Mechanisch-biologische Reinigung. Mechanisch-biologische Reinigung und Phosphatfällung

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1 Abwasserreinigung Verbesserungen bei der Abwasserreinigung 1999 gelangten rund 293 Mio. m 3 Abwasser in die öffentlichen Abwasserreinigungsanlagen (ARA) des Kantons Zürich. Davon wurden 6 Mio. m 3 oder zwei Prozent der Gesamtmenge nach Durchlaufen der mechanischen Reinigungsstufe (Rechen, Sandfang, Vorklärung) direkt in einen ach, Fluss oder See eingeleitet. Diese ehandlungsart wird weiter abnehmen, da sie den heutigen Anforderungen an den Gewässerschutz nicht mehr entspricht. 98 % oder rund 287 Mio. m 3 (1995: 28 Mio. m 3 ) Abwasser durchliefen mindestens eine mechanisch-biologische Reinigungsstufe. Dieses Abwasser wurde zusätzlich zu 99 % (1995: 98 %) einer Phosphatfällung unterzogen (Abb. 43), rund 62 % (55 %) durchlief eine vierte Reinigungsstufe (Flockungsfiltration), 68 % wurde nitrifiziert (Vollnitrifikation; Umwandlung von Ammonium zu Nitrat) und 58 % wurde mindestens teilweise der Umwandlung von Nitrat zu elementarem Stickstoff (Denitrifikation) unterzogen. Abbildung 43 zeigt auch auf, wie die jährlichen Abwassermengen klimabedingt stark schwanken. Ein geringer Teil des Abwassers (ca. 2 4 %) wird bei starken Regenereignissen über die Regenentlastung direkt einem ach, Fluss oder See zugeleitet. Notwendige Verbesserungen des Kanalisationsnetzes Reduziert wird die Reinigungsleistung der ARA durch nicht verschmutztes Abwasser, sogenanntes Fremdwasser (runnenwasser, Reservoirüberläufe, Wasser aus Sickerwasserleitungen und ächen, Grundwasser etc.). Durch die Einleitung in die Kanalisation wird dieses unnötigerweise selbst verschmutzt. Der Anteil an Fremdwasser am Abwasser beträgt gesamtschweizerisch schätzungsweise 4 %. Im Kanton Zürich wurden die ARA-Inhaber aufgefordert, Massnahmen zur Abtrennung der zum Teil massiven Fremdwassermengen zu ergreifen. Erst rund 2 % der Gemeinden haben Fremdwasseruntersuchungen durchgeführt und dieses wo technisch möglich und ökonomisch zweckmässig von der ARA abgetrennt. 3 Mio. m behandeltes Abwasser pro ahr Mechanisch-biologische Reinigung Abb. 43 ehandelte Abwassermengen nach Verfahrensstufen (mechanisch-biologische Reinigung, Phosphatfällung, Vollnitrifikation, Denitrifikation) Mechanisch-biologische Reinigung und Phosphatfällung Mechanisch-biologische Reinigung, Phosphatfällung und Vollnitrifikation Mechanisch-biologische Reinigung, Phosphatfällung, Vollnitrifikation und Denitrifikation 79

2 Zum Abwassersystem im Kanton Zürich gehören nebst den ARA rund 66 km öffentliche und schätzungsweise 75 km private Kanalisationsleitungen mit einem Wiederbeschaffungswert in der Grössenordnung von insgesamt ca. 18 Mrd. Franken. Etwa 2 3 % der öffentlichen sowie mindestens 3 4 % der privaten Leitungen sind in schlechtem Zustand. Als Grundlage für die Sanierung und Optimierung des Entwässerungssystems dienen die Generellen Entwässerungspläne (GEP) der Gemeinden oder von Zweckverbänden zur Abwasserreinigung. Die