Umweltanalytik

Die Umweltanalytik beschäftigt sich u.a. mit potenziell umweltschädlichen Stoffen und deren Wechselwirkung mit ihrer Umgebung in Wasser, Boden und Luft. Des Weiteren wird dabei untersucht, woher die untersuchten Substanzen stammen und wie schnell sie sich in einem System verteilen können. Die Substanzen können dabei sowohl anthropogenen als auch geogenen Ursprungs sein.

Beachte:

Welche Analyse-Methode zur Anwendung kommt, richtet sich u.a. nach der Fragestellung, die beantwortet werden soll. Außerdem gelten je nach Bundesland und auch im Ausland unterschiedliche gesetzliche Vorgaben und Normen für Probenahme, Probenaufbereitung und Analytik. Daher sollte man sich im Vorfeld über die gesetzlichen Vorgaben informieren, um am Ende keine Probleme mit Grenzwerten, Beurteilung oder auch bereits bei der Probenahme festzustellen.

Die Umweltanalytik findet u.a. in den Bereichen der Entsorgung und Verwertung Anwendung. Hier dient sie vor allem dazu, zu bestimmen, welche Maßnahmen ergriffen werden müssen, um das beprobte Material sicher und dem Gesetz entsprechend zu entsorgen oder zu verwerten.

Dieser Artikel gibt einen Überblick darüber, welche Schritte bei der Probennahme, der Analytik und der Auswertung notwendig sind und was jeweils zu beachten ist.

Ursprung des Materials

Das Material selbst kann sowohl anthropogenen als auch geogenen Ursprungs sein. Zu anthropogenem Material würde beispielsweise (Bau-)Material aus Häusern oder Tankstellen zählen. Ein Beispiel für geogenes Material ist der Aushub aus Baugruben. Die Schadstoffe selbst können ebenfalls sowohl anthropogenen oder geogenem Ursprungs sein.

Beispiele für den Ursprung des Materials und der Schadstoffe:

		Schadstoff
		Anthropogen	Geogen
Material	Anthropogen	Wandfarben	Asbest in Gebäuden
	Geogen	Öl im Boden bei Tankstellen	Arsen im Sediment

Zwischen anthropogenen und geogenen Stoffen wird vor allem aufgrund der unterschiedlichen Komplexität des Materials und der zu erwartenden Schadstoffe unterschieden. In einem Gebäude können sich beispielsweise viele Schadstoffe in Form von Verbundstoffen widerfinden. In geogenen Stoffen können stattdessen Schadstoffe, die für die Lagerung interessant sind, in Mineralen gebunden sein.

Bevor es los geht

Der erste Schritt einer umweltanalytischen Untersuchung besteht darin, sich im Klaren zu sein, welche Fragestellung man beantworten will und welche analytischen Methoden daher durchzuführen sind.

Will ich das Material verwerten oder entsorgen? Wo will ich es verwerten?

Beachte:

Je nachdem, wo ich das Material verwerten will, können sich die Anforderungen an das Material und die Analytik unterscheiden. Material, das nach der Verwertung in Kontakt mit Kindern gerät, z.B. als Teil von einem Spielplatz, muss sehr hohe Anforderungen erfüllen, um eine Gefährdung der Kinder auszuschließen. Im Gegensatz dazu sind die Anforderungen an Material, das nach der Verwertung nicht in Kontakt mit Menschen kommt, z.B. als eine Böschung bei einer Autobahn, deutlich geringer, da hier ein geringeres Gefährdungspotenzial vorliegt.

Wahl des Labors

Die Wahl eines geeigneten Labors ist, gerade wenn Du noch nicht so viel Erfahrung hast, nicht ganz leicht. Folgende Punkte können Dir bei der Wahl des Labors, welches die Probe analysieren soll, helfen:

• Nutze eigene Erfahrungen / die Erfahrungen von Kollegen
• Informiere dich im Voraus, ob das Labor die gewünschte Analytik bzw. Methode ausführt
• Ist das Labor akkreditiert und für die gewünschte Methode zertifiziert? Das ist bei offiziellen Messungen vorgeschrieben
• Vergleiche die Preise verschiedener Labore, um hohe Kosten zu vermeiden, wobei gütiger nicht immer besser ist
• Kontaktiere das Labor vorab
• Es empfiehlt sich, innerhalb eines Projektes nur ein Labor zu beauftragen, sofern die Analysen miteinander verglichen werden sollen, weil es auch von Labor zu Labor (i.d.R. kleine) Unterschiede in den Analyseergebnissen geben kann

Probennahme

Beachte:
Bei der Probenahme im Rahmen der Umweltanalytik gibt es wichtige Unterschiede, in denen sie sich von der geologischen Probenahme im Gelände unterscheidet. Bei der umweltanalytischen Probenahme müssen beispielsweise stets die gesetzlichen Vorgaben beachtet werden. Außerdem ist es hier besonders wichtig, Kontamination zu vermeiden.

