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Prof. Dr. Konstantin Terytze, Dr. Ines Vogel, Florian Worzyk– 73.ANS-Tagung 19./20.09.2012 1

Einsatz von Pflanzenkohlesubstraten zur Beschleunigungdes Abbaus organischer Kontaminationen in Böden

LaTerra

73. Symposium des ANS e. V. - 19. und 20. September 2012 - Berlin

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

Prof. Dr. Konstantin Terytze, Dr. Ines Vogel, Florian Worzyk– 73.ANS-Tagung 19./20.09.2012

Bundesland Informations-stand

Registrierte altlastenverdächtige Flächen

Altablagerungen AltstandorteSumme

Altlastverdächtige Standorte

Baden-Württemberg 2010 1.722 12.118 13.840

Bayern 2011 11.495 5.300 16.795

Berlin/Brandenburg 2011 8.249 17.374 25.623

Bremen 2011 32 3.525 3.557

Hamburg 2011 271 1.557 1.815

Hessen 2011 545 495 1040

Mecklenburg-Vorpommern 2010 2.648 3.187 5.835

Niedersachsen 2011 9.546 84.297 93.825

Nordrhein-Westfalen 2010 30.493 44.877 75.370

Rheinland-Pfalz 2011 11.929 568. 12.497

Saarland 2010 1.650 3234 1.977

Sachsen 2011 6.783 13.002 19.785

Sachsen-Anhalt 2011 5.103 11.579 16.682

Schleswig-Holstein 2010 2.191 11.560 13.781

Thüringen 2011 3.924 8.646 12.570

Deutschland 315.082

Bundesweite Kennzahlen zur Altlastenstatistik (LABO-Bericht 30.07.2011)


Situation im Bundesland Brandenburg:

1989 militärisch genutztes Areal (WGT, NVA):

230.000 ha (8% des gesamten Bundeslandes Brandenburg)

200.000 ha derzeit ohne weitere Nutzung

Situation im Bundesland BRANDENBURG

Sandböden mit geringem

Kohlenstoffgehalt


Kontaminierte Flächen mit avisierter

kostenaufwändiger Sanierung

Wettbewerb um Flächen zwischen Nahrungsmittel- und Energiepflanzenanbau

Worin besteht das Problem vor Ort?

PAK MKW

Probleme


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

Abbau von Schadstoffen

Erhöhung der Bodenfruchtbarbkeit

NachwachsendeRohstoffe

Schließungregionaler Kreisläufe

Projektziele LaTerra


Projekt Partner und Projekt Struktur LaTerra

Wiederaufforstung von Windbruchflächen

Rekultivierung von ehemaligen Tagebauen

Abbau von organischen Bodenkontaminationen


Panzerreparatureinheit und Tanklager

Auswahl der Testflächen

Untersuchungsgebiet

Tanklager

Panzerreparatureinheit

Ölteich

MKW

Ehemals industriell genutzte Liegenschaft – alte Teerpappenfabrik

PAK


Probenahme

PAK‐Kontaminationen

MKW‐Kontaminationen

MKW‐Boden

PAK ‐Boden

MKW‐Gehalt

mg/kg5900 90

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.

Kontaminationslevel


Untersuchungsprogramm

Kontaminierte Flächen(MKW, PAK)

Gefäßversuche ParzellentestsLysimeterversuche

- Physikalische, physikalisch-chemische und chemischeUntersuchungen zur Charakterisierung von

Böden und Substraten- Elutionstests zu anorganischen und organischen

Kontaminanten- Biologische Untersuchungen

(Atmung, Biomasse, Nitirifikation, Regenwurmfluchttest, Keimungstest)

2011 - 2014 2012 - 2014 2012 - 2014


Herstellung der Biokohle-Substrate

BK‐Substrat N P K Corg C/N pH Cu Zn

M.‐% M.‐% M.‐% M.‐% mg 100g‐1

BKS 15 Vol.‐% BK 1.28 0.25 1.0 29 23 7.5 26 146

BKS 30 Vol.‐% BK 1.14 0.17 0.8 39 34 7.5 19 124

Pilotanlage Hengstbacherhof

Areal GmbHAreal GmbH

Inputstoffe:

