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TerraBoGa-Workshop „Biokohle im Gartenbau”, 23.-24. Juni 2015, BerlinRené Schatten23.06.2015

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Einfluss von Biokohle auf das Elutionsverhalten von Nähr- und

Schadstoffen aus Komposten und Böden

René Schatten, Robert Wagner, Christian Krüger, Bojtscho Rangelov und Konstantin Terytze

Freie Universität Berlin, FB Geowissenschaften, AG Geoökologie

Research forinnovationclim

ateprotection

sustainability

TerraBoGa-Workshop „Biokohle im Gartenbau“22.-23. Juni 2015 im Botanischen Garten Berlin-Dahlem


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Einführung

Es besteht grundsätzlich die potenzielle Gefahr einer Mobilisierung und Auswaschung von Nähr- und Schadstoffen aus Böden und Komposten/Pflanzsubstraten

Zielstellung: Untersuchung des Elutions-/Freisetzungsverhaltens von

Nähr- und Schadstoffen aus Komposten und Böden mit/ohne Biokohle (Umweltwirkung; Rückhaltefunktion)

Betrachtung von Alterungs-/Lagerungseffekten

Ausgewaschene Nährstoffe stehen der Pflanze nicht mehr zur Verfügung

Freigesetzte Nähr-/Schadstoffe stellen ein Gefährdungspotenzial für die Umwelt dar (z.B. Grundwasserverunreinigungen mit Nitrat und organischen/anorg. Schadstoffen; Gewässerbelastungen)

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Welchen Einfluss hat Biokohle auf Leaching/ Elution von Nähr- und Schadstoffen?


3

Einführung

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(Vermutete) Effekte von Biokohle auf die Nährstofffreisetzung:


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Einführung

Beladung der Biokohle mit Nährstoffen; Sorption von Stickstoff (NH4/NH3; NO3) an Biokohle (Kammann et al., 2015; 2012; 2011; Glaser und Kammann, 2013)

Literaturauswahl zur Thematik:

„Alterung“ der Biokohle (Oberflächenoxidation, -aktivierung) (Kammann, 2012; Lehmann, 2009)

Reduzierte Auswaschungen von Nitrat, Ammonium und Phosphor (Yao et al., 2012)

Reduzierte Auswaschungen von PAK, Calcium, Magnesium und Phosphor (Major et al., 2012)

Scientific Reports (Nature PG)

Relativ wenige Veröffentlichungen zur Thematik existent (v.a. Zugabe von Biokohle in Böden; kaum Daten zur Elution von Biokohlekompost/-substrate vorhanden)


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Durchführung der Elutionsversuche im Rahmen zweier Forschungsprojekte: TerraBoGa (UEP II; SenStadtUm des Landes Berlin und EFRE) → „Schließung von

Kreisläufen durch Energie- und Stoffstrommanagement bei Nutzung der Terra-Preta-Technologie im Botanischen Garten im Hinblick auf Ressourceneffizienz und Klimaschutz – Modellprojekt Urban Farming“ (www.terraboga.de)

LaTerra (Nachhaltiges Landmanagement; BMBF) → „Nachhaltige Landnutzung durch regionales Energie- und Stoffstrommanagement bei Nutzung der Terra-Preta-Technologie auf militärischen Konversionsflächen und ertragsschwachen Standorten“ (laterra-forschung.de)

Prüfung der Umweltwirkung mittels Elutionsuntersuchungen, Pflanzen- und Biotests ist eine Zielstellung innerhalb o.g. Projekte

Material & Methoden


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Material & Methoden

7 Komposte je mit/ohne BK (20% v/v) (bislang)

Wassergehalt: 15-40 %

pH-Wert: 6,6 (gealtert) - 7,9 (frisch)

Organische Substanz: 21-42 %

Nährstoffe und Schwermetalle halten die Richt- bzw. Grenzwerte der BGK* ein

15 Böden/BK/BKS-Mischungen (bislang)

PAK; PAK+BKS (50% v/v); PAK+BK (15% v/v); MKW; MKW+BKS (15% v/v)

Wassergehalt: 5-20 %

pH-Wert: 4,9-7,8

Organische Substanz: 2-12 %

PAK-Gehalte: 43-133 mg/kg TS

MKW-Gehalte: 515-2.900 mg/kg TS

*Bundesgütegemeinschaft Kompost e.V.


