Persistente organische Spurenstoffe in Kompost und Rückständen der Biomassevergärung - Belastungsituation, Abbau und Bewertung

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich deshalb mit der Analyse verschiedener ausge- wählter organischer Spurenstoffe, sowohl in Komposten als auch in Gärresten. Die Pro- bennahme erfolgte dabei monatlich über ein Jahr hinweg - Proben wurden sowohl von den fertigen Produkten als auch von den Zwischenstufen genommen. In Laborversuchen wurden kontaminierte Materialien den bei der Kompostierung auftretenden Temperatu- ren ausgesetzt, um das Verhalten der Schadstoffe zu beobachten. Desweiteren wurden Versuche zur Aufnahme der analysierten Schadstoffe in Kompostwürmern (Eisenia feti- da) und Pflanzen (Weizen) durchgeführt, sowie Ausgangsmaterialien der Kompostierung und Vergärung analysiert. Hierbei wurden in allen Kompost- und Gärrestproben die Schadstoffe bzw. Schadstoff- gruppen DEHP, 16-EPA-PAK, PCB7, PBDE9, p,p’-DDE, DBE, BBP sowie Nonylphe- nole in quantitativen Mengen gefunden. In einem GC-MS-Screening konnten außerdem verschiedene Fettsäuren, Terpene, PAK-Derivate, Insektizide und Aromastoffe wie Va- nillin und Limonen nachgewiesen werden. In Gärresten lagen die Schadstoffkonzentratio- nen im Allgemeinen höher als in den Kompostproben. Die geringsten Konzentrationen konnten in den Proben des Grüngutkomposts ermittelt werden. Grenzwerte, soweit sie existieren, wurden hierbei nur im Falle von DEHP für einige norwegische Gärrestproben überschritten. Während der Kompostierung, Vergärung und insbesondere der Gärrest- trocknung konnte ein Rückgang der Konzentrationen der Schadstoffe DEHP und der PAK beobachtet werden, ebenso wie bei den Thermoversuchen im Labor. Zwischen der Belastungssituation der Proben, die aus Anlagen mit unterschiedlicher Prozessführung und aus verschiedenen Ländern genommen wurden, zeigten sich deut- liche Unterschiede. So wurden in den norwegischen Komposten und Gärresten deutlich höhere Konzentrationen an DEHP nachgewiesen. In den deutschen Anlagen hingegen wurden höhere Belastungen an PAK, PCB und PBDE festgestellt. Dies mag mit der unterschiedlichen Verwendung der Stoffe, sowie im Falle der PAK, die im Wesentlichen durch Verbrennungsprozesse entstehen, mit einer unterschiedlichen Besiedlungsdichte der Länder zusammenhängen. Betrachtet man die Hintergrundbelastung von Böden mit den beiden Schadstoffgruppen der PCB und PBDE, so zeigen sich deutlich geringere Konzentrationen in Norwegen als in Deutschland. Auch dies mag neben der früheren Verwendung mit der geringeren Besiedlungsdichte zusammenhängen. Hingegen ist die erhöhte Belastung des norwegischen Gärrestes mit DEHP eher prozessbedingt. Eine deutlich geringere Belastung als für die anderen Probentypen konnte für den Kom- post aus reinem Grünschnitt festgestellt werden. Eine Belastung mit Industriechemikali- en trat hier kaum auf. Der Kompost aus der Containerkompostierung wies eine deutlich geringere PAK-Belastung auf als die anderen untersuchten Komposte. In diesem Fall ist ein Eintrag der PAK über den Luftweg während der Hauptrotte ausgeschlossen. Ein deutlicher Unterschied kann auch zwischen der anaeroben und aeroben Abfallbehand- lung beobachtet werden. In den Gärrestproben wurden deutlich höhere Konzentratio- nen nachgewiesen als in den Kompostproben (siehe Kapitel 4.1.1: Konzentrationen der einzelnen Verbindungen). Die Eliminierung der verschiedenen Schadstoffe während der Kompostierung/Vergärung wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst. So spielen so- wohl Temperatur, Dauer des Prozesses, als auch die beteiligten Mikroorganismen eine entscheidende Rolle. Neben dem Abbau haben weitere Faktoren wie Mineralisierung, nichtkovalente und kovalente Bindung an Partikel (z.B. Humus) und Evaporation einen Einfluss auf die Konzentrationsabnahme der Schadstoffe. Vor allem die Trocknung des Gärrestes nach der Vergärung führt zu einem hohen Konzentrationsverlust an DEHP und den flüchtigeren PAK. Auch die Temperatur während der Vergärung und damit die beteiligten Mikroorganismen scheinen einen Einfluss auf die Schadstoffkonzentra- tion zu haben. Gärrest aus einer mesophilen Vergärung weist deutlich höhere DEHP- Konzentrationen auf als Gärrest aus der thermophilen Vergärung (siehe Kapitel 4.1.2: Abhängigkeit der Konzentration vom Kompostierungsgrad und der Trocknung des Gär- restes ). Experimente zur Untersuchung des Einflusses der Temperatur auf Abbau und Mineralisierung haben ebenfalls gezeigt, dass die Temperatur einen großen Einfluss auf die Schadstoffkonzentration ausübt.

