Modellgestützte Spurenstoffbilanzierung - Planungsinstrument zur gezielten Reduktion der Spurenstoffeinträge in die Wupper - Wupperverband
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Modellgestützte Spurenstoffbilanzierung - Planungsinstrument zur gezielten Reduktion der Spurenstoffeinträge in die Wupper - Yannick Taudien Gebietsforum Wupper - 23 Mai 2019, Wuppertal
Inhalt (1) Motivation (2) Spurenstoffeinträge in Gewässer (3) Methodik am Beispiel Stoffflussmodell GREAT-ER (4) „Wupper-Spurenstoffmodell“ (5) Schlussfolgerungen 23.05.2019 Gebietsforum Wupper 2
Ausgangssituation und Motivation für Stoffflussmodellierung
Die Ausgangssituation der Spurenstoffthematik ist ...
Gewässermessungen zeigen Überschreitungen der „Orientierungswerte“
WRRL-Maßnahmenprogramm fordert Machbarkeitsstudien an Kläranlagen
Bereits viele großtechnische Anlagen zur Spurenstoffelimination in NRW
… aber unklar für die Planung ist auch ….
?
Welche Kläranlagen sollen ausgebaut werden? (Auswahlkriterium?)
?
Wie sind die Anlagen zu betreiben? (Reinigungsziel?) ?
Gibt es kostengünstigere Technologien für kleinere Anlagen? (Kosteneffizienz?) ?
?
? ?
Gibt es Synergien in Bezug auf andere Stoffe? (Nährstoffe, Mikroplastik, Keime?)
? ?
?
Stoffflussmodell als Grundlage der Entscheidungsfindung
?
23.05.2019 Gebietsforum Wupper 3
Welches Reinigungsziel ist aus Gewässersicht nötig ?
Die Ergebnisse aus Buchenhofen zeigen, dass die Kosten überproportional ansteigen
… wo liegt die beste Kosten/Nutzen-Effizienz aus Gewässersicht ?
3.000.000 €/a
Kosten der untersuchten Verfahren bei Vollausbau
Pulveraktivkohle-Dosierung
2.500.000 €/a Filtration über granulierte Aktivkohle (GAK)
Sandfilter+Filtration über GAK (nGAK)
2.000.000 €/a
Jahreskosten
90% = 1,5 Mio.€/a
1.500.000 €/a
1.000.000 €/a
500.000 €/a
75% = 0,6 Mio.€/a
0 €/a
70% 75% 80% 85% 90% 95%
Wirkungsgrad der Spurenstoffelimination
(bezogen auf Mittelwert für DCF,MET,CBZ,SMX,BTA)
23.05.2019 Gebietsforum Wupper 4
Bis zu welcher Anlagengröße ist Spurenstoffelimination sinnvoll ?
Kleine KA weisen überproportional hohe spezifische Behandlungskosten für Spurenstoffelimination auf ...
… liegen aber möglicherweise auch an Belastungsschwerpunkten … Kosten/Nutzen-Effizienz aus Gewässersicht ?
KA Dhünn
KA Marienheide
KA Wermelskirchen / KA Odenthal
KA Schwelm
KA Hückeswagen
KA Radevormwald
KA Burg
KA Kohlfurh
KA Buchenhofen
modifiziert nach Kompetenzzentrum Mikroschadstoffe NRW, 2016
23.05.2019 Gebietsforum Wupper 5
Spurenstoffe bilden einen „Chemikalien-Cocktail“
„anthropogene Spurenstoffe“
Industrie- Pestizide /
Pharmaka Sonstige
chemikalien PSM
Flammschutzmittel Antiepileptika Herbizide Körperpflege
Carbamazepin, … Glyphosat, Mecoprop,… Moschussduftstoffe, …
TCPP, TCEP, …
Antibiotika Fungizide Kosmetika
Komplexbildner Ciprofloxacin, Carbendazim, … Konservvierungsmittel, …
Sulfamethoxazol, …
Benzotriazol, EDTA, DTPA,
Insektizide Haushaltschemikalien
Antirheumatika
DEET , … Tenside, Aufheller,
Weichmacher/Phenole Diclofenac, …. Desinfektion, ….
