Mikroschadstoffe Handlungsbedarf und Perspektiven Einsatz der Membrantechnik zur Elimination von Mikropartikeln, Mikroschadstoffen und Keimen Essen - 12.04.2016 Dr. Viktor Mertsch - MKULNV
Mikroschadstoffe entfernenwarum? 50 Millionen organischen chemischen Verbindungen 5.000 Substanzen als potenziell umweltrelevant (Rat von Sachverständigen für Umweltfragen) Aufgrund verbesserter Analytik Nachweis in immer geringeren Konzentrationen (z.b. Arzneimittelwirkstoffe) In der industrialisierten Welt ist der Einsatz von anthropogenen Stoffen unverzichtbar!
Unsichtbare Gefahr für die Umwelt: Mikroplastik in Kosmetik Gefahr für Meerestiere und Vögel Insbesondere in Gewässern ist das ein großes Problem. Schon heute schwimmen dort unfassbare Mengen an kleinsten Plastikpartikeln. Allein der Rhein schwemmt im Durchschnitt täglich eine Fracht von 191 Millionen Plastikteilchen in Richtung Nordsee, wie Wissenschaftler herausfanden. In den Ozeanen der Erde treiben insgesamt bereits geschätzte fünf Billionen Tonnen Kunststoffpartikel und jedes Jahr kommen acht Millionen Tonnen hinzu. Im Wasser wirken die kleinen Plastikteilchen wie Magnete auf schädliche Umweltgifte und werden auch von Tieren gefressen. Wissenschaftler haben Mikroplastik bereits in Seehunden, Fischen und Muscheln nachgewiesen. Die Folgen können für die Tiere fatal sein
Multiresistente Keime Verbreiten sich multiresistente Keime über Abwässer? BMBF fördert Verbundprojekt zu klinisch relevanten antibiotikaresistenten Bakterien Antibiotikaresistente Darmbakterien werden über Toiletten und Kläranlagen in die Umwelt eingetragen. Einige von ihnen überleben dort, vermehren sich oder übertragen sogar ihre Resistenzgene auf andere Mikroorganismen. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass Menschen zum Beispiel über den Kontakt mit Oberflächengewässern mit diesen Bakterien besiedelt werden.
Besondere Relevanz der Mikroschadstoffe in NRW Trinkwassergewinnung an Rhein und Ruhr aus Uferfiltrat Hohe Industriedichte Hohe Besiedlungsdichte Hoher Versiegelungsgrad Handlungsbedarf (u.a. PFT, TOSU, Sulfolan) Maßnahmen zum Schutz von Mensch und Natur erforderlich! Maßnahmen zum Schutz des Trinkwassers Maßnahmen zur Erreichung einer guten ökologischen und chemischen Gewässerqualität
Hoher industrieller Abwasseranteil IED Anlagen Deutschland 9000 IED Anlagen Baden-Württemberg 1036 IED ANLAGEN NRW 3000 IED Anlagen Rheinlad-Pfalz 700
Abwasseranteil im Gewässer > 1/3 MNQ
Besondere Relevanz NRW - Trinkwassergewinnung und Abwasserbehandlung im Ruhreinzugsgebiet Soest WW Echthausen, Wickede Brilon-Scharfenberg Dortmund Bochum WW Hengstey WW Möhnebogen Duisburg Mülheim Essen WW Stiepel WW Überruhr Arnsberg WW Stockhausen WW Essen-Kettwig WW Mengesohl Wasserwerke Kläranlagen Städte
Programm Reine Ruhr Strategie zur Minimierung von Mikroschadstoffen Überwachung Früherkennung & Risikobewertung Handlungsplan unter Berücksichtigung Kosten/ Wirkungsanalyse Forschung Risikokommunikation & Ergreifen von Maßnahmen (Verursacher-/ Verhältnismäßigkeitsprinzip