GEP sind alle 1 2 ahre zu revidieren. Für diesen Zeitraum ist mit Planungskosten von 11 Mio. Franken oder Abluft Kohlenstoff C: 5 % in Form von CO 2 VORKLÄRUNG ELEUNGSECKEN NACHKLÄRUNG Zulauf Kohlenstoff C: 1 % (1) Stickstoff N: 1 % Phosphor P: 1 % Phosphor P: 6 % (3) (5) Schlamm: Phosphor P: % Ablauf (4) Kohlenstoff C: 15 % Stickstoff N: 7 8 % Phosphor P: 2 5 % (2) Klärschlamm: Kohlenstoff C: 35 % Stickstoff N: 2 3 % Phosphor P: % Faulgas: Kohlenstoff C: 15 % in Form von Methan und CO Faulschlamm und Faulwasserrücklauf: Kohlenstoff C: 2 % Stickstoff N: 2 3 % Phosphor P: % 2 SCHLAMMFAULUNG Stoffflüsse in Abwasserreinigungsanlagen (ARA) Als wichtigste Elemente fallen in den ARA Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) sowie Phosphor (P) in zahllosen chemischen Verbindungen an. Ungelöste Kohlenstoffverbindungen (C) sedimentieren grösstenteils im Vorklärbecken (1) und werden im Faulraum (2) zu einem erheblichen Teil in iogas (Methan) und in Kohlendioxid (CO 2 ) umgewandelt. Die im Wasser gelösten Verbindungen werden in der biologischen Reinigungsstufe (3) durch Mikroorganismen in CO 2 und iomasse umgewandelt. Nur ein geringer Anteil der Kohlenstoffverbindungen, weniger als 15 %, verlässt die ARA und gelangt damit in die Gewässer (4). ei dieser Restverschmutzung handelt es sich zum Teil um unerwünschte, schwer abbaubare Verbindungen aus Publikums-Produkten, Medikamenten usw. Die Stickstoffverbindungen (N) fallen vor allem in Form von Ammoniak/Ammonium und Eiweissen an. Diese gelangen zu rund einem Drittel in den Faulschlamm. Der Rest verlässt die ARA zur Hauptsache als Ammonium oder als Nitrat. Entsprechend ausgerüstete Anlagen vermögen das Nitrat zu einem erheblichen Teil in völlig unbedenkliches Stickstoffgas (N 2 ) umzuwandeln. Abb. 44 Stofffluss von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor durch eine ARA mit Phosphatfällung und Nitrifikation, aber ohne Denitrifikation Phosphate stammen vor allem aus den Fäkalien sowie aus Reinigungsmitteln. Sie können durch Zusatz von Metallsalzen (5) aus dem Abwasser eliminiert werden (3. Reinigungsstufe). Wird das Abwasser zusätzlich einer Flockungsfiltration (4. Reinigungsstufe) unterzogen, kann der Gehalt an Phosphorverbindungen (P) um bis zu 98 % reduziert werden. 8

3 Anteil Abwasser am Flusswasser in % Abwasser mehr als 1 % des Flusswassers Abwasser weniger als 1 % des Flusswassers Eglisau/Rhein Andelfingen/Thur Rorbas/Töss Zürich-Werdhölzli/Limmat Kloten-Opfikon/Glatt Mönchaltorf/Mönchaltorfer Aa auma/töss Rüti/ona Wald/ona Zürich an der Glatt/Glatt Elsau/Eulach Illnau-Effretikon/Kempt uchs/furtbach Winterthur/Töss Wetzikon/Aa Abwasserreinigungsanlage / Fluss Fehraltorf/Kempt Regensdorf/Furtbach assersdorf/altbach irmensdorf/reppisch Hinwil/Wildbach Affoltern a. A./onen Abb. 45 Verdünnungsverhältnis von gereinigtem Abwasser zu Flusswasser 1998 (ausgewählte Anlagen) 8 1 Franken pro Einwohner zu rechnen. Die jährlich anfallenden etriebs- und Unterhaltskosten für das Abwassersystem belaufen sich