Reduzierung von Spurenstoffen im Abwasser

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2 Gliederung 1. Ziele, Grundlagen und Anforderungen der bisherigen kommunalen Abwasserreinigung 2. Neue Anforderungen im Zusammenhang mit Spurenstoffen 3. Verfahren der Spurenstoffelimination 4. Erweiterung der Kläranlage Mörfelden-Walldorf 5. Projektbeispiel 6. Schlussfolgerungen S. 2

3 1. Ziele, Grundlagen und Anforderungen der bisherigen kommunalen Abwasserreinigung Ziele der Abwasserreinigung Schutz von Trinkwasserreserven (Vorsorge) Verminderung ökotoxikologischer Wirkungen im Gewässer Verminderung hygienischer Belastungen im Gewässer S. 3

4 1. Ziele, Grundlagen und Anforderungen der bisherigen kommunalen Abwasserreinigung Inhaltsstoffe ( Schmutzstoffe ) im Abwasser Zehrstoffe (z. B. Harnsäure, Gluckose): biologisch abbaubar und können durch Sauerstoffzehrung im Gewässer zum Fischsterben führen Nährstoffe (z. B. Stickstoff- und Phosphorverbindungen): können zur Eutrophierung insbesondere stehender Gewässer führen und sind auch für verstärktes Algenwachstum in Meeren verantwortlich Schadstoffe (z. B. Gifte, Schwermetalle, Bakterien, Pilze, Viren): können zu Erkrankungen bei Menschen und Tieren führen Störstoffe (z. B. Salze, Fette, Öle, Tone, Sand) Können zur Beeinträchtigung der Betriebes der Bauwerke und Anlagen der Abwasserentsorgung (Kanalnetz, Kläranlagen) führen S. 4

5 1. Ziele, Grundlagen und Anforderungen der bisherigen kommunalen Abwasserreinigung Prozess der bisherigen mechanischen, biologischen und chemischen Abwasserreinigung Fällmittelzugabe zur chemischen Phosphoreliminierung Rechenanlage Sand- u. Fettfang Vorklärung Biologie Nachklärung Gewässer Sperrstoffe Sand, Fett Primärschlamm Rücklaufschlamm Überschussschlamm (inkl. Phosphor) Entfernung von Störstoffen Abbau von Zehrstoffen, Nährstoffen u. Schadstoffen (soweit möglich) S. 5

6 1. Ziele, Grundlagen und Anforderungen der bisherigen kommunalen Abwasserreinigung Bisherige Anforderungen (1/2) Wasserhaushaltsgesetz zur Ordnung des Wasserhaushalts vom 31. Juli 2009 (WHG): Die Gewässer sind nachhaltig zu bewirtschaften insbesondere durch Schutz vor nachteiligen Veränderungen von Gewässereigenschaften ( 6, Abs. 1) Oberflächengewässerverordnung zum Schutz der Oberflächengewässer vom 20. Juni 2016 (OGewV): Zusammenstellung der Gewässerbelastungen und Beurteilung ihrer Auswirkungen; Bestandsaufnahme der Emissionen, Einleitungen und Verluste ( 4) EU-Wasser-Rahmen-Richtlinie (WRRL) vom um eine Verschlechterung des Zustands aller Oberflächenwasserkörper zu verhindern einen guten Zustand der Oberflächengewässer zu erreichen (aus Art. 4) S. 6

7 1. Ziele, Grundlagen und Anforderungen der bisherigen kommunalen Abwasserreinigung Bisherige Anforderungen (2/2) Verordnung über Anforderungen an das Einleiten von Abwasser in Gewässer (AbwV) vom 17. Juni 2004: Mindestanforderungen für das Einleiten von Abwasser in Gewässer (aus 1) Überwachungsparameter (Mindestanforderungen) Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB) Biochemischer Sauerstoffbedarf in 5 Tagen (BSB5) Ammoniumstickstoff (NH4-N) Stickstoff gesamt, Summe von Ammonium-, Nitrit- und Nitratstickstoff (Nges) Phosphor,gesamt (Pges) Konzentration mg/l mg/l 10 mg/l mg/l 1 2 mg/l Gegenwärtig liegen keine gesetzlichen Anforderungen bzgl. des zul. Eintrags von anthropogenen Spurenstoffen vor S. 7

