Sickerwasserqualität von Kunststoffrasenplätzen

Sportböden in Freianlagen bestehen meist aus elastischen Kunststoffflächen oder -rasenplätzen. Die Funktion und der Aufbau der Flächen werden durch die ausgeübte Sportart bestimmt. Kunststoffrasensysteme für Fussball bestehen beispielsweise aus mehreren Einzelkomponenten, zu denen ein verfüllter oder unverfüllter Kunststoffrasen sowie die Elastik- und Tragschicht zählen.

Durch die Abnutzung, Verwitterung und Alterung gelangen Kunststoffpartikel, Faserbruchstücke und Einstreugranulate aus den Sportbodenbelägen in die Umgebung der Anlagen [1-3]. Ausserdem besteht durch die Auswaschung verschiedener Stoffe die Gefahr einer Belastung des Sickerwassers, sowohl bei Regenwetter als auch bei der Bewässerung der Plätze [4, 5]. Bekannt sind beispielsweise die Vulkanisationsmittel Zinkoxid und Benzothiazol (BZT), die in gummiartigen Materialien der Verfüllung und Elastikschicht vorkommen. Darüber hinaus können weitere spezifische Additive wie Antioxidantien, Tenside und Flammschutzmittel enthalten sein. Die Datenlage hierzu ist jedoch lückenhaft und lässt Fragen hinsichtlich der Auswirkungen auf Gewässer oder der Bewilligungsfähigkeit solcher Anlagen offen. Die Qualität des Sickerwassers ist von grosser Bedeutung, da die meisten Fussballplätze mit Kunststoffrasen in den Gewässerschutzbereich Au (54%) und einige sogar in Grundwasserschutzzonen liegen [3]. Aufgrund der stark steigenden Bedeutung von Kunststoffflächen oder -rasenplätzen ist es umso wichtiger, die Stofffreisetzung ins Sickerwasser zu kennen.

In den DIN-Normen [6, 7], der RAL-Norm 943 [8], der FLL-Richtlinie [9] sowie demBASPO-Merkblatt 112 [10] sind technische Anforderungen an die Einzelkomponenten, deren Umweltverträglichkeit und mögliche Massnahmen festgelegt. In den DIN-Normen ist ein Eluattest beschrieben, mit dem der Hersteller das Auswaschverhalten der Materialien nachweisen muss, indem er die analysierten Parameter mit Umweltempfehlungen vergleicht. Aus Sicht des Gewässerschutzes sind der Eluattest und das Bewertungsverfahren jedoch eher unzureichend: Die Relevanz der ausgewählten Stoffe ist unklar und ein Abgleich mit den tatsächlichen Belastungen im Sickerwasser fehlt. Zudem wird der zeitliche Verlauf der Stofffreisetzung nicht berücksichtigt [4].

Aufbau von Kunststoffrasenplätzen

Der Aufbau von Kunststoffrasenplätzen folgt primär sportfunktionellen Anforderungen, wobei verschiedene Umweltaspekte berücksichtigt werden [11–14]. Ein Rasenteppich besteht aus einer Trägermatte mit Kunststofffasern (Polschicht), die aus Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyamid (PA) oder einer Kombination dieser Materialien bestehen. Er kann mit oder ohne Verfüllung ausgeführt werden. Als Einstreugranulat können synthetische Materialien (Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Ethylen-Propylen-Dien-(Monomer)-Kautschuk (EPDM), thermoplastische Elastomere (TPE) etc.) oder organische Materialien (Kork, Olivenkerne etc.) verwendet werden. Das Einstreugranulat soll naturrasenähnliche Spieleigenschaften (Ballrollverhalten, Dämpfung etc.) gewährleisten, insbesondere im Winter. In der Regel wird bei verfüllten Kunststoffrasenplätzen zusätzlich Sand zum Beschweren verwendet.

Die ca. 3 cm starke Elastikschicht zur Dämpfung wird in der Regel vor Ort aus SBR- oder EPDM-Granulat verklebt. Es sind aber auch vorgefertigte Platten erhältlich. Die ca. 5 cm starke Tragschicht darunter sorgt für einen stabilen, wasserdurchlässigen und ebenen Belag. Sie besteht aus bituminösem Drainageasphalt oder ungebundenem Kies. Die Entwässerung erfolgt meistens über eine versickerungsfähige Kiesfundation mit Drainage. Am häufigsten wird das Sickerwasser über die Drainagen in oberirdische Gewässer, in Abwasserreinigungsanlagen oder in Versickerungsanlagen eingeleitet [3].

