Vorschlag einer Qualitätssicherungsmethode für geogen belasteten Bodenaushub

Für die Probenahme mittels Pürckhauer-Methode wurde der Hohlmeißelbohrer an den ausgewählten Grundstücken an 25 Stellen mit 5 m Reihenabstand 1 m tief in den Boden eingeschlagen. Für die Probenahme wurden die untersten 25 cm des Pürckhauers (ca. 50 bis 100 cm Tiefe) jeweils zu einer Sammelprobe je Lokalität vereint und als „Untere Bodenschicht“ benannt. Die daran anschließenden 25 cm (ca. 5 bis 50 cm Tiefe) wurden ebenfalls zur Sammelprobe „Obere Bodenschicht“ vereinigt. Die obere Pflanzenschicht 0 bis 5 cm wurde entfernt. Die Probennahme entsprach der ÖNORM L1056 (ASI 2004).

Eine unbedenkliche Verwertung von Aushubmaterialien im ersten Teil wurde festgelegt, wenn der Metallgehalt geogener und nicht anthropogener Natur ist. Geogen ist ein Metallgehalt wenn

Nur wenn beide Aussagen zutreffen, wird der Metallgehalt als geogen eingestuft.

Die Grundüberlegung des Kleingefäßtests ist, dass ein Material dann unbedenklich ist, wenn von ihm keine toxischen Wirkungen über einen bedenklichen Transfer in Futter- oder Lebensmittelpflanzen ausgehen. Dazu wurden die gültigen Grenzwerte der europäischen Lebensverordnung (Europäische Union 2006) und der europäischen Futtermittelrichtlinie (Europäische Union 2002) herangezogen. Wo keine Grenzwerte vorlagen, bei Ni und Cr., wurde auf Literaturwerte von auf unbelasteten Böden kultivierten Pflanzen gleicher oder ähnlicher Art zurückgegriffen (Kabata-Pendias und Pendias 2001).

Für die Klein- bzw. Großgefäßversuche wurden 20 bis 25 Einzelproben je untersuchtem Grundstück in einem definierten Raster mit 5 m Reihenabstand durch Öffnen bzw. Abheben der Grasoberfläche entnommen. Hierzu wurden je Probenahmestelle (ca. 0,5 m × 0,5 m) Bodenmaterial von −10 cm bis zu einer Tiefe von −30 cm entnommen. Die Einzelproben wurden zu je einer Sammelprobe pro Lokalität (200 bis 800 l) vereinigt. Die Probennahme entsprach der ÖNORM L1056 (ASI 2004).

Die Metallgehalte der Pflanzen im Kleingefäßtest wurden nach Austrian Standards Institute (2002, 2006) bestimmt.

Als Kriterien für die Validierung des Tests sollten die besten Zeigerpflanzen gefunden und ihr Pflanzenwuchs (Blattlänge und Erntegewicht) bestimmt werden. Die getesteten Pflanzenspezies waren Hafer (Avena sativa), Kopfsalat (Lactuca sativa), Italienisches Raygras (Lolium multiflorum) und Große Brennessel (Urtica dioica).

Die verwendeten Gefäße waren Kunststofffässer mit Ablauf, die mit ca. 10 l Substrat befüllt wurden. Die Kulturdauer bis zur Ernte betrug 70 bis 120 d.

Es wurden fünf Bodenmaterialien getestet, davon ein Standardboden ohne Belastung (L3). Der Boden L5N1 wurde mit einer NiSO₄-Lösung durchmischt, die im Boden einen Ni-Gehalt von 514 mg/kg TM ergab.

Die Kultivierung erfolgte unter freiem Himmel am Standort Kraubath/M. (Abb. 1).

Die Grundüberlegung des Großgefäßtests ist, dass ein Material dann unbedenklich ist, wenn von ihm keine toxischen Wirkungen durch einen Transfer in Grund- und damit Trinkwasser ausgehen. Dazu wurden die gültigen Werte der österreichischen Trinkwasserverordnung herangezogen (Bundesgesetz 2001).

