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Stäube – Emissionen und Immissionen 1991

Einleitung

Wirkung von Staub

Staub ist eine auch ohne Messgeräte für jeden feststellbare partikelförmige Luftverunreinigung. Grundsätzlich wird zwischen Schwebstaub und Staubniederschlag unterschieden. Besonders deutlich tritt der Staubniederschlag auf glatten horizontalen Flächen in Erscheinung, die der Außenluft ausgesetzt, aber gegen Regen und Wind geschützt sind. In der Luft macht sich Schwebstaub durch Trübung der Atmosphäre bemerkbar.

Die Staubpartikel sind unterschiedlichster Herkunft, haben sehr verschiedene Korngrößen und bestehen aus einer Vielzahl von Stoffen, so dass eine eindeutige Beschreibung nicht möglich ist. Beim Schwebstaub überwiegen die Anteile mit Korngrößen kleiner 10 µm. Beim Staubniederschlag hat die Korngröße keine Bedeutung.

Aufgrund unterschiedlicher Entstehungsmechanismen der Stäube besteht eine Einteilung in Primäraerosole, welche direkt als Staubpartikel emittiert werden und in ihrer räumlichen und mengenmäßigen Verteilung im Emissionskataster Gesamtstaub (Karte 03.04.1) geführt werden, sowie in Sekundäraerosole, die zunächst als Gase emittiert werden und erst in der Atmosphäre in Partikel umgewandelt werden.

Staub wirkt schädlich auf Menschen und Umwelt. Die staubförmigen Luftverunreinigungen reizen das menschliche Bronchialsystem. Art und Grad der Schädigung sind abhängig von Menge und Zusammensetzung des Staubes. Kommt es bei Smog-Perioden zu starker Beanspruchung des Reinigungsapparates im Atemwegsbereich, können längerfristige Einwirkungen zu Zell- oder Gewebeschäden führen (vgl. BMUNR 1987). Das gilt besonders für die Kombination von Schwebstaub mit anderen Luftschadstoffen, beispielsweise Schwefeldioxid (vgl. Kühling 1986).

Neben der gesundheitlichen Relevanz für den Menschen wirken sich die Stäube und ihre Inhaltsstoffe auf Fauna und Flora aus. Ihre Wirkung kann sehr unterschiedlich ausfallen: So werden sowohl bodenversauernde als auch diese Versauerung puffernde Wirkungen durch Staubemissionen hervorgerufen. Versauernd wirken alle Sulfat- und Nitrat-Ionen, während z. B. von den calciumhaltigen Staubemissionen, wie sie etwa von den östlich Berlins gelegenen Zementwerken Rüdersdorf verursacht werden, eine kalkende Wirkung ausgeht.

Grenzwerte

Mitte der 60er Jahre wurden Grenzwerte für die Staubkonzentration in der Luft und für als schädlich erkannte und messbare Inhaltsstoffe festgelegt. In Deutschland gelten zur Zeit die Immissionswerte der Technischen Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA-Luft) aus dem Jahr 1986. Außerdem sind die Grenzwerte der EG-Richtlinien für Schwefeldioxid und Schwebstaub aus dem Jahr 1980 sowie für Blei (als Bestandteil des Schwebstaubs) von 1982 bindend, die mit der 22. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes 1993 in nationales Recht überführt wurden (vgl. Tab. 1).

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Tab. 1: Grenz-, Richtwerte und Empfehlungen für die Immission von Schwebstaub, Staubinhaltsstoffen und Staubniederschlag
Bild: Umweltatlas Berlin

Überschreitungen der Grenzwerte ziehen nach den Vorschriften der TA-Luft bzw. der 22. BImSchV Maßnahmen an Anlagen nach sich, die als Verursacher identifiziert werden. Wenn die Überschreitungen nicht einem speziellen Verursacher zugeordnet werden können, müssen die zuständigen Behörden einen Luftreinhalteplan aufstellen und bei der Genehmigung neuer Anlagen verschärfte Anforderungen bezüglich der zulässigen Emission stellen.

Verursacher und Mengen der Staubemission

Hauptverursacher der in den Emissionskatastern erfassten direkten partikelförmigen Staubemission von 18.218 t sind in Berlin die Kraftwerke mit einem Anteil von mehr als 50 % (11.780 t), der Verkehr mit einem Anteil von 20 % (3.450 t) und der Hausbrand mit einem Anteil von 2.992 t gleich 15 % (vgl. Abb. 1).

