Spurenstoffe in der Abwasserbehandlung - Dr. Issa Nafo (Emschergenossenschaft/Lippeverband) Tag der Wasserwirtschaft, 9. November 2017, Magdeburg ...
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Spurenstoffe in der Abwasserbehandlung Dr. Issa Nafo (Emschergenossenschaft/Lippeverband) Tag der Wasserwirtschaft, 9. November 2017, Magdeburg ||
Inhalt
• Was sind Spurenstoffe?
• Quellen und Eintragspfade ins Abwasser und Gewässer
• Bedeutung und Relevanz der Befunde
• Überblick Handlungsoptionen im Allgemeinen
• Sachstand Entwicklung von Verfahren zur gezielten Elimination in der
Abwasserbehandlung
• Rahmenbedingungen für das Handeln zur Verminderung der Emissionen
ins Abwasser und Gewässer
|| 2Wasserlauf Coesfeld
Verbandsgebiet
Entwässerungspumpwerk
Kläranlage
Dülmen
Borken
Lüdinghausen Ahlen
Haltern Dren-
Dorsten steinfurt
Wesel
Werne
Datteln Lippborg
Marl Hamm Lippe
Berg-
Reckling- kamen
hausen
Dinslaken Lünen Bönen
Kamen
Ober- Gelsen-
hausen Unna Soest
kirchen Castrop Werl
Bottrop -Rauxel
Dortmund
Duisburg Essen Holzwickede Emscher
Bochum
Mülheim Witten
Genossenschaftsgebiet
ll Bewirtschaftung der Flussgebiete von Emscher und Lippe (3,8 Mio. Menschen)
ll Betreiben von 60 Kläranlagen und reinigen rd. 1 Mrd. m³ Abwasser pro Jahr
ll Größte Abwasserentsorger in der BRD und das größte Wasserwirtschaftsunternehmen in NRW
ll Non-Profit-Genossenschaft auf gesetzlicher Grundlage mit kommunalen und
gewerblich-industriellen Mitgliedern
|| 3Spurenstoffe, Mikroschadstoffe,
Mikroverunreinigungen
Definition
Von Menschen künstlich hergestellte chemische
Verbindungen, die in geringsten Mengen (Mikrogramm,
Nanogramm und darunter) in den Gewässern
nachgewiesen werden.
Einige dieser Stoffe können bereits in diesen
Konzentrationen nachteilige Wirkungen auf die
aquatischen Ökosysteme haben und/oder die
Gewinnung von Trinkwasser aus dem Rohwasser
negativ beeinflussen.
Siehe IKSR-Bericht Nr. 181, 2010
|| 4Ziel- und Nebenwirkung von
Alltagsprodukten
Zielwirkung Geschmack, Schmerzhemmend Schutz vor Algenbefall
Konzentration Entzündungshemmend Schutz vor Pilzbefall
Nutzungsdauer Kurz (Minuten) Mittel (Stunden) Lang (< 10 Jahre)
Inhaltsstoffe Wasser, Wasser, Wasser,
Farbstoffe, Zusatzstoffe Harz,
Kohlensäure, Wirkstoff Dispersion
Süssstoffe
Potentielle Koffein, Diclofenac Terbutryn
Spurenstoffe Acesulfam
Relevanz Abwasser Hoch Hoch Mittel
(UBA, 2014)
Weitere Spurenstoffe: Industrie- und Haushaltschemikalien, Biozide, Kosmetika, …
|| 5Eintrag von Spurenstoffen in den
Wasserkreislauf
Vielfältige Quellen und Pfade
Regenwasserkanäle Schifffahrt Straßen
Pflanzenschutz Mischwasserüberläufe Tierhaltung Bahntrassen
Mikroplastiken
Kommunale
Kläranlage
Industriekläranlage
|| 6
Quelle: geänd. nach Prof. FirkEintrag von Rückständen am
Beispiel eines beliebten Schmerzmittels…
Diclofenac
Rund 90 Tonnen des
Schmerzmittels werden
jährlich in Deutschland
verbraucht
Rund 70% des
Wirkstoffes verlassen den
Körper wieder auf
natürlichem Wege – und
gelangen dabei ins
Abwasser
Bis zu 63 Tonnen können
so über Duschwasser
und Ausscheidungen in
den Wasserkreislauf
gelangen || 7Verhalten von
Medikamentenrückständen in
Abwasserbehandlungsanlagen
… in herkömmlichen kommunalen Kläranlagen nach Stand der Technik
P-Fällung
(Fe, Al)
Rechen Vorklärung Belebung Nachklärung Sandfilter
(optional)
Denitrifikation Nitrifikation
Vergleich Zu- und Ablauf am Beispiel von 15 Arzneimittelwirkstoffen
(24h-Mischproben, n= 4)
KA Hünxe 65-85% der Frachten
(15 Substanzen)
KA Dülmen werden eliminiert
