Abbaubarkeit von Wasch- und Reinigungsmittel-Inhaltsstoffen

1.    Anschlussgrad an Kläranlagen in Deutschland

Im Jahr 2016 waren in Deutschland 97,1 Prozent der Haushalte an kommunale Kläranlagen angeschlossen.[1] Für knapp drei Prozent der privaten Haushalte erfolgte die Abwasserreinigung mittels dezentraler Kleinkläranlagen.[1]

Durch Abwässer in Kläranlagen eingetragene Stoffe, wie beispielsweise Waschmittel-Inhaltsstoffe, können einerseits biologisch abgebaut und andererseits durch nicht-biologische Prozesse wie zum Beispiel photochemische Reaktionen zersetzt werden. Darüber hinaus verbleiben einige Stoffe im Klärschlamm (Adsorption) und gelangen dadurch nicht in Oberflächengewässer.

2.    Biologischer Abbau

Organische Stoffe wie beispielsweise Inhaltsstoffe von Waschmitteln werden zum Teil vollständig oder teilweise (biologisch) abgebaut oder im Klärschlamm zurückgehalten, ein geringer Teil wird mit dem Kläranlagenablauf in die Gewässer eingetragen.[2]
Kläranlagen leisten einen wichtigen Beitrag zur Reinhaltung von Gewässern, indem dort viele Inhaltsstoffe von Wasch- und Reinigungsmitteln biologisch abgebaut werden oder in den Klärschlamm gelangen.[2]

Unter biologischem Abbau (Biodegradation) versteht man die Zersetzung organischer Stoffe durch Mikroorganismen unter aeroben (mit Sauerstoff) oder anaeroben (ohne Sauerstoff) Bedingungen.[3] Die Produkte dieser Abbauprozesse dienen den Mikroorganismen (hauptsächlich Bakterien) einerseits als Energiequelle und andererseits als Stofflieferant (zum Beispiel Stickstoff), um ihren Stoffwechsel aufrechterhalten zu können.[3] Die Endprodukte des vollständigen biologischen Abbaus sind Kohlenstoffdioxid, Wasser, Mineralsalze sowie neu gebildete Biomasse (Wachstum der Mikroorganismen).[3]

Die biologische Abbaubarkeit beschreibt, ob und in welchem Maß Substanzen durch Mikroorganismen wie Bakterien oder Pilze in ihre Grundkomponenten zersetzt werden können.[3] Grundsätzlich lässt sich die biologische Endabbaubarkeit in leicht, inhärent (grundsätzlich biologisch abbaubar), schwer und persistent (nicht biologisch abbaubar) unterscheiden. Die biologische Abbaubarkeit kann anhand von festgelegten Methoden und Kriterien bestimmt werden. Diese sind durch die Detergenzien-Verordnung 648/2004 (DetVO) vorgeschrieben, und für Tenside ist die vollständige biologische Abbaubarkeit laut DetVO obligatorisch.[4]

  

Biologische Endabbaubarkeit

Test-Methode

Kriterium

Leicht

OECD 301, vgl. DetVO, Anhang III

Teil A  ≥ 60 Prozent

Teil B  ≥ 70 Prozent

Inhärent

OECD 302A, OECD 302B

            ≥ 70 Prozent

Schwer

OECD 302 A, OECD 302B

aber

            ≥ 20 Prozent

            < 70 Prozent

Persistent

OECD 302A, OECD 302B

            < 20 Prozent

2.1 Beispiele für den biologischen Abbau

Tenside:

Vor allem die biologische Abbaubarkeit von Tensiden spielt eine wichtige Rolle bei der Abwasserreinigung in Kläranlagen, da Tenside den Hauptbestandteil von Wasch- und Reinigungsmitteln darstellen. Tenside lassen sich in vier Klassen unterscheiden: anionische, nicht-ionische, amphotere und kationische Tenside. Aus ihrem besonderen Aufbau aus einem unpolaren (hydrophilen, „wasserliebenden“) „Schwanz“ und einem polaren (hydrophoben, „wassermeidenden“) Kopf ergeben sich ihre charakteristischen Eigenschaften, schlecht in Wasser lösliche Anschmutzungen zu lösen und binden zu können (Schmutztragevermögen). Wegen dieser Eigenschaften ist es wichtig, dass in Wasch- und Reinigungsmitteln eingesetzte Tenside schnell und vollständig biologisch abbaubar sind, damit sie in Gewässern nicht gefährlich für Wasserorganismen werden können. Der biologische Abbau von Tensiden lässt sich in zwei Schritte unterscheiden: den Primärabbau und den Endabbau (siehe Abbildung 1).

 

Abbildung 1: Vereinfachtes Schema des biologischen Abbaus von Tensiden. Dieser kann in Primärabbau und den darauffolgenden Schritt Endabbau unterschieden werden.

Der Primärabbau ist der erste essenzielle Schritt des biologischen Abbaus von Tensiden und findet hauptsächlich in der biologischen Reinigungsstufe der Kläranlage statt. Hier verlieren Tenside ihre schmutzlösenden Eigenschaften und gleichzeitig ihre Gefährlichkeit für Wasserlebewesen.[3] Der Endabbau setzt sich im Gegensatz zum Primärabbau aus mehreren Schritten zusammen. Hier werden die Zwischenprodukte des biologischen (aeroben) Abbauvorgangs zu Wasser, Mineralsalzen, Kohlenstoffdioxid und Biomasse (Vermehrung der Mikroorganismen im Klärschlamm) abgebaut.[3]

Gesetzliche Regelungen zum biologischen Abbau von Tensiden

Seit dem Inkrafttreten der EU-weit geltenden Detergenzien-Verordnung (EG) Nr. 648/2004 im Jahr 2005, muss der Nachweis der vollständigen biologischen Endabbaubarkeit für alle Tenside erbracht werden, die in Waschmitteln, Wäschebleichmitteln, Weichspülern und Reinigungsmitteln eingesetzt werden. Die vollständige biologische Abbauarbeit von Tensiden wird durch die Detergenzien-Verordnung vorgeschrieben, und die Prüfmethoden werden durch Artikel 7 und Anhang III bestimmt.[4] Die Verordnung schreibt für alle Tensidgruppen einen vollständigen aeroben Abbau (Endabbau) innerhalb von 28 Tagen unter Laborbedingungen vor. Nur dann dürfen diese Tenside in Wasch- und Reinigungsmitteln innerhalb der Europäischen Union eingesetzt werden.[4] Der Verbleib und Abbau weiterer Inhaltsstoffe von Waschmitteln verläuft sehr unterschiedlich.

2.1.1 Leicht biologisch abbaubare Inhaltsstoffe

Enzyme:

Alle in Waschmitteln eingesetzten Enzyme (zum Beispiel Proteasen oder Lipasen) sind als Proteine gut und vollständig biologisch abbaubar. Sie erreichen daher nur zu einem äußerst geringen Teil die Abwasserreinigung als enzymatisch aktive Verbindungen. Dadurch ergeben sich keine Umweltrisiken.[5]

Komplexbildner:

Manche Komplexbildner wie die Verbindungen Glutamindiessigsäure (GLDA) oder Methylglycindiessigsäure (MGDA) sind leicht biologisch abbaubar. Sie dienen u.a. als Stabilisatoren von Bleichmitteln und Enzymen, indem sie Schwermetalle aus dem Wasser, insbesondere Eisen oder Mangan, binden. Schwermetall-Ionen können u.a. die Wirkung des ggf. vorhandenen Bleichmittels (in festem Voll- bzw. Universalwaschmittel) und von Enzymen herabsetzen.[6] Andere Komplexbildner wie beispielsweise Phosphonate sind hingegen schwer abbaubar, können jedoch zum großen Teil durch Adsorption im Klärschlamm zurückgehalten werden (siehe Abschnitt 3.1).