Beispiel für ein Probenahmeprotokoll, erstellt im Rahmen des Kurses zur GÜ Umweltgeologie von L. Wildgruber, C. Otte, M. Capin, A. Klein.

Wie genau bei der Probenahme vorgegangen wird, unterscheidet sich je nach Fragestellung und gesetzlichen Vorgaben. Außerdem unterscheidet sich die Probenahme je nachdem, wie das zu beprobende Material vorliegt. z.B. Als Gebäudeschadstoff, geogenes Material (z.B. Aushub) oder als Bauschutt in Haufwerken. Bei einer Untersuchung im Zusammenhang mit der Verwertung/Beseitigung von Abfällen gilt die Richtlinie PN 98. Diese Richtlinie stammt von der Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Abfall (LAGA) und legt mitunter die Probenzahl und Probengröße fest. Dabei ist wichtig, dass es sich bei der Probe um eine repräsentative Probe handelt. D.h. je nach Zusammensetzung und Größe des zu beprobenden Bereichs muss die Zahl der Proben angepasst werden.

Um bei der Probenahme nicht den Überblick zu verlieren und sie im Nachhinein nachvollziehbar zu machen, gibt es das Probenahmeprotokoll. Hier werden schrittweise alle grundlegenden Informationen eingetragen, die für die Probennahme relevant sind.

Tipp:
Frage im Labor nach, wie die Probe vorliegen soll und wie sie zu beschriften ist. Teilweise können bestimmte Voraussetzungen wie eine Kühlung vorgeschrieben sein. Oft stellt das Labor bei Nachfrage passende Probenbehälter.

Vorbereitung der Proben fürs Labor

Bevor man die Proben in ein Labor übergibt, sollte man sich folgende Fragen stellen:

• Sind die Proben eindeutig und korrekt beschriftet?

Beachte:
Beschrifte niemals nur den Deckel! Dieser kann schnell verloren gehen oder, falls Deckel vertauscht werden, zu Verwechslungen führen.

• Ist das Labor darüber informiert, welche Analysen durchzuführen sind?
• Ist klar, von wem die Proben stammen?
• Ist klar, von wo die Proben stammen?

Tipp:
Bei der Vorbereitung fürs Labor hilft dir der Probenbegleitzettel. Dort kannst du eine Liste der Proben und die gewünschte Analytik eintragen. Außerdem kann das Labor durch den richtig ausgefüllten Probenbegleitzettel den Ursprung der Proben und den Auftraggeber nachvollziehen.

Analytik für die Entsorgung und Verwertung von Feststoffen

Als Geologe ist vor allem die Analytik von Feststoffen wichtig, da man in typischen Szenarien vor allem mit Feststoffen zu tun hat. z.B. Aushubmaterial, Verfüllmaterial für Gruben, Brüche und Tagebauen. Die Analytik unterscheidet insbesondere zwischen der Feststoffanalyse und der Eluatanalyse. Bei der Feststoffanalyse wird das beprobte Material als Feststoff untersucht. Bei der Eluatanalyse wird der Teil des Materials untersucht, der bei der Elution in Lösung geht.

Eluatanalyse

Die Eluatanalyse findet daher Verwendung, da sie widerspiegelt, welche Inhaltsstoffe bei Kontakt mit Wasser in Lösung gehen und welche Eigenschaften daraus für das Eluat resultieren. Damit spiegelt diese Art der Analyse wider, was auch in der Natur oder bei der Lagerung bei Wasserkontakt zu erwarten ist.

Um eine Probe als Eluat zu analysieren, wird ein Feststoff mit einer bestimmten Menge an destilliertem Wasser gemischt. Dadurch werden die wasserlöslichen, auslaugbaren Stoffe in Lösung gebracht. Anschließend wird die Suspension von dem Bodensatz getrennt. Die Suspension wird anschließend filtriert, die übrige Flüssigkeit wird als Eluat bezeichnet.