durchschnittlich auf 22 Fr. pro Einwohner. Für die Finanzierung dieser Aufgaben haben die Gemeinden kostendeckende und verursachergerechte Gebühren zu erheben, welche die Werterhaltung der Abwasseranlagen sicherstellen. Dies ist in zahlreichen Gemeinden noch nicht der Fall. Ungenügende Verdünnung des gereinigten Abwassers Die Verdünnung des gereinigten Abwassers durch das Flusswasser kann nur bei den grossen Flüssen in einem ausreichenden Verhältnis von mehr als 1:1 erreicht werden. eim Grossteil der ARA wird dieser Wert überschritten (Abb. 45). ei kleineren Flüssen verschlechtert sich dieses Verhältnis bei geringer Wasserführung zudem dramatisch. Um die Wasserqualität trotzdem gewährleisten zu können, müssen bei den einzelnen Anlagen strengere Anforderungen an die Qualität des gereinigten Abwassers gestellt werden. Diese können in den meisten Fällen durch technisch-bauliche Massnahmen bei den ARA erreicht werden. Immer weniger Klärschlamm in die Landwirtschaft ei den öffentlichen ARA fielen 1999 rund 6 m 3 Klärschlamm (1995: 724 m 3 ) mit einem Trockenrückstand von etwa 3 4 Tonnen (1995: 32 1 Tonnen) an. Der grösste Teil des Klärschlamms (7 %) wird in den Schlammverbrennungsanlagen Dietikon und Winterthur, in den KVA Hinwil und Horgen (Karte 14) sowie als rennstoffersatz in einem Zementwerk im Kanton Aargau verbrannt. Der Anteil des Klärschlamms, der in der Landwirtschaft verwertet wird, betrug 1999 nur noch 3 % (1995: 45 %; 1991: 7 %). Diese markante Abnahme ist zum Teil auf verschärfte Auflagen beim Düngereinsatz, aber auch auf Verunsicherungen der Landwirte im Zusammenhang mit der verstärkten Überwachung der Nährstoff- und Düngerbilanzen zurückzuführen. Der in der Landwirtschaft eingesetzte Klär- 81

4 Gereinigtes Abwasser Mio. m 3 25 Mio. m 3 9 Mio. m 3 4 Mio. m 3 1 Mio. m 3 ARA unter 1' m 3 gereinigtem Abwasser sind in der Karte nicht dargestellt. Verwertung des anfallenden Klärschlammes landwirtschaftliche Verwertung Verbrennung Abgabe an Schlammaufbereitungsanlage Pfannenstil (davon 82 % zur landwirtschaftlichen Verwertung, 18 % zur Verbrennung) oder an andere ARA Karte 14 Abwasserreinigungsanlagen und Klärschlammverwertung 1999 schlamm hat gesetzlich festgelegten Qualitätskriterien zu genügen. Trotz des industriell-gewerblichen Umfelds weist der Klärschlamm im Kanton Zürich auch unter erücksichtigung weitergehender Qualitätsanforderungen wie etwa dem Nährstoffgehalt eine für die landwirtschaftliche Verwertung ausreichende Qualität auf. Aufgrund von 233 Routineproben musste 1999 nur in fünf Fällen ein zeitweiliges Verbot für die landwirtschaftliche Klärschlammverwertung verfügt werden. Die Konzentrationen der problematischen Schwermetalle (Cad- mium, Chrom, lei) liegen in der Regel deutlich unter den Grenzwerten der Stoffverordnung. Abgenommen hat insbesondere der leigehalt. Dies vor allem als Folge des reduzierten Verbrauchs bleihaltiger Treibstoffe. Auffällig sind die relativ hohen Gehalte der Schwermetalle Kupfer und Zink, die aus diffusen Quellen wie Wasserleitungen, Dachrinnen usw. stammen (Abb. 47). 82