2.1.2 Inhärent abbaubare Inhaltsstoffe

Optische Aufheller:

Die in vor allem in Voll- und Universalwaschmitteln enthaltenen optischen Aufheller adsorbieren im Klärschlamm und verbleiben dort. Sie gelten als inhärent, also grundsätzlich biologisch abbaubar unter definierten Bedingungen. Gelangen optische Aufheller durch die Verwendung des Klärschlamms als Dünger auf landwirtschaftlich genutzte Flächen und von dort in Gewässer, dann werden sie abhängig von den Umgebungsbedingungen photochemisch abgebaut. Darunter versteht man den Abbau/Zerfall einer chemischen Struktur durch die Absorption von ultraviolettem, sichtbarem Licht oder Infrarotstrahlung.[7] Der photochemische Abbau dauert je nach Struktur des optischen Aufhellers wenige Stunden bis mehrere Monate.[6] Grundsätzlich hängt diese photochemische Zersetzung von verschiedenen Kriterien wie u.a. der chemischen Struktur der optischen Aufheller und der Umgebungstemperatur ab.[7]

2.1.3 Schwer abbaubare Inhaltsstoffe

Mikroplastikpartikel:

Mikroplastikpartikel gelten allgemein als schwer abbaubar bzw. persistent. Einige flüssige Waschmittel enthalten bestimmte Trübungsmittel und/oder Minikapseln, die mit Duftstoffmischungen gefüllt sind. Gelangen diese Mikroplastikpartikel aus Wasch- oder Reinigungsmitteln ins Abwasser, werden sie in Kläranlagen zu bis zu 99 Prozent aus dem Abwasser entfernt, indem die Mikroplastikpartikel durch Adsorption, Sedimentierung oder gezielte Filterung im Klärschlamm verbleiben.[8]

Carboxymethylcellulose:

Carboxymethylcellulose zählt zu den organischen Stoffen, die als schwer abbaubar bezeichnet werden (Englisch: poorly biodegradable organics, PBO) und nicht als feste Partikel bzw. Polymer in Wasch- und Reinigungsmittel vorliegen. Als Waschmittelinhaltsstoff verhindert sie z. B. die Wiederablagerung von bereits abgelöstem Fett auf den Textilien. Carboxymethylcellulose wird im Klärschlamm adsorbiert.

Parfümöle:

Parfümöle setzen sich aus mehreren Duftstoffen zusammen und werden in Wasch- und Reinigungsmitteln in nur geringen Konzentrationen eingesetzt. Diese Duftstoffe unterscheiden sich zum Teil sehr stark in ihren chemischen und ökologischen Eigenschaften voneinander. Zum Beispiel wird die synthetische Moschusverbindung Moschus-Xylol aufgrund ihrer Eigenschaften als ökologisch und toxikologisch als kritisch eingestuft und in Deutschland freiwillig seit 1994 in Wasch- und Reinigungsmitteln nicht mehr verwendet. Seit dem Jahr 2014 ist die Verwendung in Wasch- und Reinigungsmitteln dieses Duftstoffes in der Europäischen Union nicht mehr gestattet.[9]

3.    Nicht biologisch abbaubare Waschmittel-Inhaltsstoffe

Einige in Wasch- und Reinigungsmitteln eingesetzte Inhaltsstoffe werden entweder durch eine im Klärschlamm stattfindende Adsorption zurückgehalten oder durch photochemische Reaktionen an Oberflächen von Gewässern oder Böden (wenn Klärschlamm darauf aufgebracht wird, siehe Abschnitt 4. Verwendung von Klärschlamm) zersetzt. Die Inhaltsstoffe gelangen daher durch die hohe Abwasseranlagenbindung der privaten Haushalte, wie sie in Deutschland vorhanden ist, nur durch einen sehr geringen Teil in die Gewässer.

