Zentrum für innovative AbWassertechnologien an der Technischen Universität Kaiserslautern Mikroschadstoffe aus Abwasseranlagen in Rheinland-Pfalz Kaiserslautern, 25. November 2015 Das Projekt Mikro_N Motivation und Vorgehensweise Dr.-Ing. Henning Knerr und Prof. Dr.-Ing. Theo G. Schmitt Oliver Gretzschel, Dr.-Ing. Gerd Kolisch und Yannick Taudin
Vortragsübersicht Einleitung Stoffflussmodellierung Methodik Eingangsdaten Risikobewertung Szenarien 2 23
Definition Mikroschadstoffe Mikroschadstoffe die in den Gewässern in Konzentrationen im Bereich von wenigen Nano-bis Mikrogramm pro Liter vorkommen aber bereits den Ablauf grundlegender bio-chemischer Prozesse in der Natur beeinflussen können Stoffe/ Substanzen synthetische Substanzen, z. B. Arzneimittelwirkstoffe, Lebensmittelzusatzstoffe, Inhaltstoffe von Kosmetika und Reinigungsmitteln, Korrosionsschutzmittel natürliche Substanzen, z. B. Hormone Produkte des täglichen Gebrauchs, Bau-Chemikalien etc. gelangen häufig unverändert/ metabolisiertin das Abwasser/ kommunale Abwasserreinigungsanlagen 3 23
Hintergrund Gewässerkonzentrationen in RLPweisen auf eine Überschreitung zukünftiger Zielwerte/ Qualitätskriterien (UQN) für die aquatische Umwelt hin z. B. Diclofenac: PNEC = 0,1 µg/l (Null-Effekt-Konzentration) Lauter - Lauterecken Nahe - Bingen MEC [µg/l] MW PNEC n= 125 MW n= 20 PNEC 4 23
Hintergrund Gewässerkonzentrationen in RLPweisen auf eine Überschreitung zukünftiger Zielwerte/ Qualitätskriterien (UQN) für die aquatische Umwelt hin Gefahr der Schädigung der aquatischen Umwelt Gefahr der Akkumulation im Wasserkreislauf Haupteintragspfad Arzneimittel und Diagnostika: Kommunale Kläranlagen Diskussion um Elimination von Mikroschadstoffen aus kommunalemabwasser mittels weitergehender Reinigungsverfahren Erkenntnisse zur Wirksamkeit: Ozonung, Adsorption an Aktivkohle 5 23
Hintergrund Emissionsmindernde Wirkung weitergehender Reinigungsstufen kann mittels einer Zulauf/ Ablauf-Bilanzierung bestimmt werden Notwendigkeit der Ergänzung kommunaler Kläranlagen maßgeblich abhängig von Grundbelastung der Gewässer Belastungssituation/ gewässerbezogene Erfordernis nur abschätzbar durch Überlagerung punktueller Emissionen aus der Siedlungsgebieten diffusen Einträgen aus der Landwirtschaft im Gewässer ablaufenden Abbau- und Transportmechanismen Monitoringprogrammeaufgrund Stoffvielfalt und Vielzahl der Eintragspfade unpraktikabel für flächendeckende Bewertung 6 23
Hintergrund Abwasserlastkarte liefert nur Überblick über Belastungsschwerpunkte Flächendeckende Beurteilung der Gewässerbelastung durch Mikroschadstoffe ist nicht möglich Unzureichende Datengrundlage Stoffaufkommen Gewässerbezogene Erfordernis Umsetzung von Maßnahmen Abwasserbelastungskarte Einzugsgebiet Nahe Quelle: LUWG (2011) Legende: < 6 E/MQ 6-10 E/MQ 10-30 E/MQ 30-60 E/MQ 60-90 E/MQ > 90 E/MQ 7 23