4. Monitoringergebnisse (2009 2011) TOP 25 ( ungeregelte Stoffe) Stoffname Probengut % Gewässerlänge bewertet Überschreitung (%) Cadmium Schwebstoff 11,2 79,6 Iopamidol Wasser 11,5 75,9 Titan Wasser 15,3 53,5 Pyren Wasser 12,9 49,9 Diclofenac Wasser 27,1 46,3 Benzo(a)anthracen Wasser 13,2 45,0 Clarithromycin Wasser 25,1 42,7 Perfluoroktansulfonsäure Biota 8,5 41,1 Ibuprofen Wasser 26,9 39,1 Tributylzinn-Kation Schwebstoff 9,1 35,6 PAK, gesamt Wasser 1,6 31,7 Sulfamethoxazol Wasser 26,1 30,7 Blei Schwebstoff 11,3 30,0 Zink Wasser 91,9 29,8 Monobutylzinn-Kation Wasser 7,9 27,9 Sotalol Wasser 25,8 26,4 Sulfolan Wasser 0,5 26,2 Barium Wasser 92,7 25,5 Erythromycin Wasser 13,7 25,1 Kupfer Wasser 79,7 22,8 Summe aus PFOA und PFOS Wasser 0,7 18,5 Glyphosat Wasser 16,9 16,9 Bor Wasser 90,8 14,5 Perfluoroctansäure Wasser 2,9 12,7 Kobalt Wasser 79,9 12,6 (Stand 18.2.2013)
Mikroschadstoffe im Abwasser Überschreitung von PNEC-Werten Antibiotika - Sulfamethozol- 10 fach Antiepileptika - Carbamazepin- 3 fach Betablocker - Metropolol- 0,5 fach Schmerzmittel Diclofenac- 20 fach Weitere Substanzen (wechselnde Konzentrationen): Korrosionsschutzmittel Benzotriazol Biozide Weichmacher etc. Generelle Zielsetzung in NRW: im Gewässer < 100 ng/ l ( Programm reine Ruhr)
Ergebnisse der chemischen Überwachung der Oberflächengewässer Überschreitungen von Meldeschwellen im Hinblick auf den Schutz der aquatischen Biozönose und den Schutz des Trinkwassers im 4. Quartal 2015
Überwachung Tabelle 3: Über- bzw. Unterschreitungen von ACP Ober- und Untergrenzen sowie Überschreitung des 4-fachen des Orientierungswertes für ACP, Nährstoffe und rechtlich ungeregelte Stoffe im 4. Quartal 2015 (vgl. Anhang 1b) Stoffgruppe Stoff Arbeitsgebiete ACP Aromaten und Phenole Arzneistoffe und Metaboliten Kontrastmittel Ammonium-Stickstoff Chlorid Gesamtphosphat-Phosphor Sauerstoff Nitrobenzol 4-Acetamidoantipyrin 4-Formylaminoantipyrin 10,11-Dihydro-10,11- dihydroxycarbamazepin Bezafibrat Candesartan Carbamazepin Desfenlafaxin Hydrochlorid Diclofenac Furosemid Gabapentin Ibuprofen Metformin Tramadol Valsartan Amidotrizoesaeure Iomeprol Iopamidol Iopromid Emscher, Erft, Ijsselmeerzuflüsse NRW, Sieg Emscher Ems NRW, Emscher, Erft, Ijsselmeerzuflüsse NRW, Lippe, Niers, Rheingraben-Nord, Sieg, Weser NRW Emscher, Lippe Rheingraben-Nord Ems NRW, Emscher, Ijsselmeerzuflüsse NRW, Niers, Ruhr, Sieg, Weser NRW Ems NRW, Emscher, Erft, Ijsselmeerzuflüsse NRW, Niers, Sieg, Weser NRW Ems NRW, Emscher, Ijsselmeerzuflüsse NRW, Niers, Sieg, Weser NRW Emscher Ems NRW, Emscher, Ijsselmeerzuflüsse NRW, Niers, Sieg, Weser NRW Erft Ems NRW, Ijsselmeerzuflüsse NRW, Niers, Weser NRW Ems NRW, Emscher, Erft, Ijsselmeerzuflüsse NRW, Niers, Sieg, Weser NRW Ems NRW, Emscher Eder NRW, Ems NRW, Emscher, Erft, Ijsselmeerzuflüsse NRW, Niers, Ruhr, Sieg, Weser NRW, Wupper Ems NRW, Emscher, Ijsselmeerzuflüsse NRW, Niers, Sieg, Weser NRW Ems NRW, Emscher, Ijsselmeerzuflüsse NRW, Niers, Rheingraben-Nord, Ruhr, Sieg, Weser NRW Ems NRW, Weser NRW Ems NRW, Emscher, Erft, Ijsselmeerzuflüsse NRW, Sieg, Weser NRW Ems NRW, Emscher, Erft, Ijsselmeerzuflüsse NRW, Lippe, Ruhr, Rur, Schwalm, Sieg, Weser NRW, Wupper Eder NRW, Ems NRW, Emscher, Lippe, Ruhr, Sieg, Weser NRW Ems NRW, Emscher, Ijsselmeerzuflüsse NRW, Ruhr, Rur, Sieg, Weser NRW Emscher, Ijsselmeerzuflüsse NRW, Lippe, Rur