5 Prozent 7 6 Cadmium H Nickel Chrom 1 H H H H H Abb. 46 Durchschnittlicher Gehalt an Cadmium, Nickel und Chrom im Klärschlamm in Prozent des Grenzwertes Prozent H H H H H Kupfer lei H Zink Abb. 47 Durchschnittlicher Gehalt an Kupfer, lei, und Zink im Klärschlamm in Prozent des Grenzwertes Oberflächengewässer Sanierungsbedarf bei Restwasserstrecken Fliessgewässer, die durch Wasserentnahmen wesentlich beeinflusst werden, sind zu sanieren. Im Kanton Zürich bestehen als Folge von Wasserkraftnutzungen noch 95 zeitweise trockengelegte oder in der Wasserführung stark eingeschränkte Fliessgewässer, sogenannte Restwasserstrecken. Hinzu kommen noch 2 5 weitere Wasserentnahmen mit festen Einrichtungen. Die gravierendsten Restwasserstrecken an der Sihl, der Glatt und der Töss wurden bereits saniert. 59 Anlagen stehen zur Zeit ausser etrieb. ei den übrigen Fällen wird die Sanierung in der Reihenfolge der höchsten zu erwartenden Effektivität (geringste Produktionseinbusse mit grösstem ökologischem Nutzen) durchgeführt. Aufgrund der bisherigen Erfahrungen wird es schwierig werden, die Sanierung aller Wasserentnahmestellen bis im ahre 27 abzuschliessen. Namhafte Gewässerbelastung durch die Landwirtschaft Nach wie vor tragen Düngerverluste aus der Landwirtschaft wesentlich zur elastung der Gewässer mit Nährstoffen bei. Dies wirkt 83

6 sich insbesondere bei den überdüngten Seen (z.. Greifensee und Pfäffikersee) aus. lm ereich des baulichen Gewässerschutzes bei den Landwirtschaftsbetrieben sowie in der Sorgfalt bei der Anwendung von Düngern und Schädlingsbekämpfungsmitteln sind Fortschritte zu verzeichnen. Die Ziele sind allerdings noch nicht erreicht. Insbesondere sind die Vollzugskontrollen im Zusammenhang mit den Direktzahlungen noch zu verbessern. lich verschärft wurde, kann sie im überwiegenden Teil des Kantons eingehalten werden (Karte 16). Ursache erhöhter Ammoniumkonzentrationen sind Einleitungen aus Abwasserreinigungsanlagen mit ungenügender Reinigungsleistung. esonders ausgeprägt ist die elastung bei ungenügender Verdünnung des gereinigten Abwassers durch das Wasser des Vorfluters (ach, Fluss). Reduzierter Phosphorgehalt in den Seen Die Anstrengungen zur Reduktion der Phosphorkonzentrationen haben eine deutliche Verbesserung des Zustands der Seen bewirkt. Der angestrebte Zielwert von,25 mg Gesamtphosphor pro Liter Seewasser wurde in den letzten ahren im Zürichsee und im Türlersee erreicht. Im Pfäffikersee nähern sich die Messwerte diesem Zielwert. Der Greifen- und der Hüttnersee weisen noch deutlich zu hohe Phosphatkonzentrationen auf (Abb. 48). Nitratbelastung der Fliessgewässer durch Landwirtschaft und ARA Da Nitrat in den Seen zu Stickstoffgas umgewandelt wird, weisen die Seeabflüsse tiefe Nitratkonzentrationen auf (Karte 15). Ebenfalls tiefe Konzentrationen finden sich in Fliessgewässern mit einem hohen Anteil bewaldeter Flächen im Einzugsgebiet. Aus diesen Gründen werden im Rhein, in der Limmat und der Sihl sowie in den