Forschungsprojekt Mikro_N Relevanz, Möglichkeiten und Kosten einer Elimination von Mikroschadstoffen auf kommunalen Kläranlagen in Rheinland- Pfalz, aufgezeigt am Beispiel der Nahe Nordrhein- Westfalen Rheinland-Pfalz Saarland Hessen Förderung: Projektpartner: Baden- Württemberg Deutschland Einzugsgebiet Nahe Fläche: 4.065 km² Fließlänge Nahe: 125 km Zentrum für innovative 25. November AbWassertechnologien 2015 Knerr Schmitt tectraa TU Kaiserslautern 8 23
Mikro_N Zielstellung Erarbeitung einer Diskussions-und Bewertungsgrundlage zur Beurteilung der Belastungssituation rheinland-pfälzischer Gewässer mittels Bilanz Analyse und Bewertung verschiedener Maßnahmen bzw. Maßnahmenkombinationenzur Reduzierung der Einträge von Mikroschadstoffen über die verschiedenen Pfade (punktuell, diffus) anhand Szenarienbetrachtung Aufzeigen von Kosten und Nutzen der Maßnahmen Aufzeigen von verfahrenstechnischen Möglichkeiten zur Ertüchtigung kommunaler Kläranlagen Ableitung Handlungsempfehlungen für den Umgang mit Mikroschadstoffen in Rheinland-Pfalz 9 23
Grundlagendaten Messkampagnen Messstellen Kläranlagen Gewässer Kläranlagen mit getrennt, anaerober Schlammstabilisierung Kaiserslautern: 210.000 EW Enkenbach-Alsenb.: 25.000 EW Landstuhl: 56.000 EW Lauterecken: 32.000 EW Simmern: 22.700 EW Messprogramm 12 Monate, 14 d-mischproben 78 Substanzen 8 Arzneimittel 1 Röntgenkontrastmittel 1 Insektenabwehrmittel 67 Pestizide und Biozide PFOS 10 23
Referenzparameter im Einzugsgebiet der Nahe Arzneimittel/ Diagnostika Pestizide Biozide (und Bau-Zusatzstoffe) Sonstige Amidotrizoesäure (Röntgenkontrastmittel) Carbendazim (Fungizid) Carbendazim (Bad, Fassaden) Perflouroctansulfonat (Industriechemikalie) Carbamazepin (Antiepileptikum) Diuron (Herbizid) Diuron (Fassaden) Diclofenac (Analgetikum) Glyphosat (Herbizid) Glyphosat (Schienen, Gehwege) Metoprolol (Betablocker) Isoproturon (Herbizid) Isoproturon (Fassaden) Sulfamethoxazol (Antibiotikum) Mecoprop (Herbizid) Mecoprop (Flachdächer, Fundament) Bezafibrat (Lipitsenker) Diethyltoluamid (Insektenabwehrmittel) Terbutryn (Bad, Fassaden) 11 23
Stoffflussmodell GREAT-ER Geography-referenced Regional Exposure Assessment Tool for European Rivers Emissions-und Gewässermodul, welches Eintragspfade und Verbleib von Chemikalien in Oberflächengewässern georeferenziert mit einer räumlichen Auflösung von maximal zwei Kilometern Flusslänge abbildet Punktuelle Einträge: Abwasserreinigungsanlagen, Mischwasserentlastungen sowie Indirekteinleiter(Krankenhäuser, Industrie etc.) Diffuse Einträge: Abschwemmung landwirtschaftlich genutzter Flächen Berechnung der Gewässerbelastung (Frachten und Konzentrationen) erfolgt abschnittsweise unter Annahme eines Fließgleichgewichts mit Massenerhaltung für verschiedene hydraulische Belastungssituationen/ Abflüsse Durchschnittliche Belastung für den jeweiligen Abfluss und substanzspezifische Bewertung der Belastung für jeden einzelnen Gewässerabschnitt 12 23
