Zukünftige Themen der Siedlungswasserwirtschaft

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1 Zukünftige Themen der Siedlungswasserwirtschaft - Nährstoffe, Spurenstoffe, Mikroplastik - Matthias Barjenbruch TU Berlin, FG Siedlungswasserwirtschaft, Sekr. TIB 1B 16 Gustav-Meyer-Allee 25, D Berlin Tel.: +49 / (0) 30 / ; Fax: +49 / (0) 30 / matthias.barjenbruch@tu-berlin.de

2 Zukünftig Herausforderungen für Wasser- und Abwasserinfrastruktur Demographischer Wandel (Wachsen und Schrumpfen) Angepasste Infrastruktur (dezentral zentral) Verstädterung (Mega-Cities) Erneuerung und Sanierung der Infrastruktur (Vicious Cycle) Anpassung an den Klimawandel Regenwasserbewirtschaftung Sturzfluten Verbesserte Abwasserreinigung Rest-CSB, Desinfektion, Nährstoffentfernung, Spurenstoffe und Mikroplastik Zukünftige gesetzliche Anforderungen (z.b. EU WRRL) Ressourcenschonung (Recycling) Wasser-Re-use (neue EU-Forderung) Nährstoffrecycling (insbesondere Phosphor) Energetische Optimierung (Energieproduktion, energieautarke KA?) Neue Konzepte für die Schlammverwertung (Verbot Landwirtschaft!) Verbessertes Wassermanagement und Bürgerbeteiligung

3 Was ist wann und wo Zukunft? Europa Mittelalter; Burg Elz Jemen 2004

4 Heutige Standard-Kläranlage Luftbild Bildquelle BWB Beispiel: Klärwerk Waßmannsdorf (Berlin) Deutsche Anforderungen an den Kläranlagenablauf (Abwasserverordnung 2002) Emission Organische Stoffe (CSB): Stickstoff: mg/l mg/l Phosphor: 1-2 mg/l Egebnisse gemäß DWA Leistungsvergleich 2016 CSB: In 547 mg/l Ablauf 27 mg/l Stickstoff: In 50 mg/l Ablauf 8,7 mg/l Phosphor In 7,5 mg/l Ablauf 0,62 mg/l

5 Nährstoffe COMMON UNIVERSITY COURSE ON NUTRIENT REMOVAL 5

6 Бухта Тайваллахти, Хельсинки, июль 2013 г. Taivallahti Bay, Helsinki, July COMMON UNIVERSITY COURSE ON NUTRIENT REMOVAL

7 Рюген, июль 2013 г. Rügen, July COMMON UNIVERSITY COURSE ON NUTRIENT REMOVAL

8 Notwendigkeit der Stickstoff-Elimination Emission, bundesweit Abwasserverordnung Überwachungswerte Kläranlagen nach Abwasserverordnung E NH 4 -N 10 mg/l E: NH 4 -N 10 mg/l; ges. N 18 mg/l > E: NH 4 -N 10 mg/l; ges. N 18 mg/l Besondere regionale Anforderungen Regionale, gewässer- und nutzungsspezifische Begrenzungen z.b.: Dringlichkeitsprogramm Schleswig-Holstein ges. N 10 mg/l Immission, bundesweit Oberflächengewässerverordnung (2016) Fließgewässer Zielwerte gemäß LAWA (1989); 90-Perzentil-Wert 24 % der Messstellen Nitrat-N unter 2,5 mg/l N; 51 % zwischen 2,5 und 5 mg/l N und 24 % zwischen 5 und 10 mg/l N

9 Entwicklung der Stickstoffeinträge in die Gewässer (Modellberechnungen - MONERIS) 18 % 41 % Stickstoffeintrag in kt/jahr

10 Notwendigkeit der weitestgehenden P-Elimination Emission, bundesweit Abwasserverordnung Überwachungswerte Kläranlagen nach Abwasserverordnung < E: 2,0 mg TP/l > E: 1,0 mg TP/l Besondere regionale Anforderungen Regionale, gewässer- und nutzungsspezifische Begrenzungen z.b.: Dringlichkeitsprogramm Schleswig-Holstein TP 0,5 mg/l Bodensee 1,0 mg/l TP für E und 0,3 mg/l TP für > E (im 24-h-Mittel) (vgl. IGKB, 2001) Immission, bundesweit Oberflächengewässerverordnung (2016) Fließgewässer Seen guter Gewässerzustand von Fließgewässern < 0,10 mg/l TP Sehr guter Gewässerzustand von Fließgewässern < 0,05 mg/l TP eutrophe Seen: TP-Zielwert ~ µg/l, je nach Referenzzustand mesotrophe Seen: TP-Zielwert ~ µg/l, je nach Referenzzustand