8 2. Neue Anforderungen im Zusammenhang mit Spurenstoffen Neue Anforderungen an die Abwasserreinigung Anthropogene Spurenstoffe Quelle: Filtration mit Polstoffen, Funktionsweise, Anwendungsbereiche und Betriebserfahrungen, Mecana Umwelttechnik GmbH, TU Berlin - Kolloquium Wasserwesen, Januar 2017 Quelle: Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland e.v. (BUND) Mikroplastik Stoffe in kleinsten Konzentrationen (milliardstel Gramm pro Liter oder geringer), die durch die Aktivitäten des Menschen in die Gewässer (Oberflächengewässer, Grundwasser, evtl. auch Trinkwasser) gelangen S. 8

9 2. Neue Anforderungen im Zusammenhang mit Spurenstoffen Begriffsdefinitionen Anthropogene Spurenstoffe: Haushaltschemikalien und Körperpflegemittel Konservierungsmittel für Lebensmittel Human- und Tierarzneimittel Flammschutzmittel, Isolationsmaterialien Weichmacher synthetische Duftstoffe Industriechemikalien Mikroplastik: Quelle: Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland e.v. (BUND) Grundmaterialien für die Plastikproduktion und die Kosmetikindustrie (primäres Mikroplastik) Zerfall größerer Kunststoffteile im Verwitterungsprozess, bei Verschleiß durch Gebrauch und durch Sonneneinstrahlung (sekundäres Mikroplastik) S. 9

10 Quellen von Mikroverunreinigungen (Spurenstoffe) in Oberflächengewässern 2. Neue Anforderungen im Zusammenhang mit Spurenstoffen Quelle: Götz, C.W., R. Kase und J. Hollender (2011). Mikroverunreinigungen - Beurteilungskonzept für organische Spurenstoffe aus kommunalem Abwasser, Studie im Auftrag des BAFU. Eawag, Dübendorf S. 10

11 Wirkungen von anthropogenen Spurenstoffen Beeinträchtigung der Fortpflanzungsfähigkeit von Fischen / Amphibien 2. Neue Anforderungen im Zusammenhang mit Spurenstoffen Veränderung des Werbe-, Fress- oder Aggressionsverhalten von Tieren Unberechenbare Folgen eines Cocktails aus unterschiedlichen Arzneimittelrückständen Auswirkungen auf den menschlichen Körper noch weitestgehend unerforscht S. 11

12 2. Neue Anforderungen im Zusammenhang mit Spurenstoffen Maßgebliche Spurenstoffen aus Arzneimitteln Wirkstoffklasse Wirkung Wirkstoff Analgetika Schmerzzustände Metamizol, Phenazon, Propyphenazon, Codein, Morphin Antirheumatika und Antiphlogistika rheumatische Erkrankungen Ibuprofen, Diclofenac, Indometacin, Ketoprofen, Piroxicam, Meclofenaminsäure Antitussiva und Expektorantien Husten, Erkältungskrankheiten, Ambroxol, Codein, Dihydrocodein, Hydrocodon Bronchitis etc. Bronchospasmolytika und Antiasthmatika chronischer Bronchitis und Asthma Salbutamol, Terbutalin, Fenoterol, Clenbuterol Antibiotika bakterieller Infektionen Sulfamethoxazol, Doxycyclin, Ciprofloxacin, Roxythrimycin, Clarithromycin, Oxytetracyclin, Tetracyclin Antihypertonika Bluthochdruck Metoprolol, Sotalol, Atenolol, Propranolol, Bisoprolol Antiepileptika Epilepsie Carbamazepin Psychopharmaka psychische Störungen Diazepam Zytostatika Leukämie, Krebs und Tumoren Cyclophosphamid, Ifosfamid Hormone u.a. zur Verhütung; Eingriff in den Hormonhaushalt 17α-Ethinylestradiol Röntgenkontrastmittel Diagnostik; Abbildung von Organen Lipidsenker Senkung des Blutfettes Clofibrinsäure, Bezafibrat Iomeprol, Iopramidol, Iopromid, Diatrizoat Amidotrizoesäure S. 12