• Grünschnitt • Pflanzenkohle (15 u. 30 vol.‐%)• flüssige Gärrückstände (5%TM.;300 l m‐³)

• Gesteinsmehl (15 kg m‐³)

Kompostierung/Fermentation +Pflanzenkohle


Regenwurmfluchttest Ziel: Bestimmung der Auswirkungen auf die Fauna an Hand der Substrat‐Preferenz(DIN ISO 17512‐1: 2010‐06)

BK‐Substrate werden nicht bevorzugt, jedoch keine Störung der Habitatfunktion

Bei weniger als 20% der Gesamtwurmzahl im Testsubstrat ist die Habitat‐Funktion eingeschränkt.

Kresse‐Test Ziel: Detektion phytotoxischer Gase (BGK)

Die untersuchten Proben waren frei von phytotoxischen Gasen.

Mindestens 80% der Frischmasse eines Referenzsubstrates EE0 muss erreicht werden.

BKS‐A3 = 99,3 %BKS‐B3 = 83,8 %

GA2 F0% = 6,4GA2 F15% = 3,6

GA2 IR0% = 6,6GA2 IR15% = 3,4

Biologische Tests zur Qualitätssicherung der Substrate

Pitures: Cress test (Karin Friede) Pictures: Eartworm avoidance test (Karin Friede)

Dipl.-Geogr.Karin Friede


Wirkung der Zugabe von Pflanzenkohlesubstrat auf die potentielle Nitrifikation eines unkontaminierten Boden

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

20,0

unk. B. unk. B. +10% TPS-A3

unk. B. + 50% TPS-A3

unk. B. + 10% TPS-B3


unk. B. + BK

Boden-, Boden/Substrat- und Boden/Pflanzenkohle-Mischungen

NO

2-N

[ng/

g/m

in]

Nitrifikation (DIN ISO 15685) – Effekte von BKS auf unkontaminierte Böden

Die Zugabe von BKS führte zur Erhöhung der Nitrifikation.

Schwarzerde (Referenz-Boden) NO2-N=13,3 ng/g/min(Dreher & Hund-Rinke 2001)

Die Zugabe von BKS führte zu einer Verringerung der Rohdichte

Bessere Durchlüftung der Böden

Erhöhung der Aktivität der Nitrifikanten

Die Aktivität der Nitrifikanten erhöhtesich mit zunehmender Substratzugabe.Ein höherer BK-Gehalt führte zu einer geringfügigen Verringerung der Nitrifikation.

Dipl.-Geogr.K. Friede

Rohdichte in Abhängigkeit von der Zugabe von BKS

0,00

200,00

400,00

600,00

800,00

1000,00

1200,00

1400,00

1600,00

unk. B. unk. B. +10% TPS-A3

unk. B. + 50% TPS-A3



unk. B. + BK

Boden-, Boden/Biokohle-Substrat-, und Boden/Biokohle-Mischungen

Roh

dich

te (f

risch

) [g/

l]


Versuchsdesign der Mitscherlich-Gefäß-Versuche 2011

mit Pflanzen

MKW, PAK – kontaminierte und nicht kontaminierte Böden

Biokohlesubstrat‐Zugabe

10 Vol.-% Substrat•15 Vol.% BK (A3)•30 Vol.% BK (B3)



Biokohle‐Zugabe

15 Vol.%

ohne Pflanzen


pH-Wert

0

1

2

3

4

5

6

7

8

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)

Mitscherlich-Versuch 2011 – Variation des Boden-pH (MKW-Kontamination)

→ Bereits durch eine sehr geringe BK-Zugabe (1,5%) wurde ein starkerEinfluss auf den pH-Wert beobachtet.


