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Fachartikel
06. Oktober 2021

Abwasser

Pools als Bromidquelle

Auf der ARA Birmensdorf soll eine Stufe zur Elimination von Mikroverunreinigungen erstellt werden. Für die Prüfung der Verfahrenseignung einer Ozonung wurden umfangreiche Bromid-Messkampagnen durchgeführt. Es wurden einzelne erhöhte Werte im Frühling und Herbst gemessen.
Samuel Twerenbold, Halina Stefaniak, 

Mit der Revision des Gewässerschutzgesetzes [1] und der Gewässerschutzverordnung [2] hat das Parlament die Grundlagen geschaffen, um ausgewählte kommunale Abwasserreinigungsanlagen (ARA) mit einer zusätzlichen Reinigungsstufe zur Elimination von Mikroverunreinigungen (EMV) zu erweitern. Die ARA Birmensdorf fällt dabei unter die dritte Kategorie von Anlagen, die bis 2035 eine EMV-Stufe erstellen müssen (Box). Die Hunziker Betatech AG wurde 2019 durch den Zweckverband Kläranlage Birmensdorf beauftragt, ein Variantenstudium mit nachfolgendem Vorprojekt für die EMV-Stufe zu erstellen. Im Rahmen des Variantenstudiums wurde eine Ozonung mit nachfolgender Sandfiltration als Bestvariante evaluiert.

ARA-Katagorien, die gemäss GSchV [2] Massnahmen gegen Mikroverunreinigungen ergreifen müssen:
1. Anlagen ab 80'000 angeschlossenen Einwohnern;
2. Anlagen ab 24'000 angeschlossenen Einwohnern im Einzugsgebiet von Seen; der Kanton kann Ausnahmen bewilligen, wenn der Nutzen einer Reinigung für die Umwelt und für die Trinkwasserversorgung klein ist;
3. Anlagen ab 8000 angeschlossenen Einwohnern, die in ein Fliessgewässer mit einem Anteil von mehr als 10% bezüglich organischen Spurenstoffen ungereinigtes Abwasser einleiten; der Kanton bezeichnet die Anlagen, die Massnahmen treffen müssen, im Rahmen einer Planung im Einzugsgebiet;
4. andere Anlagen ab 8000 angeschlossenen Einwohnern, wenn eine Reinigung aufgrund besonderer hydrogeologischer Verhältnisse erforderlich ist.

Beim Ozonverfahren besteht das Risiko der Bildung von toxischen Reaktionsprodukten [3, 4]. Aus diesem Grund wurde parallel zum Variantenstudium das Abwasser der ARA Birmensdorf der sogenannten «Verfahrenseignung» für die Behandlung mit Ozon unterzogen [5]. Die Resultate des mehrstufigen Testverfahrens zeigten, dass sich das Abwasser der ARA Birmensdorf für eine Ozonung eignet. Gleichzeitig wurden aber erhöhte Bromidkonzentrationen (> 0,1 mg/l Br) in vier von insgesamt 27 Wochenmischproben gemessen. Das Bromid ist deshalb problematisch, weil es in der Ozonung zum potenziell krebserregenden Bromat reagieren kann.

Für Einzugsgebiete ohne problematische Einleiter werden Bromidkonzentrationen aus Wochenmischproben im ARA-Ablauf unter 0,1 mg/l Br erwartet [4]. Bei der Ozonung solcher Abwässer ist die zu erwartende Bromatbildung im tiefen einstelligen µg/l-Bereich. Daher wird der Wert von 0,1 mg/l Br als Schwellenwert zur Definition erhöhter Bromidkonzentrationen im ARA-Ablauf verwendet.

Bereits vor der Erarbeitung des Vorprojekts mit Verfahrensevaluation wurde das Abwasser der ARA Birmensdorf durch das kantonale Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft AWEL untersucht. Dabei wurden keine Auffälligkeiten festgestellt, die eine Ozonung in­frage gestellt hätten. Grundsätzlich ist das Abwasser im Zulauf der ARA Birmensdorf kommunal geprägt.

