Elutionsverhalten von Biokohlesubstraten (BKS) und Boden ...
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Workshop Biochar goes practice 2014, 09./10. Dezember 2014, BerlinRené Schatten09.12.2014
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Elutionsverhalten von Biokohlesubstraten (BKS) und
Boden/BKS-Mischungen
René Schatten, Robert Wagner, Christian Krüger, Bojtscho Rangelov und Konstantin Terytze
Freie Universität Berlin, FB Geowissenschaften, AG Geoökologie
Research forinnovationclim
ateprotection
sustainability
WORKSHOP Biochar goes practice 201409.-10. Dezember 2014 in Berlin
Workshop Biochar goes practice 2014, 09./10. Dezember 2014, BerlinRené Schatten09.12.2014
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Research forinnovationclim
ateprotection
sustainability
WORKSHOP Biochar goes practice 201409.-10. Dezember 2014 in Berlin
Inhaltsverzeichnis
1) Einführung2) Material & Methoden3) Elutionsverhalten (Biokohle)substrate4) Elutionsverhalten Boden/BKS-Mischungen5) Wirkung der Biokohle6) Neues aus der Normung7) Zusammenfassung & Ausblick
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1) Einführung
Es besteht grundsätzlich die Gefahr einer Mobilisierung und Auswaschung von Nähr- und Schadstoffen aus hergestellter Biokohle (BK), Biokohlesubstraten (BKS) sowie mit organischen Schadstoffen (PAK, MKW) kontaminierten Böden und Boden/BKS-Mischungen
Relativ wenige Veröffentlichungen zur Thematik existent (v.a. Zugabe von Biokohle in Böden; kaum Daten zur Elution von Biokohlesubstrate vorhanden)
Zielstellung: Untersuchung des Freisetzungsverhaltens und die Beurteilung der o.g. Materialien hinsichtlich ihrer Umweltwirkung mithilfe von Leaching-/Elutionsversuchen
Ausgewaschene Nährstoffe stehen der Pflanze nicht mehr zur Verfügung
Ausgewaschene Nähr-/Schadstoffe stellen ein Gefährdungspotenzial für die Umwelt dar(z.B. Grundwasserverunreinigungen mit Nitrat und organischen/anorg. Schadstoffen)
Beladung der Biokohle mit Nährstoffen; Sorption von Stickstoff (NH4/NH3; NO3) an Biokohle(Kammann et al., 2011, 2012; Glaser und Kammann, 2013)
Häufig behandelte Forschungsfragen (Literaturauswahl):
„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)
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1) Einführung
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(Vermutete) Effekte von Biokohle auf die Nährstofffreisetzung:
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1) Einführung
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 der (Biokohle)substrate und Böden mittels Elutionsuntersuchungen, Pflanzen- und Biotests
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2) Material & Methoden
13 (Biokohle)substrate (bislang)
Wassergehalt: 15-40 %
pH-Wert: 6,6-7,9
Organische Substanz: 14-42 %
Nährstoffe und Schwermetalle halten die Richt- bzw. Grenzwerte der BGK* ein
15 Boden/BKS-Mischungen (bislang)
(PAK; PAK+BKS; PAK+BK; MKW; MKW+BKS) 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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2) Material & Methoden
Schütteltest W/F 2:1 DIN 19527: 2012-08 (org. Stoffe)
DIN 19529: 2009-01 (anorg. Stoffe)
24h-Überkopfschütteln(→ hoher mechanischer Abrieb)