4. Diclofenac (Projekt Stoffflussmodellierung) Basis: MNQ!
RISIKOABSCHÄTZUNG FÜR 6 MIKROVERUNREINIGUNGEN (AN DEN 650 KA-EINLEITSTELLEN IM GEWÄSSER) Verteilung der Zustandsklassen über alle 650 Einleitstellen An rund 35% aller Einleitstellen überschreiten Carbamazepin, Clarithromycin, Sulfamethoxazol und Diclofenac die wirkungsbasierten Qualitätskriterien. Die Trinkwasservorsorgewerte sind teilweise noch niedriger als die wirkungsbasierten Qualitätskriterien, was in den betroffenen trinkwasserrelevanten Gewässern einen noch höheren Handlungsdruck ergibt. Eintrag von Arzneimitteln in NRW 18
Zielwert < 100 ng/l
Mikroschadstoffe Wirkung: Ökologie der Gewässer Makrozoobenthos Fischfauna Makrophyten - Diatomeen Phytobenthos
Wirkungen von Mikroschadstoffen
Wirkungen von Mikroschadstoffen
Programm reine Ruhr - Herstellungs- und Anwendungsverbote. Dies geschieht auf europäischer Ebene, Beispiel PFOS. - Informations- und Aufklärungsarbeit. Für viele Stoffe kann eine Reduzierung der Umweltbelastung durch maßvollen Einsatz, korrekte Anwendung und richtige Entsorgung erreicht werden. -Maßnahmen an der Quelle bei Gewerbe- und Industriebetrieben. Dies ist beispielsweise bei PFT gelungen. - verbesserte Reinigungsleistung der Kläranlagen notwendig. Grundsätzlich ist festzustellen, dass nur dadurch die Erreichung eines guten ökologischen Zustands der Gewässer, den wir in NRW derzeit zu 90 % verfehlen, möglich ist. Wenn ökotoxikologisch relevante Mikroschadstoffkonzentrationen durch kommunale Kläranlagen in Gewässer eingeleitet werden, kann kein guter ökologischer Zustand erreicht werden.
Strategie Reine Ruhr / Beispiel Gemessene TOSU-Werte ab dem Jahr 2008: Risikomanagement und Bewertungsstrategie Einstufung nach dem Bewertungssystem Reine Ruhr. Toxikologische Bewertung: Das beauftragte Gutachten erbrachte keine Hinweise, dass TOSU im menschlichen Körper langfristig verbleibt oder sich in einem Teil des Körpers so anreichern könnte. Die Trinkwasserkommission des Bundesministeriums für Gesundheit hat in einer Stellungnahme vom 20.06.2008 den gesundheitlichen Orientierungswert (GOW) des Umweltbundesamtes vom 14. März 2008 für TOSU in Höhe von 0,3 Mikrogramm pro Liter bestätigt. Als langfristigen Zielwert, der allein aus Vorsorgegründen anzustreben ist (VWa), empfiehlt die Trinkwasserkommission für TOSU einen Wert in Höhe von 0,1 Mikrogramm pro Liter, der durch weitere Optimierungsmaßnahmen erreicht werden soll. Maßnahme an der Quelle: Umgehend nach vorliegender Bewertung hat das einzige einleitende Unternehmen eine Umkehrosmose-Anlage zur Aufbereitung seines Abwassers in Betrieb genommen. Auf Drängen des Umweltministeriums wurde die Maßnahme so ausgerichtet, dass der GOW und langfristig der VWa im Gewässer eingehalten wird. Ergebnis: siehe Entwicklung der Trinkwasser Konzentrationen (Abbildung >>> ). Strategie Reine Ruhr Beispiel: TOSU-Befunde im Trinkwasser im Jahr 2008 Bewertung im März 2008 Daraufhin war ein umgehendes Eingreifen möglich und Bemessung der Maßnahmen am Vorsorgewert (im Gewässer) konnte erfolgreich umgesetzt werden!