Oberläufen der Glatt, Töss und Reppisch Nitratwerte gemessen, welche die Qualitätsanforderung deutlich einhalten. Nitratverluste aus der Landwirtschaft sowie aus der Einleitung von gereinigtem Abwasser aus ARA belasten viele kleinere Fliessgewässer sowie den Unterlauf der Glatt und jenen der Töss derart, dass die gesetzlichen Anforderungen häufig noch nicht erfüllt werden können. esorgniserregende Chemikalien Reste und Rückstände von Medikamenten aus der Human- und Tiermedizin sowie aus Futtermittelzusätzen (z.. Antibiotika) gelangen direkt oder über die Abwasserreinigungsanlagen in die Oberflächengewässer oder ins Grundwasser. Dasselbe geschieht mit einer Vielzahl hormonähnlich wirkender Zusatzstoffe aus Haushalts- und Industrieprodukten (z.. Wasch- und Reinigungsmittel) sowie Schädlingsbekämpfungsmitteln aller Art. Sind solche meist schlecht abbaubare Stoffe einmal im Gewässer, so wirken sie nicht nur dort, sondern gelangen in die Nahrungskette und stellen auch eine potenzielle Gefahr für das Trinkwasser dar. Zum Teil besorgniserregende eobachtungen (z.. Verweiblichung der Fische, Antibiotikaresistenz) haben seit einigen ahren europaweit intensive Forschungsaktivitäten ausgelöst. Hohe Zahl akuter Gewässerverschmutzungen Von ahr zu ahr unterschiedlich, jedoch anhaltend hoch ist die Zahl akuter Verschmutzungen von Seen und Fliessgewässern durch mangelnde Vorsicht, Unfälle oder Altlasten. Ein Drittel der 152 im ahre 1999 eingetretenen Schäden wurde durch Industrieund Gewerbebetriebe verursacht. Die Schadensentwicklung nimmt in diesem ereich weiterhin zu. Weitere bedeutende Verursacher sind die Landwirtschaft, der Strassenverkehr und austellen (Abb. 49). Ammonium in den Fliessgewässern Obwohl mit der neuen Gewässerschutzverordnung von 1998 die Qualitätsanforderung für Ammonium in den Fliessgewässern deut- 84

7 Gesamtphosphor (mg P/l) Zürichsee Greifensee Pfäffikersee Türlersee Hüttnersee Abb. 48 Entwicklung der mittleren Gesamtphosphor-Konzentration im Zürich-, Greifen-, Pfäffiker-, Türler- und Hüttnersee Qualitätsanforderung (Q): 5,65 mg NO 3 -N/l unbelastet (8% der Messwerte < 1 / 2 Q) gering belastet (8% der Messwerte < Q) deutlich belastet (8% der Messwerte < 2 Q) stark belastet (8% der Messwerte > 2 Q) Messstelle Karte 15 elastung der Fliessgewässer mit Nitrat

8 Qualitätsanforderung (Q): Temp. < 1 C.4 mg NH 4 -N/l Temp. > 1 C.2 mg NH 4 -N/l unbelastet (8% der Messwerte < 1 / 2 Q) gering belastet (8% der Messwerte < Q) deutlich belastet (8% der Messwerte < 2 Q) stark belastet (8% der Messwerte > 2 Q) Messstelle Karte 16 elastung der Fliessgewässer mit Ammonium Abb. 49 Verursacher akuter Gewässerverschmutzungen Anzahl Schadenfälle Altlast ahn austelle Deponie Garagengewerbe Industrie und Gewerbe Kanalisation Kläranlage Landwirtschaft Luftfahrt Malergewerbe Private Haushaltung Schifffahrt Strassenverkehr Andere Herkunft Unbekannt 1997 (total 8 Schäden) 1998 (total 193 Schäden) 1999 (total 152 Schäden) 86