Das Vorprojekt wurde dem Bundesamt für Umwelt BAFU zur Prüfung eingereicht. Aufgrund der Erkenntnisse aus dem Vorprojekt wurde am 7. Februar 2020 vom BAFU beantragt, dass die Bromideinleiter im Einzugsgebiet im Rahmen des Bauprojekts identifiziert werden müssen. Daraufhin wurde 2020 eine weitere Messkampagne im gesamten Kanalnetz zur ARA Birmensdorf gestartet.

Im vorliegenden Artikel werden die Erkenntnisse aus den Messkampagnen von 2018 bis 2021 und die identifizierten Bromidquellen aufgezeigt.

MESSKAMPAGNE BROMID

Die aus den Wochenmischproben bestimmten Bromidkonzentrationen im ARA-Ablauf sind über alle Messkampagnen (2018, 2019, 2020 sowie 2021) in Figur 1 dargestellt.

Messkampagne September 2018 bis März 2019

Vom 15. September 2018 bis zum 22. Februar 2019 wurden auf der ARA Birmensdorf im Ablauf der Nachklärung Wochenmischproben entnommen und auf den Gehalt an problematischen Inhaltsstoffen in Anbetracht einer Ozonung untersucht. Diese Messungen wurden im Rahmen der stufenweisen Abklärung zur Verfahrenseignung der Ozonung vorgenommen. Die Stufen umfassen die Betrachtungen im Einzugsgebiet (Stufe 1), die Messungen im Zulauf der geplanten Ozonung (Stufe 2), die Abklärungen im Labor (Stufe 3) sowie Biotests (Stufe 4) [5]. Ursprünglich sollte die Beprobung bis Ende 2018 abgeschlossen werden, allerdings wurden bereits kurz nach Start der Messkampagne in zwei Wochenmischproben im Oktober erhöhte Bromidkonzentrationen gemessen. Daraufhin wurde die Messkampagne bis Mitte Februar 2019 verlängert und aufgrund keiner weiteren Auffälligkeiten beendet. Ende März 2019 wurde für die Durchführung der Biotests (Stufe 4) eine weitere Wochenmischprobe aus dem ARA-Ablauf entnommen, die erneut eine erhöhte Bromidkonzentration aufwies.

Parallel zu den Messungen und den Analysen im Labor wurde im Einzugsgebiet nach potenziellen Bromideinleitern gesucht (s. Kap. «Untersuchung Einzugsgebiet»). Die Bromidquelle konnte jedoch nicht eindeutig eruiert werden.

Das Vorprojekt wurde dem BAFU zur Prüfung eingereicht. Anfang 2020 beantragte das Bundesamt in einem Schreiben, dass die Bromidquellen im Einzugsgebiet ausfindig gemacht werden müssen. Daraufhin wurde im Rahmen des Bauprojekts eine Messkampagne im Kanalnetz gestartet.

Messkampagne 2020 

Das Ziel dieser Messkampagne war, durch den Einsatz mobiler Probenehmer in den Hauptsträngen des Kanalnetzes die Quelle des Bromids einzugrenzen, um mögliche Grosseinleiter zu identifizieren. Parallel dazu wurden auch wieder Proben aus dem Zu- und Ablauf der ARA entnommen.

Die Messkampagne startete im März 2020. Trotz stets entnommener Tagesproben wurden nur Wochenmischproben zur Analyse ans Labor geschickt. Waren diese auffällig hoch (> 0,1 mg/l), wurden die entsprechenden Tagesproben ebenfalls ausgewertet, um den Zeitpunkt und die Dauer der Bromidspitze zu ermitteln. Ende August 2020 wurde der letzte mobile Probenehmer im Kanalnetz abgebaut. Der Ablauf der ARA wurde bis Ende 2020 weiter beprobt.