Von einem Intermediate Bulk Container (IBC, 1000 l, verschließbarer Ablauf) wurde der Oberteil abgeschnitten, sodass eine freie Fläche von etwa 1,2 m² entstand. Der IBC wurde in vier Schichten befüllt, zuunterst mit zwei Schichten 2‑fach gewaschenem Kies, zuerst 16 bis 32 mm Korngröße und darüber 8 bis 16 mm. Als dritte Schicht wurde Unterboden L3 < 10 mm Korngröße (−25 bis −50 cm Bodentiefe) ca. 25 cm hoch aufgetragen. Als oberste Schicht wurden 30 cm des zu untersuchenden Bodensubstraes eingefüllt (Abb. 2).

Der Versuchsstand wurde am Standort Kraubath/Mur aufgebaut (Abb. 3).

Für die Versuche wurden fünf unterschiedliche Bodensubstrate herangezogen. Zusätzlich wurde eine Vergleichsprobe mit dem Standardboden L3 befüllt (−5 bis 25 cm Bodentiefe). Eine Grasmischung („Quickplay“ der Austrosaat, Österreichische Samenzucht- u. Handels-Aktiengesellschaft) wurde ausgesät und gewartet, bis ein bodendeckender Bewuchs vorhanden war. Zu diesem Zeitpunkt wurden die Bodenventile der Gefäße dicht verschlossen. Nach drei Wochen und regelmäßigem sowie abschließenden Bewässern wurde das entstandene Sickerwasser in seinem Volumen erfasst sowie beprobt und auf seinen Metallgehalt analysiert.

Die Analysen der Metalle in den Sickerwässern erfolgten gemäß ÖNORM EN ISO 17294‑2 (ASI 2016).

Die 12 untersuchten Böden konnten mit der vorliegenden Methode gut in zwei unbelastete, zwei geogen belastete und acht anthropogen belastete unterschieden werden. Insgesamt waren somit 84 Zuordnungen zu treffen. Einige der anthropogen belasteten Materialien enthielten mehrere Metallbelastungen, von denen zumindest eine bei den Untersuchungen als anthropogen identifiziert wurde. Zwei Böden konnten hinsichtlich der Metalle, die in grenzwertüberschreitenden Konzentrationen vorlagen, als geogen beurteilt werden (Tab. 1).

Beispielhaft seien die Ergebnisse für Hg ausgeführt. Drei der untersuchten Bodensubstrate waren über dem niedrigsten BAWP 2017 Grenzwert von 0,5 mg/kg TM. Davon konnten ein Boden (L5) als anthropogen und zwei Böden (L11, L12) als geogen eingestuft werden (Abb. 4).

Der Versuchsaufbau des Kleingefäßtests war geeignet, um einen bedenklichen Transfer von Metallbelastungen in Bodenaushub oder daraus hergestellten Produkten in verschiedene Pflanzenarten zu erkennen und von einem unbedenklichen Transfer zu unterscheiden.

Die Wachstumsverläufe der vier Testpflanzen zeigten teilweise signifikante Unterschiede zwischen Referenzprobe und Ansätzen mit hohen Metallgehalten und teilweise keine messbaren Unterschiede. Lactuca sativa erwies sich als die ganzheitlich aussagekräftigste Zeigerpflanze. Beispielsweise zeigte sich für den Boden L5 mit den erhöhten Gehalten an Cd, Hg und Pb ein eindeutiger Unterschied in Erntegewicht und Verlauf der Pflanzenhöhe (Abb. 5). Der Unterschied war auch mit bloßem Auge sichtbar (Abb. 6).

