Schadstoffrückhalt von Substraten

Substratvergleich

Figur 5 zeigt den Stoffrückhalt der elf untersuchten Substrate bei der geringsten Filtergeschwindigkeit (ca. 0,9 m/h).

Die Pflanz- und Fugenpflastersubstrate aus Zürich und Basel-Stadt halten im Säulenversuch die Schwermetalle etwas schlechter zurück als die Substrate für SABA, zudem sind all diese Substrate ausser Prüfsubstrat B schwach im Rückhalt von Mikroverunreinigungen.

Die vier Materialien aus dem Strassenbereich weisen einen Schwermetallrückhalt von > 70% auf, wobei derjenige der beiden SABA bei über 90% liegt. Die vier Substrate aus Basel weisen einen ähnlichen Schwermetallrückhalt auf wie die drei Baumsubstrate aus der Stadt Zürich. Dabei befinden sich die Baumsubstrate A1 und A2 im unteren Bereich des Rückhalts und Radix Plus mit Pflanzenkohle im oberen Bereich (90%). Der Rückhalt von Mikroverunreinigungen ist durchwegs gering. Tendenziell schneiden die Baumsubstrate A1 und A2 etwas besser ab als die Strassensubstrate (SABA, Bankett). Nur das Prüfsubstrat B (< 32 mm) sowie das Mulden-Rigolen Material zeigen einen hohen Rückhalt von Mikroverunreinigungen auf.

Die Gründe für den geringen bzw. hohen Rückhalt sind ähnlich gelagert. Es dominieren Anteile strukturbildender Materialien mit geringem Bindungspotenzial (Kies-/Steinfraktion) und geringer Anteile der adsorptionsrelevanten Feinfraktion (< 2 mm, Land-/Schwarzerde, Tonfraktion) und konditionierten Pflanzenkohle. Dagegen haben die konditionierte Pflanzenkohle und die Land-/Schwarzerden offensichtlich einen positiven Einfluss auf die Stoffbindung.

Der hohe Rückhalt des Prüfsubstrats B (< 32 mm) ist vor dem Hintergrund einzuordnen, dass das effektive Baumsubstrat zu mehr als 60% aus Steinen (> 32 mm) besteht. Für die Adsorption gelöster Schadstoffe sind bei den SABA-Materialien der Tonanteil und/oder die humose organische Substanz relevant, die entweder im Ausgangsmaterial (Boden) oder in der entstehenden Deckschicht vorhanden sein können.

Bei der Behandlung von Siedlungs- und Strassenabwässern werden auch technische Adsorbermaterialien wie Zeolithe oder granulierte Aktivkohle eingesetzt. Diese Produkte sind jedoch weder als Baumsubstrat geeignet noch befahrbar (Tragfähigkeit). Die Ergebnisse für einen Misch- und einen Schwermetalladsorber sind in Figur 6 dargestellt. Beide Sub-strate wurden ebenfalls in VSA-Säulenversuchen untersucht. Es ist nicht überraschend, dass die Adsorber einen deutlich besseren Schadstoffrückhalt aufweisen als die Pflanzsubstrate. Ein Rückhalt von Schwermetallen und Mikroverunreinigungen > 90% ist möglich.

Die Schichtdicken der eingebauten Adsorbersubstrate betragen 20 bis 50 cm, wobei der Betriebsmodus grosse Anschlussflächen vorsieht, die regelmässig zu einem gesättigten Wasserfluss führen. Die Ergebnisse aus den wassergesättigten Säulenversuchen mit 15 cm Filterstrecke sind daher gut auf die Einbausituation übertragbar. Baumrigolen hingegen weisen Profiltiefen bis 1,2 m auf und der Wasserfluss ist oft ungesättigt.

ERGEBNISSE ZUM SCHACHT­VERSUCH

Schadstoffrückhalt

Die Konzentrationen von Schwermetallen, Mikroverunreinigungen und GUS nehmen mit der Tiefe deutlich ab und sind in 0,9 m und 1,2 m Tiefe überwiegend vergleichbar gering. Kupfer und Zink waren sogar ab 0,9 m, der Schichtgrenze zwischen den Substraten A1 und B, nicht mehr nachweisbar. Diuron und Mecoprop, treten an der Sohle des Profilaufbaus in leicht höheren Konzentrationen auf als darüber. Möglicherweise gelangte durch das gröbere Baumsubstrat B ein gewisser Anteil ins Sickerwasser, vor allem bei den stärkeren Regenspenden.

Zink wurde in 1,2 m Tiefe wieder in geringer Konzentration gelöst nachgewiesen (im Mittel 26 µg/l). Dies deutet auf eine gewisse Freisetzung aus dem Baumsub-strat B hin. Ein Grund dafür könnte der pH-Wert (pH 6,3) sein, der niedriger war als in den darüber liegenden Schichten (pH 7,1 und 7,4). Eine Verschleppung von Zink aus dem Versuchsaufbau konnte mit den Verfahrensblindwerten ausgeschlossen werden.

