Schadstoffbelastung und Altlasten

Schadstoffbelastung und Altlasten sind wichtige Faktoren bei der anthropogenen Schädigung von Böden, da organische und anorganische Schadstoffe nur in begrenztem Umfang durch die natürliche Pufferkapazität des Bodens aufgefangen werden können. Durch Auswaschung können in der Folge Verbindungen mit gesundheitsschädlicher Wirkung in die Nahrungskette, das Trinkwasser oder die Luft eingetragen werden und auf diesem Weg von Menschen und Tieren aufgenommen werden. Um diese Prozesskette zu unterbinden, existieren zahlreiche technische Maßnahmen zur Sicherung und Dekontamination derartiger Schäden.

Die Klassifizierung und Kartierung von Böden erstreckt sich auch auf Siedlungsgebiete. Gerade hier haben sich Böden durch anthropogenen Einfluss entweder grundlegend verändert, oder gar neu gebildet und werden deshalb als urbane Böden bezeichnet. Die Schädigungen durch Schadstoffe tritt hier mit besonderer Intensität auf.

Urbane Böden

Urbane Böden werden auch urban-industrielle Böden, Böden städtisch-industrieller Verdichtungsräume, Stadtböden oder Siedlungsböden genannt. Diese nicht ganz unterschiedlichen Bezeichnungen weisen durch die einzelnen Begriffe immer wieder auf den anthropogenen Einfluss hin, dem die Böden ausgesetzt sind. Eine etwas umfassendere Beschreibung von urbanen Böden spricht von der Gesamtheit aller Böden der urban genutzten Flächen. Es sind (z.T. kleinräumig vergesellschaftete) Bodeneinheiten natürlicher, anthropogen umlagerter natürlicher und technogener Substrate, die durch die anthropogene Überprägung (wie z.B. die Versiegelung) durch intensive Nutzung insbesondere eine Veränderung ihrer Eigenschaften aufweisen.

Sie haben im urbanen Raum meist die Funktion eines Infrastrukturelements inne, damit ist beispielsweise die Unterlage für Gebäude, Standorte für Industrie- und Gewerbegebiete oder Untergrund für Straßen und anderer Infrastrukturelemente gemeint. Die Folge dieser Art der Nutzung der Böden ist die Versiegelung. Andere Arten der Nutzung sind die der Deponierung und Entsorgung fester und flüssiger Abfälle, darunter fallen beispielweise Bauschutt- und Mülldeponien. Innerhalb des urbanen Raums gibt es meist nur wenige Böden, die als naturnah einzustufen sind, aber zu diesen gehören private Gärten, Parks, Spielplätze und sogar Grünstreifen. Für die Stadtbevölkerung sind diese Böden äußerst wichtig, denn sie dienen der Erholung und stärken die Gesundheit, außerdem dienen sie als Regulator und Filter der Grundwassererneuerung.

Die Veränderung und Überprägung der Böden im urbanen Raum kann verschiedene Ausmaße annehmen und unterschiedliche Vorgänge können dies und auch Umformungen zu neuen Böden verursachen. Bodenversiegelung wird erreicht durch die Überbauung oder Überdeckung des Bodens, verschüttet wird dieser durch Auffüllung oder Aufschüttung mit Materialien wie Bauschutt, Asche oder Müll, aber auch Arten des Terraformings ändern die Böden wie das Aufhöhen, durch Auftrag von Bodenmaterial, oder das Abtragen von Material. Böden werden mechanisch verdichtet, ausgetrocknet (z.B. für eine Grundwasserabsenkung), umgelagert für Baumaßnahmen, vermischt, aber auch kontaminiert durch Leckagen und Havarien.