Fa Perstorp: Tosu - Umkehrosmose
Fa. Humbert: Vakuumverdampfer
Fa. Humpert: Ionenaustauscherkreislaufanlage 1 /2 mit integriertem Aktivkohlefilter
Maßnahmen an der Quelle
Kläranlage für Krankenhausabwasser (Marienhospital Gelsenkirchen) 650 Betten 70.000 Patienten pro Jahr Frischwasserbezug: 60.000 m³/a - MBR + O3/PAC - ca. 1.600 EW (N ges ) - ca. 3.100 EW (BSB 5 ) - Q max : 20 m 3 /h - t ts = 25 d inkl. Denitr. - Ozondosis 5-20 mg/l - A-Kohle: 10 20 mg/l Invest.: ca. 1,6 Mio. Förderung 50% EU Inbetriebnahme: Ende 2010 verschiedene Verfahrenskombination Vorzugsvariante: - 100% über A-Kohle - Rezirkulation über Ozonstufe je nach hydraul. Kapazität MBR
Reinigungsziel 80% Reinigungsleistung in der Gesamtanlage Minimum 4 Substanzen aus Kategorie 1 und 2 aus Kategorie 2 Individuelles Ziel: CSB, P, N
Aktivkohle (GAK) - AOL vorher nachher Bild: AOL 12.05.2016 Erste Betriebserfahrungen mit dem Einsatz von granulierter Aktivkohle beim AOL 33
Aktivkohle (GAK) - AOL Befüllen mit Aktivkohle 3 Lieferungen pro Filterkammer AOL-Arbeitsaufwand: 1 Person á 3 Stunden pro Lieferung Bilder: Hydro-Ingenieure GmbH, Düsseldorf 12.05.2016 Erste Betriebserfahrungen mit dem Einsatz von granulierter Aktivkohle beim AOL 34
Aktivkohleadsorption Dülmen
Ozonung Duisburg
Vermeidung
I Wasserhaushaltsgesetz (WHG), 6 (Auszug) Die Gewässer sind nachhaltig zu bewirtschaften, insbesondere mit dem Ziel, 1. ihre Funktions- und Leistungsfähigkeit als Bestandteil des Naturhaushalts und als Lebensraum für Tiere und Pflanzen zu erhalten und zu verbessern, insbesondere durch Schutz vor nachteiligen Veränderungen von Gewässereigenschaften, 3. sie zum Wohl der Allgemeinheit und im Einklang mit ihm auch im Interesse Einzelner zu nutzen, 4. bestehende oder künftige Nutzungsmöglichkeiten insbesondere für die öffentliche Wasserversorgung zu erhalten oder zu schaffen, 7. zum Schutz der Meeresumwelt beizutragen. 8
Es gilt der sog. kombinierte Ansatz (Art. 10 WRRL) Emissionsanforderungen Anforderungen an Gewässereigenschaften Sie erfassen: Entstehung von Einträgen Abwasseranlagen Verhaltensbezogene Standards Sie sind ausgerichtet auf: Qualitätskomponenten für den ökologischen Zustand Umweltqualitätsnormen für den chemischen Zustand bestimmte Nutzungen wie die Trinkwassergewinnung wasserkörperscharfe Prüfung
Umsetzung WRRL Hier: Gewässerbelastung mit Mikroschadstoffen Erlass vom 21.03.2013 (Az.: IV-7 042 0A6) Die Ergebnisse des 2. Monitoringzyklus bilden die Grundlage für das bis 2015 gemäß WRRL zu erstellende behördenverbindliche Maßnahmenprogramm. Vor diesem Hintergrund empfiehlt es sich, frühzeitig mit Emittenten in die Maßnahmendiskussion einzusteigen. Bei der Erteilung neuer Einleitungserlaubnisse müssen heute bereits die vorliegenden Monitoringergebnisse Berücksichtigung finden. Sofern Kläranlagen mitursächlich sind für problematische Belastungen der Oberflächengewässer mit Mikroschadstoffen, ist grundsätzlich zu prüfen, welche Minderungsmaßnahmen ergriffen werden können. Dies trifft insbesondere bei der Neuerteilung von Einleitungserlaubnissen zu und kann ggf. auch eine Begrenzung einzelner Mikroschadstoffe in der Einleitungserlaubnis zur Folge haben.
