abbauphase, dessen Gehalt direkt mit der umgesetzten Menge an organischer Substanz korreliert. In solchen Labortests werden Tenside wesentlich langsamer als in Kläranlagen abgebaut. Bestehen Tenside die strengen Abbautests im Labor, so vollzieht sich ihr Abbau unter Alltagsbedingungen im Allgemeinen bereits nach wenigen Stunden zu mehr als der Hälfte. Zahlen: Tenside sind Stoffe, die einzig und allein dem Zweck dienen, zwischen zwei nicht mischbaren Phasen einen Kontakt herzustellen. Es sind also in den meisten Fällen Verbrauchsstoffe, d.h. Stoffe, die nach Gebrauch weggeworfen werden. Sie gelangen somit nach der Anwendung ins Abwasser. Hierzu einige Zahlen, die der besseren Vorstellung bezüglich der Tensidmengen, die ins Abwasser gelangen, dienen (in Deutschland, in den alten Bundesländern im Jahre 1990 verbraucht): 1,6 Mio. t Wasch- und Reinigungsmittel t Haarwaschmittel t Seife t Badezusätze [Quelle: Heinrich Großmann; Tenside und Umwelt; NiU-Chemie (1994) Nr. 21]

6 Phosphate / Phosphonate Die neue (bis auf einige Anpassungen/Änderungen noch aktuelle) Detergenzien-Verordnung (EG) 648/2004, die am in Kraft getreten ist, regelt im Gegensatz zum Wasch- und Reinigungsmittelgesetz der Bundesrepublik Deutschland (WRMG) aus dem Jahre 1987 den Phosphatgehalt im Wasch- und Reinigungsmitteln nicht. In Deutschland wurde zunächst die Phosphatmenge über die Phosphathöchstmengen- Verordnung aus dem Jahre 1980 geregelt. Diese Regelung führte aus Gründen der Akzeptanz beim Verbraucher und aus Marktgründen in Textilwaschmitteln und Haushaltsreinigungsprodukten dazu, dass Phosphate entweder gar nicht mehr oder nur noch selten eingesetzt werden. Phosphate bewirken eine Eutrophierung (Nährstoffeintrag) in Gewässern. Unter Eutrophierung ist die Anreicherung von Nährstoffen in einem Ökosystem zu verstehen. Gelangt eine zu hohe Menge an Phosphaten in die Umwelt, so führt dies zur Überdüngung bzw. Überernährung der Pflanzen einschließlich Wasserpflanzen, Algen und Cyanobakterien. Dies hat einen extrem hohen Verbrauch an Sauerstoff in den Gewässern zur Folge. Das Gewässer kippt um. Hierzu ist bereits eine geringe Konzentration an Phosphat in stehenden Gewässern (Seen) ausreichend (5 10 μg/l) Phosphat-Quellen können hier neben natürlichen Quellen, auch die Landwirtschaft sowie kommunale und industrielle Kläranlagen sein. Die Gewässerqualität wurde seit den 80er Jahren dadurch verbessert, dass der Einsatz an Phosphaten in Wasch- und Reinigungsmitteln reduziert und in textilen Waschmitteln sogar vollständig substituiert wurde. Zudem wurden die Abwässer zunehmend an Kläranlagen mit der Ausstattung von Fällungsstufen zur Phosphatelimination angeschlossen. In Kläranlagen werden die unterschiedlichen Phosphat-Verbindungen wie folgt eliminiert: Mechan. Abwasserbehandlung: 15 % Biol. Abwasserbehandlung: zusätzlich 25 % Gezielte Abwasserbehandlung: zusätzlich > 50 %

7 Eine Untersuchung ergab, dass die Verminderung der P-Einträge mit dem Abwasser geringer ausgefallen wäre, hätte nicht gleichzeitig die Umstellung von Wasch- und Reinigungsmitteln auf weitgehend phosphatfreie Produkte erfolgt. Trotz der technischen Maßnahmen an Kläranlagen bleibt eine Restbelastung im gereinigten Abwasser, die umso größer ist, je höher die Phosphatkonzentration im Rohabwasser ist. Zudem würde eine erhöhte Phosphatkonzentration in Abwässern zu einem erhöhten Einsatz an Fällmitteln führen, und dieses wiederum zu einem höherem Klärschlammanfall, der ebenfalls entsorgt werden müsste. Insofern sei ein vollständiger Verzicht auf Phosphate in Textilwaschmitteln auch weiterhin erforderlich und sollte in andere Bereiche der Reinigungsmittelanwendung ausgedehnt werden so der Verfasser des Berichts. [Quelle: Gerhard Metzner; Phosphate aus Wasch- und Reinigungsmitteln im kommunalen Abwasser der Bundesrepublik Deutschland, ] Phosphate haben auch positive Eigenschaften. So sind sie aufgrund ihrer Struktur in der Lage im Wasser befindliche, unerwünschte Metalle zu binden. Metalle, die dem Verbraucher im Wasser als Wasserhärte bekannt sind, hemmen die Waschaktivität der Wasch- und Reinigungsmittel, und schädigen zudem das Material (z.b. Textilien sowie das Equipment). Um Tenside in ihrer Wirkung zu unterstützen, wurden zur Wasserenthärtung hauptsächlich Phosphatverbindungen (z. B. Pentanatriumtriphosphat) eingesetzt. Durch die Tendenz die Phosphatmenge in Wasch- und Reinigungsmitteln zu reduzieren, musste ein Ersatzstoff gefunden werden. Als Ersatz zu den umweltbelastenden Phosphaten wurden anorganische Ionenaustauscher wie z.b. Zeolith A verwendet. Ein weiterer Komplexbildner stellt die Gruppe der Phosphonate dar. Sie dienen in Wasch- und Reinigungsmittel als Bleichstabilisatoren, da sie als starke Komplexbildner die Fähigkeit besitzen, Schwermetall-Ionen zu binden und unterstützen dadurch die Bleiche. Gerne werden Phosphonate in Wachmitteln als eine Kombination von Komplexbildnern, zur Verhinderung von Ausfällungen und als Bleichmittelstabilisator eingesetzt. Neben ihrer Funktion als Komplexbildner zur Stabilisierung der Bleichmittel und zur Wasserenthärtung, dienen sie zudem auch als Korrosionsinhibitor und in der Form eines Builders als Carrier von Ionenaustauscher. Der Nachteil: Phosphonate sind biologisch schwer abbaubar! Der Grund für die schlechte Abbaubarkeit liegt in der komplexen Struktur der technischen Phosphonate. Die in der Natur vorkommenden Phosphonate können von einigen Bakterien zersetzt (metabolisiert = verstoffwechselt) werden. Technisch eingesetzte Phosphonate

8 ( Polyphosphonate ) unterscheiden sich von den natürlichen Phosphonaten durch ihre Molekülgröße, einer starken negativen Ladung und weil sie mit Metallen komplexiert sind. Abbautests mit Klärschlamm haben ergeben, dass diese technischen Phosphonate von Bakterien nicht angegriffen und somit nicht abgebaut werden. Die Komplexbildner EDTA und NTA, die auch als Gerüststoffe Verwendung finden, sollten aufgrund ihrer zum Teil schädlichen Einflüsse auf Mensch und Umwelt möglichst nicht mehr eingesetzt werden. Sie können Schwermetalle lösen und somit für eine erhöhte Schwermetallbelastung der Umwelt sorgen. Zudem wirkt NTA erbgutverändernd, und EDTA wird als bedenklich eingestuft. Dies Inhaltsstoffe findet man immer noch in Haushaltstprodukten und auch in Shampoos und Duschgelen.