Mikroschadstoffe Herkunft, Elimination, Kosten

Transkript

1 WRRL Runder Tisch Emscher , Herten Mikroschadstoffe Herkunft, Elimination, Kosten Quelle: Dr.-Ing. Heinrich Herbst Dipl.-Ing. Sandra Ante Dr.-Ing. Demet Antakyalı Kompetenzzentrum Mikroschadstoffe NRW

2 Inhalt A. Kurzvorstellung des Kompetenzzentrums B. Mikroschadstoffe und deren Umweltauswirkungen C. Eliminationsmöglichkeiten D. Realisierte Großprojekte in NRW, BW und in der Schweiz E. Eliminationsraten F. Kosten 2

3 A. Kurzporträt Kompetenzzentrum

4 A. Kurzporträt Kompetenzzentrum Mikroschadstoffe NRW Aufgaben - AUFTRAG > Das Kompetenzzentrum arbeitet im Auftrag des Ministeriums für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes NRW (MKULNV NRW), Start 2012 > Es wird vom Landesverband NRW der DWA unterstützt - SCHWERPUNKTE > Verfahrenstechniken > Technologieeinsatz > Bemesssungshinweise > Monotoring / Analytik/ Messtechnik > Energetische Betrachtungen - AKTIVITÄTEN > Information > Vernetzung > Fortbildung 4

5 A. Kurzporträt Kompetenzzentrum Mikroschadstoffe NRW Organisation Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur - und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein - Westfalen Projektleiter/-in LANUV NRW (fachliche Beratung) Projektleitung Grontmij GmbH / IWW Projektleiter: Dr. Heinrich Herbst Stellvertreter: Prof. Dr. Torsten Schmidt Prof. Dr. Stefan Panglisch Kooperation und Zusammenarbeit Grontmij GMBH (Konsortialführung) IKU GMBH IUTA e.v. IWW GmbH Kompetenzschwerpunkte - dezentrale und zentrale Wasser- und Abwassertechnologie - Planung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination - Mess- und Regelungstechnik - Netzwerkbildung Kompetenzschwerpunkte - Konzeption, Organisation und Moderation von Veranstaltungen - Netzwerkbildung und -pflege - Öffentlichkeitsarbeit: Internetauftritt, Newsletter, Broschüren, Flyer, etc. Kompetenzschwerpunkte - FuE-Vorhaben zur Elimination von Spurenstoffen - Monitoring WRRL - Onlinemesstechnik - Instrumentelle und wirkungsbezogene Analytik - Nano-/ Mikropartikel - (Inter-)nationale Forschungsnetzwerke Kompetenzschwerpunkte - FuE-Vorhaben zur Elimination von Spurenstoffen und Hygiene - Analysenverfahren, Monitoring - Hygienische/toxikologische Bewertung von Chemikalien/Nano - Dezentrale Aufbereitung (Industrie) - (Inter- )nationale Netzwerke Kernarbeitsteam - Sandra Ante - Christian Maus - Dr. Demet Antakyali Kernarbeitsteam - Marcus Bloser - Andreas Kleinsteuber Kernarbeitsteam - Dr. Jochen Türk - Andrea Börger - Carmen Nickel Kernarbeitsteam - Dr. Axel Bergmann - Dr. Tim aus der Beek 5

6 A. Kurzporträt Kompetenzzentrum Mikroschadstoffe NRW Aktivitäten (Auswahl) Homepage Fachveranstaltungen Interaktive Karte Projektsteckbriefe und Kostenmappen Broschüren Newsletter Nationale und Internationale Netzwerke 6

7 A. Kurzporträt KompetenzzentrumMikroschadstoffe NRW Gebaute Anlagen zur Mikroschadstoffelimination Kläranlagen z.b. KA Schwerte, KA Bad Sassendorf, KA Duisburg-Vierlinden, KW Obere Lutter, KW Gütersloh-Putzhaben.. z.b. KA Sindelfingen, KW Mannheim. z.b. ARA Wüeri in Regensdorf, ARA Vidy Lausanne, ARA St. Pourcan-sur-Sioule (F). Krankenhäuser z.b. KH Waldbröl, Marienhospital Gelsenkirchen z.b. Klinikum Reinier de Graaf Gasthuis in Delft 7