Phtalate (DEHP), BPA, …
Lipidsenker Algizide Nahrungsergänzung
Bezafibrat, … Terbutryn, … Coffein, Acelsufam, …
Korrosionsschutzmittel
Oestrogene
Nonylphenol, …
17-alpha-Ethinylestradiol
17-beta-Estradiol
Tenside / Sonstige Diagnostika
PFT, PFOS … Amidotrizoesäure,
Iopamidol, …
Betablocker
Bild: transdisciplinarity.ch
Metoprolol, Sotalol …
23.05.2019 Gebietsforum Wupper 6
Warum hier Fokus auf Diclofenac?
Der JD-UQN-Vorschlagswert
für Diclofenac liegt bei 50 ng/L
Hier im Folgenden bezeichnet als
„Qualitätskriterium“
Etwa 75% der Messwerte an den LAWA-
Messstellen liegen über dem Qualitäts-
kriterium (UBA, 2018)
Diclofenac eignet sich daher als
sensitiver Indikator für eine Beurteilung
aus Gewässersicht der Ausbauszenarien
Neben Diclofenac sind auch andere
Substanzen relevant.
Quelle: UBA, 2018
23.05.2019 Gebietsforum Wupper 7
Viele Eintragspfade mit stoffspezifischen Einflüssen auf Emission
Beispiel Diclofenac
Oberflächen-
Industrie Haushalt Krankenhäuser Landwirtschaft
abfluss
z.B. PFT z.B. Arzneimittel z.B. RKM z.B. PAK z.B. PSM
•direkte Entsorgung Toilette
•Abspülung von der Haut
•Ausscheidungsrate
•Anteil Misch-/Trennkanal
Kanalnetz •Zustand (Leckagen, Fehlanschlüsse)
Werks- kommunale Entlastungs- Dränagen/Erosion/
Schadstellen Abfluss/Grundwasser
kläranlage Kläranlage bauwerke
•Abbaugrad Kläranlage •Anteil Schmutzwasser-
entlastung
Diffuse Quellen
Punktquellen
23.05.2019 Gebietsforum Wupper 8
Emissionsbilanzierung des Stoffeintrags in Gewässer
Was passiert im
Beispiel Diclofenac ca. 16% der verkauften Menge gelangen in das Gewässer
Gewässer ?
Diclofenac Voltaren
Diclofenac Retardkapseln
Diclofenac Heumann Gel
Verwendete Kennwerte Wert Quelle
therapietreue 80% (Türk et al, 2013)
direkte Entsorgung Toilette 16% (Götz und Keil, 2007)
Ausscheidungsrate 27% (Klasmeier, 2011)
Mischwasserentlastung 3% (Launay et al 2016)
Abbau in Kläranlage 26% (Abbelgen, 2012)
23.05.2019 Gebietsforum Wupper 9
Methodik Gewässerbilanzierung am Beispiel GREAT-ER
Emissionen Immission
LKA,Ab Lend
Indirekteinleiter Kläranlage
Haushalte
L end L0 exp(k HRT) Eigenschaften
LMW Abfluss
Substanzparameter Mischwasser- Fließgeschwindigkeit
Pro-Kopf-Verbrauch
2 km
überläufe Tiefe
Ausscheidungsrate Länge
Elimination …
Abspülrate LLW
…
Verlustprozesse
Flächeneintrag Abbau
Gebietsparameter
Einwohner Ausgasung
Flächennutzung Sedimentierung
Befestigte Fläche L0 …
…
23.05.2019 Gebietsforum Wupper 10Beispiel Stoffflussmodell der Nahe
Im Projekt Mikro_N (2012-2015)
wurden die Gesamtemissionen eines
Gewässereinzugsgebietes für ausgewählte
Mikroschadstoffe frachtbasiert ermittelt
Bilanzierung mittels Stoffflussmodel
GREAT-ER (Georeferenced Regional Exposure
Assessment Tool for European Rivers)
Untersuchung von drei Ausbauszenarien zur
Integration 4. Reinigungsstufen auf
kommunalen Kläranlagen
Bewertung der Kosten sowie des
gewässerspezifischen Nutzen