Phosphate:

Phosphate spielen in Deutschland in Wasch- bzw. Maschinengeschirrspülmitteln, die für den privaten Verbrauch bestimmt sind, seit den 1980er Jahren auf freiwilliger Basis keine Rolle mehr. Seit dem Jahr 2017 ist die für Maschinengeschirrspülmittel, die für den privaten Verbrauch bestimmt sind, die zulässige Phosphormenge so niedrig, dass der Einsatz von Phosphat nicht mehr sinnvoll ist.

Der Anteil von Phosphaten in Haushaltswässern, der durch Maschinengeschirrspülmittel verursacht worden ist, betrug bis zum Jahr 2017 weniger als 10 Prozent. Über 90 Prozent des Phosphateintrages stammte bereits früher von den Ausscheidungen von Menschen (Kot, Urin). In Kläranlagen mit einer dritten Reinigungsstufe werden Phosphate aus dem Abwasser entfernt.

Natriumpercarbonat:

Das als Bleichmittel eingesetzte Natriumpercarbonat zerfällt bereits in der Waschmaschine größtenteils zu aktivem Sauerstoff und Natriumcarbonat, das im Abwasser zu Natriumhydrogencarbonat umgesetzt wird. Die aquatische Toxizität der Abbauprodukte des Bleichmittels wird als äußerst gering bewertet.[10]

  

3.1 Adsorption von Waschmittel-Inhaltsstoffen im Klärschlamm und photochemische Zersetzung

Phosphonate:

Phosphonate und deren Salze dienen als Komplexbildner in Waschmitteln und werden durch Adsorption im Klärschlamm zurückgehalten. Die Phosphonat-Eliminationsraten in Kläranlagen mit dritter Reinigungsstufe inklusive Phosphor-Eliminationsverfahren liegen über 90 Prozent.[11]

Enthärtersysteme:

Die phosphatfreien, unlöslichen Enthärtersysteme wie beispielsweise Zeolith A, verbleiben größtenteils im Klärschlamm.[6] Die Umweltrisikobewertung für Zeolith A hat ergeben, dass durch die in Gewässer gelangenden Mengen an Zeolith A keine negativen Auswirkungen auf Gewässer und ihre Lebewesen zu erwarten sind.[10] Die ebenfalls als Enthärter eingesetzten Polycarboxylate können nur schwer biologisch abgebaut werden.[12] Sie gelangen als schlecht wasserlösliche Calciumsalze in den Klärschlamm.

4. Verwendung von Klärschlamm in Deutschland

Als Klärschlamm wird gemäß deutscher Abfallklärschlamm-Verordnung (AbfKlärV) ein Abfall aus einer abgeschlossenen Behandlung von Abwasser in Abwasserbehandlungsanlagen definiert (vgl. AbfKlärV Artikel 2, Abs. 2). Dieser während der Abwasserbehandlung anfallende Klärschlamm wird im Sinne der Umwelt- und Ressourcenschonung als Rohstoff weiterverwendet.1 Laut Statistischem Bundesamt wurden von den im Jahr 2019 in Deutschland insgesamt 1,7 Millionen Tonnen als Trockenmasse angefallenen Klärschlamm, 74 Prozent thermisch (Mono- oder Mitverbrennungsanlagen) und 17 Prozent Klärschlamm landwirtschaftlich verwertet.[13] Die thermische Verwertung des Klärschlamms gewinnt hierbei zunehmend an Bedeutung.