8 B. Mikroschadstoffe und deren Auswirkungen

9 B. Mikroschadstoffe und deren Auswirkungen Historische Entwicklung der Mikroschadstoff-Problematik t Industrielle Revolution Zunehmende Herstellung synth.chemikalien ~ synth. Chemikalien Bewusstseinsbildung Zunehmende Berichte zur Umweltauswirkungen der Mikroschadstoffe Heute: Mikroschadstoffe in verscheidenen Umweltkompartimenten bzw. -matrizen messbar: Wasser, Boden, Luft, Tiere, Menschen, Pflanzen... Quelle: Antakyali et al., 2011

10 B. Mikroschadstoffe und deren Auswirkungen WAS? Mikroschadstoffe / Spurenstoffe anorganische und organische Stoffe im Konzentrationsbereich < ng/l (= 0,001 mg/l) Herkunft anthropogene Mikroschadstoffe: Industrie, Medizin, Landwirtschaft, Verkehr natürliche Mikroschadstoffe: z.b. Methylisoborneol oder Geosmin, die in eutrophierten Gewässern entstehen Anzahl derzeit synthetische organische Chemikalien in der EU registriert bis werden davon täglich eingesetzt 10

11 B. Mikroschadstoffe und deren Auswirkungen WO? Auftreten Arzneimittel bzw. deren Rückstände in nahezu allen von Kläranlagen beeinflussten Gewässern nachweisbar verbesserte Untersuchungsverfahren ermöglichen in Gewässer den Nachweis toxikologisch verdächtiger Verbindungen Pharmazeutische Rückstände ebenso wie z. B. Pestizide, Industriechemikalien, Perfluortenside und Flammschutzmittel gelangen auf verschiedenen Wegen in Oberflächengewässer und von dort bis in die Trinkwasseraufbereitung Bewiesene Aufnahme von verzehrbaren Pflanzen (z. B. Karotten, Zucchini, Gurke 11

12 B. Spurenstoffe und deren Eliminationsmöglichkeiten Eintragspfade von Mikroschadstoffen ins Gewässer Bauernhof Stadt Krankenhaus Pflegeeinrichtung Industrie - Indirekteinleiter Industrie - Direkteinleiter Glyphosat, Mecoprop, Cloridazon, Isopuron, Carbamazepin, Diclofenac, Metoprolol, Amidotrizoesäure, Cprofloxacin, Diclofenac, Antibiotika, Bisphenol A, PFT, TCPP, MTBE, RÜB Regenwasserkanal Misch- und Schmutzwasserkanal Kläranlage Alle üblichen Stoffe, Piroxicam, Wasserwerk Gewässer 12

13 B. Mikroschadstoffe und deren Auswirkungen WARUM? Auswirkung bereits durch sehr geringe Konzentrationen Auf wesentlichen lebensnotwendigen Funktionen: Hormonaktive Auswirkung aufgrund struktureller Ähnlichkeit Stoffwechselveränderungen verzögerte Entwicklung Ödembildung.. Wirkung teilweise reversible, aber lebenslange Prägung durch eine kurzzeitige Exposition während einer sensiblen Phase möglich Ursache und Wirkung können um Jahre bzw. Jahrzehnte auseinander liegen 13

14 B. Mikroschadstoffe und deren Auswirkungen Verweiblichungsmerkmale Männliche Fische mit weiblichen Eigenschaften in Kanada (Grand River, 2012) Nähe kommunale Kläranlage Quelle: kitchener.ctvnews.ca 14

15 B. Mikroschadstoffe und deren Auswirkungen Vermännlichungsmerkmale Reaktion der Koboldkärpfling zum Papierabwasser Quelle: Noggle et al.,