EZG Nahe
Fläche: 4.065 km²
Fließlänge Nahe: 125 km
23.05.2019 Gebietsforum Wupper 11Modellierte Gewässerbelastung mit Szenarienanalyse
Gewässerbelastung Ist-Zustand Gewässerbelastung Ausbauszenarien
bei MQ für Diclofenac bei MQ für Diclofenac
Kläranlagen Kläranlagen Kläranlagen
> 100.000 E > 10.000 E an Belastungs-
schwerpunkten
* Belastungsfaktor BF = Simulierte Gewässerkonzentration/Qualitätsziel
23.05.2019 Gebietsforum Wupper 12Stoffflussmodel GREAT-ER.NRW
NRW spezifisches GREAT-ER GIS Addin
Fließgewässerverlauf für ganz NRW
Mitwirkung der BR und Verbände
Werkzeug für:
Planung Monitoring (Hotspot-Messstellen)
flächendeckende Szenarienanalyse 4.RS
Aber:
Kein Wasserhaushaltsmodell integriert
(nur Parametrierung für MQ/MNQ)
Damit keine Aussagen zum Jahresverlauf
Keine Kläranlagenspezifischen Eingangswerte
Bedienung erfordert Schulung
zunächst eigener Ansatz für WV
Quelle: Früh & Elbers, 2018
23.05.2019 Gebietsforum Wupper 13„Spurenstoffbilanzmodell Wupper“
Abflussdaten
Idee NASIM-Modell Frachtbilanzmodell
Verknüpfung vorhandenes NA-Modell mit
vereinfachtem Frachtbilanzmodell
Flussabschnitt
mit Abbau
Vorteile Einträge
tagesscharfe zeitliche Auflösung
der Abflüsse aus NASIM
hohe räumliche Auflösung
Kläranlagenspezifische Einleitungen Bild: www.hydrotec.de
Vereinfachter Abbau im Gewässer
Einfaches Werkzeug für Effizienzanalyse
23.05.2019 Gebietsforum Wupper 14Modellabgleich mit Messwerten (hier Diclofenac)
* Abflusskorrektur der Messwerte um den MQ an Messtagen auf MQ des Jahres zu skalieren Vorläufige Ergebnisse. Nicht final.
23.05.2019 Gebietsforum Wupper 15Effizienzanalyse für Maßnahmen am Beispiel Diclofenac
Welche Kläranlagen sollen ausgebaut werden ? Welche Reinigungsleistung ist notwendig ?
Wupper- Bilanzmodell mit Eingabemöglichkeit für Maßnahmenanalyse
Abl. Beyenburg-TSP
KA Radevormwald
KA Hückeswagen
Kläranlagen Sollwert für gezielte
KA Buchenhofen
KA Marienheide
Abl.Wupper-TSP
Spurenstoffelimination
KA Kohlfurth
Weltersbach
KA Schwelm
Schwelme
Wiembach
Morsbach
Sengbach
Eschbach
bez. auf Kläranlagenablauf
Murbach
Hönnige
KA Burg
Kerspe
Bever
Neye
1 2 3 4 5 6 7 8 7 8 7
gewählt 300
95%
90%
85%
80%
75%
70%
65%
60%
55%
50%
0%
Qualitätskriterium
KA Dhünn 250 berechnet für MQ
KA Marienheide Konzentration [ng/l]
berechnet für MQ mit Szenario
200
KA Odenthal
Kläranlageneinleitungen
KA Wermelskirchen 150
Nebengewässer Wupper
KA Schwelm
100
KA Hückeswagen
KA Radevormwald 50
KA Burg
0
KA Kohlfurth
0 20 40 60 80 100 120
KA Buchenhofen Wupper [km]
23.05.2019 Gebietsforum Wupper 16Effizienzanalyse für Maßnahmen am Beispiel Diclofenac
Szenario 1
KA Buchenhofen 95% Elimination
Abl. Beyenburg-TSP
KA Radevormwald
KA Hückeswagen
Kläranlagen Sollwert für gezielte
KA Buchenhofen
KA Marienheide
Abl.Wupper-TSP
Spurenstoffelimination
KA Kohlfurth
Weltersbach
KA Schwelm
Schwelme
Wiembach
Morsbach
Sengbach
Eschbach