This thesis focuses on the analysis of different selected organic pollutants, both in com- post and digestate. Sampling was performed monthly over the course of one year. Samp- les were taken from the end products as well as from intermediate steps. In laboratory experiments, contaminated materials were exposed to typical temperatures occurring during the treatment procedure in order to get information about the behavior of the organic pollutants. Furthermore, experiments regarding the uptake of the analyzed pol- lutants in compost worms Eisenia fetida and plants (spring wheat) were performed. Input material for the composting and digestion was analyzed as well. In all compost and digestate samples the pollutants DEHP, 16-EPA-PAH, PCB7, PBDE9, p,p’-DDE, DBE, BBP, as well as nonylphenole were present in quantifiable concentrations. By using GC-MS-screening, additional substances, such as fatty acids, terpenes, PAH-derivates, insecticides, and flavoring substances, such as vanillin and limonene, were detected. The concentration of the pollutants were generally higher in digestate samples than in com- post samples. Lowest concentrations were detected in samples from green waste compost. Limit values, as far as they were existent, were only exceeded in the case of DEHP in a few digestate samples from Norway. A decline in the concentration of the pollutants DEHP and PAH was observed during composting, digestion, dewatering of digestate as well as during the experiments at elevated temperature in the laboratory. Significant differences were observed for the degree of contamination for samples from facilities applying different processes and from those of different countries. For exam- ple higher DEHP-concentrations were detected in compost and digestate samples from Norway. On the other hand, for samples from German facilities, the contamination with PAH, PCB and PBDE was higher. This may be due to regional differences in the usage of these substances as well as differences in the population density in different coun- tries, which correlates with the degree of PAH-emission caused by combustion processes. In contrast, the higher concentrations of DEHP in the Norwegian digestate is more li- kely process-related. Far lower concentrations were determined in samples from green waste composting and here industrial chemicals in general were barely detectable. Com- post from pure container composting showed lower concentrations of PAHs compared to other compost samples, most likely because a contamination by PAHs via air during the maturation process could be excluded. Significant differences were also observed between samples from aerobic and anaerobic waste treatment. The higher concentrati- ons were detected in the digestate samples. Elimination of different pollutants during composting/digestion can be influenced by different factors. Besides degradation and mineralization additional factors, such as evaporation, have an effect on the decline of the concentrations of individual pollutants. In particular, the dewatering of the dige- state following the digestion step leads to a strong decrease in the concentrations of DEHP and PAH. Temperature, duration of the process as well as the microorganisms involved play a decisive role. Digestate produced in a mesophilic digestion possesses a higher DEHP concentration than digestate from a thermophilic digestion. Experiments analyzing the effect of the temperature on degradation and mineralization also showed that temperature has an effect upon the concentration of the pollutant.