16 B. Mikroschadstoffe und deren Auswirkungen Geiervergiftung Von 1990 bis 2003: Populationsrückgang von über 95 % in Indien und Pakistan Gyps bengalensis G. indicus G. tenuirostris aufgrund Fraß von Tierkadaver, die mit DICLOFENAC behandelt wurden Quelle: Oaks et al., 2004 Quelle: Maßnahme: Ergebnis: Verbot an Diclofenac bei tiermedizinische Behandlungen Populationsrückgang wird deutlich langsamer 16

17 B. Mikroschadstoffe und deren Auswirkungen Aus der Presse Rheinische Post Siegener Zeitung

18 B. Mikroschadstoffe und deren Auswirkungen Erlass vom MKULNV ( ) Anlass: Gutachten im Auftrag verschiedener Wasserverbände Urteil: Wenn in einem Wasserkörper: - Monitoring ( 9 OGewV) >> kein guter ökologischer Zustand nach den biologischen Qualitätskomponenten - Mikroschadstoffe nachgewiesen, nicht i. d. Anlage 5 angegeben aber anwesend i. d. Anlage D4 und nachgewiesene Konzentration > Grenzwert D4 Überschreitung der Konzentration ist mit ursächlich für den nicht guten Zustand!! 18

19 B. Mikroschadstoffe und deren Auswirkungen Erlass vom MKULNV ( ) Prüfschritte - Die Belastungssituation ist für alle Komponenten, die sich auf den ökologischen Zustand auswirken, zu analysieren. - Die Eintragsquellen für die Mikroschadstoffe in den Wasserkörpern zu erfassen. - Die zur Erreichung des guten ökologischen Zustands erforderlichen Maßnahmensind unter technischen und wirtschaftlichen Aspekten zu identifizieren (inkl. Zeitraum). Rechtsgrundlage: Oberflächen-Gewässerverordnung (OGewV), Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) 19

20 C. Eliminationsmöglichkeiten

21 C. Eliminationsmöglichkeiten Mikroschadstoffelimination WOMIT? Adsorption mit Aktivkohle Oxidation mit Ozon Schritt 5: Zurück bleibt aktivierter Schritt 1: Sauerstoff Sauerstoffmolekül O 2 poröser, feinkörniger Kohlenstoff mit großer innerer Oberfläche Aus Holz, Torf, Nussschalen, Braun-, Steinkohle oder verschiedene Kunststoffe O O O Adsorption: Prozess der Anlagerung bzw. Konzentrierung einer Flüssigkeit oder eines Gases an einer festen Oberfläche. Schritt 4: Ozon gibt ein Sauerstoffatom ab und wirkt durch Oxidation Schritt 3: Die einzelnen Sauerstoffatome bilden das Ozonmolekül (O 3 ) Schritt 2: Aufspaltung des O 2 -Moleküls durch elektrische Entladung 21

22 C. Eliminationsmöglichkeiten Einsatzgebiete von Ozon Trinkwasseraufbereitung Verbesserung der Flockung Entfärbung / Geschmack / Geruch Fe/Mn Eliminierung Desinfektion Eliminierung von Spurenverunreinigungen Abwasserbehandlung Eliminierung von COD Eliminierung von Tensiden Eliminierung von Phenolen, PAKs usw. Entfärbung Schlammbehandlung Eliminierung von AOX Eliminierung von endokrinen und/oder persistenten Substanzen usw. Geruchsreduktion Produktaufbereitung Stabilisierung von stillem Wasser Desinfektion von Lebensmitteln (zb. Salat, Fisch) usw. Synthese Bleichen Prozesswasser Kühlwasser (z.b. in Kraftwerken) Schwimmbäder Spülwasser in der Getränkeindustrie usw. 22