Die Bezeichnung SBR bezieht sich sowohl auf synthetisches Neugranulat als auch auf Material aus recycelten Altreifen (End-of-Life Tyre, ELT). Unterschieden wird zwischen Post-Industrial Rezyklaten (PIR) und Post-Consumer Rezyklaten (PCR). In der Schweiz wird vor allem PCR-Granulat für die Elastikschicht verwendet, während als Einstreugranulat eher primäres SBR oder EPDM zum Einsatz kommt [3].

Aufgrund offener Fragen bestehen bei Planern und Genehmigungsbehörden Unsicherheiten darüber, wie Systemaufbauten produktdifferenziert und gewässerschutzrechtlich einzustufen sind. Zudem ist unklar, welche Kriterien für eine geringe Belastung erfüllt werden müssen.

Gewässerschutzrechliche Grundlagen

Der geplante Bau eines Kunststoffrasenplatzes muss auf seine gewässerschutzrechtliche Zulässigkeit geprüft werden.  Für den Schutz der Gewässer sind das Gewässerschutzgesetz (GSchG, SR 814.20) und die Gewässerschutzverordnung (GSchV, 814.201) in der jeweils aktuellen Fassung massgebend. Laut Art. 7 Abs. 1und Abs. 2 GSchG muss verschmutztes Abwasser behandelt und nicht verschmutztes Abwasser versickert werden. Die Abgrenzung zwischen verschmutztem und nicht verschmutztem Abwasser wird nach Art. 3, Abs. 1 und Abs. 2, der GSchV getroffen.

Niederschlagsabwasser von Kunststoffrasenplätzen gehört gemäss GSchV (Anhang 3.3, Ziff. 1, Abs. 1) zu «anderem verschmutztem Abwasser». Dafür legt die Behörde die Anforderungen an die Einleitung aufgrund der Eigenschaften des Abwassers, des Standes der Technik und des Zustandes des Gewässers fest. Sie berücksichtigt dabei internationale oder nationale Normen, vom Bundesamt für Umwelt BAFU veröffentlichte Richtlinien oder von der betroffenen Branche in Zusammenarbeit mit dem BAFU erarbeitete Grundlagen. Da die GSchV stoffspezifischer wird, sind bei der Beurteilung des Abwassers auch die Inhaltsstoffe der verwendeten Materialien zu berücksichtigen.

Das Sickerwasser wird meist mittels Drainagen im Unterbau gefasst und über einen Schlammsammler zur Versickerung oder ins Oberflächengewässer geleitet ( . 1). Um Gewässer vor Verunreinigungen zu schützen, ist abhängig vom Einbauort und den Entwässerungswegen die Zulässigkeit des Baus sowie der Behandlungsbedarf für das Niederschlagsabwasser festzulegen. Aktuell wird die Belastung unabhängig von der Bauart der Plätze und den verwendeten Produkten mit der Belastungsklasse «mittel» abgedeckt [15].

Die besonderen Belange des Grundwasserschutzes für den Bereich «Freizeit und Sportanlagen» sind in zwei Vollzugshilfen des BAFU beschrieben [16, 17].

Ziele

Auf Grundlage von Untersuchungen des Sickerwassers auf Kunststoffrasenplätzen für Fussball und im Labor sollten eine neue Datengrundlage sowie Empfehlungen für die Planung und den Betrieb solcher Plätze erarbeitet werden [18, 19].

Folgende Schwerpunkte wurden gesetzt:

• Erfassung und Beurteilung der Sickerwasserqualität im Einbauzustand und ihrer Relevanz für die Gewässer (Saisonalität, Alter, Produktvielfalt etc.)
• Labortests zur Ermittlung der Stoffauswaschung und deren zeitliche Änderung
• Festlegung einer Bewertungssystematik zur differenzierten Materialbeurteilung
• Grundlagen für eine gute Entwässerungspraxis sowie mögliche Mass-nahmen

Die erarbeiteten Erkenntnisse sollen eine Verbesserung der Umweltverträglichkeit in der Bau- und Betriebsphase von Kunststoffrasenplätzen und elastischen Kunststoffbelägen ermöglichen, wie sie vorzugsweise für Fussball-, Kleinspielfelder und Leichtathletikanlagen verwendet werden. Die Empfehlungen zielen darauf ab, Schadstoffeinträge in die Umwelt zu vermeiden bzw. zu vermindern, damit die Anforderungen des Gewässerschutzes erfüllt werden.