Planung
Förderung : Ertüchtigung kommunaler Kläranlagen: Elimination von gefährlichen Stoffen und Mikroschadstoffen: bis zu 70 % der Investitionskosten Elimination von Keimen/ Hygienisierung: bis zu 40% der Investitionskosten Machbarkeitsstudien kommunaler Kläranlagen: bis zu 80% der zuwendungsfähigen Kosten
Spezifische Jahreskosten je m³ Frischwasser für die Verfahren mit Aktivkohle und Abwasserozonierung 0,70 spezifische Jahreskosten netto [ /m³ Frischwasser] 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 y = 30,645x -0,456 R² = 0,7761 y = 10,981x -0,403 R² = 0,9655 0,00 1.000 10.000 100.000 1.000.000 angeschlossene Einwohnerwerte [EW] PAK Anlagen NRW O3 Duisburg-Vierlinden BaWü PAK Mannheim Schweiz O3 Regensdorf GAK KA Obere Lutter Pot.(Ozonanlagen) Ozonanlagen NRW O3 Bad Sassendorf BaWü PAK Böblingen Sindelfingen GAK KA Lage Pot.(PAK Anlagen) 44
Emissionsanforderungen?
Umweltministerkonferenz 2006 Beschluss 67. UMK Die Umweltministerkonferenz begrüßt, dass die Entwicklung von Technologien zur Elimination von Spurenschadstoffen und Arzneimitteln bei kommunalen Kläranlagen so weit vorangeschritten ist, dass die Verfahren jetzt in der Praxis erprobt werden können. Wie ist unser Kenntnisstand 10 Jahre später?
Vielen Dank für Ihr Aufmerksamkeit Kreiskrankenhaus Waldbröl Zentralklärwerk Detmold Quelle: Detmolder Abwasser GmbH Kläranlage Bad Sassendorf Klärwerkes Gütersloh-Putzhagen Quelle: Atemis GmbH Kläranlage Schwerte Quelle: RWTH Aachen Kläranlage Obere Lutter Quelle: EGLV Kläranlage Buchenhofen Quelle: Ruhrverband Kläranlage Duisburg Vierlinden Quelle: Abwasserverband Obere Lutter (AOL) Quelle: Wupperverband Quelle: WBD AöR, Grontmij
Auszug aus dem Gemeindeverzeichnis Bundesländer mit Hauptstädten nach Fläche und Bevölkerung auf Grundlage des ZENSUS 2011 und Bevölkerungsdichte Gebietsstand: 31.12.2013 Einwohner Land / Landeshauptstadt Fläche km 2 1) Einwohner je insgesamt männlich 2) weiblich 2) km 2 1 2 3 4 5 6 01 Schleswig-Holstein 15 799,66 2 815 955 1 371 993 1 443 962 178 02 Hamburg 755,30 1 746 342 847 783 898 559 2 312 03 Niedersachsen 47 614,07 7 790 559 3 821 814 3 968 745 164 04 Bremen 419,24 657 391 321 232 336 159 1 568 05 Nordrhein-Westfalen 34 110,26 17 571 856 8 559 607 9 012 249 515 06 Hessen 21 114,92 6 045 425 2 962 550 3 082 875 286 07 Rheinland-Pfalz 19 854,21 3 994 366 1 958 936 2 035 430 201 08 Baden-Württemberg 35 751,32 10 631 278 5 230 565 5 400 713 297 09 Bayern 70 550,19 12 604 244 6 197 163 6 407 081 179 10 Saarland 2 568,69 990 718 482 409 508 309 386 11 Berlin 891,68 3 421 829 1 669 853 1 751 976 3 838 12 Brandenburg 29 654,16 2 449 193 1 205 421 1 243 772 83 13 Mecklenburg-Vorpommern 23 212,05 1 596 505 786 333 810 172 69 14 Sachsen 18 420,15 4 046 385 1 979 188 2 067 197 220 15 Sachsen-Anhalt 20 451,58 2 244 577 1 098 568 1 146 009 110 16 Thüringen 16 172,56 2 160 840 1 063 664 1 097 176 134 Deutschland 357 340,04 80 767 463 39 557 079 41 210 384 226