Regenwasserbehandlung: Belastungsklassen und Leistungsprüfung technischer Anlagen

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1 Regenwasserbehandlung: Belastungsklassen und Leistungsprüfung technischer Anlagen Prof. Dr. HSR Hochschule für Technik Rapperswil, Institut für Umwelt- und Verfahrenstechnik (UMTEC), 8640 Rapperswil, Schweiz E- Mail: Zürich, 23. November 2018

2 Gliederung Regenwasserbelastung Belastungsklassen Leistungsprüfung Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 2

3 Stoffeintrag in Gewässer: Urbane Eintragswege von Stoffen Emission: Freisetzung von Stoffen (Quelle) Immission: Vorkommen in der Umwelt Gebäude Plätze Wiesen Verkehr Spital Industrie Haushalt Deponie Versickerung Trennkanalisation Mischkanalisation Boden Diffuser Eintrag Regenwasser Überlauf-Schmutzwasser Schmutzwasser Schmutzwasser Punktueller Eintrag Kläranlage Grundwasser Gewässer 3

4 Partikuläre Stoffe Gesamte ungelöste Stofffraktion GUS (AFS, TSS) Natürlich, mineralisch oder biologisch: Tonminerale, Oxide, Fällungsprodukte, Pflanzenreste, etc. Synthetisch, anorganisch oder organisch: Abrieb, Russ, Pigmente etc. aus Anwendungen und Prozessen Summenparameter für Partikel >0.45 μm (<0.45 μm «gelöst»? Nein!) Feinanteil <63 µm bindet bevorzugt Schadstoffe Verfahren für Rückhalt Sedimentation (Lamellen, Hydrozyklon) Filtration (Flächen-/Raumfilter) 4

5 Beispiel: Pneuabrieb In Pneu bis zu 200 verschiedene Stoffe Zink- und Bleioxid, Beschleuniger, Öle, Schwefel, Phenylendiamine, Cyclohexylthiophthalimid, Sulfenamide, Anilin, Benzthiazol, Mercaptobenzthiazol, Mercaptobenzthiazoldisulfid etc. Abrieb von Pneu 20 mg Abrieb pro Pneu und Kilometer (Mikroplastik) Deutschland 100' '000 t/a Pneubrieb (CH 10'000 20'000 t/a?) Krämer, S. et al. (2006): Ökobilanz eines PKW-Reifens. Continental AG, S. 42 5

6 Gelöste Stoffe Anorganisch Stoffe (Kupfer, Zink, Cadmium, Antimon etc.) Metallflächen, Verkehr, Fassaden, Fungizide Nicht abbaubar, ionische Form toxisch Verfahren für Rückhalt Adsorption, Fällung und Filtration Organische Stoffe (Pestizide, Weichmacher, Additive, etc.) Verkehr, Bauprodukte, Flächenunterhalt Langsam abbaubar, teils sehr toxisch Verfahren für Rückhalt Adsorption (biologischer Abbau, Oxidation) 6

7 Beispiel: Metalle Kupfer in Gewässer 49 t/a, davon 60 % diffus 1 50 % von Dächern / Fassaden, 90 % gelöster Anteil 3 30 % aus Strassenverkehr 2, 50 % gelöster Anteil 3 Abschwemmung von Metallflächen Dächer 1.8 g/m 2 a Kupfer, 3.6 g/m 2 a Zink Beschichtung kann Austrag bis 100fach reduzieren 1 Von Arx, U. (2006): Kupfer. Verbrauch, Umwelteinträge und -vorkommen. Umwelt-Wissen Nr. 0601, Bundesamt für Umwelt (BAFU), Bern.163 S. 2 Huber, M. et al. (2015): Belastung von Verkehrsflächenabflüssen mit Schwermetallen ein europäischer Vergleich gwf Wasser / Abwasser, Huber, M., et al. (2016): Critical review of heavy metal pollution of traffic area runoff: Occurrence, influencing factors, and partitioning. Sci. Tot. Environ. 541,

8 Konzentration [mg/l] Beispiel: Biozide Auswaschung aus Putz und Farben Biozide für Filmschutz 10 bis 30 t/a Gegen Algenbefall (Algizid): Terbutryn, verkapselt Qualitätsziel Gewässer µg/l 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 1.5 % Terbutryn in 620 Tagen Versuchsdauer [Tage] 8

9 Terbutryn im Fliessgewässern (Kt. Zürich) 1 Vorkommen bei Regen- und Trockenwetter, nicht saisonal Anwendung nur im Filmschutz von Farben/Putzen (Algizid) 0.1 µg/l in Grund- und Oberflächenwasser bzw µg/l gemäss WRRL Sinniger et al. (2012): Pestiziduntersuchung, AWEL, Zürich. 9

