Mikroplastik-Probenahme in Misch- und Trennsystemen - Ziele, Herausforderungen und Konzeption
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Mikroplastik-Probenahme in Misch- und Trennsystemen – Ziele, Herausforderungen und Konzeption Webinar #12: Herausforderungen bei der Messung von Mikroplastik im Regen- und Mischwasser 28. Februar 2022 Dr.-Ing. Christian Scheid Christian.scheid@bauing.uni-kl.de Attaallah Abusafia M.Sc. attaallah.abusafia@bauing.uni-kl.de Prof. Dr.-Ing. Heidrun Steinmetz heidrun.steinmetz@bauing.uni-kl.de
Verbundpartner Repräsentative Untersuchungsstrategien für ein integratives Systemverständnis von spezifischen Einträgen von Kunststoffen in die Umwelt (RUSEKU) Förderkennzeichen 02WPL1442A
Zielsetzung
Erkenntnisgewinne zu MP im realen urbanen Abwassersystem
• MP Aufkommen: Mengen und Bedeutung von MP in verschiedenen Eintragspfaden
• Relevanz und Eigenschaften von MP-Fraktionen in den unterschiedlichen Abwasserteilströmen
• Erkenntnisgewinn zu Gesamtaufkommen und Heterogenität von MP
• Transportprozesse und Emissionen von MP
Empfehlungen
• MP Probenahmestrategien für das reale Abwassersystem
• Eignungsbewertungen „etablierter“ abwassertechnischer Probenahmeverfahren:
• Fokus: Randbedingungen Probenahmestellen, Aufkommensdynamik, Matrixeffekte, …
• Modifikationsbedarf (vgl. Dynamik und Matrixeffekte) und Fehlerabschätzung
• Vergleichbarkeit & Routinefähigkeit von PN-Strategien im siedlungswasserwirtschaftlichen System
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Webinar #12: Herausforderungen bei der Messung von Mikroplastik im Regen- und Mischwasser | C. Scheid
MP Probenahme: Herausforderungen
Heterogene Substanz … in komplexem Medium … unter suboptimalen Randbedingungen“
Mikroplastik Abwasser Probenahmestelle
Art
Größe
Dichte
Menge
Bild: BAM
Form Form
▪ Partikelvielfalt ▪ Mehrphasengemisch ▪ Hydraulische Randbedingungen
▪ Heterogenes physikalisches (Wasser – Feststoffe – Luft) (Gefälle, Nennweiten, Tiefen, etc.)
Verhalten (flotierend bis ▪ Verschiedene Teilströme/ ▪ Betriebliche Randbedingungen
sedimentierend) Stoffmatrices als Störgrößen (Verkehr, Strom, Wasser, etc.)
▪ Schwankender, ▪ Technische Ausstattung
diskontinuierlicher Anfall ▪ Zugänglichkeit und Platzbedarf
(Tagesgang, Regenwetter)
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Webinar #12: Herausforderungen bei der Messung von Mikroplastik im Regen- und Mischwasser | C. Scheid
Datenpool der Probenahme „reales Umweltkompartiment“
DOMESTIC AND INDUSTRIAL WASTEWATER PRECIPITATION
INDUSTRIAL DOMESTIC
Grey water Black water
D Paved surfaces
2x PW 9x GW SW Paved Roads
Street inlets S1 S2 Street inlets with
decentralized
stormwater
treatment
Wastewater sewer
Combined sewer Stormwater sewer
5x Inflow WWTP
KZ
M R
RW: 9x
