Szenarienbetrachtung zur Reduktion der Einträge von Mikroschadstoffen

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1 Zentrum für innovative AbWassertechnologien an der Technischen Universität Kaiserslautern Szenarienbetrachtung zur Reduktion der Einträge von Mikroschadstoffen Yannick Taudien, Gerd Kolisch Theo Schmitt, Henning Knerr, Oliver Gretzschel Mikroschadstoffe aus Abwasseranlagen in Rheinland-Pfalz, Kaiserslautern 25. November 2015

2 Inhalt 1 Ausgangssituation 2 Sekundärmaßnahmen 3 Primärmaßnahmen 4 Vergleich und Kombination 5 Schlussfolgerungen

3 1 Ausgangssituation Warum ist eine Reduzierung der Einträge anzustreben? Welche Ansatzpunkte zur Reduzierung gibt es? Welche Maßnahmen-Szenarien wurden ausgewählt?

4 Ausgangssituation große Stoffvielfalt viele Eintragswege Ansätze zur Reduzierung sind substanz- und pfadspezifisch Acetamiprid, Amidotrizoesäure, Atrazin, Azoxystrobin, Bentazon, Bezafibrat, Boscalid, Bromacil, Straßenentwässerung Carbamazepin, Carbendazim, Industrie Chlorpyrifos-ethyl, Haushalt Krankenhäuser Chlortoluron, Clothianidin, Cyazofamid, LandwirtschaftCyprodinil, Dichlorprop, Diclofenac, Diflufenican, Dimethenamid, Dimethoat, Dimethomorph, Dinoseb, Diuron, Epoxiconazol, Ethofumesat, Fenarimol, Fenhexamid, Flazasulfuron,Fluazifop, Fludioxonil, Flufenacet,Fluopicolide, Fluopyram, Fluquinconazol, Flurtamone, Glyphosate, Imidacloprid, Iprodion, Iprovalicarb, Isoproturon, MCPA, Mecoprop, Metalaxyl-m, Kanalisation Metamitron, Metazachlor, Methoxyfenozid, Metolachlor, Metoprolol, Metrafenon, Metribuzin, Myclobutanil, N,N-Diethyl-m-toluamid(DEET), Nicosulfuron, Oxadiazon, Penconazol, Pendimethalin, PFOS, Pirimicarb, Propazin, Propiconazol, Propoxur, Propyzamid, Werksanlage Kläranlage MWE Spiromesifen, Spiroxamine, kommunale Regenüberläufe Pyraclostrobin, Pyrimethanil, Quinoxyfen, Quizalofop, Simazin, Sotalol, Leckagen Sulfamethoxazol, Tebuconazol, Tebufenozid, Terbutryn, Terbutylazin, Tetraconazol, Thiacloprid, Triadimenol, Tribenuron-methyl, Acenaphten,AMPA, Benzo(a)pyren, Benzo(b)fluoranthen, Benzo(ghi)perylen, Benzo(k)fluoranthen, Punktquellen Bisphenol A, Chloridazon, gesamt, Diffuse Chloridazon-desphenyl, Quellen Chloridazon-, esphenyl-methyl, Chlorthalonilsulfonsäure,Cybutrin, Desethylatrazin, Desethylterbutylazin, Desisopropylatrazin, Dimethachlorcarbonsäure, Dimethachlorsulfonsäure, Dimethenamidcarbonsäure, Dimethenamidsulfonsäure, DTPA, EDTA, Ethofenprox, Fluoranthen, Fluoren, Fluroxypyr, Haloxyfop, Indeno(1,2,3-cd)pyren, Kresoximsäure, Metabenzthiazuron, Metazachlorcarbonsäure, Metazachlordicarbonsäure, Metazachlorsulfonsäure, Methyltertiärbutylether, 4 MGDA, NTA, PFBA, PFBS, PFHpA, PFHxA, PFHxS, PFNA, PFOA, PFPeA, TCPP, Tributylphosphat, Gewässer

5 Ansatzpunkte zur Reduzierung der Einträge quellorientiert dezentral emissionsorientiert Wo Herstellung Entwicklung Anwendung Indirekteinleiter Niederschlagswasser Kläranlagen, Kanalnetz Was - Substitution - green chemistry - geregelte Entsorgung - Informationen/Schulung - Reglementierungen - rationeller Einsatz - Verzicht - dez. Behandlung - Stoffstromtrennung - 4. Reinigungsstufe - MW-Behandlung z.t. entnommen aus UBA,