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Material & Methoden

Schüttelverfahren DIN 19527: 2012-08 (org. Stoffe) DIN 19529: 2009-01 (anorg. Stoffe) Statischer Test (nur einmalige

Eluatbeprobung möglich; W/F 2:1) 24h-Überkopfschütteln

(→ hoher mechanischer Abrieb)

Perkolationsverfahren(Säulentest)

DIN 19528: 2009-01 (org.+anorg. Stoffe) Dynamischer Test (mehrmalige Eluat-

beprobung über die Zeit möglich; div. W/F) Perkolation im Aufwärtsstrom

(→ Vermeidung präferenzielle Fließwege)

Erhebung von Eluatparametern, z.B. Volumen, Trübung, pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit, sowie Nährstoffe, PAK, MKW, Schwermetalle und Kohlenstoff (TC/TOC)


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Elutionsverhalten (Biokohle)komposte

0 2 4 61

10

100

1000

10000

W/F [L/kg TS]

Nitr

at (N

O3-

) [m

g/L]

NO3--Konzentration im Eluat

GA2 IR0%

GA2 IR15%

GA2 F0%

GA2 F15%

0 2 4 60

5

10

15

20

25

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35

W/F [L/kg TS]Ph

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) [m

g/L]

P-Konzentration im EluatGA2 IR0%

GA2 IR15%

GA2 F0%

GA2 F15%

0 2 4 60

200

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600

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1400

W/F [L/kg TS]

Kaliu

m (K

) [m

g/L]

K-Konzentration im Eluat

GA2 IR0%

GA2 IR15%

GA2 F0%

GA2 F15%

0 2 4 60

100

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300

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W/F [L/kg TS]

Calc

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(Ca)

[mg/

L]

Ca-Konzentration im Eluat

GA2 IR0%

GA2 IR15%

GA2 F0%

GA2 F15%

0 2 4 60

20

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W/F [L/kg TS]

Mag

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g) [m

g/L]

Mg-Konzentration im Eluat

GA2 IR0%

GA2 IR15%

GA2 F0%

GA2 F15%

0 2 4 60

102030405060708090

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W/F [L/kg TS]

Schw

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(S) [

mg/

L]

S-Konzentration im Eluat

GA2 IR0%

GA2 IR15%

GA2 F0%

GA2 F15%


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Elutionsverhalten (Biokohle)kompost

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

NO3 P K Mg Ca S

mg/

kg T

S ku

mul

iert

GA8 oBKGA8 mBK

Kumulierte freigesetzte Nährstoffgehalte

• Freisetzungen der o.g. Makronährstoffe und der Mikronährstoffe (Mangan, Kupfer, Molybdän) i.d.R. gut mit den wenigen Literaturangaben vergleichbar

• Co-kompostierte Biokohle führt i.d.R. zu einer reduzierten Freisetzung von NO3-, P, Mg, Ca, Sbei gleichen Ausgangs-Gesamtgehalten im Feststoff

0

200

400

600

800

1000

1200

NO3- P K Mg Ca S

mg/

kg T

S ku

mul

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GA2 IR oBK

GA2 IR mBK

GA2 F oBK

GA2 F mBK

bis W/F 4 ≙ 1 Jahresniederschlag Berlin bis W/F 20 ≙ 5 Jahresniederschläge Bln.


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Reduzierung der Nährstofffreisetzung aus Biokohlekomposten(Angabe d. Spannweiten; n=7 Komposte jeweils mit/ohne BK)

Schüttelversuch

Prozentuale Abweichung vom Substrat ohne Biokohle0-10-20 +10 +20 +30 +40

Nitrat

+50

Phosphor

Kalium

frisch produziert

gealtert/gelagert

Säulenversuch

frisch produziert

gealtert/gelagert

frisch produziert

gealtert/gelagert


Alterung/Lagerung der Biokohle beeinflusst N-P-K-Rückhalt positiv


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Reduzierung der Nährstofffreisetzung aus Biokohlekomposten(Angabe d. Spannweiten; n=7 Komposte jeweils mit/ohne BK)

Schüttelversuch

Prozentuale Abweichung vom Substrat ohne Biokohle0-10-20 +10 +20 +30 +40

Magnesium

+50

Calcium

Schwefel

frisch produziert

gealtert/gelagert

Säulenversuch

frisch produziert

gealtert/gelagert

frisch produziert

gealtert/gelagert



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• Eluierbare Anteile <0,2% (i.d.R. <0,1%) vom PAK-Gesamtgehalt, trotz hoher Eluat-Konzentrationen (>0,2µg/L)