Bei fortschreitender Urbanisierung nimmt zwangsläufig auch der Eingriff in die Bodeneigenschaften zu. Dies geschieht vorwiegend durch bauliche Maßnahmen, mechanische Belastungen und/oder Fremd- und Schadstoffeinträge. Dieser Eingriff hat als Folge den Rückgang der oberflächenbildenden Böden und offenen Freiflächen. Letztere beinhalten eine breite Spannbreite an Oberböden, von humusarmen Aufschüttungen bis zu humus- und nährstoffreichen Böden, zum Teil durch künstliche Düngung erzeugt. Die humusarmen Teile in den Freiflächen der Städte werden meist durch Beseitigung von Laub und Streu, also Humusbildnern, oder durch intensive Pflege, wie es in Parks oft üblich ist, erzeugt. Der pH-Wert, eine wichtige physiko-chemische Kenngröße ist bei den meisten Böden im urbanen Raum im neutralen Bereich aufgrund vieler kalkreicher Bauschuttreste. Wichtige Funktionen dieses Teils des Geoökosystems sind der Luftaustausch und die damit verbundene Durchlüftung des Bodens, aber diese werden durch geringe Humusauflage und reduzierte Zahl an Bodenlebewesen sowie mechanische Bodenverdichtung gestört und nachteilig beeinflusst. Außerdem kommt es besonders durch die Bodenverdichtung zur Reduktion des Porenvolumens, was die Wasserspeicherkapazität senkt und so spontan auftretende Wassermengen nicht mehr aufnehmen kann. Dies hat bei der Verteilung von Schadstoffen enorme Auswirkungen.

Schadstoffe

Böden haben gegenüber Schadstoffen eine Filter- und Pufferfunktion. Sie binden Schadstoffe und können den pH-Wert trotz des Eintrags versauernd wirkender Stoffe neutral halten. Allerdings können hohe Belastungen, wie es bei Kontaminationen an ehemaligen Industriestandorten oder Abfalldeponien vorkommen kann, zu Verschmutzungen führen, die Böden nicht mehr auffangen können.

Schadstoffe werden als Substanzen definiert, die durch ihre chemische oder physikalische Wirkung Mensch und Umwelt schädigen können. Nach der Bundesbodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV) von 1999 werden Schadstoffe wie folgt charakterisiert:Stoffe und Zubereitungen, die aufgrund ihrer Gesundheitsschädlichkeit, ihrer Langlebigkeit, Bioverfügbarkeit im Boden oder auf Grund anderer Eigenschaften und ihrer Konzentrationen geeignet sind, den Boden in seinen Funktionen zu schädigen oder sonstige Gefahren hervorzurufen. Diese Definitionen zeigen deutlich, dass Schadstoffe gerade wegen unterschiedlicher Eigenschaften entweder den Menschen und die Umwelt direkt schädigen können oder eine Wirkung auf die Böden haben, die wiederum aufgrund der Konzentration und Langlebigkeit diese Stoffe ihre Pufferfähigkeit nicht nutzen können und so für den Menschen und andere Lebewesen zur Gefahr werden können.

Tab. 1: Beispiele organischer und anorganischer Schadstoffe.

Organische Schadstoffe	Anorganische Schadstoffe
PAK (Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe)	Schwermetalle (z.B. Blei)
PCB (Polychlorierte Biphenyle)	Salze
Dioxine	Radionuklide (z.B. Cäsium-137)
Furane
MKW (Mineralölkohlenwasserstoffe)
LCKW (leichtflüchtige chlorierte Chlorkohlenwasserstoffe)
BTX (leichtflüchtige aromatische Kohlenwasserstoffe

Die schädliche Wirkung der Stoffe ist von den chemischen und physikalischen Eigenschaften, der Mobilität und der Dosis abhängig. Einige Verbindungen werden erst durch den Eintrag anderer Stoffe oder durch die Veränderung der Gegebenheiten, so wie es in Böden oft der Fall ist, zu Schadstoffen. Man kann verschiedenste Schadstoffe in Böden entweder in Kombination oder einzeln vorfinden. Man unterteilt sie in organische, welche nicht natürlich gebildet werden, sondern erst durch Prozesse wie Verbrennen entstehen, oder anorganische Schadstoffe (siehe Tab. 1).

Altlasten

Altlasten sind unter anderem Altablagerungen und Altstandorte, durch die schädliche Bodenveränderungen oder sonstige Gefahren für den Einzelnen oder die Allgemeinheit hervorgerufen werden. Zu Altlasten werden Boden- und Grundwasserverunreinigungen durch den unbedachten Umgang mit Stoffen und durch Unfälle, schädliche Bodenveränderungen bei bestehenden Betrieben oder nicht stillgelegten Deponien und Grundstücke stillgelegter Anlagen gezählt. Beispiele dafür sind stillgelegte Abfallbeseitigungsanlagen oder alte Industriestandorte, wie z.B. Galvanisierungsanlagen und Raffineriegebiete. Das Schadstoffspektrum ist von der ehemaligen Nutzung des Gebiets abhängig, so sind MKW, PAK und Blei bei alten Tankstellen zu finden, und Schwermetalle vorwiegend bei stillgelegten Glashütten. Die Priorität nach Gefährlichkeit für Schutzgüter wie Wasser werden über das BBodSchG geregelt.

