620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Es wird über drei Untersuchungen der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) informiert, die einen Überblick über die Gehalte verkehrsbürtiger Substanzen im Straßenseitenraum geben. Schwere, partikelförmige polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) aus Motoren, Fahrbahndecken und Fahrzeugreifen werden in den oberen Bodenschichten zurückgehalten. Es besteht keine Gefahr für die Gesundheit des Menschen. Dagegen tragen die leichtflüchtigen PAK zur allgemeinen Luftbelastung bei. Seit Anfang der 90er Jahre haben Mineralöl-Kohlenwasserstoffe im Pflanzenaufwuchs neben Straßen um 80 Prozent abgenommen.
Die Abwasserentsorgung von unbewirtschafteten Autobahnrastanlagen mit sanitären Einrichtungen (sogenannte PWC-Anlagen) stellt eine Besonderheit dar. Aufgrund ihrer oftmals großen Entfernung ist der Anschluss an öffentliche leitungsgebundene Infrastruktur schwierig. Weiterhin ist zu beachten, dass das Abwasser nach seiner stofflichen Zusammensetzung nicht dem häuslichen Abwasser entspricht. Ziel des Projektes war es, Grundlagen veralteter Planungshilfen bezüglich der Abwasserentsorgung von PWC-Anlagen unter Berücksichtigung vorhandener Erfahrungswerte sowie des wissenschaftlich-technischen Fortschritts zu aktualisieren. Es wurden 12 Messkampagnen an 6 deutschlandweit ausgewählten PWC-Anlagen durchgeführt, um die abwasserseitige Belastungssituation an PWC-Anlagen darzustellen. Dabei wurden aktuelle Daten zu anfallenden Abwasserfrachten für die Parameter CSB, TKN und Pges ermittelt. Aus den dokumentierten Wasserverbrauchsdaten und dem Filtratanfall konnte eine Angabe zum nutzerspezifischen Wasserverbrauch beziehungsweise Abwasseranfall gemacht werden. Dieser ist von der Sanitärtechnik sowie dem Umfang der Reinigung abhängig und von PWC-Anlage zu PWC-Anlage verschieden. Zusammen mit dem nutzerspezifischen Abwasseranfall können die ermittelten Abwasserfrachten als belastbare Bemessungsparameter in Planungs- und Entscheidungshilfen zur Abwasserentsorgung an PWC-Anlagen Eingang finden. Im Abwasser von PWC-Anlagen liegt eine wesentlich höhere Stickstofffracht gegenüber dem Angebot an organischen Stoffen vor, was durch einen hohen Urinanteil begründet ist und eine biologische Behandlung erschwert. Als ein Lösungsansatz dient die Separation von Urin. Neben der dezentralen Behandlung bestehen zur Abwasserentsorgung die Grundvarianten Überleitung in eine zentrale Kläranlage und Sammeln in einer abflusslosen Grube. Aus verfahrenstechnischen Gründen wird das Überleiten favorisiert. Die Variante ist aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht immer sinnvoll. Der Betrieb von Abwasseranlagen sollte in die Verantwortung des zuständigen Abwasserentsorgers oder eines großen privaten Betreibers gegeben werden. Neben dem Abschlussbericht wurde ein Leitfaden als Planungs- und Entscheidungshilfe bezüglich der Abwasserentsorgung an PWC-Anlagen unter Berücksichtigung rechtlicher, technischer und wirtschaftlicher Aspekte erstellt.