11 P-Einzeleinträge in die Gewässer (UBA 2014) 19% 74% Reduktion: gesamt 62% 1% 0% 86%

12 Bestimmung der Verursacheranteile von Gewässerbelastungen (Brandenburg) Merten, 2010

13 Gesamtphosphoreinträge in Hessen Nach Seel 2017

14 Verfahren der chemischen P-Elimination Vorfällung b = 1,2 (2-3) FM SF VKB TK/BB NK C Pe 2 mg/l Simultanfällung b = 1,2 ( 1,5) VKB FM FM BB FM FM NK 1-1,5 mg/l z.t. < 1,0 Kombinierte Fällung VKB b = 1,2 1,5 FM FM FM FM BB NK b = 2 2,5 FF < 0,5 mg/l (= 0,3.mg/l)

15 Prinzip der erhöhten biologischen P-Elimination ANAEROB P - Rücklösung B PO 4 - P AEROB P - Aufnahme A luxery uptake C Zeit

16 Bio-P Bsp.: Phoredox-Verfahren (Kontaktzeit: 0,5 bis 0,75 h) Zulauf Anaerobe Anoxische Zone Denitrifikation Belüftete Zone CSB-Elimination & Nitrifikation Zone b = 1,2 1,5 FM C Pe 1-1,5 2,0 mg/l z.t. < 1,0 Ablauf Belüftung Interne Rezirkulation Nachklärung Rücklaufschlamm Überschussschlamm

17 Maßnahmen zur Verbesserung der P-Elimination auf Kläranlagen Betriebsoptimierung mit Bestandsaufnahme Kurzfristige Maßnahmen Änderung der Betriebsweise Erhöhung der Dosierung, Art des Fällmittels/Bio-P-Anteil erhöhen Verkürzung des Schlammalters Erhöhung Schlammproduktion Verringerung Rücklösung/externe Lagerung von Schlamm Optimierung der Maschinentechnik, MSR-Technik, Dosiertechnik Veränderung der Bestandstechnologie mittelfristige Maßnahmen Austausch oder Ergänzung von Technologien (z.b. Maschinentechnik MSR-Technik, Dosiertechnik) Interkommunale Zusammenschlüsse Erweiterung der Kläranlage Nachgeschaltete Verfahren (Flockungsfiltration) Neue Technologie (z.b. MBR)

18 Einfache Optimierungen Stellen der Fällmitteldosierung Fällmittel Düsenrohr Abwasser Rinne Venturi Strömungsbrecher Rinnenknick

19 Leitfaden Beispiel Dosierstelle schlechte Lösung schlechte Einmischbedingung durch Randlage kaum Berührung mit einer großen Wassermenge bessere Lösung Dosierung vor Venturi vorteilhaft Verteilung über Gerinnebreite

20 Leitfaden Beispiel Dosierstelle gute Einmischbedingungen die Dosierung wird hier durch eine Injizierung von mehreren Seiten auf den gesamten Durchflussquerschnitt verteilt auch hier wird eine gute Einmischung gewährleistet aber Gefahr der Korrosion

21 Verfahren der weitergehenden P-Elimination Erster Schritt: Rest-Fällung und Flockung von Phosphor Nachfällung mit Flockenabtrennung über: Sedimentation/Flotation Mikrosieb Tuchfilter Flächenfiltration (Zellenfilter, automatische Schwerkraftfilter.) Flockungsfiltration Abwärtsdurchströmte Raumfilter mit diskontinuierlicher Spülung Durchlaufspülung oder Aufstauspülung Kontinuierlich arbeitende Filter Sonderverfahren Membranfiltration (nachgeschaltet) Membranbioreaktor