Eine Besonderheit unter den Altlasten sind die Rüstungsaltlasten. Sie sind im Zusammenhang mit der Rüstungsproduktion im ersten und zweiten Weltkrieg und in der Nachkriegszeit entstanden. Von diesen geht eine Gefahr für den Menschen aus, da es sich um Kampf- oder Explosivstoffe handelt.

Kontamination

Städtische Böden können in verschiedenster Weise belastet und verschmutzt werden. Der Eintrag der Schadstoffe geschieht hier meist durch Luft, Regen, Hochwasser, Altlasten, Leckagen, Havarien, unsachgemäße Lagerung, oder Überdüngung. Die Belastung wird oft dem Säureeintrag durch sauren Regen, Stoffbelastungen durch Schwermetalle, wie Blei, Kupfer, Zink oder Cadmium zugeschrieben, sowie den Eintrag von organischen Schadstoffen wie PAK, PCB und vor allem auch MKW.

Einen großen Beitrag zur Kontamination und Verbreitung der Stoffe in der Stadt leistet die Bodenversiegelung, denn dabei wird offener Boden mit mehr oder weniger impermeablen Substanzen, wie Asphalt und Teer, verdichtet und abgeschlossen. Zu nennen beim Thema der Versiegelung sind drei verschiedene Formen. Die horizontale und vertikale Vollversiegelung durch Straßen, Gebäude und Plätze, eine Teilversiegelung wie bei Pflasterung und Gehwegplatten, und eine Unterflurversiegelung durch Tiefgaragen, Tunnel oder Leitungsschächten. Diese Formen der Versiegelung haben zur Folge, dass die Böden einen Großteil der ökologischen Funktionen nicht mehr erfüllen können, dabei werden Austauschprozesse zwischen Boden und Atmosphäre stark reduziert oder sogar unterbunden.

Der Eintrag von Schadstoffen geschieht entweder diffus, weiträumig und relativ gleichmäßig in geringen Konzentrationen, dabei werden Massenschadstoffe, organische Verbindungen und Schwermetalle in die obersten Bodenschichten eingebracht. Oder es handelt sich um einen konzentrierten, räumlich und zeitlich begrenzten Eintrag. Dieser ist eher ungleichmäßig, nutzungstypisch und kann in allen Bodenschichten bzw. -horizonten auftreten. Weitere Differenzierung des Eintrags kann anhand der Quelle und den Pfad vorgenommen werden, wie bei Schwefeloxid aus Kraftwerken oder Stickoxiden aus Verkehrsemissionen.

Luftverschmutzungen bewirken den Eintrag von Spurenschadstoffen in den Boden. Diese sind meist an Staubpartikel gebunden und werden vom Niederschlag gelöst. Unter dieser Art der Verschmutzung findet man z.B. Kohlenwasserstoffe und besonders halogenierte Kohlenwasserstoffe. Unter verkehrsspezifischen Immissionen versteht man die von Straßen und Schienen ausgehenden Schadstoffe. Zu diesen gehören hauptsächlich Kohlenwasserstoffe, Stickstoffoxide, Schwefeloxide und Schwermetalle wie Blei.

Weitere Eintragsquellen sind unter anderem Leitungen und Infrastruktur (Undichtigkeiten bei Kanalisationssystemen), Kontamination und Ablagerungen durch Betriebsflächen (branchenabhängig), ehemalige oder aktive Deponien, Bodenverbesserungsmittel, Bodenvermischung mit kontaminierten Substraten als Sicherungsmaßnahmen und die Sedimentation in Gewässern. Letzteres bedeutet die Anreicherung von Schadstoffen durch natürliche Prozesse in Sedimenten stehender oder flüchtiger Gewässer. Durch anthropogenen Einfluss können sich Faulschlämme bilden und es kommt bei Hochwässern im besonderen Zusammenspiel mit versiegelten Böden zur Verbreitung der Schadstoffe.

