Projekt 04225/01

Organophosphonsäuren – Bewertung der Leistungsfähigkeit biologischer Abwasserbehandlungsanlagen zu ihrer Eliminierung und Beurteilung ihres Umweltgefährdungspotentials

Projektdurchführung

Wasserlaboratorien Roetgen GmbH
Krefelder Str. 299
52070 Aachen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Untersuchung und Beurteilung des Verbleibs organischer Phosphonsäuren in biologischen Abwasserbehandlungsanlagen. Die Beurteilung der Elimationsleistung von Kläranlagen dient als Datengrundlage für eine weitergehende Expositionsanalyse und kann so zu einer genaueren Prognose der Umweltkonzentration von Phosphonaten beitragen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Durchführung des Forschungsvorhabens gliederte sich in zwei Teilabschnitte. Nach Auswahl der Phosphonsäuren (ATMP, EDTMP, DTPMP, HDTMP, HEDP, PBTC) aufgrund ihres Einsatzbereiches und der quantitativen Einsatzmengen in Deutschland folgte zunächst die Entwicklung einer leistungsfähigen Analytik, welche dazu dienen sollte, umweltrelevante Konzentrationen der ausgewählten Phosphonsäuren in verschiedenen Matrices erfaßbar zu machen.
Daran schlossen sich Untersuchungen zu Verhalten und Abbaubarkeit in biologischen Kläranlagen an. In einem Laborprogramm wurden für die untersuchten Phosphonsäuren untereinander vergleichbare Daten erarbeitet, die als Grundlage für eine differenzierte Betrachtung des Eliminationsverhaltens innerhalb der Stoffgruppe dienen. Hierbei sind die durchgeführten Untersuchungen so gegliedert, daß zunächst grundsätzliche Fragen zu den Mechanismen der Elimination beantwortet werden und im folgenden Untersuchungsmethoden eingesetzt werden, die aufgrund der realitätsnahen Bedingungen Rückschlüsse auf das tatsächliche Verhalten der Phosphonsäuren in der Kläranlage erlauben. Im Freilandprogramm sollte schließlich einerseits die Anwendbarkeit der entwickelten Analytik gezeigt werden sowie andererseits eine Bilanzierung der Phosphonsäureabnahme im Kläranlagenprozeß unter besonderer Berücksichtigung der Abwasserteilströme erfolgen.


Ergebnisse und Diskussion

Entwicklung der Analytik: Im Rahmen der Entwicklung der Analytik konnten Nachweisgrenzen (ohne Anreicherung) für ATMP von 3 mg/l, für alle übrigen Phosphonsäuren von 5 mg/l erreicht werden. Diese liegen über der angenommenen im Kläranlagenzulauf anzutreffenden Konzentration von ca. 1 mg/l. In der Matrix natürlicher Oberflächengewässer ist mit Konzentrationen <100 µg/l zu rechnen. Grundsätzliche Probleme ergaben sich einerseits durch die komplexen Matrices der Wässer der unterschiedlichen Prozeßaufbereitungsstufen und andererseits durch die notwendigen Aufkonzentrierungsschritte der Anreicherung.
Laborprogramm - Abiotische Elimination: Alle untersuchten Phosphonsäuren mit Ausnahme von PBTC adsorbieren rasch und innerhalb der gegebenen analytischen Nachweisgrenzen vollständig an die Klärschlammoberfläche. PBTC verblieb mit 50% der Ausgangskonzentration in der wässrigen Phase.
Laborprogramm - Biotische Elimination - Zahn-Wellens-Test: Im Zahn-Wellens-Test wurde keine der untersuchten Phosphonsäuren vollständig abgebaut. Die Eliminationsraten im Test zeigten eine Spannbreite von 11% (DTPMP) bis 86% (ATMP). Eine Reduktion der Einzelsubstanzkonzentration bei gleichbleibender DOC-Konzentration spricht für eine Metabolitbildung. HDTMP, HEDP und PBTC wurden im Zahn-Wellens-Test nicht abgebaut.
Laborprogramm - Biotische Elimination - Laborkläranlage: Unter Bedingungen von Nährstoffüberschuß erwiesen sich die untersuchten Phosphonsäuren als schwer eliminierbar
Laborprogramm - Biotische Elimination - Anaerobversuche: Alle untersuchten Phosphonsäuren zeigten kein Resorptionsverhalten unter anaeroben Bedingungen. Ebenso wie bei den Adsorptionsversuchen unter Belüftung adsorbierten fast alle Phosphonsäuren innerhalb von Stunden. Wiederum erwies sich PBTC als dasjenige Phosphonat, das innerhalb der Versuchsdauer noch mit 70% der Ausgangskonzentration im Filtrat nachweisbar war.
Die Grenzen, die bis dato der Entwickung einer leistungsfähigen Einzelstoffanalytik gesetzt sind, ermöglichten es nicht, die Reduktion der Phosphonsäurefracht eines Kläranlagenzulaufs bis zum Ablauf zu verfolgen und so differenzierte Aussagen über physikochemische Vorgänge innerhalb der einzelnen Prozeßstufen zu treffen. Ebenso war ein Abgleich zwischen Freilanduntersuchungen und den Ergebnissen der Laboruntersuchungen nicht möglich.
Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchungen sprechen für eine untergeordnete Bedeutung des biologischen Abbaus bei der Elimination von Phosphonsäuren. Diese wiederum ist ein wesentliches Kriterium für die Umweltverträglichkeit einer Substanz anthropogenen Ursprungs. Auf Grundlage der Untersuchungen an der Laborkläranlage und im Zahn-Wellens-Test sind die Phosphonsäuren als schwer abbaubar einzustufen. Da auf Grundlage der entwickelten Analytik nicht quantifiziert werden kann, inwieweit durch hydrolytische, photolytische und radikalische Abbauprozesse sowohl in der Kläranlage als auch im Freiland zu Metaboliten bzw. gänzlich umgesetzt werden, muß bei den untersuchten Phosphonsäuren davon ausgegangen werden, daß es sich um eine Substanzklasse handelt, deren Umweltgefährdungspotential zum jetzigen Zeitpunkt nicht umfassend beurteilt werden kann.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

I. Könen, A. Greif, J.K. Reichert, O. Huschens, Organophosphonsäuren in der aquatischen Umwelt, Bedeutung - Umweltrelevanz - Analytik in: Materialien des Landesumweltamtes NRW (Hrsg.), 19. Aachener Werkstattgespräch 1995 (in Vorbereitung)


Fazit

Bezüglich ihres Abbau- und vor allem ihres Adsorptionsverhaltens zeigen die untersuchten Phosphonsäuren ein jeweils substanzspezifisch unterschiedliches Verhalten. Für alle Phosphonsäuren ist jedoch davon auszugehen, daß unter kläranlagenrelevanten Bedingungen Adsorptionsprozesse diejenigen sind, die für die Elimination die größte Bedeutung besitzen. Es handelt sich bei den festgestellten Eliminationsprozessen also um eine Verlagerung aus dem wässrigen Medium in eine gebundene Form, die so wiederum z.B. über die landschaftliche Verwertung in das Umweltmedium Boden eingebracht wird. Welche Konsequenzen ein derartiger Eintrag von Phosphonsäuren in die Umwelt hat, ist nicht abzusehen.