Es wurde eine Datenauswertung von Schadstoffgehalten in Bankettmaterial an 840 Proben und 40 Parametern durchgeführt. Bei getrennter Betrachtung der Straßentypen zeigen sich Autobahnen als die am stärksten belasteten Straßen. Hier ist für Blei, Cadmium, Kupfer und Zink sowohl bei den Feststoffgehalten als auch bei den Eluatgehalten ein deutlicher Unterschied zu den deutlich weniger belasteten Bundes-, Landes- und Kreisstraßen zu sehen. Die Vorsorgewerte vieler Stoffe sind an Autobahnen deutlich häufiger überschritten. Bei den anderen Schwermetallen tritt dieser Unterschied nicht in Erscheinung. Die Feststoffgehalte der organischen Schadstoffe PAK, MKW, PCB und EOX überschreiten häufig die Vorsorgewerte. Die Ergebnisse zeigen aber auch, dass 95% der Eluatkonzentrationen von Blei, Zink und Cadmium ebenso wie von Chlorid, Sulfat, Cyanid, Arsen, Nickel, Chrom und Quecksilber die Geringfügigkeitsschwellen und Prüfwerte für Sickerwasser unterschreiten. Bei Kupfer dagegen wird die Geringfügigkeitsschwelle auch bei niedrigen Verkehrsstärken oft überschritten, und bei den Autobahnen liegen mehr als 50% der Messwerte oberhalb des Z0/Z0*-Wertes für die uneingeschränkte Verwertung von Bodenmaterial. Über 90% der Kupfer-Eluatwerte unterschreiten jedoch den derzeit gültigen Prüfwert der Bodenschutzverordnung. Auf Anregung des UBA wurden Säulenversuche mit feldfrischem Bankettmaterial durchgeführt. Es ist vorgesehen, diese Methode zukünftig zur Bewertung der löslichen Schadstoffanteile in Böden und mineralischen Abfällen anzuwenden. Die Versuche zeigten eine sehr starke Bindung der PAK und aller Schwermetalle außer Kupfer an das Bankettmaterial. Die Geringfügigkeitsschwellen der LAWA werden von allen Stoffen außer Kupfer eingehalten. Eine vergleichende Auswertung von Labor- und Felduntersuchungen zur Reinigungsleistung von Straßenbankettböden und Entwässerungseinrichtungen zeigte für MKW, PAK und alle Schwermetalle sehr guten Rückhalt der eingetragenen Konzentrationen und Frachten mit Wirkungsgraden von 70 bis 95%. Kupfer erreichte in Sandböden nur einen Fracht-Wirkungsgrad von 50 %, die Konzentrationen im Sickerwasser überschritten jedoch nicht die Prüfwerte der Bodenschutzverordnung. Anhand dieser Informationen wurden problematische Stoffe in Bankettmaterial identifiziert. Das sind Kupfer, polychorierte Biphenyle (PCB) und extrahierbare halogenierte Kohlenwasserstoffe (EOX). Die Recherche möglicher Ursachen ergab, dass der Abrieb von kupferhaltigen Bremsbelägen die Hauptquelle für hohe Kupfergehalte und wahrscheinlich auch für die hohen eluierbaren Anteile im Bankett ist. Er ist nach Angaben des UBA und der EU-Kommission auch eine Hauptquelle für Kupferemissionen insgesamt. Eine vergleichbar eindeutige Quelle konnte für die hohen PCB- und EOX-Konzentrationen mancher Bankettproben nicht gefunden werden. Das belastete Material emittiert nicht, sondern bindet weiterhin Schadstoffe. Die partikulären Stoffe im Straßenabfluss tragen zum Erhalt der Schadstoffbindungsfähigkeit in den Banketten bei. Insofern steht einer weiteren Verwendung oder Verbleib im Bankett durch Umlagerung lediglich die umstrittene Einstufung als zu entsorgender Abfall entgegen, nicht jedoch die Funktionsfähigkeit in Bezug auf die Reinigungsleistung. Quellen und Rückhalthaltevermögen des Banketts für PCB und EOX sollten geprüft werden. Die Emissionen von Kupfer aus dem Straßenverkehr sollten deutlich gesenkt werden.