Vorgehen

Das Vorgehen umfasste Untersuchungen im Feld und im Labor sowie die Entwicklung eines Bewertungskonzepts.

Die Qualität des Sickerwassers wurde auf 23 Kunststoffrasenplätzen (10 verfüllte und 13 unverfüllte Plätze, n = 52 Proben) bestimmt, von denen acht Plätze mehrfach beprobt wurden (Tab. 1 und 2, Fig. 2). Bei der Auswahl der Standorte wurde auf verschiedene Aufbauten und Alter der Beläge (1–14 Jahre) geachtet, wobei drei Plätze zum Zeitpunkte der Probenahmen weniger als ein Jahr alt waren. Zudem wurden Standorte gewählt, von denen auch die Einzelkomponenten wie Rasenteppich, Einstreugranulat und Elastikschicht untersucht werden konnten. Zwei Plätze sind mit Kork verfüllt, davon war einer weniger als ein Jahr alt.

Die Beprobung der Sickerwässer bei Regenwetter spiegelt die realen Bedingungen wider. Der Zeitpunkt ist jedoch schwer planbar und die Konzentrationen können durch den Zufluss von angrenzenden Flächen beeinflusst werden. Deshalb wurden mehrere Plätze beregnet. Diese Vorgehensweise ermöglichte auch Probenahmen nach längeren Trockenperioden. Besonders häufig wurde ein unverfüllter Platz in Magglingen beprobt, da sich dort eine Versuchsfläche befindet.

Zur Ermittlung der Auswaschung von Materialien für Kunststoffrasensysteme und -flächen wurde der DIN-Eluattest genutzt [6, 7]. Zudem wurde eine 10-malige Elutionsreihe mit dem Standard-Eluattest und weitere Versuche bei einer Temperatur von +60 °C durchgeführt.

Für die Versuche wurde in Zusammenarbeit mit Herstellern und Planern eine marktrepräsentative Auswahl von Einzelkomponenten (n = 24) festgelegt, die in der Schweiz relevant sind. Dazu gehören elf Kunststoffrasenteppiche (sechs unverfüllt, fünf verfüllt), acht Einstreugranulate (vier EPDM, ein SBR, zwei organisch) und fünf Elastikschichten (Tab. 3 und 4). Die Elastikschichten bestehen aus verklebten SBR-Granulaten und einem PE/PET-Shock-Pad. Die Produkte werden auf verfüllten und unverfüllten Plätzen verwendet und sind auf den untersuchten Anlagen verbaut.

In den Sickerwässern und Eluaten wurden ausgewählte Parameter wie der pH-Wert, die Leitfähigkeit, die Trübung, der DOC, der CSB sowie 19 Elemente und fünf Thiazole bestimmt und anschliessend mit den stoffspezifischen Anforderungswerten der Gewässerschutzverordnung (GSchV) oder mit Qualitätskriterien, beispielsweise des Oekotoxzentrums, verglichen. Aus Vorsorgegründen wurde meist das strengere chronische Qualitätskriterium (CQK) beigezogen.

Zu beachten ist, dass die Anforderungswerte gemäss Anhang 2 GSchV nicht direkt für den Niederschlagsabfluss gelten, sondern erst nach vollständiger Durchmischung (vor allem für Oberflächengewässer). Bei der Beurteilung, ob Abwasser bei der Einleitung in ein Gewässer oder bei der Versickerung als verschmutzt oder nicht verschmutzt gilt, ist deshalb immer auch der Zustand des Gewässers zu berücksichtigen. Werden die Zielwerte bereits im Sickerwasser eingehalten, können Überschreitungen im Gewässer ausgeschlossen werden.