13 2. Neue Anforderungen im Zusammenhang mit Spurenstoffen Elimination von Arzneimitteln in der konventionellen Abwasserreinigung Mittlere Eliminationsraten ausgewählter Spurenstoffe in kommunalen Kläranlagen in Baden-Württemberg (Minimum, 25-, 50- und 75- Perzentil und Maximum) Quelle: Spurenstoffinventar der Fließgewässer in Baden- Württemberg, Ergebnisse der Beprobung von Fließgewässern und Kläranlagen 2012/2013, Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg / 08/2014 S. 13

14 2. Neue Anforderungen im Zusammenhang mit Spurenstoffen Verkaufsmengen von Arzneimitteln z. B. ca t Ibuprofen pro Jahr => ca. 3,4 g/(e x d) Organische Belastung im Zulauf: => ca. 60 g/(e x d) Quelle: Maßnahmen zur Verminderung des Eintrages von Mikroschadstoffen in die Gewässer Phase 2 / Forschungs- und Entwicklungsvorhaben, Umweltforschungsplan des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit / Juni 2016 S. 14

15 Maßgebliche Spurenstoffen aus Medikamenten Gemäß einer Analyse des deutschen Umweltbundesamtes (2014) gelangen über 630 verschiedene Heilmittelwirkstoffe in die Umwelt wie z. B. (BAFU, 2015): Diclofenac (Antirheumatika) Carbamazepin (Antiepileptikum) Ibuprofen (Schmerzmittel) Ethinylestradiol (Pillenhormon) Sulfamethoxazol (Antibiotikum) 2. Neue Anforderungen im Zusammenhang mit Spurenstoffen Aufgrund der besonderen Wirksamkeit stellt die Stoffgruppe der Pharmazeutika einen bedeutenden Teil der anthropogenen Spurenstoffe dar S. 15

16 3. Verfahren der Spurenstoffelimination Verfahren der Spurenstoffelimination Quelle: KomS / Baden-Württemberg S. 16

17 3. Verfahren der Spurenstoffelimination Vergleich der Verrfahren der Spurenstoffelimination Spurenstoffe / Verfahren Ozonung GAK-Filtration PAK-Zugabe Carbamazepin ++ + bis ++ + bis ++ Pharmaka Diclofenac bis ++ Metoprolol + bis ++ k. A. ++ Sulfamethoxazol bis + Amidotrizoesäure 0 bis + - bis + 0 bis + Industriechemikalien Benzotriazol + k. A. + bis ++ Bisphenol A 0 bis Perflourierte Tenside - + bis ++ + TCPP bis ++ EDTA 0 bis + - k. A. Quelle: Günthert, F.W. / Bewertung vorhandener Technologien für die Elimination anthropogener Spurenstoffe auf kommunalen Kläranlagen / Universität der Bundeswehr München Institut für Wasserwesen, Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik 07/2013 S. 17

18 3. Verfahren der Spurenstoffelimination Elimination von Spurenstoffen in der Kläranlage (Pulveraktivkohle-Adsorption) Aktivkohle Rechenanlage Sandfang Vorklärung Biologie Nachklärung Filtration Gewässer Sperrstoffe Sand Primärschlamm Überschussschlamm Rücklaufschlamm Reststoffe (Aktivkohle; Filtratschlamm) Keine Spurenstoffelimination Geringe Spurenstoffelimination durch biologischen Abbau und Anlagerung an den Primär- und Überschussschlamm Elimination der Spurenstoffe z. T. ca. 80 % S. 18

19 3. Verfahren der Spurenstoffelimination Aktivkohleverfahren (Adsorption) Als Adsorption bezeichnet man die Anreicherung von Stoffen (Adsorbat) aus Gasen oder Flüssigkeiten an der Oberfläche eines Festkörpers (Adsorbens), allgemeiner an der Grenzfläche zwischen zwei Phasen. a) Adsorbens (AK) b) Adsorbat (Spurenstoffe) c) Gasphase / Lösung (Abwasser) Max. Beladung hängt von der Größe der inneren Oberfläche (Aktivkohle ca m²/g Kohle) ab Quelle: Wikipedia S. 19

20 Aktivkohleverfahren (Adsorption) Granulierte Aktivkohle: 3. Verfahren der Spurenstoffelimination Pulveraktivkohle: Quelle: Günthert, F.W. / Bewertung vorhandener Technologien für die Elimination anthropogener Spurenstoffe auf S. 20 kommunalen Kläranlagen / Univ. der BW München, Inst. für Wasserwesen, Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik 07/2013