6 Szenariobetrachtung im Projekt Mikro_N vorhandene + zukünftige Belastung (SZ1 & SZ2) Sekundärmaßnahmen: Kläranlagenausbau (SZ3) Primärmaßnahmen: Änderung der Randbedingungen (SZ4) Kombinationen zur Abschätzung eines Gesamtpotentials (SZ5) Nr Betrachteter Faktor Beschreibung SZ 1 Status quo vorhandene Belastungssituation SZ 2 Demographie zukünftige Belastungssituation Erweiterung um 4. Reinigungsstufe SZ 3 a) GK 5 (> EW) Ausbau von 2 Kläranlagen b) GK 4 und 5 (> EW) Ausbau von insgesamt 36 Kläranlagen c) KA mit hoher Abwasserlast Ausbau von 10 ausgewählten KA Änderung der Randbedingungen SZ 4 a) Indirekteinleiter (Krankenhäuser) Stoffstromtrenung/Teilstrombehandlung b) Sensibilisierung Nutzerverhalten c) Reglementierungen Gesetzgeber SZ 5 Kombinationen aus den Szenarien

7 2 Sekundärmaßnahmen Eliminationsleistung einer 4.Reinigungsstufe Auswahl der Kläranlagen für eine 4.RS Frachtreduzierung und Gewässersituation nach Ausbau

8 Erweiterung um 4. Reinigungsstufen Reinigungsleistung: substanzspezifische Mittelwerte für Abbau in konventioneller Kläranlage und 4.RS (verw. Literatur siehe Manuskript) Im Modell keine Differenzierung zwischen Adsorption oder Ozonbehandlung 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% konv. Kläranlage 4.Reinigungsstufe 10% 0% Amidotrizoesäure Carbamazepin Diclofenac Metoprolol Sulfamethoxazol Bezafibrat Carbendazim DEET Diuron Glyphosat Isoproturon Mecoprop Reinigungsleistung Terbutryn PFOS Pharmaka Pestizide Sonst. 8

9 Ausbauszenarien für 4.Reinigungsstufen SZ 3a: Ausbau GK 5 (> EW) SZ 3b: Flächendeckender Ausbau GK 5 und 4 (> EW) SZ 3c: ausgewählte Kläranlagen an Belastungsschwerpunkten a Anzahl KA Anzahl KA: 2 Anteil 23,7 % KA GK 5 (> EW) Anzahl KA: 34 Anteil 82,4 % KA GK 4 und 5 (> EW) Anzahl KA: 10 Anteil 31% ausgewählte KA Anteil an gesamter Anschlussgröße im EZG [%] b c SZ 3a SZ 3b SZ 3c

10 Auswahl nach Belastungsschwerpunkten Abwasserlast Diclofenac

11 Frachtbezogener Vergleich Kläranlagenausbau Jahresfracht an der Rheinmündung 11

12 Qualitätsbezogener Vergleich Kläranlagenausbau Gewässerbelastung hier: Risikobewertung (RQ) für Diclofenac bei MQ SZ3a SZ3b SZ3c 12

13 Qualitätsbezogener Vergleich Kläranlagenausbau Bewertung der Gewässerbelastung (hier RQ für DCF bei MQ) Vergleich zum IST-Zustand für SZ 3b - KA GK 5+4 (> EW)t Frachtbezogen (1) Qualitätsbezogen (2) Gruppe Substanz JD-UQN [µg/l] [kg/a] RQ = 0 * RQ < 1,0 1,0 RQ < 2,0 2,0 RQ < 4,0 4,0 RQ < 10 RQ 10,0 Pharmaka Pestizide Amidotrizoesäure 1,00 µg/l -70,1 von 779,1 0,0% +0,3% -0,2% +0,1% -0,2% 0,0% Carbamazepin 0,50 µg/l -75,2 von 81,4 +1,7% -1,6% -0,2% 0,0% 0,0% 0,0% Diclofenac 0,10 µg/l -65,0 von 98,8 0,0% +12,2% -7,9% -3,0% -1,3% +0,0% Metoprolol 64,00 µg/l -122,7 von 179,7 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% Sulfamethoxazol 0,60 µg/l -8,1 von 17,4 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% Bezafibrat 0,46 µg/l -52,7 von 92,7 0,0% +0,2% -0,2% 0,0% 0,0% 0,0% Carbendazim 0,34 µg/l -1,2 von 4,5 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% DEET 41,00 µg/l -14,7 von 43,3 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% Diuron 0,20 µg/l -2,6 von 8,7 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,10 µg/l 0,0% +2,2% -0,9% -0,3% -0,9% -0,1% Glyphosat 108,00 µg/l -14,6 von 123,8 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% Isoproturon 0,30 µg/l -1,7 von 25,3 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% Mecoprop 0,10 µg/l -3,2 von 16,8 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% Terbutryn 0,07 µg/l -1,1 von 3,6 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% (1) = Differenz der Fracht an der Mündung zum Rhein (im Vergleich zur Ist-Situation) (2) = Differenz der Risikobewertung in % von km (im Vergleich zur Ist-Situation) 13