Modellansatz GREAT-ER Emissionen Flächeneintrag Indirekteinleiter Kläranlage L KA,Ab Immission L end Haushalte Substanzparameter Pro-Kopf-Verbrauch Ausscheidungsrate Elimination Abspülrate Gebietsparameter Einwohner Flächennutzung Befestigte Fläche Mischwasserüberläufe Flächeneintrag Lend= L0 L MW L LW exp( k HRT) L 0 2 km Eigenschaften Abfluss Fließgeschwindigkeit Tiefe Länge Verlustprozesse Abbau Ausgasung Sedimentierung 13 23
Emissions-und Gewässermodell Einzugsgebiet Nahe Kenndaten Gesamtfläche: 4.065 km² Gewässernetz: 1.515 km, 991 Einzelabschnitte Fließlänge Nahe: 125 km Mischkanalisation 104 kommunale Kläranlagen 15 Krankenhäuser 14 23
Modellvalidierung Vergleich der bei mittlerem Abfluss (MQ) simulierten Gewässerkonzentrationen mit Messwerten der Messkampagnen und Messdaten der Monitoringprogramme RLP 10.000 Diclofenac 1.000 Isoproturon Gemessene Konzentration [ng/l] 1.000 100 10 1 Messwerte: 292 Gewässermessstellen: 6 1 10 100 1.000 10.000 Simulierte Konzentration [ng/l] Gemessene gemessene Konzentrationen [ng/l] [ng/l] 100 10 1 Messwerte: 118 Gewässermessstellen: 7 1 10 100 1.000 Simulierte Konzentration [ng/l] 15 23
Modellvalidierung Modelleingangsdaten (Auswahl) Substanzparameter Emissionsparameter MQ Emissionsparameter MNQ Arzneimittel/ Diagnostika PKV Pestizide/ Biozide [g/(e a)] [%] [%] [%] [g/(e a)] [g/ha a)] [g/ha a)] [%] [%] [g/(e a)] [g/ha a)] [g/ha a)] [%] [%] f MW 1-f MB f KH L KA,Zu PFV LW PFV W f KA f 4RS L KA,Zu PFV LW PFV W f KA f 4RS DIATR 1,24 6 99 90 1,15 - - 4,7 9,4 1,23 - - 5,0 10 BZF 0,33 6 50-0,15 - - 57 71 0,16 - - 61 75 CBZ 0,94 6 15-0,13 - - 4,7 85 0,14 - - 5,0 90 DCF 1,64 6 27-0,42 - - 52 80 0,44 - - 55 85 MTP 3,15 6 11-0,33-22 85 0,35 - - 23 90 SMX 0,26 6 35-0,09 - - 56 56 0,09 - - 60 60 CBD 0,006 44 100-0,004 0,05 0 2,2 40 0 - - 4,0 75 DRN 0,017 44 100-0,009 0 0 11 35 0 - - 20 65 GPS 0,329 44 100-0,185 0,07 1,32 28 16 0 - - 50 30 IPT 0,011 44 100-0,006 0,19 0 8,4 32 0 - - 15 60 MCP 0,021 44 100-0,012 0,05 0 12 32 0 - - 22 60 TBT 0,012 44 100-0,007 0 0 25 32 0 - - 44 65 DEET 0,094 44 100-0,053 0 0 31 40 0 - - 55 75 25. November PFOS 2015 Knerr 0,025Schmitt 44 tectraa TU 100 -Kaiserslautern 0,014 - - 17 28 0,025 - - 30 16 19 50
Stoffflusssimulation Ergebnis Mittlere Gewässerkonzentration für jeden der modellierten Gewässerabschnitte Flächendeckende Darstellung der Stoffkonzentrationen (Belastungskarte) Substanzspezifisch Mittlerer Abfluss (MQ) Mittlerer Niedrigwasserabfluss (MNQ) 1.000 Konzentrationswerte pro Substanz und Abfluss Risikobewertung? Konzentrationskarte 17 23