Resultate

Die Resultate der Messkampagne 2020 sind in den Figuren 2–4 dargestellt. Figur 2 zeigt die gemessenen Bromidkonzentrationen im Zu- und Ablauf der ARA. Gleich zu Beginn der Messkampagne wurde der Schwellenwert von 0,1 mg Br/l in den Wochenmischproben überschritten, worauf auch die Tagesproben analysiert wurden. Die Bromidkonzentrationen im Zulauf zur ARA weisen mehrere Spitzen auf. Im Ablauf zeigen sich diese Bromidspitzen, wie erwartet, verzögert und geglättet. Ab Ende Mai wurden keine erhöhte Bromidkonzentrationen mehr gemessen. In Figur 3 sind die gemessenen Bromidkonzentrationen in den verschiedenen Kanalsträngen dargestellt. In mehreren Kanalsträngen wurden an verschiedenen Tagen erhöhte Bromidkonzentrationen gemessen. Die Konzentration im Kanal 2 stieg innerhalb eines Tages von 0,18 auf 2,9 mg Br/l, was einem Faktor 16 entspricht. Die Resultate zeigen, dass mehrere Bromideinleiter an verschiedenen Kanalsträngen vorhanden sind. Die im Kanal 4 und Kanal Industrie gemessenen Werte blieben über die gesamte Messkampagne unauffällig. Die Lücken zu Beginn der Messkampagne für die mobilen Probenehmer Kanal 1 und Kanal 3 sind auf eine Umplatzierung aufgrund von ungeeigneten Bedingungen in den Messschächten zurückzuführen.

Figur 4 zeigt eine Überlagerung der gemessenen Bromidkonzentrationen im Zulauf zur ARA und im Kanalnetz für den Zeitraum vom 13. April bis 8. Juni 2020. Die Bromidspitzen im Zulauf zur ARA können eindeutig denjenigen im Kanalnetz zugeordnet werden. Dabei muss beachtet werden, dass die Kanalstränge unterschiedliche Durchflussmengen aufweisen.

Es ist ersichtlich, dass es sich nicht nur um eine, sondern um mehrere Quellen an verschiedenen Kanalsträngen handelt. Damit war klar, dass nicht nach einem grossen Bromideinleiter gesucht werden musste, sondern nach mehreren Einleitern in allen Gemeinden, die saisonal bedingt im Frühling und im Herbst Bromid einleiten.

Messkampagne 2021

Der Ablauf der ARA wurde von März bis Mai 2021 nochmals für drei Monate beprobt. Damit sollte überprüft werden, ob es im Frühling 2021 wiederum zu erhöhten Bromidkonzentrationen im ARA-Zulauf kommen würde. Von Ende März bis Ende April wurden erhöhte Bromidkonzentrationen festgestellt.

UNTERSUCHUNG EINZUGSGEBIET

Industrie und Gewerbebetriebe

Auf der Suche nach Bromideinleitern ging man im Ausschlussverfahren vor. So wurde mit der Sektion Betrieblicher Umweltschutz BUS des Kantons Zürich und den Gemeindevertretern geprüft, ob im Einzugsgebiet der ARA Industrie- und Gewerbebetriebe vorhanden sind, die als Bromideinleiter infrage kommen.

Da es im Einzugsgebiet keine Kehrichtverbrennungsanlage hat, wurden unter anderem Firmen mit Reinigungsmittelproduktion oder Waschanlagen kontaktiert. In der Diskussion und bei der Prüfung derer Abwasserentsorgung konnte weder eine zeitliche Korrelation mit den erhöhten Bromidwerten im ARA-Zulauf noch eine ausreichende Menge an bromidhaltigen Stoffen gefunden werden.

Während der Messkampagne 2020 in mehreren Hauptsammelkanälen des Kanalisationsnetztes wurde auch das grösste Industriegebiet im Einzugsgebiet in Wettswil separat beprobt. Im Sammelkanal am Ende des Industriegebiets wurde ein Probenehmer installiert. Die Abwasserproben wiesen zwar leicht höhere Bromidkonzentrationen als häusliches Abwasser auf, waren aber zu tief, um einen Einfluss auf den ARA-Zulauf zu haben. Zudem wurden keine Belastungsspitzen festgestellt.

Bei den Industrieeinleitern konnte somit keine grössere Bromidquelle gefunden werden.

Tunnelreinigung Autobahn 

Die Autobahn 3W (Westumfahrung Zürich) führt an der ARA Birmensdorf vorbei. Das bei der Tunnelreinigung anfallende Waschwasser wird auf die ARA geleitet. Da die Tunnelreinigung im Frühling und im Herbst durchgeführt wird, passt dies zeitlich zu den saisonal anfallenden Bromidspitzen im ARA-Zulauf.