Sanierung

Abb. 1: Phasen einer Altlasten-Sanierung. Lukas Heimerl (2019)

Abb. 1: Bodensanierung im Wabenverfahren. Sanierung eines alten Raffinerie-Geländes. MKW Schaden im Boden. Heimerl (2019)

Bei Verdacht auf kontaminierte Flächen werden drei Phasen der Sanierung durchgegangen. Phase 1 ergibt sich aus Erhebung und Erstbewertung, sowie aus der historischen Erkundung. Letztere besteht daraus vorhandene Daten und Informationen zu sammeln und auszuwerten. Gesammelt werden dabei kartographische Informationen, die aus geologischen, hydrogeologischen, hydrologischen, meteorologischen, topographischen und pedologischen Karten gesammelt werden. Weitere Daten kommen aus Luftbildern, der gewerblichen Wirtschaft, Betriebsunterlagen, Anlagenplänen, sowie aus Bauanträgen. Daraufhin werden erste Entscheidungen zu Sofortmaßnahmen, regelmäßigen Untersuchungen und weiteren Untersuchungen getroffen.

Die zweite Phase besteht aus drei Punkten, der orientierenden Untersuchung, der Detailuntersuchung und der Gefährdungsabschätzung. Bei der Orientierenden prüft die die zuständige Behörde, ob der Verdacht auf eine Altlast bestätigt oder ausgeräumt wird. Es kommt zur Einschätzung der Kontaminationshypothese über alle möglichen Wirkungspfade. Nach der Bewertung wird entschieden, ob es sich um eine Kontamination ohne Handlungsbedarf handelt, und eine Neubewertung der Nutzung ausreicht, oder ob ein Gefahrenverdacht besteht und eine Detailuntersuchung notwendig ist. Bei dieser Untersuchung wird die Art und der Umfang der Kontamination aller Wirkungspfade, sowie die räumliche Verteilung der Schadstoffe, Ausbreitungsverhalten und der Einfluss auf Schutzgüter analysiert. Die Methoden, die hierbei angewendet werden sind unter anderem Bohrungen bzw. Rammkernsondierungen, Grundwasseruntersuchungen, Bodenluftproben und Geophysikalische Verfahren. Das Ergebnis der Gefährdungsabschätzung zeigt, ob eine Sanierung erforderlich und rechtlich durchsetzbar ist.

Ist diese Phase abgeschlossen, tritt die letzte Phase in Kraft. Phase 3 beschäftigt sich mit der Sanierungsuntersuchung, bei der es zur Wahl des geeigneten Sanierungsverfahrens oder zur Kombination der Verfahren kommt. Die Sanierung kann aus passiven Verfahren, bei denen keine induzierenden Maßnahmen verwendet werden, oder aus aktiven Verfahren mit induzierenden Maßnahmen, wie z.B. pump and treat und dem Einbeziehen chemisch-physikalischer oder biologischer Vorgänge, bestehen. Der letzte Punkt der dritten Phase ist die Entlastung aus Nachsorge. Dabei soll die dauerhafte Wirksamkeit der Sanierungsmaßnahmen sichergestellt werden und die Schäden der Einrichtungen behoben werden.

Abb. 2: Bodensanierung im Wabenverfahren. Einschlagen der Wabenwand-Elemente. Heimerl (2019)

Nach dem Bundes-Bodenschutzgesetz bestehen Dekontaminationsmaßnahmen aus der Beseitigung und Verminderung der Schadstoffe, dem Aushub oder Umlagerung zur Entsorgung (Verwertung auf einer Deponie), aktive hydraulische Maßnahmen (z.B. Grundwasserentnahme), aktive pneumatische Maßnahmen (z.B. Bodenluftabsaugung), Chemisch-physikalische Behandlung (z.B. Adsorption, Reduktion, Fällen, usw.), biologische Behandlungen, thermische Behandlungen und passive Maßnahmen (z.B. reaktive Wände). Das Gesetz beschreibt auch Sicherungsmaßnahmen und dazu zählen das langfristige Verhindern oder Vermindern einer Ausbreitung ohne die Beseitigung des schädlichen Stoffes, die Beseitigung der Veränderung der physikalischen, chemischen und biologischen Beschaffenheit es Bodens, passive hydraulische Maßnahmen (z.B. Grundwasserabsenkung/ -umleitung), passive pneumatische Maßnahmen (z.B. Gaserfassung), Einkapselung, Immobilisierung und Oberflächenabdichtung.

