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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 (EG) Nr. 648/2004 (DetVO) vorgeschrieben, und für Tenside ist die vollständige biologische Abbaubarkeit laut DetVO verbindlich vorgeschrieben.[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:

Tenside stellen den Hauptbestandteil von Wasch- und Reinigungsmitteln dar. 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 löslichen Schmutz 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).
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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. Hierbei 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 Abbaubarkeit 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. Grundsätzlich gilt: Was im Labor innerhalb von 28 Tagen geprüft werden kann, passiert in der Realität viel schneller, da in den Testgefäßen mit einer deutlich geringeren Bakteriendichte gearbeitet wird, als sie eine Kläranlage aufweist. Inhaltsstoffe, welche die strengen Kriterien der leichten biologischen Abbaubarkeit in standardisierten OECD Prüfmethoden erfüllen, werden in Kläranlagen vollständig abgebaut.

2.1.1 Leicht biologisch abbaubare Inhaltsstoffe

Enzyme:

Alle in Waschmitteln eingesetzten Enzyme (zum Beispiel Proteasen oder Lipasen) sind als Proteine leicht 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 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 oder 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

Einige organische Inhaltsstoffe von Waschmitteln sind schwer biologisch abbaubar (Englisch: poorly biodegradable organics, PBO).

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 ist schwer biologisch abbaubar. Sie liegt nicht in Form fester Partikel bzw. fester Polymere in Wasch- und Reinigungsmittel-Lösungen vor, sondern in Wasser gelöst. Als Waschmittelinhaltsstoff verhindert sie z. B. die Wiederablagerung von bereits abgelöstem Fett auf den Textilien. Carboxymethylcellulose wird im Klärschlamm adsorbiert.

Bestimmte Duftstoffe:

Einige Duftstoffe (bis zu ca. 25 Massenprozent von Parfümölen) sind biologisch schwer abbaubar.

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 ökologischen Eigenschaften voneinander. Inzwischen überwiegt der Anteil der leicht bzw. inhärent abbaubaren Duftstoffe in Wasch- und Reinigungsmittel in Europa. Der Internationaler Wasch-, Pflege- und Reinigungsmittelverband in Brüssel (A.I.S.E.) schätzt diesen Anteil auf 75 Masseprozent.[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 Anbindung der privaten Haushalte an die Abwasseranlagen, wie sie in Deutschland vorhanden ist, nur durch einen sehr geringen Teil in die Gewässer.

Anorganische Stoffe (z. B. Natriumcarbonat, Natriumhydrogensulfat) sind per se nicht biologisch abbaubar.

Phosphate:

Phosphate in Waschmitteln, die für den privaten Verbrauch bestimmt sind, spielen in Deutschland seit den 1980er Jahren auf freiwilliger Basis der Waschmittelhersteller keine Rolle mehr. Seit dem Jahr 2017 ist 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 Haushaltsabwässern, 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 Wasch- bzw. Geschirrspülmaschine größtenteils zu aktivem Sauerstoff und Natriumcarbonat (Soda). 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 ebenfalls als Enthärter eingesetzten Polycarboxylate können nur schwer biologisch abgebaut werden.[12] Sie gelangen als schlecht wasserlösliche Calciumsalze in den Klärschlamm. In Kläranlagen werden Polycarboxylate und andere Polymere zur Abwasserreinigung eingesetzt.

Anorganische, unlösliche 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] 

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. Laut Statistischem Bundesamt wurden von den im Jahr 2022 in Deutschland insgesamt 1,7 Millionen Tonnen als Trockenmasse angefallenen Klärschlamm 80 Prozent thermisch (Mono- oder Mitverbrennungsanlagen) und 19 Prozentlandwirtschaftlich verwertet.[13] Die deutsche Klärschlammverordnung[14] schreibt vor, dass ab dem Jahr 2032 der in Deutschland anfallende Klärschlamm zu 100 Prozent verbrannt wird.

Bevor der Klärschlamm als Rohstoff weiterverwendet darf, muss dieser in Deutschland gemäß der deutschen Klärschlamm-Verordnung behandelt werden. Als Behandlungsmethoden sieht die Verordnung biologische, physikalische oder chemische Maßnahmen vor, um den Klärschlamm für die langfristige Lagerung zu stabilisieren. 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.[15] Durch die Behandlungsmethoden ist der getrocknete Klärschlamm hygienisch unbedenklich.[14] 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 für die Umwelt als unbedenklich gilt (vgl. Klärschlammverordnung, § 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] Ergebnis einer Analyse von 2.300 Parfümölmischungen von großen Parfümölhäusern, die Parfümöle für Wasch- und Reinigungsmittel herstellen, aus dem Dokument „KPI Detailed Explanation“ zur Berichterstattung des Schlüsselindikators „PBO“ der A.I.S.E.-Nachhaltigkeitsinitiative „Nachhaltiges Waschen und Reinigen“: https://www.sustainable-cleaning2020.com/company-area/charter-2020-documentation

[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/files/HERA_P-AA_final_v3_23012014.pdfhttps://www.heraproject.com/files/HERA_P-AAMA_final_v3_03032014.pdf  (abgerufen am 15. Februar 2024)

[13] Statistisches Bundesamt Destatis: Klärschlammentsorgung in Deutschland 2022 KORREKTUR: 80 % des Klärschlamms aus kommunalen Kläranlagen im Jahr 2022 thermisch verwertet - Statistisches Bundesamt (destatis.de) (Stand: 18. Dezember 2023)

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

[15] 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

 

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