14 3 Primärmaßnahmen dezentrale Maßnahmen bei Indirekteinleitern quellorientierte Maßnahmen bei Nutzung/Verbrauch vorsorgende Maßnahmen durch Reglementierung

15 SZ4a: Maßnahmen an Krankenhäusern neben technischen Maßnahmen sind viele organisatorische denkbar Kategorie Maßnahme Beschreibung organisa torisch Information / Schulung Urin-Sammelbehälter oder Trenntoiletten Aufklärung und Schulung von Personal und Patienten zum Umgang mit Arzneimitteln Sammlung und getrennte Entsorgung von Urin Arzneimittelcontrolling Deklaration "grüner" Arzneimittel, Bildquelle : Adamczak et al., 2015 technisch Teilstrombehandlung Vollstrombehandlung dezentrale Behandlung eines hochbelasteten Teilstroms dezentrale Behandlung des gesamten Abwasserstroms Integration der Maßnahme im Modell: z.t. übernommen aus Seidel et al, 2013 ; UBA,2014 Annahme - 90% RKM-Emission durch hohen Erfassungrad (auch ambulante Pat.) Bildquelle : Pineau et al.,

16 Gewässersituation mit -90% RKM-Emissionen zuvor kritisch bewertete Lauter nun vollständig mit RQ<1 bei Landstuhl bis Einleitung Mohrbach (3km) RQ>1 wegen hoher KH-Dichte

17 SZ4b: Sensibilisierung / Aufklärung Verbraucher: sachgemäße Entsorgung von Arzneimitteln Hersteller: Substitution / Produktänderung (green chemistry, benign by design) Ärzte/Apotheker: Rücknahme, Ersatzpräparate, Verschreibung nur bei thepateutischer Notwendigkeit Integration der Maßnahme im Modell: Annahme - 20% Arzneitmittel-Emissionen Bildquelle LUWG,2015 Bildquelle : UBA, 2015 Bildquelle : Adamczak et al.,

18 Auswirkungen durch -20% Pharmaka-Verbrauch reduzierte Fracht bewirkt, dass 5% (=74km)des Gewässersystems zusätzlich für Diclofenac mit RQ<1 bewertet werden können Ansonsten kaum Unterschiede bei der Risikobewertung

19 SZ4c: Reglementierungen Vorsorgende Maßnahmen für Pestizide (PSM & Biozide) Denkbare Reglementierungen: strengere Zulassungsverfahren... Ausbringungsbeschränkungen... Vorgaben (Verkapselung) Bildquelle: Integration der Maßnahme im Modell: Annahme - 50% Pestizid-Emissionen Bildquelle: PAN Germany,

20 SZ4c: Reglementierungen Beispiel für Biozide in Hausfassaden: Verkapselung Bildquelle: Fraunhofer IBP (Breuer et al., 2012) Integration der Maßnahme im Modell: Annahme - 50% Pestizid-Emissionen 20

21 Auswirkungen durch -50% PSM-Einträge red. Fracht bewirkt, dass 11,2% (=170km)des Gewässersystems zusätzlich für Glyphosat mit RQ<1 bewertet werden können

22 4 Szenarienvergleich und Kombination Welche Kombinationen der Szenarien wurden berücksichtig? Was kann eine Kombination im günstigsten Fall erreichen? Welche Maßnahme wirkt bei welcher Substanz?