RÜB / RÜ Combined RKB / RBF
WWTP
TW: 10x wastewater (Sed.: 1x)
10x Outflow WWTP OT
RW: 7x MW RE
RECEIVING WATERS
Sampling locations : active sampling points inactive sampling points
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Webinar #12: Herausforderungen bei der Messung von Mikroplastik im Regen- und Mischwasser | C. Scheid
Datenpool der Probenahme „reales Umweltkompartiment“
Probenahmestelle Entwässerungs- Abwasserart Probentyp Proben- Probenvolumen
system anzahl [L]
Trockenwetterfall
Kläranlage,
Mischsystem Trockenwetterabfluss 24h-Mischproben 5 25
Zulauf Sandfang
Kläranlage, 4h-Mischproben 4 1000
Mischsystem Trockenwetterabfluss
Ablauf Nachklärbecken Langzeitprobe (SSF UBA) 6 75 - 125 103
Grauwasser Stichprobe
Pioniersiedlung Reinighof Trennsystem 2 15-20
(häusliches Schmutzwasser) 24h-Mischprobe
Studierendenwohnheim Grauwasser Stichprobe
Trennsystem 7 15-20
Umwelt-Campus Birkenfeld (häusliches Schmutzwasser) 24h-Mischprobe
MW-Anschlusskanal
Mischsystem betriebliches Schmutzwasser Stichproben 2 15-20
Industriebetrieb
Regenrückhaltebecken Trockenwetterabfluss
Mischsystem 12h-Mischprobe 10 22-25
(KL, Uni-Wohngebiet) (häusliches Schmutzwasser)
Regenwetterfall
Regenrückhaltebecken Mischproben
Mischsystem Mischwasser 7 1000
(KL, Uni-Wohngebiet) (vollständige Regenereignisse)
Regenrückhaltebecken Mischproben
Trennsystem Regenwasserabfluss 9 1000
(KL-Hohenecken) (vollständige Regenereignisse)
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Webinar #12: Herausforderungen bei der Messung von Mikroplastik im Regen- und Mischwasser | C. Scheid
Probenahme und -vorbereitung
In situ Labor
Probenahmebehälter
Vakuumfiltration
(10 und 5 µm)
Thermische
Filtration Sterilisation Trocknung Detektion
(1000-500-100-50 µm) TED-GC-MS
Probenahmestelle
Automatische
Probenehmer
Mischproben
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Webinar #12: Herausforderungen bei der Messung von Mikroplastik im Regen- und Mischwasser | C. Scheid
Probenahme-Konzeption: Regenwetterabfluss (Trennsystem)
Juli 2020 - März 2021 (9 Proben)
- ereignisbasiert / volumen-proportional / vollautomatisch
- Vollständige Beprobung mehrerer Regenereignisse (1-3) Regenrück-
haltebecken
- Festlegung der PN-Parameter anhand von
gemessenen Niederschlagsmengen und Durchflüssen
• AE,k = 16.93 ha
- Bis 1000 L Probenvolumen, durchschnittlich: 355 L (n=9)
• AE,b = 6.67 ha
- AFS 165 mg/l (n=9) • RW-Kanal (TS)
- GV (Anteil Organik)
- 500-1000 µm → 64%
- 100-500 µm → 28%
- 50-100 µm → 26%
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Webinar #12: Herausforderungen bei der Messung von Mikroplastik im Regen- und Mischwasser | C. Scheid
Probenahme-Konzeption: Regenwetterabfluss (Trennsystem)
Probenahme-Parameter
P0 Witterungsbedingungen (Regen?)