Der Reifenabrieb ist eine der mengenmäßig größten Quellen für Staubemissionen des Straßenverkehrs. Das betrifft vor allem sedimentierbaren Staub, aber auch Feinstaub, diesen in sehr viel geringeren Mengen. Menge, Qualität und Herkunft der Stoffeinträge in den Straßenseitenraum sollten genauer bestimmt werden, um Ansätze für Minderungsmaßnahmen zu zeigen. Für die entstehende Menge an Reifenabrieb lagen verschiedene Schätzungen vor, über die Schadstoffgehalte gab es bisher nur wenige Informationen, insbesondere zu anderen Metallen als Zink. Es wurden aufgrund von Markenverteilung, Größen, Einsatzbereich und Zustand 65 Pkw-Reifen der Jahre 1980 bis 2003 ausgewählt. Die Gewinnung der Reifenproben erfolgte mit einer Reifenschälmaschine. In Anlehnung an eine Methode zum Aufschluss von Bitumen wurde von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) eine stark oxidierende rückstandsfreie Aufschlussmethode entwickelt. Die Elemente Al, As, Cr, Cu, Fe, Mo, Na, Ni, Pb, Sb, V und Zn wurden aus der Aufschlusslösung mittels Optischer ICP-Emissionsspektrometrie (ICP-ÖS) quantitativ bestimmt, Cd mit Graphitrohr-Atomabsorptionsspektrometrie (AAS). Die Massenanteile der Hauptkomponenten der Proben wurden mit einer thermogravimetrischen Analyse (TGA) nach DIN 51006 bestimmt. Die Auswertung ergibt, dass wie vermutet Zink in teilweise sehr hohen Konzentrationen eingesetzt wird, aber auch, dass Cadmium und Blei im Vergleich zum verbreiteten Elementverhältnis Cd/Zn und Pb/Zn in Reifenmaterial mit geringeren Anteilen vorkommen. Dementsprechend sind die hier erstmals ermittelten emittierten Cadmiumfrachten aus Reifenabrieb geringer als zu erwarten war. Kupfer- und Bleiemissionen aus Reifenmaterial wurden nach Literatur- und Herstellerangaben als problematisch eingeschätzt. Dies kann anhand der vorliegenden Messungen und Abschätzung der emittierten Mengen nicht bestätigt werden. Ebenso wurden keine bedenklichen Emissionen der anderen untersuchten Elemente gefunden. Der zeitliche Verlauf der Konzentrationen von Zink und Cadmium in den Reifenlaufflächen bildet mit einer seit den 1980er Jahren leicht sinkenden Tendenz die Bemühungen um geringere Zinkemissionen ab. Im Zeitverlauf sinkende Rußanteile und steigende Glührückstände zeichnen den zunehmenden Einsatz neuer Füllermaterialien wie Silica nach. Auf Basis der Gesamtabriebmenge von 111.420 Tonnen pro Jahr in Deutschland kann die Freisetzung von circa 1.530 Tonnen leichtflüchtiger Substanzen und 22.000 Tonnen flüchtiger Substanzen pro Jahr abgeschätzt werden. Den größten Massenanteil machen die Gummi- und Polymeranteile mit etwa 43.000 Tonnen und Ruß mit etwa 38.000 Tonnen aus. Die emittierte Metallmenge von 1.375 Tonnen pro Jahr besteht hauptsächlich aus Zink. Die hier abgeschätzte Zinkemission von 1.205 Tonnen pro Jahr und Cadmiumemission von 180 kg pro Jahr aus sedimentierbaren Stäuben basiert auf der ermittelten Reifenabriebmasse von 111.420 Tonnen pro Jahr. Diese Masse beinhaltet Lkw- und Pkw-Abrieb, dieser beträgt jedoch nur etwa die Hälfte. Die wenigen Angaben zur Zusammensetzung des Reifenabriebs von Lkw-Reifen lassen um 60 - 80 Prozent höhere Konzentrationen an Blei und Zink erwarten, sodass die Abschätzung an der Untergrenze der tatsächlichen Emissionen liegt. Die Rolle der Ruß- und Gummibestandteile der Abriebe als organischer Bestandteil der Straßenrandböden sollte näher untersucht werden. Es sollte vor dem Hintergrund der EU-Wasserrahmenrichtlinie geklärt werden, ob Bankette und straßennahe Böden sowie die im Straßenbauregelwerk vorgesehenen Entwässerungseinrichtungen auch für bisher wenig untersuchte Stoffe eine ausreichende Reinigungsfunktion haben.