Zentrifugation d. Eluate bei 4000g: 159min. Böden & 90min. Substrate
Säulentest div. W/F (0,3:1; 1:1; 2:1; 4:1)
DIN 19528: 2009-01 (org.+anorg. Stoffe)
Perkolation im Aufwärtsstrom(→ Vermeidung präferenzielle Fließwege)
Zentrifugation der Eluate bei 4000g: 30min. Böden & 15min. Substrate
Erhebung von Eluatvolumen, Trübung, pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit, Farbe und Geruch sowie Nährstoffe, PAK, MKW, Schwermetalle und Kohlenstoff (TC/TIC/TOC)
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3) Elutionsverhalten (Biokohle)kompost
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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3) Elutionsverhalten (Biokohle)kompost
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
NO3 P K Mg Ca S
mg/
kg T
S ku
mul
iert
GA8 oBK
GA8 mBK
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Ca K Mg P S NO3-
mg/
kg T
S ku
mul
iert
GA2 IR oBK
GA2 IR mBK
GA2 F oBK
GA2 F 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, S (teilw. erhöhte Freisetzung von K, da Biokohle selbst einen hohen K-Gehalt aufweist)
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• eluierbare Anteile liegen alle unter 0,2 % (!) vom PAK-Gesamtgehalt, trotz hoher Eluat-Konzentrationen (>0,2µg/L)
• keine Verschiebung der PAK-Einzelverbindungen erkennbar
• zeitlich verzögerte Wirkung der BKS und BK erkennbar
• lösungsvermittelnde Eigenschaften des TOC/DOC sowie trübungsabhängige kolloidale Austräge erhöhen die Freisetzung
4) Elutionsverhalten Boden/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
tgeh
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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5) Wirkung der Biokohle
Prozentuale Abweichung vom Substrat ohne Biokohle
0-10-20 +10 +20 +30 +40
Reduzierung der Nährstofffreisetzung in % (Angabe d. Spannweiten; n=4-6)
Biokohlesubstrate (BKS) Botanischer Garten Berlin-Dahlem
Nitrat
+50
Phosphor
KaliumBKS „frisch“
BKS „gelagert“
BKS „frisch“
BKS „gelagert“
BKS „frisch“
BKS „gelagert“
Schüttelversuch
Säulenversuch
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5) Wirkung der Biokohle
0-20-40 +20 +40 +60 +80
Reduzierung der Schadstofffreisetzung in % (n=3)
Boden/Biokohlesubstrat-Mischungen der Parzellenversuche
16 EPA-PAK
+100
PAK+BKS Herbst 2012
PAK+BK Herbst 2012
PAK+BKS Herbst 2013
PAK+BK Herbst 2013
MKWMKW+BKS Herbst 2012
Schüttelversuch
Säulenversuch
Prozentuale Abweichung vom Boden ohne Biokohle
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6) Neues aus der Normung - Methodenvergleich
Normierung der Elutionsversuche im DIN NA 119-01-02-05 UA „Elutionsverfahren“
Schütteltest W/F 2:1
• DIN 19527: 2012-08
• DIN 19529: 2009-01
• 24h-Überkopfschütteln(hoher mechan. Abrieb)
• Zentrifugation (bei 4000g) 159min. Böden & 90min. Kompost
Neu: Standtest W/F 2:1
• Vorlage zur E DIN 19546: 2014-02 (E 2. Quartal 2015)
• 4x Durchmischen á 1min(geringer mechan. Abrieb)
• Zentrifugation (bei 4000g) 159min. Böden & 90min. Kompost
Säulentest div. W/F (0,3:1; 1:1; 2:1; 4:1)
• DIN 19528: 2009-01
• Perkolation im Aufwärtsstrom
• Zentrifugation (bei 4000g) 30min. Böden & 15min. Kompost
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(Biokohle)komposte Freisetzungen W/F 2:1 (n=3)
0
50
100
150
200
250
300
350
GA2IR0%
GA2IR15%
GA2F0%
GA2F15%
mg/
kg T
S
Calcium
Säulentest
Standtest
Schütteltest
0
200
400
600
800
1000
1200
GA2 IR0% GA2IR15%
GA2 F0% GA2 F15%m
g/kg
TS
Kalium
0
10
20
30
40
50
60
70
80
GA2 IR0% GA2 IR15% GA2 F0% GA2 F15%
mg/
kg T
S
Magnesium
0
10
20
30
40
50
60
GA2IR0%
GA2IR15%
GA2 F0% GA2F15%
mg/
kg T
S
Phosphor
Säulentest
Standtest
Schütteltest
0
10
20
30
40
50
60
70
GA2 IR0% GA2 IR15% GA2 F0% GA2 F15%
mg/
kg T
S
Schwefel
0100200300400500600700800900
1000
GA2 IR0% GA2 IR15% GA2 F0% GA2 F15%
mg/
kg T
S
Nitrat
6) Neues aus der Normung - Methodenvergleich
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PAK-Böden Freisetzungen W/F 2:1 (i.d.R. n=3)
1
10
100
1000
PAK PAK+BKS PAK+BK
µg/k
g TS
16 EPA-PAK
Säulentest
Standtest
Schütteltest
0
20
40
60
80
100
120
140
PAK PAK+BKS PAK+BKm
g/kg
TS
Calcium
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
PAK PAK+BKS PAK+BK
mg/
kg T
S
Kalium
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
PAK PAK+BKS PAK+BK
mg/
kg T
S
Phosphor
Säulentest
Standtest
Schütteltest
0
5
10
15
20
25
30
35
PAK PAK+BKS PAK+BK
mg/
kg T
SMagnesium
05
1015202530354045
PAK PAK+BKS PAK+BK
mg/
kg T
S
Nitrat
6) Neues aus der Normung - Methodenvergleich
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(Biokohle)substrate: ausgewählte Eluatparameter
Trübung [FNU]: Säulentest: 17,8±8,7
Schütteltest: 25,6±15,0
Standtest: 4,7±2,3
pH-Wert [-]: Säulentest: 7,5±0,7
Schütteltest: 7,7±0,1
Standtest: 7,7±0,1
TOC [mg/L]: Säulentest: 103±61
Schütteltest: 110±34
Standtest: 99±33
PAK/BKS-Böden: ausgewählte Eluatparameter
Trübung [FNU]: Säulentest: 36,0±14
Schütteltest: 10,6±3,0
Standtest: 4,8±1,6
pH-Wert [-]: Säulentest: 7,9±0,05
Schütteltest: 7,9±0,03
Standtest: 7,8±0,09
TOC [mg/L]: Säulentest: 34,9±29
Schütteltest: 33,5±28
Standtest: 29,2±24
6) Neues aus der Normung - Methodenvergleich
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7) Zusammenfassung & Ausblick
Schüttel- und Säulenverfahren eignen sich zur Untersuchung des Freisetzungsverhaltens und der Beurteilung von Feststoffen hinsichtlich ihrer Umweltwirkung
Sowohl bei den Biokohlesubstraten als auch bei den Boden/BKS-Mischungen zeigt sich der Einfluss der Biokohle in Form einer Reduzierung der Nährstoff- bzw. Schadstofffreisetzung
Wirkung der Biokohle/des Biokohlesubstrates tritt i.d.R erst zeitlich verzögert ein
Ergebnisse leisten einen Beitrag zur nachhaltigen Betrachtung der Umwelt- und Düngewirkung
…die nächsten Schritte: intensive Fortsetzung der Untersuchungen zum Leaching-Verhalten (insbesondere Makronährstoffe;
Einfluss der Lagerung; Einfluss des pH-Wertes)
verstärktes Betrachten von methodische Aspekten, die teilweise eine Adaption der bestehenden Methoden an die „neue“ Matrix Biokohle erforderlich machen könnten.
Untersuchung von purer Biokohle (insbesondere Sorptionsprozesse abhängig von Feedstock, Korngröße, Beladung etc.)
Notwendigkeit für weitere Elutionsuntersuchungen und ggf. Methodenadaptionen mit Kompost, Böden und der „neuen“ Matrix Biokohle ist gegeben
Durchführung von Sickerwasserprognosen nach BBodSchV (v.a. für PAK, MKW, Nitrat)
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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