P1 PN-Dauer nach Regenende [min]
P2 Füllvolumen des Sammelbehälters
P3 Echtzeit-Durchfluss Zulaufkanal [L/s]
P4 Volumen Einzelprobe (shot) [L]
P5 Dauer Einzelprobe (shot) [s]
P6 Volumenintervall pro Schaltsignal [m 3]
Randbedingungen
Source:
https://www.istockphoto. Zeitinkrement Durchflussmessung 1 min
com/
Max. Pumpenleistung 1.3 L/s
Volumen Sammelbehälter 1120 L
Dauer Einzelprobe (shot) 30 s (15 – 60 s)
PN-Dauer nach Regenende 45 min
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Webinar #12: Herausforderungen bei der Messung von Mikroplastik im Regen- und Mischwasser | C. Scheid
Probenahme Regenwetterabfluss (Trennsystem): Ergebnisse
• 9 Abflussproben mit MP-
Analytik sind ausgewertet
• Polyethylen (PE) in allen
Proben mit den anteilig
höchsten Konzentrationen
nachgewiesen
(i. M. 44-249 µg/L)
• SBR Konzentrationen mit
starker Abhängigkeit von der
Anzahl der Trockenwettertage
(i. M. 9-88 µg/L)
• Spuren von PP und PS
nachgewiesen, PET und
Acrylate < Nachweisgrenze
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Webinar #12: Herausforderungen bei der Messung von Mikroplastik im Regen- und Mischwasser | C. ScheidProbenahme-Konzeption: Regenwetterabfluss (Mischsystem)
Juni - August 2021 (7 Proben) • 4500 Einwohner Ablauf
Regenrück-
• AE,k = 76.2 ha
- Ablaufschacht RRB (Carl-Euler-Straße) haltebecken
• AE,b = 32.8 ha
Gehwegbereich, geringes Verkehrsaufkommen
• MW-Kanal
- Kanalnennweite DN 800 (IS = 5,5 ‰),
Gerader Haltungsverlauf (Beruhigungsstrecke)
- Edelstahl-Tauchpumpe, 12 cm über Kanalsohle
- Volumen-proportionale Probenahme (20-40 m³),
Durchschnittliches Probenvolumen 840 L Bilder: STE Kaiserslautern
- AFS 197 mg/l (n=8) 74 cm
(970 l/s)
- GV (Anteil Organik)
- 500-1000 µm → 87% → MP-Analytik RW: 24 cm
steht noch aus 200 l/s
TW: 7 cm!
- 100-500 µm → 64% 17 l/s
- 50-100 µm → 57%
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Webinar #12: Herausforderungen bei der Messung von Mikroplastik im Regen- und Mischwasser | C. ScheidProbenahme-Konzeption: Regenwetterabfluss (Mischsystem)
Abgrenzung: Probenahme bei Trockenwetter
8 Proben als 12h-Mischprobe (30 min-Intervalle, 24 Teilproben), Fremdwasser-Abzug
→ Hochrechnung auf MP-Tagesfracht / Einwohner
40
Datum Zeit Qist ∑Qinterval V Sample ∑V Sample Kommentar
YYYY-MM-DD hh:mm:ss l/s m3 l l - 35
2021-01-18 05:30:00 0 0 0 0
Echtzeit- 2021-01-18 06:00:00 10,3 18,50 1,2 1,2 30
Durchflussmessung 2021-01-18
2021-01-18
06:30:00
07:00:00
10,3
12,1
18,50
21,86
1,2
1,4
2,4
3,8
25
Abfluss [l/s]
2021-01-18 07:30:00 12,1 21,86 1,4 5,2
2021-01-18 08:00:00 12,6 22,59 1,5 6,7
20
2021-01-18 08:30:00 12,6 22,59 1,5 8,2
2021-01-18 09:00:00 11,9 21,45 1,4 9,6
Volumen
15
2021-01-18 09:30:00 11,9 21,45 1,4 11,0
2021-01-18 10:00:00 10,7 19,23 1,3 12,3
Teilprobe 2021-01-18 10:30:00 10,7 19,23 1,3 13,6 10
2021-01-18 11:00:00 9,8 17,68 1,2 14,8
2021-01-18 11:30:00 9,8 17,68 1,2 16,0 5
2021-01-18 12:00:00 9,8 17,58 1,2 17,2
2021-01-18 12:30:00 9,8 17,58 1,2 18,4 0
2021-01-18 13:00:00 8,9 15,95 1,1 19,5 00:00:00 04:00:00 08:00:00 12:00:00 16:00:00 20:00:00 00:00:00
2021-01-18 13:30:00 8,9 15,95 1,1 20,6
2021-01-18 14:00:00 8,3 14,99 1,0 21,6
2021-01-18 14:30:00 8,3 14,99 1,0 22,6
2021-01-18 15:00:00 8,3 14,86 1,0 23,6
2021-01-18 15:30:00 8,3 14,86 1,0 24,6 Durchflussmessung beim Trockenwetter von
2021-01-18
2021-01-18
16:00:00
16:30:00
8,9
8,9
15,96
15,96
1,1
1,1
25,7
26,8
Mai bis Dez 2019 und von Jul 2020 bis Aug 2021,
2021-01-18
2021-01-18
17:00:00
17:30:00
9,7
9,7
17,39
17,39
1,2
1,2
28,0
29,2
RRB Carl-Euler-Str.