23 C. Eliminationsmöglichkeiten Einsatzgebiete von Aktivkohle Trinkwasseraufbereitung Abluftreinigung Abwasserbehandlung Entfernung organisch-chemischer Substanzen und Farbstoffe Entfernung von endokrinen und/oder persistenten Substanzen Eliminierung von AOX Entfärbung Senkung Rest-CSB usw. Personen- und Kollektivschutz Medizin Lebensmittelindustrie 23

24 D. Realisierte Großprojekte in NRW, BW & in der Schweiz Fotografie Gerd Kittel / Grontmij GmbH

25 D. Realisierte Großprojekte in NRW, BW und in der Schweiz Überblick realisierter Anlagen und erstellter Machbarkeitstudien in NRW und BW

26 D. Realisierte Großprojekte in NRW, BW und in der Schweiz Ozonung KA Duisburg Vierlinden, NRW Quelle: Wirtschaftsbetriebe Duisburg AöR 26

27 D. Realisierte Großprojekte in NRW, BW und in der Schweiz Ozonung KA Bad Sassendorf, NRW 27

28 D. Realisierte Großprojekte in NRW, BW und in der Schweiz Ozonung + PAK KA Schwerte, NRW Probenahmestellen Belebungsanlage Straße 1 Zulauf Belebungsanlage Straße 2 Zulauf Nitrifikation Zulauf Nachklärung Pulveraktivkohleanlage (PAK) PAK Dosierstation N/D N/D N/D N/D Ablauf Kläranlage N N D D RZ D D N N Ozonierungsanlage O 3 [mg/l] Restozonvernichter N RZ RZ N RS RS d d d NK1 NK2 Q [l/s] c b a c b a c b a Q [l/s] Q [l/s] Q [l/s] Q [l/s] Q [l/s] Q [m³/h] Q [m³/h] Q [m³/h] Ruhr Ozon Erzeugung O 3 [mg/l] SAK [1/m] O 3 [mg/l] O 3 [mg/l] 28

29 D. Realisierte Großprojekte in NRW, BW und in der Schweiz GAK im Ablauf KW Gütersloh-Putzhagen, NRW 29

30 D. Realisierte Großprojekte in NRW, BW und in der Schweiz GAK KW Obere Lutter, NRW Quelle: Abwasserverband Obere Lutter (AOL) 30

31 D. Realisierte Großprojekte in NRW, BW und in der Schweiz PAK KA Sindelfingen, BW Quelle: Kompetenzzentrum Spurenstoffe BW 31

32 D. Realisierte Großprojekte in NRW, BW und in der Schweiz PAK KW Mannheim, BW Kontaktreaktor Einrichtung der adsorptiven Teilstrombehandlung Quelle: Kompetenzzentrum Spurenstoffe BW 32

33 D. Realisierte Großprojekte in NRW, BW und in der Schweiz Ozonung ARA Wüeri in Regendorf, CH 33

34 D. Realisierte Großprojekte in NRW, BW und in der Schweiz Ozon- und PAK ARA Vidy in Lausanne, CH 34

35 D. Realisierte Großprojekte in NRW, BW und in der Schweiz Ozonung ARA St. Pourcain-sur-Sioule, CH 35

36 E. Eliminationsraten Zusammenfassung von Ergebnissen aus unterschiedlichen F+E-Vorhaben des Landes NRW

37 Metoprolol Diclofenac E. Eliminationsraten Vergleich bei unterschiedlichen Ozondosierungen (z spez. = 0,4 und 1,0 mg O 3 / mg DOC) BS Diffusor DV Diffusor DV Injector z = 0.4 z = Elimination [%] 37

38 E. Eliminationsraten Vergleich bei unterschiedlichen Ozondosierungen 100% 3 mgo3/l 4 mgo3/l 5 mgo3/l 6 mgo3/l 7 mgo3/l 10 mgo3/l 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Injektor Diffusor Injektor Diffusor Injektor Diffusor Injektor Diffusor Injektor Diffusor Carbamazepin Diclofenac Sulfamethoxazol Metoprolol 1-H Benzotriazol 39