Der Anstieg der GUS-Konzentrationen bei den simulierten Starkregen, insbesondere in der Tiefe von 0,4 m (A2), ist mit hoher Wahrscheinlichkeit auf eine stärkere Auswaschung aus dem Substrat zurückzuführen, da es nicht plausibel ist, dass die Partikel mobiler sind als die Schwermetalle und Mikroverunreinigungen. Das Quarzmehl W4 kann methodisch nicht von den Partikeln des Baumsub-strats unterschieden werden.

Der frachtgewichtete Rückhalt über alle Regenspenden beträgt im Mittel > 90% für GUS, Schwermetalle und Mikroverunreinigungen (Fig. 7). Gewichtet man die Ergebnisse mit der Häufigkeit der Regenspenden wie im simulierten Feldversuch vorgesehen [6], so ergibt sich ebenfalls für jede Stoffgruppe ein Rückhalt von> 90%. Die Ergebnisse zeigen, dass die erste Schicht (A2) massgeblich für den Rückhalt von Partikeln (70% GUS) und Schwermetallen (85%) verantwortlich ist. Die zweite Schicht (A1, 0,9 m) spielt dagegen die entscheidende Rolle bei der Adsorption von Mikroverunreinigungen (56%), insbesondere von Mecoprop. Aufgrund des hohen Rückhalts bis in eine Tiefe von 0,9 m (Substrate A2/A1) kann der spezifische Stoffrückhalt von Substrat B nicht genau beurteilt werden. Andererseits kann gezeigt werden, dass die Substrate A1 und A2 bereits unter Versuchsbedingungen wirksame Schadstoffsenken darstellen.

Mit zunehmender Sättigung der Beladungskapazität in den ersten beiden Schichten (A2/A1) ist ein erhöhter Stoffeintrag in die unterste Schicht (Substrat B)möglich. Die Erfahrungen aus SABA zeigen jedoch, dass sich der Stoffrückhalt durch die Akkumulation von Partikeln an der Oberfläche (Deckschicht) mit der Zeit eher verbessern kann.

Das generelle Verhalten des Stoffrückhalts stimmt mit den Ergebnissen der Säulenversuche überein. Der Stoffrückhalt nimmt mit steigender Kontaktzeit vom Starkregen über den Landregen bis zum Kleinregen zu. Besonders ausgeprägt ist dieser Einfluss in der ersten Substratschicht (A2).

Die Ergebnisse mit Tausalz bestätigen die Resultate der VSA-Säulenversuche mit einer remobilisierten Menge < 1%. Eine relevante Remobilisierung von Schwermetallen und Mikroverunreinigungen konnte nicht festgestellt werden. Es ist daher nicht zu befürchten, dass unter realen Bedingungen die zurückgehaltenen Stoffe durch den Einfluss von Streusalz in relevantem Umfang wieder freigesetzt werden.

Adsorberanlagen

Der Schachtversuch wurde in Anlehnung an den ersten Prüfblock der VSA-Leistungsprüfung für technische Adsorberanlagen durchgeführt [6]. Auf dieser Basis wurden die Ergebnisse mit technischen Adsorberanlagen verglichen.

Figur 8 zeigt die Rückhalteleistung im Schachtversuch im Vergleich zu einem Rinnenfilter mit Mischadsorber (technische Adsorberanlage). Dargestellt sind jeweils die ersten vier Probenahmen der VSA-Leistungsprüfung, die äquivalent im Schachtversuch durchgeführt wurden. Der Gesamtaufbau mit Baumsubstraten der Stadt Zürich weist einen hohen mittleren Rückhalt (> 90%) von GUS, Schwermetallen und Mikroverunreinigungen auf, wie er nur in einer sehr guten Adsorberanlage erreicht wird. Der Rückhalt von Zink ist aufgrund der Auswaschung aus dem Baumsubstrat Betwas geringer.

Beim Vergleich mit dem Rinnenfilter ist jedoch zu berücksichtigen, dass dort die angeschlossene Fläche bzw. die aufgebrachte Stofffracht etwa dreimal so gross ist (67:1 vs. 17:1) und die Schichtdicke des Mischadsorbers nur ein Sechstel der Schachtrigole beträgt (0,2 m vs. 1,2 m).

Säulen- Vs. Schachtversuch

Die Schadstoffdynamik im Schachtversuch spiegelt die Erkenntnisse aus dem VSA-Säulenversuch wider, wie eine vergleichende Betrachtung zeigt. Dabei wurde der prozentuale Rückhalt im Schachtversuch (1,2 m) und in den Säulen (0,15 m) einheitlich auf 0,1 m Substratdicke normiert. Für die Berechnung der Kontaktzeit wurde z. B. für das Baumsubstrat A2 eine Porosität von 0,3 angenommen.