Risikobewertung Methodik Risikoquotient (RQ) = simulierte Gewässerkonzentration (PEC) Qualitätskriterium Konzentrations- bzw. substanzbezogene Risikobewertung für jeden Gewässerabschnitt Qualitätsziel: Vorbeugung chronischer Schädigung der Gewässerorgansimen PEC wird dem Qualitätskriterium für das Jahresmittel (JD-UQN) bei MQ bzw. MNQ gegenübergestellt RQ < 1: Qualitätskriterium unterschritten RQ > 1: Qualitätskriterium nicht eingehalten 18 23
RisikobewertungQualitätskriterien/ Referenzsubstanzen Kategorie Substanz Abkürzung PNEC Arzneimittel/ Pestizide Diagnostika [µg/l] AA-EQS* [µg/l] GOW*** [µg/l] Amidotrizoesäure DIATR 0,01 1,0 Bezafibrat BZF 0,46 Carbamazepin CBZ 0,5 0,5 0,3 Diclofenac DCF 0,1 0,05 0,3 Metoprolol MTP 8,0 64 Sulfamethoxazol SMX 0,60 Carbendazim CBD 0,34 Diuron DRN 0,02 0,2 Glyphosat GPS 108 Isoproturon IPT 0,32 0,3 WRRL [µg/l] Mecoprop MCP 0,1** Terbutryn TBT 0,065 0,065 Diethyltoluamid DEET 41 Perfluoroctansulfonat PFOS 0,23 0,00065 *ökotoxzentrum(2013), ** OGewV(2011), *** UBA (2014) 19 23
Risikobewertung Bewertungsskala Risikoquotient Farbeinteilung Risikoquotient Bewertung Einhaltung Qualitätsziel 0 Keine Belastung, da in diesem Abschnitt keine Einleitung bzw. kein Eintragspfad Kriterium eingehalten RQ < 1,0 Maximal einfaches Qualitätskriterium 1,0 RQ < 2,0 Maximal zweifaches Qualitätskriterium Kriterium nicht eingehalten 2,0 RQ < 4,0 Maximal vierfaches Qualitätskriterium 4,0 RQ < 10 Maximal zehnfaches Qualitätskriterium RQ 10 Mehr als zehnfaches Qualitätskriterium 20 23
Risikobewertung Bewertungsskala Risikoquotient Risikoquotient Bewertung Einhaltung Qualitätsziel 0 Keine Belastung, da in diesem Abschnitt keine Einleitung bzw. kein Eintragspfad Kriterium eingehalten RQ < 1,0 Maximal einfaches Qualitätskriterium 1,0 RQ < 2,0 Maximal zweifaches Qualitätskriterium Farbeinteilung Risikoquotientenkarte 2,0 RQ < 4,0 Maximal vierfaches Qualitätskriterium Kriterium nicht eingehalten 4,0 RQ < 10 Maximal zehnfaches Qualitätskriterium RQ 10 Mehr als zehnfaches Qualitätskriterium 21 23
Betrachtung und AnalyseSzenarien Szenario Betrachteter Faktor Beschreibung Sz 1 Status Quo Vorhandene Belastungssituation Sz 2 Demographie Zukünftige Belastungssituation Sz 3 Erweiterung Kläranlagen um 4. Reinigungsstufe a) GK 5 (> 100.000 EW) Ausbau von 2 Kläranlagen b) GK 4 und 5 (> 10.000 EW) Ausbau von insgesamt 36 Kläranlagen Sz 4 c) Kläranlagen mit hoher Abwasserlast Ausbau von 10 ausgewählten Kläranlagen Änderung der Randbedingungen a) Krankenhäuser/ Kliniken Vorbehandlung b) Sensibilisierung Nutzerverhalten c) Landwirtschaft Gesetzgeber Sz5 Kombination 22 23
Vielen Dank für die Förderung Co-Autoren und für ihre Aufmerksamkeit! Dr.-Ing. Henning Knerr- henning.knerr@bauing.uni-kl.de Prof. Dr.-Ing. Theo G. Schmitt - theo.schmitt@bauing.uni-kl.de 23 23