bez. auf Kläranlagenablauf
Murbach
Hönnige
KA Burg
Kerspe
Bever
Neye
1 2 3 4 5 6 7 8 7 8 7
gewählt 300
95%
90%
85%
80%
75%
70%
65%
60%
55%
50%
0%
Qualitätskriterium
KA Dhünn 250 berechnet für MQ
KA Marienheide Konzentration [ng/l]
berechnet für MQ mit Szenario
200
KA Odenthal
Kläranlageneinleitungen
KA Wermelskirchen 150
Nebengewässer Wupper
KA Schwelm
100
KA Hückeswagen
KA Radevormwald 50
KA Burg
0
KA Kohlfurth
0 20 40 60 80 100 120
KA Buchenhofen 95% x Wupper [km]
23.05.2019 Gebietsforum Wupper 17Effizienzanalyse für Maßnahmen am Beispiel Diclofenac
Szenario 2
KA Buchenhofen + KA Kohlfurth 95% Elimination
Abl. Beyenburg-TSP
KA Radevormwald
KA Hückeswagen
Kläranlagen Sollwert für gezielte
KA Buchenhofen
KA Marienheide
Abl.Wupper-TSP
Spurenstoffelimination
KA Kohlfurth
Weltersbach
KA Schwelm
Schwelme
Wiembach
Morsbach
Sengbach
Eschbach
bez. auf Kläranlagenablauf
Murbach
Hönnige
KA Burg
Kerspe
Bever
Neye
1 2 3 4 5 6 7 8 7 8 7
gewählt 300
95%
90%
85%
80%
75%
70%
65%
60%
55%
50%
0%
Qualitätskriterium
KA Dhünn 250 berechnet für MQ
KA Marienheide Konzentration [ng/l]
berechnet für MQ mit Szenario
200
KA Odenthal
Kläranlageneinleitungen
KA Wermelskirchen 150
Nebengewässer Wupper
KA Schwelm
100
KA Hückeswagen
KA Radevormwald 50
KA Burg
0
KA Kohlfurth 95% x
0 20 40 60 80 100 120
KA Buchenhofen 95% x Wupper [km]
23.05.2019 Gebietsforum Wupper 18Effizienzanalyse für Maßnahmen am Beispiel Diclofenac
Szenario 3
KA Buchenhofen + KA Kohlfurth 95% Elimination
KA Radevormwald 80% Elimination, KA Marienheide 50% Elimination
Abl. Beyenburg-TSP
KA Radevormwald
KA Hückeswagen
Kläranlagen Sollwert für gezielte
KA Buchenhofen
KA Marienheide
Abl.Wupper-TSP
Spurenstoffelimination
KA Kohlfurth
Weltersbach
KA Schwelm
Schwelme
Wiembach
Morsbach
Sengbach
Eschbach
bez. auf Kläranlagenablauf
Murbach
Hönnige
KA Burg
Kerspe
Bever
Neye
1 2 3 4 5 6 7 8 7 8 7
gewählt 300
95%
90%
85%
80%
75%
70%
65%
60%
55%
50%
0%
Qualitätskriterium
KA Dhünn 250 berechnet für MQ
KA Marienheide 50% x Konzentration [ng/l]
berechnet für MQ mit Szenario
200
KA Odenthal
Kläranlageneinleitungen
KA Wermelskirchen 150
Nebengewässer Wupper
KA Schwelm
100
KA Hückeswagen
KA Radevormwald 80% x 50
KA Burg
0
KA Kohlfurth 95% x
0 20 40 60 80 100 120
KA Buchenhofen 95% x Wupper [km]
23.05.2019 Gebietsforum Wupper 19Effizienzanalyse für Maßnahmen am Beispiel Diclofenac
Szenario 4
KA Buchenhofen + KA Kohlfurth 95% Elimination
KA Radevormwald 80% Elimination, KA Marienheide 50% Elimination
+ Verbrauchsreduktion 20%
Abl. Beyenburg-TSP
KA Radevormwald
KA Hückeswagen
Kläranlagen Sollwert für gezielte
KA Buchenhofen
KA Marienheide
Abl.Wupper-TSP
Spurenstoffelimination
KA Kohlfurth
Weltersbach
KA Schwelm
Schwelme
Wiembach
Morsbach
Sengbach
Eschbach
bez. auf Kläranlagenablauf
Murbach
Hönnige
KA Burg
Kerspe
Bever
Neye
1 2 3 4 5 6 7 8 7 8 7
gewählt 300
95%
90%
85%
80%
75%
70%
65%
60%
55%
50%
0%
