PFAS: Neue Methode könnte belastete Böden mit Biosolids sanieren

Jedes Jahr werden in den USA Millionen Tonnen Trockensubstanz aus Biosolids – den nährstoffreichen Rückständen der kommunalen Abwasserbehandlung, auch Klärschlamm genannt – auf Böden ausgebracht.

Das ist zweifellos eine bemerkenswerte Form des Nährstoffrecyclings und eine gute Möglichkeit, Dünger zu gewinnen. Seit vielen Jahren werden diese Biosolids Landwirtinnen und Landwirten als natürliche Alternative zu petrochemischen Düngemitteln angeboten.

Doch dadurch entsteht auch ein enormes Problem, denn ein grosser Teil dieses Klärschlamms ist mit PFAS belastet.

Zum Glück arbeiten Forschende an einer Lösung.

„Dieses Problem – die PFAS-Kontamination landwirtschaftlicher Flächen – trifft unverhältnismässig häufig kleine und ökologisch wirtschaftende Betriebe, die PFAS-haltige Düngemittel einsetzten, bevor das volle Ausmass des Problems bekannt war“, erläutert der Umweltwissenschaftler Jake Thompson von der Yale University.

Gemeinsam mit seinem Team hat er nun ein detailliertes Sanierungsverfahren vorgeschlagen, das in der Fachzeitschrift PNAS veröffentlicht wurde. Es soll die PFAS-Belastung zu einem Bruchteil der Kosten bisheriger Methoden senken.

PFAS in Biosolids belasten landwirtschaftliche Böden

Eine 2001 von der US-Umweltschutzbehörde EPA durchgeführte nationale Erhebung zu Klärschlamm schätzte, dass die jährlich in den Vereinigten Staaten erzeugten Biosolids 2.749 bis 3.450 Kilogramm PFAS enthalten. Etwa die Hälfte dieser Menge wird auf landwirtschaftliche Böden aufgebracht. PFAS sind weithin als „ewige Chemikalien“ bekannt.

Wie diese Bezeichnung bereits andeutet, werden ewige Chemikalien nicht leicht abgebaut: Die Kohlenstoff-Fluor-Kette im Zentrum dieser Moleküle ist so stabil, dass PFAS voraussichtlich über Tausende Jahre erhalten bleiben.

Gelangen PFAS in den Boden, verbleiben sie dort. Mit jeder weiteren Ausbringung von Biosolids reichern sie sich über die Jahre an und können in durchquerende Gewässer gelangen. Sie können aber auch von Pflanzen aufgenommen werden, die auf dem belasteten Boden wachsen, und anschliessend erneut über die Nahrungskette zirkulieren.

Das ist besorgniserregend, weil immer mehr Hinweise darauf hindeuten, dass PFAS-Exposition für Lebewesen schädlich sein kann.

Labor- und Tierstudien deuten auf eine mögliche Rolle von PFAS bei Krebs sowie bei Problemen in Schwangerschaft und Fortpflanzung hin.

Untersuchungen menschlicher Bevölkerungsgruppen haben Zusammenhänge zwischen PFAS und dem Auftreten bestimmter Krebsarten, kardiovaskulären Risiken, multipler Sklerose sowie Fruchtbarkeitsproblemen aufgezeigt.

Viele dieser Studien befinden sich noch in einem frühen Stadium, sodass die Zusammenhänge weiter untersucht werden.

Insgesamt spricht jedoch vieles dafür, dass sich PFAS nicht in den Böden ansammeln sollte, auf denen unsere Lebensmittel angebaut werden.

„Obwohl diese Studie auf die USA ausgerichtet ist, stellen PFAS auf Grundlage der verfügbaren Daten weltweit eine Herausforderung dar“, sagt Thompson.

Sanierung von PFAS-Böden durch alkalisches Gestein und Pflanzen

Die Beseitigung dieser Belastung wird keine einfache Aufgabe sein: Mit heutigen Verfahren kostet die Entfernung von PFAS aus US-Ackerflächen etwa 800.000 bis 1,6 Millionen US-Dollar je Hektar. Insgesamt wird dies auf 8 Billionen US-Dollar geschätzt.

Das vorgeschlagene neue Verfahren kostet dagegen rund 29.000 US-Dollar pro Hektar, wenn es zur Sicherstellung der Sanierung bis zu 20 Jahre lang wiederholt wird.

Den Forschenden zufolge verbessert es zudem die Bodengesundheit. Bestehende Verfahren, bei denen Boden ausgehoben und „verbrannt“ wird, tragen hingegen Oberboden ab und setzen grosse Mengen Kohlendioxid frei.

Wie funktioniert die neue Methode also?

Zunächst wird zerkleinertes alkalisches Gestein auf die kontaminierten Flächen aufgebracht. Thompson und sein Team verwendeten in ihren Modellen Basalt; Kalkstein könnte jedoch ebenfalls eine Option sein.

„Die Ausbringung alkalischer Gesteinszusätze auf Böden (oder verstärkte Verwitterung) hebt den Boden-pH-Wert auf einen Zielwert von 7 an, was die Mobilität und Bioverfügbarkeit wichtiger PFAS wie Perfluoroctansulfonsäure (PFOS) und Perfluoroctansäure (PFOA) erhöht“, erklären die Autorinnen und Autoren in ihrer veröffentlichten Arbeit.

Auf dem belasteten Boden werden Pflanzen wie Hanf und mehrjährige Gräser angebaut, die dafür bekannt sind, PFOS schnell anzureichern. Anschliessend werden sie geerntet und pyrolysiert – einer Wärmebehandlung ohne Sauerstoff unterzogen –, wodurch Biokohle entsteht.

„Geerntete Biomasse, die zu Biokohle verarbeitet und wieder auf das Feld ausgebracht wird, kann zudem verbleibende PFAS immobilisieren und damit deren Übertragung auf Futterpflanzen verringern“, ergänzt das Team.

Kohlenstoffbilanz und Kosten des Verfahrens

Zum Verbleib von PFAS während der Pyrolyse bestehen weiterhin viele offene Fragen. Eine aktuelle Studie zeigt, dass möglicherweise mindestens 800 °C (1.472 °F) erforderlich sind, um die PFAS-Werte ausreichend zu senken.

Ein wesentlicher Teil der wirtschaftlichen Bewertung betrifft die Kohlenstoffbilanz.

Sowohl die für die Pyrolyse benötigten hohen Temperaturen als auch der Transport von Biokohleprodukten zu anderen Standorten verursachen Treibhausgasemissionen. Der Prozess der verstärkten Verwitterung entzieht der Atmosphäre dagegen Emissionen. In der Berechnung von Thompson und seinem Team werden beide Bestandteile des Verfahrens daher gegeneinander abgewogen.

Wenn ihre Vorgaben genau befolgt werden, schätzen die Forschenden, dass eine landesweite Einführung ihres Verfahrens in den Vereinigten Staaten jedes Jahr 10,5 Millionen Tonnen Kohlendioxid aus der Atmosphäre entfernen könnte.

„Dies ist ein realer Weg, den Landwirtinnen und Landwirten in dieser Situation tatsächlich wieder Handlungsmöglichkeiten für ihr Land zu geben und den Boden in einem besseren Zustand zu hinterlassen als zuvor“, sagt Thompson.

Die Forschung wurde in PNAS veröffentlicht.

Dieser Artikel wurde von Clare Watson auf Fakten geprüft und von Peter Dockrill redigiert. Wir sind stolz auf unseren Prozess, aber auch wir sind nur Menschen. Falls Sie einen Fehler entdecken, teilen Sie ihn uns bitte mit.