2021-01-18 18:00:00 10,2 18,32 1,2 30,4
2021-01-18 18:30:00 10,2 18,32
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Webinar #12: Herausforderungen bei der Messung von Mikroplastik im Regen-1,2und 31,6
Mischwasser | C. Scheid
2021-01-18 19:00:00 0,0 0,00 0,0 31,6Fazit
▪ Probenahme/ Probenaufbereitung: allgemein
▪ Planungs- und zeitintensive Aufgabe (zuletzt ca. 1 Woche pro Probe)
▪ Schwierige, fallspezifische Randbedingungen, große Unsicherheiten, diverse Störgrößen/-einflüsse
▪ Regenwasserabfluss Trennsystem
▪ Fallspezifisch: ca. 430 g MP /ha (n=9)
▪ 1,9 % (± 0,3) der abfiltrierbaren Stoffe (5-1000 µm) ist Mikroplastik
▪ PE ist das am häufigsten vorkommende Polymer
▪ SBR ist stark abhängig von Akkumulationsphase (Anzahl der Trockenwettertage) vor Regen
▪ Regenwasserabfluss Mischsystem
▪ Eine automatisierte PN ist möglich trotz ausgeprägter Abwassermatrix im Trockenwetterabfluss,
Probenaufbereitung aufwändiger als im Trennsystem
▪ Grobe Quantifizierung der MP-Emissionen aus urbanen Oberflächen anhand
Fremdwasserberechnung und Probenahme im Trockenwetterfall möglich
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Webinar #12: Herausforderungen bei der Messung von Mikroplastik im Regen- und Mischwasser | C. ScheidMikroplastik-Probenahme in Misch- und Trennsystemen
– Ziele, Herausforderungen und Konzeption
Webinar #12: Herausforderungen bei der Messung
von Mikroplastik im Regen- und Mischwasser
28. Februar 2022
Publikationen
Abusafia A.; Scheid C.; Meurer, M.; Altmann K.; Braun U.; Bannick C.; Dittmer U.; and Steinmetz H
Dr.-Ing. Christian Scheid (2021): Sampling Strategies of Microplastic in Stormwater Runoff from Separate Drainage Systems.
Christian.scheid@bauing.uni-kl.de Präsentation und Tagungsband im Rahmen der 17th International Conference on Environmental Science
and Technology. Athens, Greece, 1-4 September 2021.
Attaallah Abusafia M.Sc. Altmann, K.; Braun, U.; Heller, C.; Fuchs, M.; Scheid, C.; Abusafia, A.; Steinmetz, H.; Heymann, S.; Ricking,
M.; Kerndorff, A. “Untersuchungsverfahren von Mikroplastikgehalten im Wasser für Praxis und
attaallah.abusafia@bauing.uni-kl.de Wissenschaft“. Artikel aus: KW Korrespondenz Wasserwirtschaft, Jg.14, Nr. 3, 2021, S. 147-152, ISSN:
1865-9926 DOI: 10.3243/kwe2021.03.002
Prof. Dr.-Ing. Heidrun Steinmetz Abusafia, A.; Scheid, C.; Steinmetz, H. (2019): Sampling Strategies of Microplastics in Urban Water
heidrun.steinmetz@bauing.uni-kl.de Drainage Systems. Präsentation und Tagungsband im Rahmen der 24th EJSW: Monitoring urban
drainage systems. La Bérarde (France), 20 - 25 May. (Presentation and proceedings)Sie können auch lesen