Qualitätskriterium
KA Dhünn 250 berechnet für MQ
KA Marienheide 50% x Konzentration [ng/l]
berechnet für MQ mit Szenario
200
KA Odenthal
Kläranlageneinleitungen
KA Wermelskirchen 150
Nebengewässer Wupper
KA Schwelm
100
KA Hückeswagen
KA Radevormwald 80% x 50
KA Burg
0
KA Kohlfurth 95% x
0 20 40 60 80 100 120
KA Buchenhofen 95% x Wupper [km]
23.05.2019 Gebietsforum Wupper 20Effizienzanalyse für Maßnahmen am Beispiel Diclofenac
Szenario 4
KA Buchenhofen + KA Kohlfurth 80% Elimination
KA Radevormwald 70% Elimination
+ Verbrauchsreduktion 20%
Abl. Beyenburg-TSP
KA Radevormwald
KA Hückeswagen
Kläranlagen Sollwert für gezielte
KA Buchenhofen
KA Marienheide
Abl.Wupper-TSP
Spurenstoffelimination
KA Kohlfurth
Weltersbach
KA Schwelm
Schwelme
Wiembach
Morsbach
Sengbach
Eschbach
bez. auf Kläranlagenablauf
Murbach
Hönnige
KA Burg
Kerspe
Bever
Neye
1 2 3 4 5 6 7 8 7 8 7
gewählt 300
95%
90%
85%
80%
75%
70%
65%
60%
55%
50%
0%
Qualitätskriterium
KA Dhünn 250 berechnet für MQ
KA Marienheide Konzentration [ng/l]
berechnet für MQ mit Szenario
200
KA Odenthal
Kläranlageneinleitungen
KA Wermelskirchen 150
Nebengewässer Wupper
KA Schwelm
100
KA Hückeswagen
KA Radevormwald 70% x 50
KA Burg
0
KA Kohlfurth 80% x
0 20 40 60 80 100 120
KA Buchenhofen 80% x Wupper [km]
23.05.2019 Gebietsforum Wupper 21Jahresgang Diclofenac
Mit Maßnahmen im Winter < Qualitätskriterium (Betrieb der Spurenstoffelimination anpassen ?)
Ausbau im Oberlauf hat nur geringen Einfluss auf Verbesserung am Gebietsauslass (Ziel viele km? Oder Verbesserung Messstellen?)
Qualitätskriterium DCF
Ist-Zustand
80% Kohlfurth und Buchenhofen + 20% Verbrauchsreduktion
85% Kohlfurth und Buchenhofen + 70% Radevormwald + 20% Verbrauchsreduktion
600
Wupper km 110, vor Einleitung Dhünn
500
400
300
200
100
0
1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.1 1.2
23.05.2019 Gebietsforum Wupper 22Schlussfolgerung und Ausblick Fazit Stoffflussbilanzierungen eignen sich als Instrument für eine effiziente Maßnahmenplanung. Es gibt bereits Modelle für Flussgebiete mit denen Szenarienanalysen erstellt werden können. Für Untersuchungen an Einzelgewässern eigenen sich zusätzlich auch einfache Bilanzmodelle. Vorhandene NA-Modelle bzw. Wasserhaushaltsmodelle können übernommen werden. Ausblick Kosten/Nutzen-Analyse mit Ergebnissen der Machbarkeitsstudien. Untersuchung eines immissionsorientierten Betriebs der Spurenstoffelimination. Synergieeffekte in Bezug auf Nährstoffe, Mikroplastik, resistente Keime o.ä. (erfordert Weiterentwicklung / Einbindung externer Modelle wie MoRE, MONERIS, o.ä.) 23.05.2019 Gebietsforum Wupper 23
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
Yannick Taudien
ytn@wupperverband.de
www.wiwmbh.deSituation in der Wupper
Umfassendes Monitoring im Jahr 2015
(30 Messstellen, 43 Substanzen, n=12)
Auswertung ermöglicht:
Relevanzabschätzung
(Welche Stoffe finden wir ?)