Um sicherzugehen, dass die Messwerte aus verschiedenen Laboren vergleichbar sind, sind die Konzentration und der Zeitpunkt der Messung sowie die Art der Mischung und die Vorbereitung der Probe in DIN Normen festgelegt. Die Messungen, die an dem Eluat vorgenommen werden können, liefern folgende Parameter, die vor allem bei der Einstufung von Abfällen verwendet werden können:

Untersuchter Parameter	Möglicher Ursprung	Potenzielle Gefahren
PH-Wert	Industrie, Bergbau	Einfluss auf Reaktivität, Umweltschädlich
Elektrische Leitfähigkeit	Hoher Salzgehalt	Indikator für starke Verschmutzung
Eh-Wert		Einfluss auf die Reaktivität
Trübung		Indikator für starke Verschmutzung
Chlorid-, Sulfat-, Fluoridgehalt	Geogen, Kohleabbau, Streusalz	In hohen Mengen toxisch, korrosiv
Cyanidgehalt	Bergbau	Stark toxisch
Schwermetallgehalt	Geogen, Düngemittel, Stahlproduktion, Kfz-Verkehr	Stark toxisch
Phenolindex	Papier-, Kohle-, Farbindustrie	Krebserregend, toxisch für Mikrofauna
Adsorbierbare organisch gebundene Halogene (AOXI)	Insektizide, Klärschlamm	Krebserregend, Treibhausgase, Schwächung des Immunsystems
Gelöster organisch gebundener Kohlenstoff (DOCI)	Lebensmittelbetriebe	Umweltschädlich

Die Ergebnisse aus dem Labor werden in einem Prüfbericht festgehalten. Dieser hält fest, welche Parameter gemessen wurden und nach welcher Norm die Messungen durchgeführt wurden.

Beispiel für einen Prüfbericht in der Umweltanalytik.

Tipp:
Wofür steht BG? Die BestimmungsGrenze ist die kleinste Konzentration eines Stoffes, die quantitativ mit einer festgelegten Präzision bestimmt werden kann. Wenn die Bestimmungsgrenze nicht erreicht wird, kann man keine genaueren Angaben über die Konzentration des Stoffes angeben. Daher wird im Prüfbericht bei dem Ergebnis “<BG” angegeben. In dem Beispielprüfbericht ist das bei Chlorid der Fall.

Feststoffanalyse

Der Feststoff kann auf folgende Parameter untersucht werden:

Parameter	Möglicher Ursprung	Mögliche Gefahren
Farbe, Geruch	Organische Substanzen
PH-Wert	Industrie, Bergbau	Einfluss auf Reaktivität
Trockenrückstand
Glühverlust		Indikator für brennbare Substanzen
Gesamter gebundener Kohlenstoff		Indikator für Verschmutzung
Cyanidgehalt	Bergbau	Stark toxisch
Schwermetallgehalt	Geogen, Düngemittel, Stahlproduktion, Kfz-Verkehr	Stark toxisch
Kohlenwasserstoffe	Geoge und Anthropogen als Erdgas, Erdöl, Methan	Leicht entzündlich, hautreizend, Treibhauseffekt
HCl	Geogen in Salzen, Biogasanlagen	Stark reaktiv, korrosiv, gesundheitsschädlich
Organisch gebundene Halogene	Insektizide, Klärschlamm	Krebserregend, Treibhausgas, Schwächung des Immunsystems
Leichtflüchtige Halogenkohlenwasserstoffe	Chemieindustrie	Krebserregend, Schädigung der Ozonschicht
Benzol und Derivate (BTEX)	Geogen in Erdöl und Erdgas, Farben, Industrie	toxisch, Umweltschädlich
Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe	Geogen in Kohle und Erdöl, Teer, Dachpappe, Farbstoffe	Toxisch, gesundheitsschädlich
Polychlorierte Biphenyle (PCB)	Lacke, Kunststoffe, Elektroindustrie	Krebserregend
Polychlorierte Dibenzodioxide und Dibenzofurane	Metall-, Chemie-, und Energieindustrie	Toxisch

Eine typische Methode, um schwerlösliche Stoffproben für Analysemethoden aufzubereiten, ist der Teilaufschluss mit Königswasser. Königswasser ist ein Gemisch aus Salzsäure und Salpetersäure, das es schafft, Schwermetalle in Cloro-Komplexen in Lösung zu bringen, wodurch die Stoffe für weitere Analysemethoden zugänglich sind. In späteren Schritten kann der Feststoff analysiert werden, mit u.a. Massenspektrometrie, Elektronenmikroskopie, Atomabsorptionsspektroskopie, ICP-OES oder IC. Generell gibt es je nach Stoffgruppe ein festgelegtes Aufschluss- und Analyseverfahren. Diese können in den Mitteilungen der LAGA nachgelesen werden.