22 Abwärtsdurchströmter Raumfilter diskontinuierliche Spülung (Klappenfilteranlage)

23 Summenhäufigkeit der TP-Konzentration im Zu- und Ablauf eines Flockungsfilters Dosierung von Fe 3+ und verschiedenen v F

24 Spurenstoffe Definition Es gibt keine amtliche Definition! Spurenstoffe sind chemische Verbindungen, die in der Umwelt in sehr geringen Konzentrationen auftreten. 1 g/l bis unter 1 ng/l Betrachtung liegt auf synthetisch erzeugten Spurenstoffen In der EU sind über Chemikalien zugelassen werden in Mengen > 1t/a hergestellt Allein Pharmaka > Wirkstoffe t Arzneimittel-Wirkstoffe im Jahr 2008 In den letzten Jahren verbesserte chemische Analytik Es werden mehr Verbindungen gefunden. Früher wurden diese Stoffe nicht gesucht.

25 Unterschiedliche Wirkungen auf Lebewesen Nach dem heutigen Wissen sind die Konzentrationen an organischen Spurenstoffen im Trinkwasser so gering, dass in der Regel keine Gefährdung des Menschen zu befürchten ist. Mögliche Auswirkungen der Spurenstoffe im Bereich der aquatischen Ökosysteme und der Biodiversität sind noch nicht abschließend geklärt. Mögliche Wirkungen: kanzerogen, mutagen, teratogen, chronisch/(akut toxisch), endokrin Auswahl der bisher bekannten Wirkungen in der Umwelt: Verweiblichung Alligatoren, Fische durch Hormone Geiersterben (ca. 10 Mio. Tiere) in Indien durch Diclofenac Nieren und Leberversagen bei Fischen Auftreten in allen Kompartimenten des Wasserkreislaufs ÖWAV 2013 erweitert

26 Spurenstoffe und hormonelle Wirkung Pestizide z.b. DDT, Lindan Amitrol, Vinclozolin Arzneimittel Arzneimittel (Human/ Veterinär ) Lipidsenker Analgetika Betablocker Antibiotika Antiparasitika Zytostatika usw. Hormon - präparate z.b. Ethinyl - estradiol Endokrin Natürliche Hormone und Sterole z.b. Östradiol b - Sitosterol Wirksame Substanzen z.b. Dioxine, PCP, PBB, Phtalate, Bisphenol - A, Nonylphenol, Organozinn - verbindungen Industrie Industrie - chemikalien? Kosmetika Kosmetika Nitromoschusverbindungen Nitromoschusverbindungen, polycyclische Moschusduftstoffe polycyclische Moschusduftstoffe, UV - Filtersubstanzen Definition aus der Vereinbarung der Europäischen Kommission 1996

27 Schweizer Studie Hunziker, (2008) Entfernung von Spurenstoffen mit biologischen Reinigungsverfahren

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29 Pulveraktivkohledosierung (nachgeschaltete Stufe) Denitrifikation Nitrifikation Nachklärung FHM PAK FM, FHM FM Interne Rezirkulation Rücklaufschlamm ÜS-Schlamm ÜS-Kohle Wirkungsweise: Adsorption von Stoffen an Aktivkohle (spez. Oberfläche 500 bis m²/g) Reduzierung abhängig von Spurenstoffeigenschaften, Breitbandwirkung Keine toxischen Nebenprodukte Zusätzliche Reduzierung des DOC: 45-65% (Schwellenwert) Erhöhung der PAK-Menge verbessert Entnahmeleistung Übliche Dosiermengen: 10 bzw. 20 mg PAK/l Überschusskohle zusätzliche Sorption in der Belebungsanlage erhöhte Schlammmenge Desorption (Belebungsanlage, Faulbehälter)? Erfahrungen: halbtechnische Versuche, großtechnische Anlagen im Teilstrombetrieb (KA Mannheim) Luft/ Spülwasser

30 Einsatz von granulierter Aktiv-Kohle DN N NK Reaktor mit granulierter Aktivkohle FM Interne Rezirkulation Rücklaufschlamm ÜS-Schlamm Wirkungsweise/Randbedingungen: Anlagerung an granulierte Aktivkohle Ggf. Biologische Wirkung denkbar keine toxischen Nebenprodukte Druckkessel oder Umrüstung vorhandener Filteranlagen möglichst feststofffreier Zulauf und Hintergrundbelastung beachten Reduzierung abhängig von Spurenstoffeigenschaften, Breitbandwirkung Technische Angaben Erreichbare Standzeit/Bettvolumen (bisher nur wenige Monate) Aufwand beim Austausch der GAK Regeneration der beladenen GAK Erfahrungen: Pilotananlagen (Düren, Ober Lutter, Gütersloh, Wuppertal)