Die Stoffauswahl erfolgte nach umfassenden Voruntersuchungen von acht Materialien und zwei Sickerwasserproben, bei denen ein wesentlich grösserer Parameterumfang berücksichtigt wurde:

• pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit, Sauerstoffsättigung, Trübung
• Gelöster organischer Kohlenstoff (DOC), chemischer Sauerstoffbedarf (CSB)
• 21 Elemente (gelöst) wie Aluminium, Quecksilber und Zink
• 16 EPA-PAK (polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe)
• 6 Phthalate wie Diethylhexylphthalat (DEHP) und Diisobutylphthalat (DIBP)
• Bisphenol A und 4 Derivate
• 4 Thiazole wie Benzothiazol (BZT) und 2-Mercaptobenzothiazol (MBT)
• 3 Triazole wie Benzotriazol, Tolyltriazol

Zusätzlich wurde jede Probe der Voruntersuchung mittels LC-MS-Screening auf weitere Mikroverunreinigungen analysiert. Beim Non-Target-Screening wurde ein Algorithmus angewendet, der alle Peaks über einem Schwellenwert und mit einer Retentionszeit von 3 bis 20 Minuten berücksichtigt. Im Suspect-Screening wurde eine Liste mit 24 Substanzen vertieft betrachtet. Weder Nonylphenol noch 6PPD wurden im Screening nachgewiesen.

Nachfolgend werden die wichtigsten Resultate der Feld- und Laboruntersuchungen vorgestellt [18]. Die Standorte und Produkte sind anonymisiert.

Sickerwasserqualität auf Plätzen

Bei den DOC-Konzentrationen zeigen sich keine systematischen Unterschiede zwischen verfüllten und unverfüllten Kunststoffrasenplätzen sowie zwischen Beregnungen und Regenereignissen (Fig. 3). In 85% aller Proben liegen die Konzentrationen unter 10 mg/l DOC. Dieser Anforderungswert für die Einleitung von kommunalem Abwasser in Gewässer (GSchV, Anhang 3.1, Ziff. 2, Nr. 3) wird von einigen Kantonen zur Beurteilung von Sickerwässern herangezogen. Auch in Magglingen liegen die DOC-Konzentrationen über den gesamten Beregnungszeitraum deutlich unter diesem Anforderungswert.

Die höchste gemessene DOC-Konzentration (68 mg/l) stammt von einem Platz, der mit Kork verfüllt wurde. DOC kann jedoch auch durch andere Quellen wie Vegetationsrückstände oder Süssstoffe in Sportgetränken beeinflusst sein. Daher ist der DOC als alleiniger Bewertungsparameter für die Sickerwasserqualität und den Behandlungsbedarf nicht spezifisch genug.

Die Messwerte von DOC und CSB korrelieren miteinander. Für den CSB wurde eine maximale Konzentration von 64 mg/l (Median 15 mg/l) ermittelt.

In Figur 4 ist das Vorkommen von gelöstem Zink im Sickerwasser, dem Element mit den höchsten Konzentrationen, zusammen mit dem Anforderungswert für Zink (5 µg/l, gelöst) im Oberflächengewässer nach weitgehender Durchmischung des eingeleiteten Abwassers (GSchV, Anhang 2, Ziffer 11, Absatz 3, Nummer 2) dargestellt. Rund 50% der Proben weisen erhöhte Zink-Konzentrationen (bis maximal um den Faktor 30 erhöht) auf.

Die Daten deuten darauf hin, dass auch von älteren Plätzen Zink ausgewaschen werden kann. Darüber hinaus verbinden sich Beregnungen mit höheren Zink-Konzentrationen im Sickerwasser, vermutlich auch durch das Zink im Beregnungswasser bedingt. Auf dem unverfüllten Platz in Magglingen ändern sich die Konzentrationen über die Abflussdauer kaum und liegen mit rund 30 µg/l im niedrigen Bereich.

Von den untersuchten Thiazolen sind im Sickerwasser nur BZT und MBT regelmässig nachweisbar (Fig. 4). Ein Unterschied zwischen verfüllten und unverfüllten Plätzen ist jedoch nicht erkennbar. Demnach hat die Elastikschicht einen wesentlichen Einfluss auf das Vorkommen der Thiazole. Die maximale Konzentration von BZT (rund 60 µg/l) ist etwa 20-mal höher als die maximale Konzentration von MBT. Es ist davon auszugehen, dass die Auswaschung mit der Zeit abnimmt, da beide Stoffe in Proben von relativ neuen Plätzen, die weniger als drei Jahre alt sind, in höheren Konzentrationen vorkommen als auf älteren Plätzen. Jedoch wurde auf dem unverfüllten, einjährigen Rasenplatz in Magglingen nur BZT in einer geringen Konzentration von 2 bis 10 µg/l nachgewiesen, während MBT sogar unterhalb der Bestimmungsgrenze blieb. Die Art der eingesetzten Produkte ist demnach noch relevanter als das Alter der Materialien.