Beachte:
Da es sich bei dem Königswasseraufschluss nur um einen Teilaufschluss handelt, können nur die gelösten Stoffe untersucht werden. Mineralische Oxide können beispielsweise nicht im Königswasser gelöst werden.

Prüfen der Ergebnisse

Nachdem man die Ergebnisse aus dem Labor erhalten hat, sollte man die Werte einer Plausibilitätsprüfung unterziehen, um sicherzugehen, dass es sich tatsächlich um belastbare Ergebnisse handelt. Dafür sind folgende Punkte hilfreich:

• Entsprechen die Ergebnisse den Erwartungen, sind sie plausibel?

Falls die Ergebnisse nicht den Erwartungen übereinstimmen, muss man zunächst nach möglichen Gründen für diese Abweichungen suchen. Besonders wichtig ist dafür eine genaue Auseinandersetzung mit dem Material.

• Sind die Werte in den üblichen Einheiten angegeben?
• Kann die Abweichung durch Kontamination erklärt werden?
• Um welches Material handelt es sich? (Ziegel / Boden / usw.)
• Literaturrecherche zu dem jeweiligen Material. Gibt es Besonderheiten im Material, die die Werte erklären können?
• Vergleich mit Ergebnissen ähnlichem Materials aus der Vergangenheit
• Hinzuziehen von erfahrenen Personen
• Welche Methoden hat das Labor verwendet?

Falls man keine möglichen Erklärungen für das Ergebnis findet, sollte man im Labor rückfragen, um sicher zu gehen, dass kein Fehler bei der Messung vorliegt oder Proben vertauscht wurden. Falls das Labor keine Fehler findet, kann man die Proben nochmal einschicken oder von einem anderen Labor überprüfen lassen.

Tipp:
Vor allem bei Werten, die das Material bei der Entsorgung einer höheren Deponieklasse zuordnen, lohnt es sich oft, das Material nochmal analysieren zu lassen, da hier sehr hohe Kosten möglicherweise vermieden werden können.

Einstufung

Eine wichtige Aufgabe, die in Ingenieurbüros oft von Geologen durchgeführt wird, ist die Einstufung der Ergebnisse. Hier kommen wieder die gesetzlichen Grundlagen ins Spiel. Es muss stets darauf geachtet werden, dass bei der Einstufung die Grenzwerte der geltenden Rechtsvorschrift verwendet werden. Die Grenzwerte sind also abhängig von der Vorschrift, die für die Analytik und die anschließende Verwertung bzw. Entsorgung ausschlaggebend ist.

Tipp:
In der Regel gibt es eine Einstufungsroutine, die einen bei der Einstufung unterstützt. Dabei handelt es sich um Vorlagen, in die die Ergebnisse eingetragen werden können. Anschließend werden automatisch Grenzüberschreitungen ausgewiesen und eine Einstufungsempfehlung angezeigt.

Bericht

Abschließend wird das Ergebnis dem Auftraggeber präsentiert. Das kann sowohl per E-Mail, als kurzer Text oder in einer ausführlichen Form als Einstufungsbericht geschehen. Enthalten sind dabei stets das Probenahmeprotokoll, sowie der Prüfbericht zu dem analysierten Material.

Referenzen

Mitteilung der Länderarbeitgemeinschaft Abfall (LAGA) 20 (1997).
www.ifmu.de Abgerufen am 16.07.2024.
www.umweltbundesamt.at Abgerufen am 16.07.2024.
www.wasser-wissen.de Abgerufen am 16.07.2024.
www.geothermie.de Abgerufen am 16.07.2024.
www.chemie.de Abgerufen am 16.07.2024.
www.gischem.de Abgerufen am 16.07.2024.
www.uni-muenster.de Abgerufen am 16.07.2024.

Autor:innen

Dieser Artikel wurde geschrieben und gegengelesen von:

Lukas Wildgruber, Yekta Schuster, Donjá Aßbichler

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