10 MCPP-Konzentration [µg/l] Beispiel: Additive Wurzelfeste Bitumendichtungsbahnen mit Mecoprop oder MCPA MCPP-Menge g/m 2 als Ethylhexylester und Octylester Freisetzung durch Hydrolyse beeinflusst durch Produkt und Witterung 100 Gründach ,1 0, Monate 10

11 Mecoprop im Fliessgewässer (Kt. Zürich) 1 Vorkommen nur bei Regenwetter (nicht bei Trockenwetterabfluss) Bitumenbahnen, Wiesen und Landwirtschaft 0.1 µg/l in Grund-/ Oberflächenwasser bzw. 3.6 µg/l chronisches Kriterium (187 µg/l akut) 2 1 Sinniger et al. (2012): Pestiziduntersuchung, AWEL, Zürich, CH 2 Ökotoxzentrum (2013): EQS - Vorschlag des Oekotoxzentrums für Mecoprop-p. Schweizerisches Zentrum für Ökotoxikologie Eawag-EPFL, Dübendorf, CH 11

12 Organische Spurenstoffe im Regenwasserabfluss 1,2 Zahlreiche Stoffe, hohe Streuung der Konzentrationen Einzugsgebiet, Entwässerungsnetz, ohne First-Flush Konzentrationen und Frachten haben in den letzten Jahren zugenommen 1 Burkhardt, M., et al. (2011): Leaching of additives from construction materials to urban storm water runoff. Water Science & Technology, 63(9), Burkhardt, M., et al. (2017): Behandlung von Regenwasser - Grosstechnische Erfahrung mit unterirdischer Retention und nachgeschaltetem Adsorberfilter. Aqua und Gas, 4: , GZUT

13 Frachten bei Regenwetter (Berlin) 1 Direkteinleitung Niederschlagswasser (Trennkanalisation) Partikuläre Stoffe GUS >80 % Metalle Zink und Kupfer >80 % Weichmacher, Biozide, PAKs > 80% (organische Spurenstoffe) GUS Wicke et al. (2015), Relevanz organischer Spurenstoffe im Regenwasserabfluss Berlins, OgRe-Abschlussbericht, Berlin 13

14 Gliederung Regenwasserbelastung Belastungsklassen Leistungsprüfung Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 14

15 Belastungklassen 1 1 VSA, Abwasserbewirtschaftung bei Regenwetter. VSA, Zürich. 15

16 Belastungklassen 1 ab DTV hoch belastet 1 VSA, Abwasserbewirtschaftung bei Regenwetter. VSA, Zürich. 16

17 Massnahme an der Quelle (Vorsorge): Biozide Umweltverträglichere Produkte Verkapselung führt zu 5-10mal geringerer Auswaschung (70 % Produkte) 1 Schnell abbaubare Biozide (z.b. OIT, DCOIT) 2 Retentionsstarke Bindemittel Produktkennzeichnung 3 Geringe Gewässerbelastung: Klassen A/A- und B (keine Biozide) und Klasse C (verkapselte, schnell abbaubare Biozide) Verkapselung Schnell abbaubare Biozide Bindemittel Umweltetikette IV 1 Burkhardt, M., Vonbank, R. (2011): Auswaschung von verkapselten Bioziden aus Fassaden. BAFU-Bericht, 13 Seiten. 2 Vermeirssen, E., et al. (2018): Ecotoxicological Assessment of Immersion Samples from Façade Render Containing Free or Encapsulated Biocides. 17

18 Konzentration [µg/l] Austrag [mg/m 2 ] Massnahme an der Quelle (Vorsorge): Bitumenbahnen Drei Belastungsklassen (Labortest DSLT) Hohe Auswaschung: z.b. mit Polyglykolester >200 mg/m 2 MCPP (rot) Mittlere Auswaschung: heutige Bahnen, 10 bis 200 mg/m 2 MCPP (gelb) Geringe Auswaschung: umwerltverträgliche Produkte <10 mg/m 2 MCPP (grün) , ,00 A B C , ,00 hoch 100,00 10,00 100,00 10, mg/m 2 mittel 1,00 1,00 10 mg/m 2 gering 0,10 0, DSLT-Tauchzyklus 0,10 0,01 A B C Jahre 1 BAFU-Info: 18