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Abb. 1: Erfasste Partikelemission von Gesamtstaub (ohne die Anteile, die sich erst in der Atmosphäre bilden) (in Tonnen pro Jahr)
Bild: Umweltatlas Berlin

Wegen der schlechten Entstaubungstechnik und des hohen Anteils von Kohlefeuerungen waren die Emissionen im Jahr 1989 im Ostteil Berlins bei den genehmigungsbedürftigen Anlagen und beim Hausbrand sehr viel größer als im Westteil. Beim Verkehr waren die Emissionen wegen des höheren Verkehrsaufkommens im Westteil größer als im Ostteil.

Die Emission der in den Karten 03.04.4, 03.04.5 und 03.04.6 dargestellten und als krebserregend geltenden Staubinhaltsstoffe Arsen, Kobalt, Chrom und Nickel sowie Blei und Cadmium entsteht in erster Linie bei Schmelzprozessen zur Gewinnung dieser Stoffe, z. B. bei der Eisen- und Stahlproduktion und bei der Verbrennung von Kohle. Weitere Quellen sind die Metallverarbeitung, die Herstellung von Kabeln, Akkumulatoren, Farbpigmenten und Gläsern sowie Prozesse in der Galvanotechnik.

Die Hauptquelle für Blei in der Berliner Atmosphäre ist der Kraftfahrzeugverkehr. Mit dem Rückgang des Gebrauchs von verbleitem Benzin ist in den vergangenen Jahren auch die Bleikonzentration in der Luft erheblich zurückgegangen, so dass nicht mehr mit Überschreitungen von Grenzwerten gerechnet werden muss.

Herkunft und Zusammensetzung des Schwebstaubes

Die Herkunft und Zusammensetzung des in der Berliner Luft vorhandenen Staubes wurde im Rahmen eines Forschungsprojektes an der Technischen Universität Berlin im Auftrag der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umweltschutz sowie des Umweltbundesamtes untersucht (vgl. Israël et al. 1992).

Die nachfolgenden Prozentangaben beziehen sich auf die gesamte gemessene Staubmasse, wenn nicht ausdrücklich ein anderer Bezug genannt wird. Der gemessene Schwebstaub besteht aus Partikeln mit Durchmessern von weniger als 0,01 bis etwa 50 µm. Als lufthygienisch bedeutsam wird Feinstaub mit Korngrößen von weniger als 10 µm angesehen. Der in Berlin gemessene Schwebstaub besteht zu etwa 75 % aus Feinstaub.

Von besonderer Bedeutung im Hinblick auf die Gesundheitsgefährdung ist der lungengängige Feinstaub, der Korngrößen bis etwa 2,5 µm hat. Er ist im Berliner Staub mit etwa 50 % enthalten. Der Rest tritt in Korngrößen bis ca. 50 µm auf.

Der Feinstaub besteht zu etwa einem Drittel aus kohlenstoffhaltigem Material. Hierzu gehören Ruß, Teer und Öl, die vor allem von kleineren Heizungsanlagen und von Kraftfahrzeugen emittiert werden. Der Rußanteil liegt dabei um 10 %. Er wird zum größten Teil von LKW-Dieselmotoren ausgestoßen. Aufgrund der Ergebnisse einer Studie zur Abschätzung der Luftschadstoff-Immissionen für die Hauptstraßen Berlins müssen bei Anwendung des von der Bundesregierung vorgelegten Entwurfs der 23. BImSchV in einer großen Zahl der Straßenabschnitte vertiefende Untersuchungen stattfinden, d.h. hier ist mit einer Rußkonzentration von mindestens 8 µg/m3 im Jahresmittel zu rechnen (vgl. Blümel 1994 und IVU 1993). Der Anteil an organischer Materie liegt bei 20 %. Die Anteile der Hauptverursacher Kohlefeuerungen und Kraftfahrzeuge können bisher nicht angegeben werden. Bei der Erstellung der Emissionskataster wird davon ausgegangen, dass das partikelförmige kohlenstoffhaltige Material überwiegend kurz nach dem Austritt aus den Abgasöffnungen aus gasförmigen Stoffen entsteht, wenn sich die Abgase abkühlen. Bei den Emissionserhebungen wird es noch unter den organischen Gasen erfasst.

Zu einem weiteren Drittel besteht der emittierte Feinstaub aus Sulfat (SO4)-, Ammonium (NH4)- und Nitrat (NO3)-Partikeln, die sich in der Atmosphäre aus Schwefeldioxid, Stickoxiden und Ammoniak bilden. Die Verursacher sind in erster Linie Feuerungsanlagen, die Schwefeldioxid und Stickoxide ausstoßen, Kraftfahrzeuge, deren Motoren Stickoxide abgeben, und die Landwirtschaft, die einen erheblichen Anteil an der Ammoniakemission hat. Die Umwandlung der Gase in Partikel geht mit einer charakteristischen Geschwindigkeit in der Größenordnung von zwei bis sechs Prozent pro Stunde vor sich. Die Umwandlungsrate ist von den meteorologischen Bedingungen abhängig. Da ein Luftpaket die Stadt im Mittel innerhalb von weniger als drei Stunden überquert, ist davon auszugehen, dass die Partikel zum überwiegenden Teil nicht von Emissionen im Stadtgebiet stammen, sondern auf Ferneinfluss zurückzuführen sind. In Berlin selbst werden unter Zugrundelegung der genannten Umwandlungsraten nur etwa 10 % dieser Sekundärpartikel verursacht.