21 Ozonzugabe (Oxidation) 3. Verfahren der Spurenstoffelimination Transformation (Oxidation) von organischen sowie anorganischen Abwasserinhaltsstoffe in kleinere biologisch leichter abbaubare Verbindungen (Transformationsprodukte) durch den Eintrag von Ozon/Sauerstoff Gemisch Ozonbildung vor Ort durch Umwandlung von Sauerstoff Zugabe des Ozons in einem Begasungsreaktor in das Abwasser zur Oxidation der Spurenstoffe Nachbehandlung (z. B. Sandfilter) zum Abbau bzw. der Elimination der Transformationsprodukte erforderlich Gefahr der Bildung von gesundheitsschädlichen Transformationsprodukten (z. B. Bromat -> potenziell krebserregend) Quelle: Bewertung vorhandener Technologien für die Elimination anthropogener Spurenstoffe auf kommunalen Kläranlagen, Universität der Bundeswehr München, Institut für Wasserwesen Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik, Prof. Dr.-Ing. F.W. Günthert, 07/2013 S. 21

22 3. Verfahren der Spurenstoffelimination Membranverfahren Trennung von partikulären oder gelösten Stoffe durch Einsatz unterschiedlicher Membranen (physikalischer Prozess) Mikrofiltration (Partikelentfernung) -> Porengrößen von > 0,1 μm Ultrafiltration (Entfernung von Viren und Pestiziden) -> Porengrößen von 0,1-0,01 μm Quelle: Grünbeck Wasseraufbereitung GmbH Nanofiltration und Umkehrosmose (Enthärtung und Entsalzung) -> Abtrennung von gelösten organischen Inhaltsstoffen möglich -> aufgrund des hohen Energiebedarfs (hoher Druckverlust) für die Spurenstoffelimination nicht geeignet S. 22

23 3. Verfahren der Spurenstoffelimination Kosten der Spurenstoffelimination in Kläranlagen zzgl. Nachbehandlung ca. 0,05 0,10 /m³ Quelle: Maßnahmen zur Verminderung des Eintrages von Mikroschadstoffen in die Gewässer Phase 2 / Forschungs- und Entwicklungsvorhaben, Umweltforschungsplan des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit / Juni 2016 S. 23

24 4. Erweiterung der Kläranlage Mörfelden-Walldorf Erweiterung der Kläranlage Mörfelden-Walldorf 4. Reinigungsstufe (Phosphorund Spurenstoffelimination S. 24

25 5. Projektbeispiel Projektbeispiel einer Adsorptionsstufe Ansicht Adsorptionsstufe Tuchfilter-Kammern Sedimentationsbecken [Quelle: IGSB / Kläranlage Lahr] Kontaktreaktoren Tuchfilter S. 25

26 5. Projektbeispiel Projektbeispiel einer Adsorptionsstufe Aktivkohleaufbereitung Ablaufkontrolle Maschinenraum [Quelle: IGSB / Kläranlage Lahr] S. 26

27 5. Schlussfolgerungen Schlussfolgerungen (1/2) Der Fokus der aktuellen EU-Regelungen liegt vor allem auf dem Schutz der aquatischen Ökosysteme und weniger bzgl. humantoxikologischen Bewertung Die im gereinigten Abwasser verbleibenden Restkonzentrationen von Arzneimitteln können grundsätzlich ein Risiko für die aquatische Umwelt und die menschliche Gesundheit darstellen S. 27

28 5. Schlussfolgerungen Schlussfolgerungen (2/2) Die toxikologischen Bewertungen beschränken sich bislang auf chemische Einzelstoffe. Eine Betrachtung von Stoffen und Stoffgemischen, die sich im Organismus anreichern oder in ihrer Wirkung gegenseitig verstärken können, fehlt bisher. Anthropogene Spurenstoffe sind nicht generell schädlich. Über die Schädlichkeit entscheidet die Stoffwirkung in Verbindung mit der Konzentration des Stoffes im Wasser und dem betrachteten Organismus. Quelle: Günthert, F.W. / Bewertung vorhandener Technologien für die Elimination anthropogener Spurenstoffe auf S. 28 kommunalen Kläranlagen / Univ. der BW München, Inst. für Wasserwesen, Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik 07/2013

29 Haben Sie noch Fragen? Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! S. 29