• keine Verschiebung der PAK-Einzelverbindungen erkennbar

• Einfluss BK/BKS zeitlich verzögert (1-2 Vegetationsperioden)

• lösungsvermittelnde Eig. des TOC/DOC sowie trübungs-abhängige partikuläre Austräge beeinflussen die Freisetzung

Elutionsverhalten Böden/BKS-Mischungen

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

PAK PAK+ 50Vol-% BKS PAK + 15Vol-% BK

Ante

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AK-G

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[%]

Frühjahr 2012

Herbst 2012

Herbst 2013

0

10

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70

80

0 1 2 3 4

Trüb

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[FN

U]

W/F [L/kg TS]

Trübung nach ZentrifugationPAK

PAK+BKS

PAK+BK

0 1 2 3 40

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W/F [L/kg TS]TO

C [m

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TOCPAK

PAK+BKS

PAK+BK

Prozentuale Freisetzung vom PAK-Gesamtgehalt


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0-20-40 +20 +40 +60 +80

16 EPA-PAK

+100

PAK+BKS nach 1 Veg.periode

PAK+BK nach 1 Veg.periode

PAK+BKS nach 2 Veg.perioden

PAK+BK nach 2 Veg.perioden

MKWMKW+BKS nach 2 Veg.perioden

Schüttelversuch

Säulenversuch

Prozentuale Abweichung vom Boden ohne Biokohle

Elutionsverhalten Boden/BK/BKS-Mischungen Freiland

Reduzierung der PAK/MKW-Freisetzung aus Boden/BK/BKS-Mischungen(Angabe d. Spannweiten; n=5 Böden jeweils mit/ohne BK/BKS; außer MKW n=2)


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Kommentare/Erkenntnisse zu methodischen Aspekten

Normung der Elutionsversuche im DIN NA 119-01-02-05 UA „Elutionsverfahren“ Elutionsmethoden bisher nicht für Kompost bzw. Böden mit Biokohleapplikation validiert Ergebnisse aus TerraBoGa & LaTerra fließen bereits in die Normungsarbeit ein Neu: Standtest W/F 2:1 Vorlage zur E DIN 19546: 2014-02 (Entwurf 2./3. Quartal 2015)

Normung „neue“ Matrix Biokohle:

Bedarf an Methodenadaption:

Biokohle beeinflusst teilw. gängige Analytikverfahren, die direkt/indirekt die Freisetzung tangieren, u.a.: Elutionsmethoden: hoher Wassergehalt problematisch für W/F-Einst. Wasserhaltekapazität, Kationenaustauschkapazität Nitratbestimmung im Feststoff (vgl. Kammann, 2015) PAK-Bestimmung: evtl. längere Toluol-Extraktion geeigneter?

Methodenbetrachtung sollte unbedingt vorangebracht werden


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7) Zusammenfassung & Ausblick

Co-kompostierte Biokohle führt zu einer Reduzierung der Freisetzung aus frisch hergestellten Biokohlekomposten von bis zu 10% Nitrat, 25% Phosphor, 16% Magnesium, 17% Schwefel und 30% Kalium

Anwendung von BK und BKS reduziert i.d.R. die Freisetzungen von PAK (30-90%) sowie MKW (ca. 25%)

Alterung/Lagerung der BK/des BKS beeinflusst Nähr-/Schadstoffrückhalt positiv

Erhöhter Nähr-/Schadstoffrückhalt können zur nachhaltigen Betrachtung der Umweltwirkung und der Anwendung von Düngemittel beitragen

…die nächsten Schritte: Beenden der Auswertung der Gefäßversuche (TerraBoGa & LaTerra); Tendenz: BK zeigt auch hier

positive Effekte hinsichtlich Nährstoffrückhalt

Berechnung von Sickerwasserprognosen nach BBodSchV für den Wirkungspfad Boden-GW Auswertung Sorptionsversuche von Nährstoffen an purer Biokohle (BA in Bearbeitung)

Notwendigkeit für weitere Untersuchungen der „neuen“ Matrix Biokohle ist gegeben (v.a. auch methodische/analytische Aspekte)


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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

und Dank an:

Kontakt:Dipl.-Geogr. René SchattenFreie Universität Berlin FB GeowissenschaftenAG Geoö[email protected](030) 838 70492

Arbeitsgruppe Geoökologie

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