Es konnte bei allen untersuchten Metallen und Pflanzen zumindest bei einzelnen Bodenaushubmaterialien oder den daraus hergestellten Produkten ein Transfer vom Material in die Pflanzen festgestellt werden. Für Ni beispielsweise unterschied sich der Metallgehalt der Pflanzenarten auf demselben Substrat. Lactuca sativa und Lolium multiflorium waren die Pflanzenarten mit der höchsten Konzentration auf dem Boden L5N1, dessen Ni-Gehalt anthropogen verursacht war. Dahingegen führten hohe geogene Konzentrationen von zwei Komposterden (L21 und L22) nicht zu einer auffälligen Erhöhung der Ni-Konzentration in den Testpflanzen verglichen mit der Nullprobe (L3). Vergleicht man die gemessenen Werte mit Literaturwerten der entsprechenden Pflanzen auf Böden ohne Ni-Belastung, zeigt sich, dass nur der anthropogen Ni-belastete Boden (L5N1) zu einer Überschreitung dieser Literaturwerte führt (Abb. 7).

Der Versuchsaufbau des Großgefäßtests war geeignet, um einen bedenklichen Transfer von Metallen in Bodenaushub bzw. daraus hergestellten Produkten, z. B. Komposterden, in das Sickerwasser von einem unbedenklichen zu unterscheiden.

Von den untersuchten Metallen zeigten sich bei sechs Substraten nur As bei einer Komposterde und Ni bei drei Komposterden als mobil und im Sickerwasser die Grenzwerte für Trinkwasser überschreitend. Bei Cu kam es im Vergleich zur Nullprobe zu erhöhten Werten im Sickerwasser, jedoch nicht zu Grenzwertüberschreitungen. Geogene Gehalte von Cr, Cu und Pb führten zu keiner signifikanten Erhöhung der entsprechenden Metalle im Sickerwasser (Tab. 2).

Vergleicht man die Überschreitungen von Trinkwassergrenzwerten der Sickerwassergehalte der Komposterde L30 (zu 28 % aus Bodenaushub L5 bestehend) mit den Überschreitungen von BAWP-2017-Eluatgrenzwerten, Klasse A1, der Eluatgehalte der Komposterde und die Überschreitungen der BAWP-2017-Gesamtgehalte, Klasse A1, so zeigt sich, dass der Großgefäßtest von drei Grenzwertüberschreitungen der Gesamtgehalte, Cd, Ni und Pb nur für Ni einen bedenklichen Transfer in das Sickerwasser nachweist, während beim Eluat keine BAWP-2017-Überschreitungen stattfanden (Tab. 3).

Eine Unterscheidung in anthropogene und geogene Belastungen liegt mit der vorgeschlagenen Methode vor. Die Grundlage dafür ist die Annahme, dass anthropogene Belastungen kleinkörniger und oberflächlicher auftreten als geogene. Als Grenzen wurden aus methodischen Gründen die Korngröße von 2 mm und die Bodentiefe von 50 cm angenommen. Es handelt sich hierbei um Vereinfachungen, die möglichst nahe an der Praxis des Bodenaushubmanagements liegen sollen.

Eine Beurteilung von Materialien, die bereits ausgehoben vorliegen oder den daraus hergestellten Produkten, ist hinsichtlich einer Bestimmung auf geogen oder anthropogen naturgemäß nicht mehr durchführbar.

Auch geogene Belastungen können toxisch und bedenklich sein, weshalb bei der vorliegenden Methode zusätzlich zur Feststellung der geogenen Entstehung auch die Schadwirkung auf zweifache Weise beurteilt werden muss.

Die Schadwirkung von Metallen in Böden kann verschiedenartig bestimmt werden. Toxizitätstests für aquatische und terrestrische Systeme sind verfügbar, haben aber Nachteile. Sie zeigen eingeschränkte Messbereiche, die über gesetzlich festgelegten Grenzwerten liegen (Moser und Römbke 2009), sie sind mit hohem Aufwand und Expertise verbunden (Conder und Lanno 2003) und haben oft hohe Streuungen (Wruss 2011). Als Alternative zur Bestimmung der Schadwirkung wurden bei der vorliegenden Methode der Transfer in Futter- und Lebensmittel sowie in das Sickerwasser und der Vergleich mit gesetzlich festgelegten Grenzwerten für Futter- und Lebensmittel sowie für Trinkwasser herangezogen.

