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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)
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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
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Kontaminierte Flächen mit avisierter
kostenaufwändiger Sanierung
Wettbewerb um Flächen zwischen Nahrungsmittel- und Energiepflanzenanbau
Worin besteht das Problem vor Ort?
PAK MKW
Probleme
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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
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Projekt Partner und Projekt Struktur LaTerra
Wiederaufforstung von Windbruchflächen
Rekultivierung von ehemaligen Tagebauen
Abbau von organischen Bodenkontaminationen
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Panzerreparatureinheit und Tanklager
Auswahl der Testflächen
Untersuchungsgebiet
Tanklager
Panzerreparatureinheit
Ölteich
MKW
Ehemals industriell genutzte Liegenschaft – alte Teerpappenfabrik
PAK
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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
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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
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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
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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
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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. + 50% 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. + 10% TPS-B3
unk. B. + 50% TPS-B3
unk. B. + BK
Boden-, Boden/Biokohle-Substrat-, und Boden/Biokohle-Mischungen
Roh
dich
te (f
risch
) [g/
l]
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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)
50 Vol.-% Substrat•15 Vol.% BK (A3)•30 Vol.% BK (B3)
50 Vol.-% Substrat•15 Vol.% BK (A3)•30 Vol.% BK (B3)
Biokohle‐Zugabe
15 Vol.%
ohne Pflanzen
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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.
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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)
Prof. Dr. Konstantin Terytze, Dr. Ines Vogel, Florian Worzyk– 73.ANS-Tagung 19./20.09.2012
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
Prof. Dr. Konstantin Terytze, Dr. Ines Vogel, Florian Worzyk– 73.ANS-Tagung 19./20.09.2012
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
Prof. Dr. Konstantin Terytze, Dr. Ines Vogel, Florian Worzyk– 73.ANS-Tagung 19./20.09.2012
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:
Prof. Dr. Konstantin Terytze, Dr. Ines Vogel, Florian Worzyk– 73.ANS-Tagung 19./20.09.2012
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
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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
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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 [%
]
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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
Prof. Dr. Konstantin Terytze, Dr. Ines Vogel, Florian Worzyk– 73.ANS-Tagung 19./20.09.2012
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
Prof. Dr. Konstantin Terytze, Dr. Ines Vogel, Florian Worzyk– 73.ANS-Tagung 19./20.09.2012
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
PAH + 50 Vol%Biochar substrate
A3
PAH + 50 Vol%Biochar substrate
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
PAH + 50 Vol%Biochar
substrate A3
PAH + 50 Vol%Biochar
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
Prof. Dr. Konstantin Terytze, Dr. Ines Vogel, Florian Worzyk– 73.ANS-Tagung 19./20.09.2012
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
MHC + 50 Vol%Biochar substrate
A3
MHC + 50 Vol%Biochar substrate
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
MHC + 50 Vol%Biochar
substrate A3
MHC + 50 Vol%Biochar
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
Prof. Dr. Konstantin Terytze, Dr. Ines Vogel, Florian Worzyk– 73.ANS-Tagung 19./20.09.2012
• 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
Prof. Dr. Konstantin Terytze, Dr. Ines Vogel, Florian Worzyk– 73.ANS-Tagung 19./20.09.2012
Viele Dank für IhreAufmerksamkeit!
Projektfinanzierung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Projektlaufzeit: 01.11.2010 – 31.10.2014
Arbeitsgruppe Geoökologie