KA DO-Scharnhorst Ablaufkonzentration
von einzelnen
KA Bad Sassendorf
Arzneistoffen
im Bereich von
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Mikrogramm/Liter
Eliminated Not eliminated
|| 8Verhalten von
Medikamentenrückständen in
Abwasserbehandlungsanlagen
Beispiel Zu- und Ablaufwerte ausgewählter Wirkstoffe
7,0 4,6
3,0
2,5 Zulauf
(0) (Elimination in %) Ablauf
Konzentration (µg/L)
2,0
1,5
(30)
1,0
(80)
(0)
0,5
(40)
(99)
0,0
Ibuprofen Diclofenac Carbamazepin Iopamidol Iohexol Iopromid
Konventionelle, mechanisch-biologische Abwasserbehandlungs-
anlagen können viele Wirkstoffe nicht vollständig eliminieren
|| 9Schutzgüter, Ziele und Anforderungen
für den Gewässerschutz
Schutzgüter Zieldefinition über Anforderungen
Trinkwasser − Humantoxikologische
Grenzwerte,
Exposition
Gesundheitliche
− Ästhetische Wirkung Orientierungswerte (GOW),
Leitwerte, Zielwerte, …
Gewässerökologie − Ökotoxikologische − Umweltqualitätsnorm
Exposition (UQN nach WRRL)
− Predicted No Effect
Concentration (PNEC)
|| 10Anzahl der gemessenen Arzneimittel-
wirkstoffe in Umweltmedien
Konzentrationsklassen der maximalen Konzentration
Quelle: UBA-Hintergrundpapier, 2014
|| 11Spurenstoffe bei der
Gewässerbewertung gemäß WRRL
Zu „geregelten“ und „nicht geregelten“ Mikroschadstoffen
nicht geregelte Stoffe
Keine UQN in der Biologische Qualitätskomponente
OgewVO festgelegt (Kleintiere, Fische, Wasserpflanzen)
(z.B. Arzneistoffe); Maßgeblich für die ökologischen Ziele!
können Zustand
negativ beeinflussen? Allgemeine chemisch-physikalische
Parameter
(zur Unterstützung: Phosphor, Stickstoff, …)
„Defizite“ führen nicht zur Abwertung der
biologischen Bewertung!
Geregelte Spurenstoffe
Umweltqualitäts- Flussgebietsspezifische Stoffe
normen UQN für 162 (Ökochemie: Metalle, Pestizide, …)
Stoffe in der OgewVO
Defizite führen zur Abwertung der
festgelegt
biologischen Bewertung!
UQN für 33 prioritäre
EU-weite Prioritäre Stoffe
+ 8 weitere Stoffe in
der OgewVO (Schwermetalle, Industriechemikalien,
festgelegt Pestizide, …)
|| 12
Quelle: http://www.doeni.gov.uk/overview_stds_and_classification.pdfWas bedeutet das für die Umwelt?
Beispiele
Geiersterben in Indien, Pakistan
und Nepal an Nierenversagen
durch das Fressen von mit
Diclofenac behandelten
Tierkadaver
Weitere negative Effekte wie dünnere
Eierschalen bei Greifvögeln wegen
DDT, etc.
|| 13Verfahren für die gezielte Entfernung
von Spurenstoffen aus dem Abwasser
|| 14
Quelle: Kompetenzzentrum Mikroschadstoffe NRW, 09/2016Oxidation und Adsorption
zur Spurenstoffelimination
Funktions- Oxidation Adsorption
prinzip
Betriebsmittel Ozon Aktivkohle
pulverförmige granulierte
Aktivkohle Aktivkohle
Quelle: www.neugut.ch Quelle: Firmenprospekt Norit Quelle: Firmenprospekt Norit
Quelle: Metzger, 2016 || 15Oxidation und Adsorption:
Vergleich Funktionsprinzip
Oxidation Adsorption
Ozon Aktivkohle
→ Spurenstoffe werden durch Ozon zerstört, → Spurenstoffe werden an die Aktivkohle
aber nicht mineralisiert angelagert
Quelle: Metzger, 2016 || 16Anlagenbeispiele
Pilotanlagen von Emschergenossenschaft/Lippeverband
Kläranlage Bad Sassendorf
(Oxidation mit Ozon)
Kläranlage Dülmen
(Adsorption mit
Pulveraktivkohle)
|| 17Großtechnische Anlagen von
Emschergenossenschaft/Lippeverband
… zur Untersuchung der Elimination von Spurenstoffen
PAK
MBR
O3
Dülmen (2015)
Hünxe (2009)
Bad Sassendorf (2009)
MBR
PAK
O3
NF/RO
PAK/GAK
O3
Marienhospital GE (2011)
Technikum (2014)
|| 18
MBR = Membranfiltration, O3 = Ozonierung, PAK = Pulveraktivkohle, GAK: granulierte Aktivkohle, NF: Nanofiltration, RO: UmkehrosmoseEliminationsleistung der „4. Stufe“