Tabelle 2 zeigt den normierten Rückhalt für die drei Tests im Vergleich zu den Regenspenden im Schachtversuch. Trotz unterschiedlicher Filtergeschwindigkeiten ergeben sich bei gleicher Schichtdicke ähnliche Kontaktzeiten ergeben. Dies ist vermutlich auf den gegenläufigen Einfluss von Strömungseffekten und Filtergeschwindigkeiten zurückzuführen.

Dabei ist jedoch zu beachten, dass die hydraulischen Bedingungen im Schacht- und im Säulenversuch verschieden sind. Der Säulenversuch wird unter wassergesättigten Bedingungen aufwärts durchströmt mit hohen Filtergeschwindigkeiten durchgeführt. Unter diesen Bedingungen ist die Strömung gleichmässig. Die Untersuchung im Schachtversuch wurde dagegen unter teilgesättigten Bedingungen mit geringeren Filtergeschwindigkeiten durchgeführt. Die längere Kontaktzeit begünstigt den Stoffrückhalt und dürfte unter Einbau-bedingungen eher anzutreffen sein.

BELADUNGSKAPAZITÄT UND STANDZEIT

Die Beladungskapazitäten aus den Adsorptionsversuchen wurden rechnerisch auf das Gesamtsubstrat (mit Schotter, Steinen) hochgerechnet. Sie betragen z. B. für Diuron bei den Substraten A1, A2 und B rund 120 mg/kg Trockensubstanz (TS), 90 mg/kg TS bzw. 250 mg/kg TS. Die effektive Beladungskapazität für Diuron liegt daher bei Substrat B etwa doppelt so hoch wie bei den beiden anderen Substraten. Verschiedene Studien bestätigen die positive Wirkung von Pflanzenkohle auf den Diuronrückhalt und die Beladungskapazität, die mit dem organischen Gehalt im Boden vergleichbar ist [9, 10]. Yu et al. [11] untersuchten Diuron in Böden mit verschiedenen Pflanzenkohlezusätzen. So führten 2,5% Pflanzenkohle zu einer Beladung von rund 200 mg/kg Diuron. Dieser Wert liegt in der gleichen Grössenordnung wie die hier abgeschätzten Beladungskapazitäten. Diese Herleitung dient als grobe Orientierung für das Bindungspotenzial.

Für die Beladung mit Kupfer scheinen die Land- und Schwarzerde wichtiger zu sein als die Pflanzenkohle. Bei den Erden sind wiederum der Tongehalt und die Huminstoffe für die Adsorption relevant. Bei Kupfer ist jedoch zu beachten, dass in den Batchversuchen nicht zwischen Adsorption und Ausfällung aufgrund von Löslichkeitseffekten (pH) unterschieden werden kann. Der Einfluss des Substrates auf den pH-Wert ist jedoch ein wichtiger Faktor, der die Schadstoffdynamik von Kupfer beeinflusst [12].

Die Bindungskapazitäten sind im Vergleich zu reinen Adsorbermaterialien eher gering. So ermittelten Bahri et al. [13] für granulierte Aktivkohle rund 70 g/kg Diuron und Perić et al. [14] für Zeolith rund 25 g/kg Kupfer. Diese Werte liegen um den Faktor 100 bis 1000 höher als bei den Zürcher Substraten. Allerdings ist die Schichtdicke in Baumrigolen deutlich grösser als in Adsorberanlagen (1,2 m vs. 0,3 m) und die Entwässerungsfläche mit der zu erwartenden Schadstofffracht ist bis zu einem Faktor 100 kleiner. Somit ist trotz der geringeren Beladungskapazität der Zürcher Substrate im Vergleich zu technischen Adsorbersubstraten eine hohe Standzeit möglich.

Im Schachtversuch mit neun Prüfregenspenden wurde eine Stofffracht aufgebracht, die rund 0,1 bis 0,6% der geschätzten Beladungskapazitäten für die jeweiligen Substrate umfasste. Berücksichtigt man, dass die Kupfermenge in der VSA-Leistungsprüfung einer Jahresfracht entspricht und davon im Schachtversuch rund 25% aufgebracht wurden, deckt die Jahresfracht rund 0,4 bis 2,4% der Beladungskapazität der Substrate ab. Unter diese Annahme wäre nach 30 bis 200 Jahren die Kapazität zu ca. 80% erschöpft. Unter Berücksichtigung der Profilmächtigkeit sollte die im Laborversuch ermittelte Beladungskapazität keine kritische Standzeit erwarten lassen.