Ermittlung der Schadstoffbelastung in einem Tunnelbauwerk mit geschlitzter Decke an der EB 42 n
(1987)
Eine Schnellstraße durch einen Tunnel mit einer in der Mitte geschlitzten Decke zu führen, wie an der EB 42n im Bereich Königswinter-Oberdollendorf, ist in der Bundesrepublik Deutschland ohne Vorbild. Zur Klärung, welche Umweltbelastungen von einem derartigen Bauwerk ausgehen können, wurde in einer Messkampagne untersucht, welche Schadstoffbelastungen im Tunnel und außerhalb des Tunnels auftreten. Bei einem Verkehrsstau auf einer Richtungsfahrbahn von mehreren Kilometern Länge im Bereich des Tunnelbauwerkes wurden im Tunnel Kohlenmonoxidkonzentrationen gemessen, die um mehr als den Faktor 5 unter dem Grenzwert aus den Richtlinien für die Ausstattung und den Betrieb von Straßentunneln (RABT) lagen. Die Schadstoffbelastungen am Schlitz des Tunnels sind gering. Sie unterschreiten sowohl die Grenzwerte nach TA Luft, wie auch die Grenzwerte nach der VDI-Richtlinie 2310, die wegen fehlender Grenzwerte für den Straßenbau als Orientierungshilfen herangezogen wurden. Betrachtet wurden die Stoffe Kohlenmonoxid, Stickstoffdioxid und Ozon. Durch die Entwicklung eines physikalischen Modells zur Berechnung der Konzentrationsprofile in den beiden Tunnelröhren könnte das Prinzip der natürlichen Lüftung erklärt und gezeigt werden, dass ca. 75 % bis 78 % der im Tunnel emitierten Schadstoffe über den Schlitz in der Tunneldecke und die restlichen 22 % bis 25 % über die beiden Portale abgeführt werden. Unter dem Aspekt der Luftreinhaltung ist dieses Bauwerk als umweltfreundlich anzusehen.
Bei Verwendung von Ersatzbaustoffen für die Herstellung von Böschungen haben unter anderem die Sickerwassermengen und deren Verweildauer in den Baustoffen wesentlichen Einfluss auf die Menge der möglichen austragbaren Schadstoffe. Im "Merkblatt über Bauweisen für technische Sicherungsmaßnahmen beim Einsatz von Böden und Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen im Erdbau - M TS E" [FGSV 2009] der FGSV sind unterschiedliche Sicherungsmaßnahmen zur Reduzierung der Sickerwassermengen aufgeführt. Zur praxisnahen Bewertung der Prinzipien einiger dieser Maßnahmen wurden großmaßstäbliche Lysimeteruntersuchungen durchgeführt, um daran Sickerwasserraten und -mengen wie auch Schadstoffkonzentrationen zu quantifizieren. Dazu wurden in einer bereits bestehenden Lysimeteranlage in Augsburg (Derchinger Strasse) durch die BASt in acht Lysimeter der Ausschnitt einer Straßenböschung einschließlich eines etwa ein Meter breiten Bankettstreifens eingebaut. Diese werden seit Juli 2010 von der Hochschule Augsburg in Zusammenarbeit mit der BASt untersucht. Auf den Böschungen wurden unterschiedliche technische Sicherungsmaßnahmen eingesetzt. Zusätzlich wurden zum Vergleich auch Varianten ohne technische Sicherungsmaßnahme realisiert. Für den Aufbau der Böschungskerne wurde für vier Lysimeter feinkörniges (schwach durchlässiges) und für die anderen vier grobkörniges (durchlässiges) Bodenmaterial ausgewählt und mit Schadstoffen (Cadmiumacetat, Kaliumferrocyanid und Kupfersulfat) dotiert. Gemessen wurden