Reifenabrieb in der Umwelt

Allein in Deutschland fallen 110.000 Tonnen Reifenabrieb im Jahr an. Dieser Abrieb verursacht laut einer Studie des Fraunhofer Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik in Oberhausen ein Drittel der gesamten jährlichen Mikroplastik-Emissionen in Deutschland und kann über Niederschläge in die Umwelt gelangen. Forscher der Technischen Universität (TU) Berlin arbeiten daran, die Eintrittspfade dieser Partikel in die aquatische Umwelt zu identifizieren und quantifizieren. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts RAU – Reifenabrieb in der Umwelt haben sie zusammen mit Partnern aus Industrie, Kommune und Forschung dreieinhalb Jahre lang den Verbleib von Reifenpartikeln während der Nutzungsphase von Pneus untersucht. Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Maßnahmenkatalogs zur Reduzierung des Eintrags an sogenannten Hotspots – Standorten mit besonders hoher Belastung.

Erste Tests der Korb-Performance am Teststand

Der Teststand der TU Berlin verfügt über einen Gullyschacht aus Plexiglas. Hier zeigte sich schnell, dass die prinzipielle hydraulische Auslegung des Korbs stimmte. In umfangreichen Tests wurde dort die Korb-Performance im Detail untersucht, um eine erste Festlegung der Gewebeabfolge in der Siebkaskade zu ermöglichen und Schwachstellen in der Konstruktion unter Belastung zu erkennen. Zunächst verhinderten im Korb automatisch entstehende Luftpolster den Durchfluss. In längeren Testreihen entwickelten die Filterexperten von GKD gemeinsam mit den Forschern der TU eine Entlüftung. Dabei zeigte sich, dass nicht nur die Siebpfanne mit dem feinsten Sieb eine seitliche Entlüftung über Lüftungsschläuche aus Silikon benötigte, sondern auch alle anderen Siebpfannen einzeln so entlüftet werden mussten.

Die ursprüngliche Vorgabe der Forscher an der TU sah ein Feinstgewebe mit einer Porengröße kleiner gleich zehn Mikrometer vor. Daniel Venghaus kannte aus dem Vorgängerprojekt OEMP (Optimierte Materialien und Verfahren zur Entfernung von Mikroplastik aus dem Wasserkreislauf) das von GKD in diesem Rahmen entwickelte optimierte Tressengewebe mit einer Porengröße von sechs Mikrometern (OT 6). Im Teststand zeigte sich jedoch schon bei den ersten Kehrichttests, dass diese feine Filterfeinheit im Probenahmekorb relativ schnell verstopfte. Auch eine veränderte Zuführung – schräggestellte Siebe, um Querkräfte zu erzielen – konnte das schnelle Aufstauen auf der Kaskade nicht verhindern. Von außen auf den Siebrahmen aufgebrachte Ultraschall-Schwingungen brachten in Vorversuchen ebenfalls nicht den gewünschten Erfolg. Gegen dieses Verfahren sprach zudem, dass es nicht in einem Standardschacht implementiert werden kann. Um den Durchfluss dennoch zu optimieren, wurde der Einsatz von Optimiertem Tressengewebe mit Porengrößen von 10 und 20 Mikrometern getestet. Am Teststand funktionierten sie gut beziehungsweise sogar sehr gut, bei den anschließenden in situ-Tests bestätigte sich das jedoch nicht. Die hohe Partikelzahl der undefinierten Feststoffe erschwerte es mit zunehmender Feinheit, das Gewebe offen zu halten.

„Das Feinstsieb entscheidet beim Straßenablauf über den gesamten Durchfluss“, erklärt Daniel Venghaus diese Erkenntnis. Den Durchbruch brachte schließlich das parallel von GKD entwickelte innovative dreidimensionale Porometric-Gewebe mit einer Porengröße von 20 Mikrometern: Seine deutlich höhere Schmutzaufnahmekapazität und besseren Durchflusseigenschaften ermöglichten den geforderten reibungslosen Ablauf. Für Daniel Venghaus waren die exzellenten Abreinigungseigenschaften dieses Gewebes ein weiterer wichtiger Vorteil, da es sich bei den abgereinigten Stoffen um sein Probenmaterial handelte. Vor dem ersten Einsatz in situ erfolgten am Teststand der TU jedoch noch drei weitere entscheidende Optimierungen: Die von GKD entwickelte Verbindung vom Probenahmekorb zur angeschlossenen Messtechnik für die Feststoffbeprobung wurde integriert. Außerdem galt es, Undichtigkeiten am Kopf des Korbs an der Abtropfkante zum Betonring sowie bei den O-Ring-Dichtungen der Siebpfannen zu beheben. Durch Tests verschiedener Dichtungsmaterialien identifizierte GKD geeignete Silikondichtungen und installierte sie fachgerecht am Korb. Eine Überarbeitung erfuhr überdies die Spannvorrichtung der Siebpfannen: Mit zusätzlichen Sicherungsstiften wurde ein Abrutschen der Siebkaskade im Schacht verhindert.