Growth patter of the maize type Subito in MHC-contaminated soil

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

04.07

.11

11.07

.11

18.07

.11

25.07

.11

01.08

.11

08.08

.11

15.08

.11

22.08

.11

29.08

.11

05.09

.11

12.09

.11

19.09

.11

26.09

.11

03.10

.11hi

ght [

cm]

MHC soil (NPK fertilization) MHC soil + Biochar-Substrate A3 MHC soil + Biochar-Substrate B3MHC soil + Biochar (NPK Fertilization) control (NPK Fertilization)

→ Reduzierung des Pflanzenwachstums durch MKW-Kontaminationen→ Steigerung des Wachstums durch die Einmischung von Pflanzenkohlesubstraten

Gefäßversuche – Wachstumsverlauf der Maispflanze (MKW-Kontaminationen)

Picture: Pot trial, maize type Subito, MHC-soil (Kathrin Rößler)


Growth pattern of the maize plants Subito in PAH contaminated soil

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

04.07

.11

11.07

.11

18.07

.11

25.07

.11

01.08

.11

08.08

.11

15.08

.1122

.08.11

29.08

.11

05.09

.1112

.09.11

19.09

.1126

.09.11

03.10

.11

high

t [cm

]

PAH soil (NPK Fertilization) PAH soil + Biochar-Substrate A3 PAH soil + Biochar-Substrate B3PAH soil + Biochar (NPK Fertilization) control (NPK Fertilization)

Picture: Pot trial, maize type Subito, PAH-soil (Kathrin Rößler)

→ Kaum Einfluss auf das Pflanzenwachstum, da PAK gealtert

Gefäßversuche – Wachstumsverlauf der Maispflanze PAK-Kontaminationen


Bei den Varianten mit kontaminierten Böden (PAK: 100 – 277 mg/kg, MKW: 1900 – 5900 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‐Kontaminationenwar deutlicher zu erkennen als bei PAK‐Kontaminationen aufgrund der höheren verfügbaren MKW‐Anteilen (bis max. 60%, C10 – C22).

Gefäßversuche – Pflanzenwachstum


Ergebnisse zweite Vegetationsperiode - PAK-Kontaminationen

Kontrolle PAK PAK +Sub. A3

(15% BK)

PAK + Sub. B3

(30% BK)

höhere Nährstoffeffizienz

Signifikant höheres Wachstum

keinen Wachstumsdepressionen

1. Grasschnitt Knaulgras

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

PAK

PAK + 50 Vol.%

A3 (15% BK)

PAK + 50 Vol.%

B3 (30% BK)

PAK + 15 Vol.%

BK

[g]

Knaulgras - Dactylis glomerata

In den Pflanzenkohlesubstarten:


Kontrolle MKW MKW +Sub. A3

(15% BK)

MKW + Sub. B3

(30% BK)

In den Pflanzenkohlesubstarten: höhere Nährstoffeffizienz

signifikantes Wachstum

keinen Wachstums-depressionen

Ergebnisse zweite Vegetationsperiode - MKW-Kontaminationen

1. Grasschnitt Knaulgras

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

MKW

MKW + 50

Vol.% A3 (1

5% BK)

MKW + 50

Vol.% B3 (3

0% BK)

MKW + 15

Vol.% BK

[g]

Knaulgras - Dactylis glomerata


Gefäßversuche – Reduzierung der MKW Gehalte

Reduzierungsrate der MKW in [%]

70,01

85,6995,48 92,78 92,39 95,08

0

20

40

60

80

100

120

MKW

MKW + 10 Vol%

TPS A3

MKW + 10 Vol%

TPS B3

MKW + 50 Vol%

TPS A3

MKW + 50 Vol%

TPS B3

MKW + BK

Red

uzie

rung

in [%

]

MWK-Bodengehalte (Absolutwerte)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

MKWMKW

+ 10

Vol% TPS A

3MKW

+ 10

Vol% TPS B

3MKW

+ 50

Vol% TPS A

3MKW

+ 50

Vol% TPS B

3

MKW +

BK

MK

W [m

g/kg

]

Anfangsgehalt Endgehalt


Gefäßversuche – Reduzierung der PAK Gehalte

PAK Bodengehalte (Absolutwerte)