In der Realität kann die konkurrierende Adsorption den Stoffrückhalt begrenzen, aber auch der Eintrag von Partikeln zu zusätzlichen Bindungsplätzen führen. Es wird empfohlen, diese Mechanismen durch ein Monitoring bei Pilotinstallationen zu überprüfen.

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Der VSA-Säulenversuch ist ein geeigneter Test zur schnellen Abschätzung des Schadstoffrückhaltevermögens von Sub-straten unter reproduzierbaren Bedingungen im Labormassstab. Die direkte Übertragbarkeit auf Baumrigolen ist jedoch aufgrund der hydraulischen Bedingungen nur eingeschränkt möglich.

Die Säulenversuche wurden unter wassergesättigten Bedingungen mit hohen Filtergeschwindigkeiten durchgeführt. In der Praxis treten bei kleinen Anschlussflächen fast ausschliesslich ungesättigte Bedingungen auf, die zu geringeren Filtergeschwindigkeiten und höherem Stoffrückhalt führen. So liegen die gemessenen Sickerleistungen von Radix Plus® im Feld nur zwischen 0,09 und 0,39 m/h. Sie liegen damit noch um den Faktor 2 bis 10 niedriger als die langsamte Filterge-schwindigkeit im Säulenversuch (ca. 0,9 m/h). Es ist daher wahrscheinlich, dass die gelösten Schwermetalle im realen Gesamtaufbau deutlich besser zurückgehalten werden. Ausserdem wurden nur gelöste Stoffe dosiert. Im Feld liegen die Schwermetalle jedoch zumindest zu einem erheblichen Teil in partikulärer Form oder an Partikel gebunden vor. Partikel können durch die Filterfunktion der Substrate und die Deckschicht zurückgehalten werden. Bei einer hohen Wasserinfiltration (z.B. bei Starkregen) kann die Rückhalteleistung durch präferenzielle Stoffverlagerung in den groben Poren zeitweilig unterlaufen werden.

Der Rückhalt von GUS und Schwermetalle im Schachtversuch, aufgebaut wie Zürcher Baumrigolen, ist in der obersten Schicht hervorragend. Ein hoher Rückhalt von Mikroverunreinigungen, deren tatsächliche Relevanz im Strassenabwasser noch zu klären ist, wird nach der mittleren Schicht erreicht. Es kann daher davon ausgegangen werden, dass das Substrat Bbei Sättigung der Adsorptionsplätze in den ersten beiden Substraten eine gute Reserve für den Schadstoffrückhalt darstellt. In diesem Zusammenhang könnte eine periodische Erneuerung der obersten Substratschicht oder das Einbringen einer oberen austauschbaren Lage, die speziell für den Rückhalt konzipiert ist, von Vorteil sein. Bei einer Bepflanzung mit Bäumen ist der Austausch dieser Schicht gut zu planen.

Werden die Resultate zusammengeführt, stehen relevante Grundlagen für eine Beurteilung der Zulässigkeit des Zürcher Substrataufbaus im Gewässerschutzbereich A_u zur Verfügung. Der getestete dreischichtige Aufbau für Baumrigolen mit den Zürcher Substraten A1, A2 und B (1,2 m Mächtigkeit) ist nach heutigem Kenntnisstand geeignet, Platz- und Strassenabwasser der VSA-Belastungsklasse «gering» und «mittel» zurückzuhalten, ohne dass diese ins Grundwasser gelangen. Für einen möglichen Einsatz im Bereich der Belastungsklassen «hoch» wird vorsorglich empfohlen, zunächst die Erfahrungen aus Standorten mit geringer und mittlerer Belastung abzuwarten (Monitoring) und die kombinierte Anwendung mit Adsorbermaterial und -anlagen oder einer Oberbodenpassage zu prüfen.

Pflanzsubstrate unterliegen im Laufe der Jahre einem natürlichen Bodenbildungsprozess, bei dem sich der pH-Wert, der Gehalt an organischer Substanz, die biologische Aktivität und die Infiltrationskapazität pro Schicht verändern. Diese Prozesse sind auch von Bodenpassagen oder SABA mit Bodenfiltern bekannt. Daher wird auch empfohlen, die Sickerleistung und das Rückhaltevermögen von Baumrigolen über die Zeit (z. B. an realen Standorten) zu beobachten und substratspezifische Veränderungen (Deckschichtbildung, Kolmation, biologische Aktivität) zu erfassen. Durch die Identifizierung der für den Schadstoffrückhalt entscheidenden Parameter können die Pflanzsubstrate und die Bauweisen der Pflanzgruben noch noch effektiver auf den Stoffrückhalt ausgerichtet werden (Schichtabfolge, Mächtigkeit etc.).

Unabhängig davon ist zu klären, ob in der Praxis Baumrigolen mit schadstoffhaltigem Strassenabwasser beaufschlagt werden sollen, oder ob andere Barrieremassnahmen sinnvoller sind.

Bibliographie

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