9 Grundwasser Nur leicht verbesserte Nitratwerte Die Nitratbelastung im Grundwasser des Kantons Zürich ist nur leicht zurückgegangen. Einen Nitratmittelwert über dem Toleranzwert von 4 mg/l wiesen 1999 noch 7 % von rund 1 untersuchten Fassungen auf. Dies sind noch halb so viel wie In drei Viertel der Fassungen ist der Nitratmittelwert der ahre im Vergleich zu demjenigen von aber gleich geblieben oder nur leicht gesunken. ei 14 Fassungen ist der durchschnittliche Nitratgehalt gestiegen (Karte 17). Die bisherige Düngeberatung in der Landwirtschaft auf freiwilliger asis reicht nicht aus, um das Ziel zu erreichen, den Erfahrungswert von 25 mg/l in allen Fassungen einzuhalten. In stark belasteten Grundwassergebieten müssen wirksamere Nitrat senkende Massnahmen in der Landwirtschaft eingesetzt werden. Diese Massnahmen müssen in den Zuströmbereichen, die 9 % des Karte 17 Gemittelter Nitratgehalt im Grundwasser

10 Einzugsgebietes einer Wasserfassung abdecken, realisiert werden. Ein erster Zuströmbereich wurde beim Pumpwerk altenswil definiert. Die Massnahmen setzen im Wesentlichen auf eine Reduktion der ackerbaulich genutzten Flächen zu Gunsten von Dauergrünland. Verzicht auf weitere Schwermetall-Analysen Nur in wenigen Grundwasservorkommen sind Spuren von Schwermetallen nachweisbar. Diese liegen durchwegs unter dem Erfahrungswert des Schweizerischen Lebensmittelbuches. Seit 1995 wird daher auf weitere Schwermetall-Analysen verzichtet. sungen liegt der Mittelwert über dem Erfahrungswert von 1 µg/l. Seit 1998 wurde in 19 Grundwasserproben erstmals das sehr stabile, als enzinzusatz eingesetzte Methyl-tertiär-buthyl-ether (MTE) gefunden enthielten 27 % der Proben MTE in einer Konzentration von,6 bis,25 µg/l (Mittelwert,12 µg/l). MTE hat keine akuten gesundheitlichen Auswirkungen, und in diesen kleinen Konzentrationen soll auch keine krebserregende Wirkung auftreten. Aufgrund seiner hohen chemischen Stabilität und der damit verbundenen Eigenschaft, sich über die Nahrungskette anzureichern, ist ihm jedoch gebührende Aufmerksamkeit zu schenken. Nachweis von MTE Abb. 5 Gehalt an flüchtigen, halogenierten Kohlenstoffen (FHKW) im Grundwasser beim Pumpwerk Schönenwerd 1, Dietikon In rund der Hälfte der Grundwasserfassungen waren flüchtige halogenierte Kohlenwasserstoffe (FHKW) mindestens einmal in den letzten fünf ahren nachweisbar, beim weitaus grössten Teil jedoch nur im Spurenbereich. Der FHKW-Mittelwert weist mehrheitlich eine sinkende Tendez auf. Nur bei einer Fassung liegt der FHKW-Mittelwert über dem um 2 µg/l verschärften Toleranzwert von 8 µg/l (Abb. 5). ei acht Fas- FHKW (mg/l) mg/l = Toleranzwert 5 Aug-1985 Sep-1985 Okt-1985 Nov-1985 Dez-1985 Feb-1986 Apr-1986 un-1986 Aug-1986 Nov-1986 an-1987 Mär-1987 Mai-1987 Aug-1987 Nov-1987 Feb-1988 Mai-1988 Aug-1988 Nov-1988 Mär-1989 un-1989 Sep-1989 Dez-1989 Mär-199 un-199 Nov-199 Mai-1991 Dez-1991 Mär-1992 un-1992 Sep-1992 Dez-1992 Mär-1993 Sep-1993 Dez-1993 Mär-1994 un-1994 Sep-1994 Dez-1994 Mär-1995 Mai-1995 Dez-1995 Mär-1996 un-1996 Sep-1996 Dez-1996 Mär-1997 un-1997 Dez-1997 Mär-1998 un-1998 Dez