31 Ozonung (nachgeschaltete Stufe) Denitrifikation Nitrifikation Nachklärung Ozongenerator Ozonvernichter Filter optional FM Interne Rezirkulation Rücklaufschlamm ÜS-Schlamm Wirkungsweise starkes Oxidationsmittel reagiert mit einer Vielzahl von Wasserinhaltsstoffen Breitbandwirkung bei der Elimination von Mikroverunreinigungen Zusätzliche desinfizierende Wirkung Weitergehende Reduzierung des DOC Übliche Dosiermengen im Abwasser: 5-15 mg O 3 /l; Entstehung von Reaktionsprodukten Luft/ Spülwasser Ggf. biologisch abbaubar Stoffe ( nachgeschalteter Stufe) Unbekannte Umwandlungsprodukte (Transformation); ggf. toxisch Erfahrungen Viele Erfahren aus der Trinkwasseraufbereitung, Schwerte, Aachen in Bau

32 Einfluss der Ozondosis auf die Elimination ausgewählter persistenter Spurenstoffe Bericht Regensdorf 80%

33 Anlagen zur Spurenstoffelimination Deutschland Günthert et al 2013

34 Jahreskosten der Ozonung und der PAK- Dosierung inkl. Filtration DWA Arbeitsbericht, Biebersdorf (2013)

35 Handlungsempfehlungen Stakeholder Prozess Policy Paper 2017

36 Arten von Plastik Sorte Abkürzung Dichte [g/cm 3 ] Plastikproduktion [%] Anwendungsbereiche low-density Polyethylen high-density Polyethylen PE-LD 0,91 0,93 21 Tüten, Strohhalme, Flaschen PE-HD 0,94 17 Kannen, Rohre Polypropylen PP 0,83 0,85 24 Flaschendeckel Polystyrol/ expandiertes Polystyrol PS 1,05 6 Gehäuse von Elektronikgeräten, Dämmstoff, Verpackungen Polyethylenterephthala PET 1,37 7 Flaschen Polyvinylchlorid PVC 1,38 19 Folien, Rohre Picture Source: [Pic06]

37 Mikroplastik-Eintrag in die Umwelt Weltweiter Plastik-Verbrauch: 300 Mio. t/a Luft Weltweiter Mikroplastik-Eintrag in die Ozeane: 0,8 bis 2,5 Mio. t/a Infrastruktur (Straßen & Plätze) Landwirtschaft Meere Eintragspfade: 66 % Straßenabfluss 25 % Kläranlagenablauf 7 % Windeintrag Haushalte & Unternehmen Oberflächengewässer Trinkwasser Kläranlagen GRUNDWASSER [IUCN 2017]

38 Quelle: [B06] Größenklassen von Plastik in der Umwelt Plastik Makroplastik > 25 mm Mesoplastik 5 25 mm Mikroplastik < 5 mm Primär Sekundär DIN Klassierungen 5000 µm, 1000 µm, 500 µm,100 µm,50 µm,10 µm Quelle: [Nova 2014]

39 Wirkungen von Mikroplastik Mikroplastik wird von einer sehr breite Palette von Biota an der Basis von Nahrungsketten aufgenommen. mehr als 250 marine Lebewesen verwechseln Kunststoffe mit natürlicher Nahrung und es nehmen auf Mechanischen Verletzungen und Blockierung der Nahrungsaufnahme oder einer Behinderung der Verdauung Sättigungsgefühl reduzierte Nahrungsaufnahme Akkumulation von Mikroplastik im Organismus Akkumulation in der Nahrungskette Einlagerung in das Zellgewebe z.b. Miesmuscheln (Mytilus edulis) (z.b. HDPE) Transport von anderen Schadstoffen Quelle: [Bannick et al, 2015]