23 Maßnahmenkombination Szenarienkategorie Staus quo Kombination1 Mittelfristig (5-15 Jahre) Kombination2 Langfristig (15-30 Jahre) - GK 5 ausbauen 4. Reinigungsstufen - KA mit hoher Abwasserlast ausbauen - - GK 4 und 5 ausbauen Demographie - Demographie 2030 Demographie 2050 Krankenhäuser - Maßnahmen an Krankenhäusern Sensibilisierung - Änderung Nutzerverhalten Landwirtschaft - Reglementierung Pestizide

24 Maßnahmenkombination Durch Kombination von Kläranlagenausbau + reduzierter Verbrauch sind93%des Gewässers mit Abwasserlast unter dem PNEC für DCF (RQ<1)... trotz Berücksichtigung der Demographie

25 Szenariovergleich (DCF) Vergleich für Diclofenac(Referenz für Einträge aus Haushalten) 4.RS hat bei flächendeckendem Ausbau sehr positiven Effekt status quo Demographie 4.RS Aufkl. Kombination 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 3,9% 3,3% 5,0% 9,6% 9,0% 9,4% 28,2% 24,4% 58,3% 63,3% 30,3% 5,6% 9,4% 31,3% 55,3% 53,7% 1,3% 7,6% 26,9% 64,2% 0,6% 0,2% 2,0% 2,2% 8,1% 17,3% 89,4% 80,3% 2,1% 8,3% 18,4% 71,2% 2,0% 15,5% 82,4% 0,8% 6,4% 92,8% IST-Zustand mit MWE IST-Zustand ohne MWE Demographie 2030 Demographie 2050 Ausbau KA GK 5 (> EW) Ausbau KA GK 4 und 5 (> EW) Ausbau KA mit hoher Abwasserlast Aufklärung Arzneimittel Kombination1 (2a + 3a + 3c + 4a-c) Kombination2 (2b+ 3a-c + 4a-c) SZ 1 SZ 1b SZ 2a SZ 2b SZ 3a SZ 3b SZ 3c SZ 4b SZ 5a SZ 5b

26 Szenariovergleich (GPS) Vergleich für Glyphosat(Referenz für Einträge aus der Fläche) präventives Anwendungsverbot hat trotz nur 50% Erfassung einen großen Einfluss: 90% statt 76% des Gewässers mit RQ<1 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% status quo 4.RS Reglementierung 0,7% 0,5% 0,7% 0,6% 0,6% 0,0% 4,6% 2,9% 4,1% 3,7% 3,6% 1,3% 5% 5% 4% 5% 5% 6% 5% 10% 14% 13% 13% 13% 76% 71% 65% 66% 67% 67% 11% 11% 11% 11% 11% 14% SZ 1 SZ 1b SZ 2a SZ 2b SZ 2c SZ 3d IST-Zustand mit MWE IST-Zustand ohne MWE Ausbau KA GK 5 (> EW) Ausbau KA GK 4 und 5 (> EW) Ausbau KA mit hoher Abwasserlast Verbot Pestizide

27 Szenariovergleich (DIATR) Vergleich für Amidotrizoesäure(Referenz für RKM) dezentrale Maßnahmen bei den Krankenhäusern haben einen großen Einfluss: 99,8% statt 92% des Gewässers mit RQ<1 100% 98% status quo 4.RS dez. Maßnahmen 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,9% 0,9% 0,6% 0,4% 0,4% 0,2% 96% 94% 92% 90% 5,6% 5,6% 5,7% 5,9% 5,9% 2% 2% 2% 92% 92% 92% IST-Zustand mit MWE IST-Zustand ohne MWE Ausbau KA GK 5 (> EW) 1% 93% Ausbau KA GK 4 und 5 (> EW) 1% 92% Ausbau KA mit hoher Abwasserlast 100% Maßnahmen Krankenhäuser SZ 1 SZ 1b SZ 3a SZ 3b SZ 3c SZ 3b

28 5 Fazit und Schlussfolgerung Was zeigt die Szenarienanalyse? Welche Empfehlungen können abgeleitet werden? Welche Anregungen ergeben sich für zukünftige Utnersuchungen?

29 Fazit / Schlussfolgerung Die Szenarienanalyse ermöglicht das Ableiten zielangepasster und kostenoptimierter Handlungsstrategien. Der Ausbau der Kläranlagen kann keine 100%ige Entlastung der Oberflächengewässer bewirken. Ziel sollte daher die Kombination mit weiteren quellorientierten Maßnahmen sein. Die Abwasserlast korreliert mit einigen Parametern gut und liefert erste Anhaltspunkte für hohe Belastungen an Mikroschadstoffen. Sie kann aber nicht alleinige Entscheidungsgrundlage für die Integration einer 4.RS darstellen. Für die Elimination von Mikroschadstoffen sind kombinierte Ansätze zu entwickeln, die neben 4. RS z.b. auch Ausbringungsbeschränkungen oder Teilstrombehandlungen umfassen können.

30 Vielen Dank für die Förderung Co-Autoren und für ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Ing. Yannick Taudien Tel.: