Elutionsverhalten von Biokohlesubstraten (BKS) und Boden

Workshop Biochar goes practice 2014, 09./10. Dezember 2014, BerlinRené Schatten09.12.2014

1

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


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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)


4

1) Einführung

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-287

(Vermutete) Effekte von Biokohle auf die Nährstofffreisetzung:


5

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


6

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.


7

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)


8

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

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(Ca)

[mg/

L]

Ca-Konzentration im Eluat

GA2 IR0%

GA2 IR15%

GA2 F0%

GA2 F15%

0 2 4 60

20

40

60

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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%


9

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)


10

• 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

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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


11

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


12

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


13

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)


Säulentest div. W/F (0,3:1; 1:1; 2:1; 4:1)

• DIN 19528: 2009-01

• Perkolation im Aufwärtsstrom



14

(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


mg/

kg T

S

Schwefel

0100200300400500600700800900

1000


mg/

kg T

S

Nitrat



15

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



16

(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


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


Standtest: 4,8±1,6

pH-Wert [-]: Säulentest: 7,9±0,05


Standtest: 7,8±0,09

TOC [mg/L]: Säulentest: 34,9±29

Schütteltest: 33,5±28

Standtest: 29,2±24



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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

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Elutionsverhalten von Biokohlesubstraten (BKS) und Boden