Projekt 25884/01

Untersuchung des Abbaus anthropogen verursachter organischer Verschmutzungen und der Auswirkung auf die Behandlung von Niederschlagswasser auf der photokatalytischen Oberfläche von wasserundurchlässigen Pflastersteinen

Projektträger

Menksche Betonsteinwerke GmbH & Co. KG
Opladener Str. 160
40789 Monheim
Telefon: 0 21 73 / 5 20 83 - 84

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bedingt durch die Siedlungsstruktur und die Nutzung von Kraftfahrzeugen sind in Wohn-, Gewerbe- und Industriegebieten viele Flächen befestigt. Auf vom Verkehr genutzten befestigten Flächen kommt es zu Verschmutzungen, z.B. durch Ölverlust oder Reifenabrieb. Die von diesen Flächen bei Niederschlagsereignissen abfließenden, stark verschmutzten Abwässer gelangen in die Gewässer, in das Grundwasser oder in die Kanalisation.
Ziele des Vorhabens waren Entwicklung und Optimierung von Pflastersteinen, die anthropogen verursachte Verschmutzungen, wie z. B. Öl auf gewerblich genutzten Flächen, an ihrer Oberfläche durch Photokatalyse abbauen. Als Photokatalysator wurden neu entwickelte Titandioxidprodukte eingesetzt, die nicht nur UV-Strahlung, sondern auch Teile des sichtbaren Lichtes nutzen können.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Wesentlichen gibt es zwei verschiedene Untersuchungsansätze. Zum einen muss der Nachweis über die Wirksamkeit der einzelnen Pflastersteine erbracht werden. Zum anderen müssen die Schadstoffeinträge von gepflasterten Flächen in den Boden untersucht werden. Im Rahmen des Projektes wurde der Schwerpunkt zunächst auf den Nachweis der Wirkungsweise einzelner Steine gelegt, da nur diese Untersuchungen die theoretischen Grundlagen der Photokatalyse belegen können und damit eine Schadstoffbilanzierung ermöglichen.
Im Rahmen des Projektes wurden vom PIA an der RWTH Aachen Untersuchungen zur Wirkungsweise der Pflastersteine durchgeführt. Die Ermittlung der photokatalytischen Aktivität der Pflastersteine erfolgte nach folgender Vorgehensweise:
Pflastersteine kontrolliert verschmutzen
Pflastersteine bewittern/bestrahlen (Kunstlicht oder Freibewitterung)
Bestimmung der verbliebenen Verschmutzungen
Frachtbilanzierung
Neben dem Nachweis der photokatalytischen Aktivität einzelner Pflastersteine muss eine Systembetrachtung erfolgen bei der das Zusammenwirken der Komponenten Pflasterstein, Fuge und Bettung hinsichtlich Schadstoffeinträge in den Boden untersucht wird. Im Rahmen des geförderten Projektes wurde ein Prüfstand für Beregnungsversuche in Anlehnung an die Zulassungsgrundsätze für Abwasser behandelnde Flächenbeläge des DIBt entwickelt und aufgebaut.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des geförderten Projektes konnten folgende Resultate erzielt werden:
1. Entwicklung eines Verfahrens zum Nachweis photokatalytischer Aktivität von Pflastersteinen
2. Nachweis der grundsätzlichen photokatalytischen Aktivität
3. Optimierung der Steinkomponenten und der Steinherstellung
4. Aufbau von Prüfständen (Bewitterung, Beregnung)

1. Es wurde ein Verfahren zum Nachweis der photokatalytischen Aktivität von Pflastersteinen entwickelt. Wesentliche Faktoren dieses Verfahrens sind die Schadstoffbeladung der Pflastersteine und die anschließende Bewitterung sowie der analytische Nachweis der Schadstoffrestbelastung im Pflasterstein nach der Bewitterung. Die bisherigen Untersuchungen haben gezeigt, dass die Reduktion der Schadstoffe nicht nur auf die Photokatalyse zurückzuführen ist. Zur Ermittlung des photokatalytischen Anteiles wurden unbehandelte Pflastersteine als Referenz untersucht.
2. Es konnte eine grundsätzliche photokatalytische Aktivität der neuartigen Pflastersteine mit Titandioxid hinsichtlich Kohlenwasserstoffen nachgewiesen werden. So wurden z.B. im Rahmen von Freibewitterungsversuchsreihen geringere Restbelastungen mit Kohlenwasserstoffen bei behandelten Pflastersteinen, im Vergleich zu unbehandelten Pflastersteinen nachgewiesen. Die Differenzen betrugen im Winter knapp 10% und im Frühjahr ca. 35%. Aufgrund der bisherigen Untersuchungen ist davon auszugehen, dass diese Differenzen auf den Vorgang der Photokatalyse zurückzuführen sind. Eine statistische Absicherung und allgemeine Quantifizierung konnte jedoch nicht erfolgen, da Probleme bei der Steinherstellung die Arbeiten verzögerten. Es müssen weitere Versuchsreihen nach dem entwickelten Nachweisverfahren durchgeführt werden.
3. Das Titandioxid wurde bis jetzt bei der Produktion der Pflastersteine in Form einer Slurry dem Zement beigemischt. Es wurde festgestellt, dass die Slurry einer Probeproduktion nicht lagerstabil war. Titandioxidmaterial hatte sich am Boden abgesetzt. Daraufhin fanden umfangreiche Arbeiten zur Entwicklung einer neuen - lagerstabilen - Slurry statt. Es zeigten sich erneut Schwierigkeiten, bei der Vermischung des Zementes mit der Slurry fanden exotherme Reaktionen statt. Die Mischung erwärmte sich und verhärtete innerhalb kurzer Zeit, so dass eine Verarbeitung kaum möglich war. In Zusammenarbeit mit einer Betonprüf- und Überwachungsgesellschaft konnten mittlerweile erfolgversprechende Probeproduktionen durchgeführt werden.
4. Es wurden Prüfstände zur künstlichen Bewitterung und Freibewitterung von Pflastersteinen entwickelt und aufgebaut, ebenso ein Prüfstand für Beregnungsversuche. Dieser ermöglicht Untersuchungen zur hydraulischen Leistungsfähigkeit und zum Schadstoffeintrag bei gepflasterten Flächen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Bei folgenden Veranstaltungen war das PIA mit einem Vortrag, inkl. Vortragsskript, zu diesem Projekt vertreten: 42. Essener Tagung (GWA Band 217), Planen und Bauen mit Betonpflaster. Weitere Veröffentlichungen des PIA in: acwa aktuell Ausgabe 1, GWA Band 218. Zudem wurden die Projektinhalte dem MUNLV NRW und dem LANUV NRW vorgestellt.


Fazit

Aufgrund der vielversprechenden Ergebnisse erscheint es sinnvoll, die Untersuchungen fortzusetzen. Es konnte eine photokatalytische Aktivität der neuartigen Pflastersteine hinsichtlich Kohlenwasserstoffen nachgewiesen werden, aber eine statistische Absicherung und allgemeine Quantifizierung konnte nicht erfolgen. Neben dem Nachweis der Photokatalyse ist die Ermittlung der Schadstoffeinträge in den Boden ein weiterer Arbeitsschritt. Die Untersuchungen sollen eine vergleichende Bilanzierung der Schadstoffeinträge bei Einsatz behandelter und unbehandelter Pflastersteine ermöglichen.