Beispiel Kläranlage Dülmen mit Pulveraktivkohlestufe
Höherer
3 Kläranlage
Eliminationsraten von Spurenstoffen auf der Rückhalt
Dülmen (10 mgeinzelner
PAK/L; n = 4; 24-Std MP)
100% Substanzen, die unzureichend in der
Zusätzliche Elimination in der
zus. Elimination PAK nachgesch. konv. Biologie eliminiert werden
90% 2 Pulveraktivkohlestufe
Elimination Belebungsanlage
(> 7,8% der Gesamtfracht)
80%
Bezafibrat
Iopamidol
70%
Gabapentin
Eliminationsleitung
60%
Diclofenac
50%
Sulfamethoxazol
Elimination durch die
40% 1 konventionelle
Belebungsanlage
Carbamazepin
30%
(80,6% der Gesamtfracht)
20%
10%
0%
CLIN
CANSAR
DIHYCAR
ATEN
SULGLU
FOAMPY4
IOTHAL
ACAMPY4
AZITHRO
IOPRO
TRICLO
NAXO
IBUPRO
DMTRAM
LAMTRI
DHERY
ATS
CARBAMA
SULFAPY
ERY
PHETMA
IRBESA
SULME
TRAMA
CARBEPOX
RAMI
PIPERA
SULPRI
DICLOFE
HCTHIA
CLARI
TRIME
PROP
IOPA
VALSA
RITA
BEZFIB
PREGA
IOME
IOHEX
SALICY
N4SULOX
MPARA
PARACE
GUUR
VALSAR
GABAPEN
TELSAR
PROPAR
ETHPAR
METFOR
AMPHEN4
BIOPLOL
AMISUL
TBPH246
PHENPEN2
HYDICLO
METPRO
HYMETO
SOT
ROXI
AMPI
|| 19Vergleich Eliminationsleistung
von Ozon und Aktivkohle
Eliminationsleistung von Ozon und Pulveraktivkohle
auf der Kläranlagen am Marienhospital Gelsenkirchen
100%
90%
Elimination bei 20 mg PAK/L (nach MBR)
80%
MTP
70% CBZ
IBU DCF
60% CLA
50%
IOM
40%
IOP
SMX
30%
20%
ATZ
10%
0%
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
Elimination bei 5 mg Ozon/L (nach MBR)
|| 20|| 21
Spurenstoffelimination
Baden-Württemberg
Legende:
Quelle: Kompetenzzentrum Spurenstoffe-BW || 22Bericht des Umweltbundesamtes
„Organische Mikroverunreinigungen in Gewässern. Vierte Reinigungsstufe für weniger
Einträge“, März 2015
• Mehrkosten von 6 bis 16 Euro pro Jahr und einzelne Person oder 0,05 – 0,19
€/m³
• Erhöhung der Abwasserabgabe zur Finanzierung von 75% der
Investitionskosten
• Erhöhter Energieverbrauch, in der Regel um 5 – 30% gegenüber dem
Normalbetrieb
• Nachbehandlung von entstehenden Transformationsprodukten bei Ozon über
eine biologische Klärstufe
• Festlegung des Standes der Technik zur regulatorischen Verankerung der
weitergehenden Abwasserreinigung für gezielte Spurenstoffelimination:
o Keine dezidierte Festschreibung einer Verfahrenstechnik
o Definition von geeigneten Überwachungsparametern zur Erfolgskontrolle;
|| 23Strategiepapier für das
Bundesumweltministerium
Ergebnisse aus dem Stakeholder-Dialog »Spurenstoffstrategie des Bundes«
• Beteiligung von 27 Stakeholder: Einbindung von Akteuren für die
verschiedenen Handlungsfelder (Hersteller und Verarbeiter relevanter Stoffe
wie Arzneimittel, Biozide, Kosmetika, Waschmittel, Haushalts- und
Industriechemikalien; Ärzte, Apothekerverbände, DIHK; Wasserbände,
Ländervertreter und Kommunen, Verbraucherschützer und Umweltverbände
• Analyse der Ist-Situation; Erarbeitung einer übergreifenden Strategie
(Maßnahmenmix); Erste Umsetzungsschritte gemeinsam mit den Ländern ab
2018
• Übergabe des „Policy Paper“ mit den Empfehlungen zur Reduzierung von
Spurenstoffen in an das Bundesumweltministerium am 27. Juni 2017
|| 24Überblick über die erarbeiteten Handlungsempfehlungen Quelle: Policy Paper, Hillenbrand et al. 2017 * Empfehlungen mit Minderheitenvotum von einzelnen Stakeholdern || 25
Die Kampagne
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Spurenstoffe in der Abwasserbehandlung Dr. Issa Nafo (Emschergenossenschaft/Lippeverband) Tag der Wasserwirtschaft, 9. November 2017, Magdeburg || 28
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