die Sickerwasser- und Oberflächenabflussmengen, die Menge des Straßenabflusses und der Niederschlag an der Versuchsanlage sowie in jedem Lysimeter die volumetrische Feuchte, Temperatur und Salinität an jeweils zwei Punkten der eingebauten Böschungskörper. Ergänzend zu den hydraulischen Größen (Niederschlag, Menge von Sickerwasser und Oberflächenabfluss der Lysimeter), wurden Konzentrationen der zudotierten Schadstoffe und weiterer Parameter im Sickerwasser der Lysimeter und im Straßenabfluss bestimmt, die für den Einsatz von Ersatzbaustoffen (z.B. RC-Baustoffe und industrielle Nebenprodukte) und für die Straßenentwässerungsplanung relevant sein können. Dabei handelte es sich um Chlorid, Sulfat, Cyanid (ges.), Arsen, Blei, Cadmium, Chrom (ges.), Kupfer, Nickel, Quecksilber, Zink, Thallium, Molybdän, Antimon und Vanadium sowie pH-Wert, Temperatur und elektrische Leitfähigkeit. Das Sickerwasser und der Straßenabfluss wurden als Mischprobe gesammelt und regelmäßig analysiert. Qualitativ konnte für den Untersuchungszeitraum von September 2010 bis März 2013 festgestellt werden: - Die Auswahl des Dammbaustoffes hat den wesentlichen Einfluss auf den Anteil des Sickerwassers. Dieser betrug, bezogen auf die gesamte erfasste Wassermenge, bei den Becken mit bindigem Boden zwischen 4% und 16%, bei den Becken mit kiesigem Boden zwischen 45 % und 71 %. - Beim kiesigen Boden konnte gezeigt werden, dass ein hoher Anteil des Wassers bereits im Bankett versickert. - Eine Bitumenanspritzung als technische Sicherungsmaßnahme bewirkt bei beiden Bodenarten keine Verminderung des Sickerwasseranteils. - Die Möglichkeit einer gut wasserleitenden Schicht zeigte die größte Reduzierung der Sickerwassermengen. Sie wurde auf den Böschungen mit bindigem Boden im Böschungskern eingesetzt. Hinsichtlich der chemischen Parameter konnte im Untersuchungszeitraum (Juli 2010 bis November 2013) im Ergebnis festgestellt werden: - Die während des Messzeitraumes aus jedem Lysimeter ausgetragenen Stoffmengen sind relativ gering. Dies gilt auch für gut lösbare Stoffe wie Cyanid. - Hohe Chloridkonzentrationen im Sickerwasser haben eine mobilisierende Wirkung auf mehrere Schwermetalle. - Die ungleichmäßige Verteilung der Zuflüsse zu den Lysimetern hat auch auf die im Versuchszeitraum angefallenen Frachten wesentlichen Einfluss. Die Ergebnisse der Frachtermittlung zeigen - wie auch die gemessenen Konzentrationen - deutlicher den Unterschied zwischen den beiden eingebauten Böden als zwischen den realisierten technischen Sicherungsmaßnahmen. - Die mittleren Konzentrationen im Sickerwasser der Lysimeter ähneln sich bei gleichem eingebautem Boden sehr stark. Damit paust sich die Qualität des Zulaufes direkt auf die Frachtberechnung durch und diese erlaubt keine endgültigen Schlüsse auf die Wirkung der technischen Sicherungsmaßnahmen. Die Verringerung der die Böschung durchsickernden Wasseremenge bewirkt jedoch eine entsprechende Verringerung der ausgetragenen Stoffmenge. Es ist seitens der BASt ein Folgeprojekt geplant, um bisher noch offene Fragen mit Bezug zum Wasserhaushalt der Lysimeter zu beantworten.