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?
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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
30
35
W/F [L/kg TS]Ph
osph
or (P
) [m
g/L]
P-Konzentration im EluatGA2 IR0%
GA2 IR15%
GA2 F0%
GA2 F15%
0 2 4 60
200
400
600
800
1000
1200
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
200
300
400
500
600
W/F [L/kg TS]
Calc
ium
(Ca)
[mg/
L]
Ca-Konzentration im Eluat
GA2 IR0%
GA2 IR15%
GA2 F0%
GA2 F15%
0 2 4 60
20
40
60
80
100
120
140
W/F [L/kg TS]
Mag
nesi
um (M
g) [m
g/L]
Mg-Konzentration im Eluat
GA2 IR0%
GA2 IR15%
GA2 F0%
GA2 F15%
0 2 4 60
102030405060708090
100
W/F [L/kg TS]
Schw
efel
(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
iert
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
Elutionsverhalten (Biokohle)kompost
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
Elutionsverhalten (Biokohle)kompost
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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
il vo
m P
AK-G
esam
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alt
[%]
Frühjahr 2012
Herbst 2012
Herbst 2013
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 1 2 3 4
Trüb
ung
[FN
U]
W/F [L/kg TS]
Trübung nach ZentrifugationPAK
PAK+BKS
PAK+BK
0 1 2 3 40
102030405060708090
100
W/F [L/kg TS]TO
C [m
g/l]
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