„Hotspot“-Analyse
(Wo sind die Schwerpunkte?)
Aber keine Aussagen zu:
Wirkungsanalyse
(Was passiert im Gewässer bei
Kläranlagenausbau ?)
Kosteneffizienz
23.05.2019 Gebietsforum Wupper 25Emissionsbilanzierung des Stoffeintrags in Gewässer
Beispiel Diclofenac ca. 16% der verkauften Menge gelangen in das Gewässer
Diclofenac Voltaren
Diclofenac Retardkapseln
Diclofenac Heumann Gel
Spez. Kosten bei Einkauf Spez. Kosten bei
Spurenstoffelimination
10€ für 150g Schmerzgel
mit 15mg/g Wirkstoff 0,1 €/m³ bei ca. 2,0 mg/m³
(Quelle: www.apotheke.de) und 80% Elimination
= 6,7 €/g Diclofenac = 62,5 €/g Diclofenac
Verwendete Kennwerte Wert Quelle
therapietreue 80% (Türk et al, 2013)
direkte Entsorgung Toilette 16% (Götz und Keil, 2007)
Ausscheidungsrate 27% (Klasmeier, 2011)
Mischwasserentlastung 3% (Launay et al 2016)
Abbau in Kläranlage 26% (Abbelgen, 2012)
23.05.2019 Gebietsforum Wupper 26Kompetenzen der WiW mbH im Bereich Spurenstoffe
Mitarbeit in F&E Projekten, Stoffflussmodellierungen, Machbarkeits- und Optimierungsstudien
Zeit Projektkategorie Bezeichnung Beschreibung
2013 F&E-Vorhaben Mikroflock Erprobung Direktdosierung PAK in Überstau Flockungsfiltration
2014 Stoffflussmodellierung Mikro_N (EZG Nahe) Anwendung GREAT-ER für das EZG Nahe inkl. Maßnahmenszenarien
F&E-Vorhaben FilterAK+ Technische Erprobung GAK-Filter auf der KA Buchenhofen
2015 Machbarkeitsstudie KA Beningsfeld Studie zur Integration einer 4.RS auf einer KA mit 200.000 EW
2016 Stoffflussmodellierung Mikro_System (TEZG Gewässerbilanzierung mit GREAT-ER für zwei TEZG mit
Berücksichtigung von Phosphor
Wiesbach & Lauter)
2017 Auswertung Monitoring WV, Mapro Auswertung Spurenstoffmonitoring für Wupper, Dhünn und Schwelme
Kläranlagensimulation KA Bleesbrück Dynamische Simulation der Spurenstoffkonzentrationen im KA-Ablauf
Machbarkeitsstudie KA Leverkusen Studie zur Integration einer 4.RS bei hohem industriellen Anteil
Stoffflussmodellierung EZG Blies Gewässerbilanzierung für Spurenstoffe mit Bilanzierungstool der UniKL
2018 Machbarkeitsstudie KA Heiderscheidergrund Studie zur Integration einer 4.RS bei vorhandener UV-Anlage
2019 Stoffflussmodellierung EZG Lippe Unterstützung Lippeverband bei Stoffflussmodellierung mit GREAT-ER
Stoffflussmodellierung EZG Wupper Aufbau Wupper-Bilanzmodell in Kombination mit NA-Modell NASIM
23.05.2019 Gebietsforum Wupper 27Sie können auch lesen