Unter den Verfahren zur Sanierung und Eindämmung der Kontaminationen gibt es In-Situ-Verfahren, zu denen Maßnahmen gehören, die vor Ort im Untergrund ohne die Bewegung von Material erfolgen. Dazu zählt die aktive Methode des Pump and Treat, dabei wird das belastete Grundwasser hochgepumpt und in einer Reinigungsanlage behandelt, und das gereinigte Wasser wird reinjiziert in den Boden. Air Spargin ist ein weiteres aktives Verfahren welches das Ausblasen leicht flüchtiger Schadstoffe mittels des Eintrags von Luft in das kontaminierte Grundwasser mit Pumpen umfasst. Die Schadstoffe werden daraufhin über Bodenluftabsaugung entfernt.

Ein letztes aktives Verfahren ist der biologische Abbau im Untergrund, bei dem Sauerstoff und bestimmte Nährstoffe in den Untergrund eingebracht werden, so können sich Bakterien in dem neu gebildeten Milieu ansiedeln und die Schadstoffe abbauen. Die permeable Reaktionswand ist ein passives Verfahren. Im Abstrom des Schadensherds wird eine Reaktionswand errichtet, an der es im gesamten Bereich zu einer Reaktion zwischen Kontaminationsmaterial und reaktivem Material (z.B. Aktivkohle) kommt. Das letzte vorgestellte In-Situ-Verfahren ist ein Passives und heißt Funnel and Gate. Hier wird mit dem Einbau einer hydraulischen Sperre das belastete Grundwasser durch einen Durchlassbereich geleitet, indem sich ein reaktives Material befindet. An dieser Stelle werden die Schadstoffe umgewandelt oder abgebaut.

Zu den Ex-Situ-Verfahren gehören die On-site-Verfahren, also die Entfernung der Schadstoffe vor Ort, wie chemische, biologische und thermische Verfahren. Ein Off-Site-Verfahren ist das Waschen und Extrahieren. Es beschreibt die physikalisch-chemische Bodenwäsche außerhalb der Baustelle. Dabei wird Bodenmaterial in eigens errichteten Bodenwaschanlagen nach den Korngrößenfraktionen sortiert und gewaschen, um das Material nach einer Neubewertung möglicherweise wieder einzubauen.

Weiterführende Informastionen und Literatur

• Blume, H. P., Horn, R., Thiele-Bruhn, S. (Hrsg.) (2011): Handbuch des Bodenschutzes. WILEY-VCH.
• Bohnert, B. (2016). Integrales Altlastenmanagement – Leitfaden und Handlungshilfe zur integralen Untersuchung und Sanierung von Altlasten. In: Altlasten Spektrum 25, 209 -248.
• Hirner, A.V., Rehage, H., Sulkowski, M. (2001): Umweltgeochemie: Monographie für Lehre und Forschung: Umweltgeochemie. Herkunft, Mobilität und Analyse von Schadstoffen in der Pedosphäre. Steinkopf, Darmstadt.
• Landesamt für Umwelt Bayern (LfU) (Hrsg.) (o.J.): Altlasten. URL: https://www.lfu.bayern.de/altlasten/index.htm (Stand: 12.08.2019)
• Lewandowski, J., Leitschuh, S., Koß, V. (2013): Schadstoffe im Boden: Eine Einführung in Analytik und Bewertung. Springer.
• Renger, M., Mekiffer, B. (1998): Belastungen und Gefährdungspotentiale urbaner Böden. In: Bodenökologie & Bodengenese 26, 3-22.
• Sauerwein, M., Geitner C. (2008): Urbane Böden – Charakterisierung, Schadstoffbelastung und Bedeutung im städtischen Ökosystem, 117-130.

Autor:innen

Dieser Artikel wurde geschrieben und gegengelesen von:

Lukas Heimerl, Philipp Maly

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