0

50

100

150

200

250

300

PAK

PAK + 10 Vol%

TPS A3

PAK + 10 Vol%

TPS B3

PAK + 50 Vol%

TPS A3

PAK + 50 Vol%

TPS B3

PAK + BK

PAK

[mg/

kg B

oden

]

Anfangsgehalt EndgehaltReduzierungsraterate der PAK in [%]

81,68

67,40

52,39 54,32

78,83 78,30

0

20

40

60

80

100

120

PAKPAK + 10

Vol% TPS A3

PAK + 10 V

ol% TPS B3

PAK + 50 Vol%

TPS A3PAK + 50

Vol%

TPS B3

PAK + BK

Red

uzie

rung

in [%

]


Reducing rate of MHC-content(absolute value) with Biochar-Substrate-Mixture or Biochar-Mixture

after the first vegetation period

0102030405060708090

100

MHC-Soil MHC + 50 Vol.-% A3

MHC + 50 Vol.-% B3

MHC + Biochar

rate

[%]

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

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

PAH - Soil PAH + 50 Vol.-% A3

PAH +50 Vol.-% B3

PAH+ Biochar

rate

[%]

without maize plant with maize plant

Mit Pflanzegeringere Reduzierungsrate,

da Nährstoffkonkurrenz(N u. P limitierende Faktoren

beim Abbau)

Nachweis durch biologische Tests erforderlich!

Gefäßversuche – Reduzierung der PAK/MKW Gehalte


Elutionsversuche

Versuchsdesign

Bestimmung der Auswaschung von Schad- und Nährstoffen aus Böden/Pflanzenkohlesubstraten

in BearbeitungSchütteltest Säulentest

DIN 19527: 2012-08DIN 19529: 2009-01

W/F Verhältnis: 2:1 → statischer TestSchüttelzeit: 24hZentrifugation und Filtration der Eluate

geplant 2012/2013

DIN 19528: 2009-01

W/F Verhältnis: variiert (1:1; 2:1; 4:1 etc.) → dynamischer Testinverse Fließrichtung

Dipl.-Geogr.René Schatten


Schütteltests – erste Ergebnisse PAK-Kontaminationen

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0

PAH PAH + 10 Vol%Biochar substrate

A3

PAH + 10 Vol%Biochar substrate

B3


A3


B3

PAH + BC

Elua

te c

once

ntra

tion

[µg/

L]

initial concentration final concentration

PAK -Eluatkonzentrationen

ABEREluatkonzentration

sehr gering < 0,1% vom

Gesamtgehalt in den Böden

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

PAH PAH + 10 Vol%Biochar

substrate A3

PAH + 10 Vol%Biochar

substrate B3


substrate A3


substrate B3

PAH + BC

leac

habl

e PA

H co

nten

ts in

% o

f tot

al v

alue

[%]

Mit steigender BK-Zugabe

sinken die PAK-Konzentration in den Eluaten.

Prozentualer Anteil eluierbarer PAK am

Gesamt-kontaminationsgehalt

im Feststoff


MHC eluat concentrationen

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

MHC MHC + 10 Vol%Biochar substrate

A3

MHC + 10 Vol%Biochar substrate

B3


A3


B3

MHC + BC

Elu

ate

conc

entra

tion

[µg/

L]

initial concentration final concentration

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

MHC MHC + 10 Vol%Biochar

substrate A3

MHC + 10 Vol%Biochar

substrate B3


substrate A3


substrate B3

MHC + BC

leac

habl

e M

HC

con

tent

s in

% o

f tot

al v

alue

[%]

Schütteltests – erste Ergebnisse MKW-Kontaminationen

MKW -Eluatkonzentration

Mit steigender BK-Zugabe sinken die

MKW-Konzentration in den Eluaten.

Ohne BK-Zugabe höchste

Elutionsraten(2,5%) – mit BK-Zugabe teilweise

unter 0,5%.

Prozentualer Anteil eluierbarer MKW am

Gesamt-kontaminationsgehalt

im Feststoff


• 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

Fazit


Viele Dank für IhreAufmerksamkeit!

Projektfinanzierung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Projektlaufzeit: 01.11.2010 – 31.10.2014

Arbeitsgruppe Geoökologie

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