19 Massnahme an der Quelle: Behandlung bei Bitumenbahnen Behandlungsbedarf orientiert sich an den drei Belastungsklassen Hohe Belastung: in Kläranlage oder mit hoch wirksamen Substrat Mittlere Belastung (Regelfall): Behandlung mit Boden oder Substrat Geringe Belastung: ohne Behandlung einleiten oder versickern Belastungsklasse 30 Jahre MCPP-P Freisetzung (mg/m 2 ) Behandlungsbedarf Gering < 10 Die direkte Ableitung und Versickerung vom Niederschlagswasser ins Gewässer ist ohne Behandlung möglich. Solche Bitumenbahnen sind aus Sicht des Gewässerschutzes ökologisch empfehlenswert. Dies Produkt muss nachweislich wurzelfest sein. Mittel 10 bis 200 Das Niederschlagswasser ist durch eine mikrobiell aktive Bodenschicht oder ein vergleichbar wirksames Substrat zu behandeln und dann zu versickern oder einzuleiten. In der Regel dürften sich die Produkte mit Ethylhexyl- und Octylestern dieser Belastungsklasse zuordnen lassen. Hoch > 200 Das Niederschlagswasser ist in die Schmutzwasserkanalisation zu leiten oder dezentral mit nachweislich hoch wirksamen Substrat zu behandeln. Eine Freisetzung > 200 mg/m 2 Wirkstoff über 30 Jahre ist z.b. beim Polyglykolester B2 zu erwarten. 1 BAFU-Info: 19

20 Gliederung Regenwasserbelastung Belastungsklassen Leistungsprüfung Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 20

21 Behandlungsgebot für Regenabwasser 1 1 VSA, Abwasserbewirtschaftung bei Regenwetter. VSA, Zürich. 21

22 Behandlung mit Boden (flächenintensiv) Stoffliche Leistungsfähigkeit Hohe stofflicher Rückhalt für GUS und Metalle Unklarer Rückhalt für gelöste Spurenstoffe Versickerung über das Bankett Versickerungsmulde Retentionsfilterbecken Graben/Rigolen-Systeme Bodenpassage 22

23 Behandlung mit Boden (flächenintensiv) Hydraulische Leistungsfähigkeit Bodengefüge durch Umlagerung zerstört, Bepflanzung erforderlich Präferentieller Fluss und innere Suffosion (labiles Gefüge) Wenige natürliche Böden mit erforderlicher Wasserleitfähigkeit (kf > 10-4 m/s) und Adsorptionskapazität (Ton >10 %) Pedotransferfunktion mit Bodendaten Österreich (Kammerer, 2012) 23

24 Behandlung mit dezentralen Kompaktanlagen (ohne Boden) Standardisierte Bauweisen für Behandlung von Strassen-, Liegenschafts-, Dach- und Fassadenwasser Schacht- / Kompaktanlagen für Anschlussflächen bis 2000 m² Rinnensysteme bis 50 m² Anschlussfläche je Rinnenlaufmeter DIBt-Zulassung (Deutschland) prüft solche Anlagen für Behandlung von Strassenwasser getestet (GUS, Cu, Zn, MKW) Aber: unklares Leistungsprofil 24

25 Technische Anlagen zur Behandlung von Niederschlagswasser 25

26 VSA-Leistungsprüfung für Behandlungsanlagen 1 Dezentrale technische Kompaktanlagen, Schacht- und Rinnensysteme Rückhalt von partikulären und gelösten Stoffen Für Dächer/Fassaden, Liegenschaften und Strassen Vorgehen schafft schweizweit einheitliche Test- und Beurteilungskriterien Burkhardt, M., et al. (2017): Behandlung von Regenwasser - Grosstechnische Erfahrung mit unterirdischer Retention und nachgeschaltetem Adsorberfilter. Aqua und Gas, 4: Burkhardt, M., et al. (2017): VSA-Leistungsprüfung Leistungsermittlung im Labor- und Feldtests für Anlagen zur Niederschlagswasserbehandlung. Aqua & Gas, 11:

27 Das VSA-Leistungsprüfung 2-stufiges Verfahren Säulenversuch im Labor und Feldtest an zwei Standorten Richtet sich an Hersteller, Planer, Behörden Ziel: Vergleichbarkeit, Transparenz = Kosteneinsparung Hydraulische und stoffliche Leistungsfähigkeit von Adsorbermaterialien und Anlagen erfassen Schweizweit einheitliche Grundlagen für Versickerung / Einleitung Leistungsfähige Anlagentypen unterstützen Prüfsubstanzen Kupfer, Zink Diuron, Mecoprop GUS (nur im Feldtest) 27

28 Prüfsubstanzen Schwermetalle Kupfer, Zink Quellen Metallflächen, Korrosionsschutz, Fungizid, Biozid Merkmale Cu-gelöst 2 µg/l, Zn-gelöst 5 µg/l (GSchV) Anreichung im Sediment/Boden (kein Abbau) Pestizide Diuron, Mecoprop Quellen Pflanzenschutzmittel, Biozid, Durchwurzelungsschutz Merkmale Pestizide 0.1 µg/l (GSchV) Langsamer Abbau, verbreitet in Gewässern MCPP: hohe Mobilität; Diuron: geringe Mobilität 28