Repräsentativer Randstreifen

An zwölf verschiedenen Messstellen – zehn davon innerstädtisch, zwei außerstädtisch an der Autobahn und am Flughafen – erfolgten die in situ-Probenahmen. Dabei kristallisierten sich Kurven und Ampeln als sogenannte Hotspots mit erhöhtem Aufkommen von Reifenabrieb heraus. Diese Standorte sollen in einem Folgeprojekt noch intensiver untersucht werden. Im Projekt RAU zeigte sich zudem, dass – gemessen ab Bordsteinkante – ein 1,6 Meter breiter Randbereich für die akkumulierten Feststoffe und damit auch für den Reifenabrieb auf der gesamten Straße repräsentativ ist. Grundsätzlich bewährte sich für die Beprobung trockener Proben die Hand-Kehrichtmethode, für nasse Umweltproben ist der Probenahmekorb das Mittel der Wahl.

Die ursprüngliche Idee, den Korb als Filter einzusetzen, erwies sich aufgrund der undefinierten Feststoffmengen und -zusammensetzung in der Praxis allerdings als nicht tragfähig. Dennoch hat der Probenahmekorb aus Sicht von Daniel Venghaus das Projektziel „sehr gut erreicht“. Seine Begründung: „GKD hat es geschafft, die geeigneten Gewebe inklusive Feinstgewebe zu finden und mit Standardronden in einem Standardsiebrahmen zu einer funktionierenden Siebkaskade kombiniert.“ Dadurch ermöglicht der Probenahmekorb, Hotspots für Reifenabrieb zu identifizieren und gezielte Vermeidungsstrategien durch Kombination verschiedener Maßnahmen zu installieren. Besonders gut lassen sich mit dem Probenahmekorb die am häufigsten vorkommenden schwachen Regenereignisse beproben, was mit konventionellen Probenehmern durch den geringen Wasserfluss nur begrenzt funktionierte. Der Korb ermöglicht dies durch den Aufbau eines Filterkuchens, ohne den Abfluss des nachfließenden Wassers zu beeinträchtigen. Bei Starkregen ist dadurch allerdings nur die Beprobung einer ersten Zeitspanne möglich, bevor es zum Überstauen kommt. Daniel Venghaus hält es jedoch für denkbar, dass diese Dauer bereits reichen könnte, um das Schadstoffpotenzial zu bestimmen. Dafür gilt es allerdings noch herauszufinden, wie lange das Wasser bei einem Starkregen grundsätzlich verschmutzt. Entsprechend positiv bewertet der Berliner Forscher die Korbperformance: „Ziel war es, einen Probenahmekorb zu entwickeln, der in situ bei allen relevanten Rahmenparametern wie Wetter, Durchflussmengen und definierten Porengrößen bis runter auf 20 Mikrometer funktioniert.

Herausgekommen ist ein Probenahmekorb, der Fehler bei der Probenahme minimiert, alle Randparameter zur Beschreibung des Ereignisses miterfasst und ein gesamtes Regenereignis von der ersten Sekunde an beprobt. Bislang übliche Systeme konnten nur Teilproben ziehen.“ Mit der Ergänzung eines speziellen Pumpmoduls zur Beprobung der Flüssigphase erweiterten die Filtrationsexperten von GKD dieses breite Leistungsspektrum im Projektverlauf nochmals um ein bedeutendes Element. Zusätzlich zur definierten Feststoffprobenahme ist es damit nun möglich, auch eine repräsentative Teilprobe der gelösten Feststoffe zu ziehen und auf das gesamte Durchflussvolumen zurückzurechnen. Durch dieses Zusammenspiel von Probenahmekorb und flüssiger Phase wird das Gesamtbild der eingetragenen Stoffe abgerundet.

Für Daniel Venghaus bestätigte sich damit einmal mehr die besondere Qualität der Zusammenarbeit mit dem Filtrationsexperten: „Mit GKD hatten wir einen Partner mit vor Ort, der ein technisch passendes Gewebe lieferte und die Anforderungen definierte, um die Filtration bei diesen anspruchsvollen, undefinierten Rahmenbedingungen zu verstehen und in der Praxis zu beherrschen.“