Die Methode wurde an 12 Böden und 14 Bodensubstraten erprobt. Bei allen drei methodischen Schritten konnte anhand der Ergebnisse eine Unterscheidung in bedenkliche und unbedenkliche Materialien getroffen werden. Von 12 Böden waren zehn mit Metallen grenzwertüberschreitend belastet, wovon acht als anthropogen und zwei als geogen eingestuft wurden. Von fünf im Kleingefäßtest untersuchten Materialien waren vier mit Metallen grenzwertüberschreitend belastet, wovon zwei als bedenklich und zwei als unbedenklich eingestuft wurden. Von sechs im Großgefäßtest untersuchten Materialien waren fünf mit Metallen grenzwertüberschreitend belastet, wovon drei als bedenklich und zwei als unbedenklich eingestuft wurden.

Im Vergleich zum Kleingefäßtest zeigt der Großgefäßtest einen deutlich höheren Aufwand für die Durchführung. Um die Großgefäße mit den Substraten zu befüllen, bedarf es einiger Maschinen und es werden 300 l Bodensubstrat pro Ansatz benötigt, während der Kleingefäßtest manuell angesetzt werden kann und nur 10 l Material benötigt. Jedoch wird der Großgefäßtest benötigt, da eine bessere Aussagekraft über das Sickerwasser erzielt werden kann, weil durch das größere Verhältnis von Randbereich zu Fläche weniger Kurzschlussströme auftreten können. Der Aufbau des „Bodens“ ist praxisnäher als beim Kleingefäßtest, da in den großen Gefäßen leichter mehrere Schichten (Unterboden und Oberboden) aufgebracht werden können. So können die Eigenschaften eines Substrats auf eine Weise analysiert werden, die seinem späteren Einsatz realitätsnäher entspricht.

In den getesteten Böden und Substraten gab es teilweise nur einzelne geogen bedingte Grenzwertüberschreitungen. Einige Materialien erfüllten beim Großteil der Parameter die Vorgaben des BAWP 2017 und würden entsprechend der Metallgehalte einer Verwertung zugeordnet werden können, wenn nicht ein einzelnes Metall in zu hoher Konzentration vorläge.

Am Beispiel von Ni sollen für Böden und daraus hergestellten Produkten mit überhöhten Gehalten folgende Aussagen zur Verwertung von Aushubmaterialien mit Grenzwerte des BAWP 2017 überschreitenden geogenen Gehalten festgehalten werden:

Die natürliche geogene Ni-Belastung in der steirischen Mur-Mürz-Furche ist langjährig bekannt. Der noch als natürlich einzustufende maximale Nickelgehalt steirischer Böden liegt bei 70 mg/kg TM und ist damit bereits höher als der BAWP-2017-Grenzwert der Qualitätsklassen A1 und A2 (60 mg/kg TM) (Referat Boden- und Pflanzenanalytik 2015). Auch im Nahbereich einer potenziellen anthropogenen Quelle für Ni, einem Stahlwerk in der Mur-Mürz-Furche, konnte kein Zusammenhang zwischen den Staub- und Ni-Dispositionen gefunden werden (Amt der Steiermärkischen Landesregierung 2003). Die Gesundheitsgefahren von Ni sind sogar bei direkter oraler Einnahme vernachlässigbar, nur bei Inhalation wird Ni als gefährlich eingestuft (European Food Safety Authority 2015). Es gibt für Ni weder einen Grenzwert in Lebensmitteln (Europäische Union 2006) noch in Futtermitteln (Europäische Union 2002). Unter diesen Gesichtspunkten konnten mit der vorliegenden Methode verschiedene Substrate mit erhöhten Gehalten an Ni in bedenkliche und unbedenkliche unterschieden werden.

Die Anzahl der untersuchten Materialien war limitiert, was eine statistische Auswertung nicht zuließ. Die dargestellten Ergebnisse sind nur eine Zusammenfassung der wichtigsten Erkenntnisse eines mehrjährigen Forschungsprojektes.