39 E. Eliminationsraten Parallelbetrieb der Injektor- und Diffusorstraße KA Duisburg, Vierlinden, 1 Versuch je Solldosis von 2, 5 und 7 mgo 3 /L 40

40 E. Eliminationsraten Bromat und Nitrosamine Bromat Nitrosamine Bad Sassendorf Duisburg- Vierlinden H 3 C CH 2 CH 3 N N O N N O H 3 C H 3 C N-Nitroso-dimethylamin N-Nitroso-ethylmethylamin H 3 C H 3 C N N O N-Nitroso-diethylamin N C 3 H 7 N O C 4 H 9 N N O C 3 H 7 C 4 H 9 N-Nitroso-di-n-propylamin O N N O N N N-Nitroso-di-n-butylamin O N N O N-Nitroso-morpholin N-Nitroso-pyrrolidin N-Nitroso-piperidin Trinkwassergrenzwert von 10 µg/l wird nicht überschritten (geringe Bromid-Konzentrationen!) Keine Konzentrationen > 10 ng/l nachweisbar (GOW-Wert) 41

41 Iopamidol Iomeprol Iopromid Iohexol Diatrizoat Clarithromycin Erythromycin N4-Acetyl- Sulfamethoxazole Roxithromycin Sulfadoxin Sulfamerazin Sulfadimidin Sulfamethoxazole Sulfamethoxin Sulfasoxazol Trimethoprim Ibuprofen Diclofenac Naproxen Bezafibrate Fenoprofen Clofibrinsäure DHH Carbamazepine DHC Primidone Temazepam Dihydrocodein Codein Oxazepam Methadon Morphin elimination [%] Spurenstoffelimination mittels Aktivkohleadsorption Zugabe von unterschiedlichen PAK-Konzentrationen (20, 40 und 80 mg/l) in die biologische Stufe (EU-Projekt NEPTUNE) contrast media antibiotics acidics psychoactive drugs st campaigne 20 mg PAC 2nd campaigne 40 mg PAC 3nd campaigne 80 mg PAC 42

42 E. Eliminationsraten Verfahrensvergleich Ozon-Aktivkohle Verhalten der Spurenstoffe (Ergebnisse aus FuE-Vorhaben Gefährliche Stoffe Teil 3 ) Adsorptionsverhalten (Freundlich-Parameter) mittels granulierter Aktivkohle sehr gut mittel mäßig Carbamazepin Tramadol Sulfamethoxazol Phenazon FAA AAA 17 -Estradiol 17 -Estradiol Estriol Estron 17 -Ethinylestardiol Nonylphenol HHCB Iopromid TBEP Amidotrizoesäure Iomeprol Iohexol Iopamidol AHTN TiBP TDCP TCEP Eliminationsgrad mittels PAC 40 mg/l sehr gut mittel mäßig Sulfamethoxazol FAA AAA Diclofenac Tramadol Carbamazepin Naproxen Phenazon 17 -Estradiol 17 -Estradiol Estriol Estron 17 -Ethinylestardiol tbp Nonylphenol BPA TBEP HHCB Iopamidol Iopromid TiBP TDCP TCEP AHTN Iomeprol Iohexol sehr gut mittel mäßig Eliminationsgrade mittels O 3 bei Z spez = 0,7 sehr gut mittel mäßig Eliminationsgrad mittels O 3 bei Z spez = 0,7 43

43 F. Kosten Zusammenfassung von Ergebnissen aus unterschiedlichen F+E- Vorhaben des Landes NRW

44 F. Kosten Jahreskosten GAK-Anlagen 45

45 F. Kosten Jahreskosten Ozonungsanlagen 46

46 F. Kosten Jahreskosten PAK-Anlagen 47

47 F. Kosten Jahreskosten ca. 2,5 Pils pro Person und Jahr 48

48 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr. Heinrich Herbst Kompetenzzentrum Mikroschadstoffe.NRW Graeffstr Köln T E mikroschadstoffe@umweltcluster-nrw.de