40 Oldenburgisch ostfriesischer Wasserverband OOWV 12 Kläranlagenabläufe 10 µm Edelstahlkerzenfilter Vierfachmembranpumpe (13l/min) Sehr geringe Niederschläge vor Probenahme Vorbehandlung KA- Ablauf Tensiden (1Tag) Enzymen (12 Tage) H 2 O 2 (2 Tage) Chitinase (2Tage) Dichteseparation/ Abfiltrieren (1Tag) [Quelle: AWI 2014]

41 Oldenburgisch ostfriesischer Wasserverband OOWV Analyse der Partikel mit FTIR Ablaufproben wurden auf mehrere Filter aufgeteilt (wg. großem org. Anteil) Teilbereiche der Filter wurden ausgewertet und dann auf gesamte Filterfläche hochgerechnet [Quelle: AWI 2014]

42 Auftreten von Mikroplastik im Ablauf von Kläranlage [Helcom 2014, Kreuzinger 2014, Mintening et al. 2014] Standort Kläranlage St.Petersburg Probenmengeinrichtung Probenahme- 8 l Filterröhre: Ø= 60 mm Maschenweite: 20 µm,100 µm, 300 µm Partikel/ l 16 faserige 7 synthetische 125 schwarze Analyseapparatur Licht-Mikroskop Kläranlage Österreich 20 m 3 Siebstapel mit 3 Sieben Maschenweite:: 63 µm, 630 µm, 5 mm weniger als 0,001 (Partikel > 65 µm) Binokular 12 KA des Oldenburgisch - Ostfriesischen Wasserverbands (OOWV) 390 l 1000 l Sieb mit Maschenweite: 500 µm Edelstahlkerzenfilter Maschenweite: 10 µm 0,077-0,712 (8,851) (Partikel < 500 µm) 0-0,052 (Partikel > 500 µm) 0,098 bis 4,808 (Fasern) BinokularATR - FTIR Mikro - FTIR Kläranlage Schweden 1000 l Filterhalter/ Netz: Ø= 80 m Maschenweite: 300µm 3,75 ± 1,25 Fragmente 0,5 ± 0,5 Flakes 4 ± 0,58 Fasern (Teilchen 300 µm) BinokularATR - FTIR

43 Probenahme Ruhleben 1 m 3 Kläranlagenablauf wird beprobt, um mindestens 1g organisches Probenmaterial gewinnen zu können Vergleichende Probenahmen Mikrosieb Durchflusszentrifuge Schwebstofffalle Membrananlage Filterkerze Neuston Netz Fraktionierte Probenahme: 500 µm 100 µm 50 µm 10 µm

44 Analysemethode - TED-GC-MS ThermalExtractionDesorption -GC-MS Identifizierung durch Abbauprodukte Kurze Analysezeiten Wenig bis kein Cleanup der Proben Große Menge an Probe messbar Probe Sorbs ter Duemichen et al., Assessment of a new method for the analysis of decomposition gases of polymers by a combining thermogravimetric solidphase extraction and thermal desorption gas chromatography mass spectrometry. Journal of Chromatography A 2014, 1354,

45 Untersuchungen am Kläranlagenablauf Beispiel KA Ruhleben Mecana Tuchfilteranlage 10 m³/h Standardpolstoff Mikrofaser Ultrafaser Invent Siebfilteranlage mit GKD Tressengewebe m³/h 20 µm Gewebe 8 µm Gewebe 6 µm Gewebe

46 Zusammenfasende Einschätzung Nährstoffe gewässerrelevant zur Erreichung des guten ökologischen Zustand! Einsatz dort, wo durch Reduzierung der Punktquellen Wirkungen erzielt werden können (Kosten!) Technologien vorhanden Spurenstoffe Maßnahmen bzw. Separierung an der Quelle: Verbot von Stoffen, Produktlabeling Alternative Stoffe Es gibt noch keine Umweltqualitätsnorm Einsatz ergänzend dort, wo andere Verminderungsstrategien nicht ausreichen! Abwägung: Kosten bzw. nachweisbare Verbesserung für aquatische Umwelt Technologien in großtechnischer Anwendung, nicht alle Stoffe eliminierbar Daseinsvorsorge Mikroplastik Probenahme, Aufbereitung und Analytik noch nicht standardisiert Verfahren stehen zur Verfügung; Hat KA-Ablauf Relevanz?