Bevor der Klärschlamm als Rohstoff weiterverwendet darf, muss dieser gemäß der europäischen Richtlinie 86/278/EWG[14] und der deutschen Abfallklärschlamm-Verordnung[15] (AbfKlärV) behandelt werden. Als Behandlungsmethoden sehen die europäische und nationale Gesetzgebung biologische, physikalische oder chemische Maßnahmen vor, um den Klärschlamm für die langfristige Lagerung zu stabilisieren (vgl. AbfKlärV Artikel 2, Abs. 9; Richtlinie 86/278/EWG Artikel 2, Abs. b). Solche Behandlungsmethoden umfassen in der Regel die Entwässerung und Trocknung des Klärschlamms, sodass Klärschlamm häufig als Klärschlammgranulat landwirtschaftlich in oder auf den Boden eingearbeitet wird.[16] Durch die Behandlungsmethoden ist der getrocknete Klärschlamm hygienisch unbedenklich.[15] Darüber hinaus müssen die für die landwirtschaftliche Nutzung vorgesehenen Klärschlämme auf u. a. ihren Schwermetallgehalt und organische Schadstoffe (z. B. polychlorierte Biphenyle, polyfluorierte Verbindungen mit Perfluoroctansäure) untersucht werden, sodass auch die Nutzung als unbedenklich für die Umwelt gilt (vgl. AbfKlärV § 5).


[1] DESTATIS, BDEW: Abwasserdaten Deutschland. Strukturdaten der Abwasserentsorgung. 4. Aktualisierte Auflage: Download_bdew_broschuere_abwasserdaten.pdf Stand: 5. März 2021)

[2] Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit: Kurzinfo Abwasser - Funktionsweise einer Kläranlage. Stand: 4. Dezember 2020

[3] Tripathy, D.B., Mishra, A., Gupta, A., Yadav, A. (2017): Biodegradability of Laundry Detergent Surfactants, Vol 5(1):130-136

[4] Detergenzien-Verordnung (EG) Nr. 648/2004

[5] Human and Environmental Risk Assessment (HERA) on ingredients of household cleaning products: Risk Assessment. Risk Assessments. Stand: 4. Dezember 2020

[6] Wagner, Günther: Waschmittel. Chemie, Umwelt, Nachhaltigkeit, 3. Auflage, Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2005

[7] OECD Guidelines for the testing of chemicals: Phototransformation of Chemicals in Water - direct photolysis. Stand: 23. März 2021

[8] OSPAR Commission (2017): Assessment document of land-based inputs of microplastics in the marine environment. Abrufbar: https://www.ospar.org/documents?v=38018 Stand: 5. März 2021

[9] Verordnung zur Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe (REACH) (EG) Nr. 1907/2006

[10] Human and Environmental Risk Assessment (HERA) on ingredients of household cleaning products: Risikobeurteilung von Natriumpercarbonat.  Stand: 4. Dezember 2020

[11] Deutschland erfüllt die europäischen Umweltvorgaben bei der Abwasserentsorgung vorbildlich, Zeitschrift Umwelt: 10/2009, Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit

[12] Human and Environmental Risk Assessment (HERA) on ingredients of household cleaning products: https://www.heraproject.com/RiskAssessment.cfm?SUBID=32 .  Stand: 5. März 2021

[13] Statistisches Bundesamt Destatis: Klärschlammentsorgung in Deutschland 2019 Wasserwirtschaft: Klärschlammentsorgung aus der öffentlichen Abwasserbehandlung - Statistisches Bundesamt (destatis.de) Stand: 5. März 2021

[14] Richtlinie 86/278/EWG über den Schutz der Umwelt und insbesondere der Böden bei der Verwendung von Klärschlamm in der Landwirtschaft: EUR-Lex - 01986L0278-20180704 - DE - EUR-Lex (europa.eu)

[15] Verordnung über die Verwertung von Klärschlamm, Klärschlammgemisch und Klärschlammkompost (AbfKlärV): AbfKlärV - Verordnung über die Verwertung von Klärschlamm, Klärschlammgemisch und Klärschlammkompost (gesetze-im-internet.de)

[16] Ponak, C., Windisch, S., Raupenstrauch, H. und Schönberg, A.: Methoden und Verfahren der Klärschlammbehandlung. In: Thiel, Stephanie, Thomé-Kozmiensky, E. (Hrsg.): Energie aus Abfall. Band 15 2018_EaA_669-678_Raupenstrauch (vivis.de) Stand: 22. März 2021