29 Labortest: Vorgehen Säulenversuch (Materialtest) Stoffrückhalt und Remobilisierung für Kupfer, Zink, Diuron, Mecoprop (je 0.5 mg/l) 3 Filtergeschwindigkeiten (8.95, 2.15, m/h) Hersteller legen mindestens drei Identifikationskennwerte vor 29

30 Labortest: Bewertung Anforderungskriterien Bewertung: 90 % Rückhalt (erhöht), < 90 % und 70 % Rückhalt (Standard), < 70 % Rückhalt (Anforderung nicht erfüllt) Labortest gilt für eine Stoffgruppe (Metalle, Pestizide) als bestanden, wenn < 10 % Remobilisierung nachgewiesen wurde Farbe Punkte Rückhalt Metalle / Pestizide Anforderungen Metalle / Pestizide % Erhöht: Die hohe potentielle Rückhalteleistung zeigt an, dass solche Materialien für den Feldtest sehr geeignet sind < 90 bis 70 % Standard: Die Dimensionierung und Betriebsweise beeinflussen die effektive Leistungsfähigkeit im Feld. 1.5 < 70 % Anforderungen nicht erfüllt: Die Durchführung des Feldtests wird nicht empfohlen. 30

31 Labortest: Beispiel-Resultate Je geringer die Geschwindigkeit, desto besser der Rückhalt 31

32 Feldtest: Vorgehen An 2 Standorten hydraulischer und stofflicher Wirkungsgrad Hersteller legt Einsatzbereich und Stoffe fest (GUS, Metalle, Pestizide) Leistungsprüfung beginnt spätestens 6 Monate nach Einbau des Adsorbermaterials, Testdauer, Sammelproben Nur Feldtest relevant für Gesamtbeurteilung des Anlagentyps Orientierung an ASTRA-Merkblatt Leistungsprüfung neuer Verfahren 32

33 Feldtest: Bewertung Anforderungskriterien Bewertung: 90 % Rückhalt (grün, erhöht), < 90 % und 70 % Rückhalt (GUS 80 %, gelb, Standard), < 70 % Rückhalt (GUS < 80 %, rot) Standard und Erhöht werden vom VSA empfohlen (Q-Plus stellt Infos bereit) Empfehlung ersetzt nicht die richtige Planung und den Unterhalt Farbe Punkte GUS Punkte Metalle / Pestizide Rückhalt Anforderungen Metalle / Pestizide % Erhöht: Die Anlage wird uneingeschränkt empfohlen % bis < 90 %, GUS 80 % < 70 %, GUS < 80 % Standard: Die Anlage ist bei guter Planung und Betrieb empfehlenswert. Anforderungen nicht erfüllt: Die Anlage ist nicht empfehlenswert. 33

34 Gliederung Regenwasserbelastung Belastungsklassen Leistungsprüfung Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 34

35 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Gelöste und partikuläre Stoffe sind weit verbreitet im urbanen Niederschlagswasser Massnahmen an der Quelle oder nachgeschaltet Dezentrale Anlagen sind eine vielsprechende Alternative zur Bodenpassage, besonders an Belastungsschwerpunkten VSA-Leistungsprüfung sichert zukunftsweisenden Gewässerschutz Klare und hohe Anforderungen für GUS, Metalle und Pestizide Für Anlagen zur Behandlung von Dach-, Fassaden-, Platz- und Strassenwasser Eine technische Kommission beim VSA begleitet die Leistungsprüfung Erfolgskontrolle / Service unter Betriebsbedingungen sicherstellen Seit 1. November fertig: Hersteller von Anlagen sollten loslegen! 35

36 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! E- Mail:

37 Anlage für Metall-/Spurenstoffrückhalt (Bern, Schweiz) 37

38 Nachgeschaltete Massnahme: Anlagenschema Behandlung von Strassen-, Platz- und Dachwasser Einzugsgebiet: > m 2 Mischadsorbermaterial: 40 cm Schichthöhe 38

39 Rückhalt von Spurenstoffen und Metallen Viele organische Stoffe, hohe Streuung Mischadsorber mit Rückhalt von MCPP und DEET je 50%, Terbutryn, Diuron und Carbendazim je 60-80% Rückhalt von Kupfer >80%, von Zink 60% (ph 7) Keine Abnahme der Durchlässigkeit über 15 Monate ( m/s) 1 Burkhardt et al. (2017): Neue Massnahme zur Regenwasserbehandlung. Aqua und Gas, CH 39