Bemerkenswert ist die hohe Ökotoxizität von MBT mit CQK von 4,1 µg/l und einem akuten Qualitätskriterium (AQK) von 7,1 µg/l [20]. BZT ist weniger toxisch als MBT (CQK 240 µg/l, AQK 250 µg/l) [21]. In keiner Sickerwasserprobe wurden die Qualitätskriterien überschritten.

Auswaschung im Labortest 

Die höchsten DOC-Konzentrationen liegen stets in der ersten Probe vor und nehmen über die Eluationen auf weniger als 10 mg/l DOC ab (Fig. 5). Dieser Konzentrationsverlauf deutet auf eine hohe initiale Abwaschung hin. Veranwortlich hierfür könnten Tenside oder Spinnöle aus der Herstellung sein. Abweichend verhalten sich die organischen Granulate (In_5, In_8), deren Konzentrationen um den Faktor 10 höher sind als die aller synthetischen Produkte. Zudem ist wie erwartet zu beobachten, dass bei +60 °C höhere Konzentrationen nachweisbar sind.

Wie der Verlauf der Zink-Konzentration über drei Eluate zeigt, ist der erste Messwert oft um den Faktor 10 höher als der zweite, der den fünften Wasserwechsel repräsentiert (Fig. 6). Danach nehmen die Konzentrationen nur noch wenig ab. Bei Kork sind die Konzentrationen bis zum zehnten Eluat hoch (In_5 von 600 bis 800 µg/l). Bemerkenswert ist, dass die Konzentrationen beim Granulat In_4 mit der Anzahl der Elutionszyklen zunehmen. Bezogen auf den Anforderungswert für Oberflächengewässer (5 µg/l Zink, gelöst nach weitgehender Durchmischung des eingeleiteten Abwassers im Gewässer) liegen alle Messwerte der drei Einstreugranulate (In_4, In_5, In_8) um den Faktor 100 darüber, darunter auch ein Korkprodukt (In_5). Bei den Elastikschichten überschreiten drei von fünf Produkten, darunter vier SBR-Produkte, den Anforderungswert um das Zehn-fache.

Die Zink-Konzentrationen sind bei +60 °C grösstenteils bis zu zehnmal höher als bei +20 °C. Überraschend waren die hohen Aluminiumkonzentrationen bei einem Korkgranulat. BZT wurde in den meisten Produkten nachgewiesen (Bestimmungsgrenze 1 µg/l), mit Ausnahme eines Rasens, einer Elastikschicht (Pad) und beiden Korkproben (Fig. 6). Die Konzentrationen liegen bei Rasenteppichen jedoch etwa 100-mal niedriger als bei Granulaten und Elastikschichten und das Qualitätskriterium CQK wurde in keiner Probe überschritten. Bei den synthetischen Einstreugranulaten und Elastikschichten lagen in rund 85% bzw. 60% der Proben die Konzentrationen dagegen über dem CQK. Im Verlauf der Elutionsreihe nehmen die Konzentrationen jedoch deutlich ab, sodass sie für fast alle Granulate und Elastikschichten im Bereich des Qualitätskriteriums münden.

Die Ergebnisse für MBT zeigen ein ähnliches Bild wie für BZT, jedoch sind die Spannweite der Konzentrationen und die Überschreitungen des Qualitätskriteriums ausgeprägter (Fig. 6). So sind bei allen Rasenprodukten die Konzentrationen nicht nur sehr gering, sondern mehrheitlich nicht nachweisbar. Bei den Elastikschichten ist MBT mit Ausnahme des Shock-Pads eindeutig nachweisbar, wobei es zu maximal zehnfachen Überschreitungen des Qualitätskriteriums kommt.

In den Eluaten der Einstreugranulate treten die höchsten Konzentrationen auf, die über den Verlauf von zehn Eluaten um den Faktor 10 abnehmen. Das Qualitätskriterium wird oft bis zum rund 1000-fachen überschritten. Die höchste MBT-Überschreitung (10 000-fach) liegt im ersten Eluat eines EPDM-Granulats vor. Es gibt jedoch auch ein Granulat (In_1, EPDM Eco), das nur eine zehnfache Überschreitung aufweist und bei dem zudem die Konzentrationen von BZT sehr niedrig sind.

Die Ergebnisse für BZT und MBT zeigen in der Regel nicht nur höhere Konzentrationen bei +60 °C als bei +20 °C, sondern die Konzentrationen von MBT sind teils doppelt so hoch sind.