Etwa ein Viertel des Feinstaubes besteht aus Material der Erdkruste, das zum Beispiel vom Wind oder von fahrenden Kraftfahrzeugen aufgewirbelt wird oder als Asche mit dem Rauchgas von Feuerungsanlagen emittiert wird. Dieser Teil des Staubes beinhaltet die Schwermetalle und ist als inert anzusehen.

Der gröbere Teil des Schwebstaubes hat eine ähnliche Zusammensetzung wie der Feinstaub mit einem höheren Anteil an Material der Erdkruste.

Es wird angenommen, dass ein Rest von etwa zehn Prozent aus Wasser besteht, das an die Staubpartikel angelagert ist und bei der Analyse nicht entfernt werden kann. Die in der Luft enthaltenen Staubpartikel sind zum großen Teil hygroskopisch und an der Wolken- und Nebelbildung beteiligt. Hauptsächlich auf dem Weg über die Wolken und den Regen wird der Staub aus der Atmosphäre ausgeschieden. Vergleiche zu Staubbildung und Zusammensetzung des Staubes auch Abbildung 2.

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Abb. 2: Mittlere Schwebstaubbildung an der innerstädtischen Messstelle Fasanenstraße, Berlin-Charlottenburg (Korngröße < 10 µm)
Bild: nach Israël et al. 1992

Nach den Untersuchungen des genannten Gutachtens der TU Berlin beträgt der Ferntransportanteil an der gesamten Schwebstaubimmission ca. 80 %, während Verursacher aus dem Stadtgebiet mit ca. 20 % beteiligt sind.

Entwicklung der Schwebstaubimmissionen

Die Entwicklung der Schwebstaubimmissionen wird anhand der Mittelwerte von elf Messstellen dargestellt, die von 1970 bis 1990 im Ostteil der Stadt in Betrieb waren (vgl. SenStadtUm 1990). Zusätzlich wird ab 1984 der Mittelwert von sechs Innenstadtstationen des Berliner Luftgüte-Messnetzes (BLUME) dargestellt.

In Abbildung 3 sind mehrere Trendabschnitte zu erkennen: 1970 hatte die Schwebstaubkonzentration im Mittel ein Niveau von etwa 140 µg/m3. Bis 1973 nahm die Konzentration auf etwa 110 µg/m3 ab. Von 1973 bis 1981/82 ist eine langsame Abnahme bis auf etwa 90 µg/m3 bei witterungsbedingten Schwankungen zu erkennen. Bis 1985/86 nahm die Konzentration wieder auf mehr als 120 µg/m3 zu und ging danach bis 1992 kontinuierlich auf unter 70 µg/m3 zurück.

Abb. 3: Verlauf der Jahresmittelwerte von Schwebstaub 1970 – 1993 (BHI-Mittel von 11 Messstationen der Bezirkshygieneinspektion Berlin-Ost von 1970 – 1990, BLUME-Mittel von 5 BLUME-Messstationen von 1984 – 1993)
Abb. 3: Verlauf der Jahresmittelwerte von Schwebstaub 1970 – 1993 (BHI-Mittel von 11 Messstationen der Bezirkshygieneinspektion Berlin-Ost von 1970 – 1990, BLUME-Mittel von 5 BLUME-Messstationen von 1984 – 1993)
Bild: Umweltatlas Berlin

Die allgemeine Abnahme der Konzentration ist vor allem auf den Rückgang des Kohleeinsatzes zu Heizzwecken und auf die kontinuierliche Verbesserung der Rauchgasentstaubung bei größeren Anlagen zurückzuführen.

Die Zunahme der Belastung in den 80er Jahren ist ein wesentliches Merkmal des Verlaufs, das in den Zeitreihen anderer Stoffe gar nicht oder nicht so deutlich zu erkennen ist. Sie ist auf die Folgen der Energiekrise und die daraus resultierende Rückumstellung von Öl- auf Kohlefeuerung und insbesondere auf den Einsatz von Rohbraunkohle in großen und kleinen Feuerungsanlagen in der ehemaligen DDR zurückzuführen.