Obwohl die Daten der Tunnelreinigung und der Spitzen im ARA-Zulauf nicht exakt übereinstimmten, wurden die Bromidkonzentrationen im Waschwasser gemessen. Dazu wurden sowohl im Stapelbehälter vor der ARA als auch direkt vom Waschwasser im Tunnel Proben genommen und ausgewertet.
Das für die Tunnelreinigung verwendete Waschwasser ist leicht bromidhaltig. Die verwendete Reinigungsmittelmenge und die daraus resultierende Bromidmenge ist jedoch tief. In den Proben im Waschwasser wurden keine so hohen Bromidkonzentrationen gefunden, dass dies einen grösseren Einfluss auf die Bromidkonzentration im ARA-Zulauf hätte. Die Reinigung der Autobahntunnels konnte somit als massgebende Bromidquelle ausgeschlossen werden.

Deponien

Im Einzugsgebiet der ARA sind einige ältere Deponien vorhanden. Der saisonale Anfall der Bromidspitzen im ARA-Zulauf weist jedoch nicht auf Deponien als Quelle hin, zumal auch keine Korrelation zum Niederschlag bestand und so auf eine mögliche Auswaschung des Bromids aus den Deponien hingewiesen hätte. Bei zwei Deponien, die in die Kanalisation entwässern, wurden während der Spülung ihrer Ablaufleitungen Proben genommen. Diese Proben wiesen keine erhöhten Bromidkonzentrationen auf, womit die Deponien als Bromidquellen ausgeschlossen wurden.

SCHWIMMBECKEN ALS BROMIDQUELLE

Vermutung

Während der Messkampagne im Kanalnetz tauchte die Vermutung auf, dass aufgrund der vermehrten Verwendung von Brom als Wasseraufbereitungsmittel in privaten Schwimmbecken (Pools) diese eine mögliche dezentrale Bromidquelle sein könnten. Auch die zeitliche Korrelation mit den Pool-Entleerungen im Frühling und im Herbst verstärkte diese Vermutung. Zudem zeigte eine Frachtabschätzung über die empfohlenen Bromdosierung für Pools und die im ARA-Zulauf gemessenen Bromidspitzen eine ähnliche Bromidmenge auf.

Die Nutzung von Brom zur Wasseraufbereitung hat gegenüber Chlor den Vorteil, dass es geruchsneutral ist sowie Augen und Haut weniger reizt. Zusätzlich verändert Brom den pH-Wert weniger stark als Chor und die Wirksamkeit ist auch weniger stark vom pH-Wert abhängig. Der Einsatz von Brom ist jedoch deutlich teurer als die Nutzung von Chlor.

Die Wasseraufbereitung mit Brom erfolgt mit Bromtabletten, die im Wasser aufgelöst werden. Das folgende Berechnungsbeispiel zeigt, dass die Komplettentleerung eines einzelnen Pools die im ARA-Zulauf gemessenen Bromspitzen verursachen kann:

  • Brommenge pro Tablette: 6,7 g Br
  • Dosierempfehlung: sieben Tabletten pro Woche pro 10 m3
  • Für einen 40-m3-Pool werden damit über ein halbes Jahr 700 Tabletten zugegeben, was einer Brommenge von ca. 4,5 kg entspricht.


In Figur 1 sieht man den zeitlichen Vergleich der Messungen im Ablauf der ARA Birmensdorf über die gesamte Messperiode. Es ist zu sehen, dass die Spitzen im Frühling im Jahr 2019, 2020 und 2021 zu sehr ähnlichen Zeiten auftraten. Die Spitzen im Herbst/Winter sind etwas stärker verstreut.

Umfrage Pool-Besitzer

Anfang 2021 wurde eine Umfrage bei allen privaten Poolbesitzern im Einzugsgebiet der ARA Birmensdorf durchgeführt. Von insgesamt 406 angefragten Parteien haben 276 teilgenommen. Mit einem Fragebogen wurden folgende Punkte zu den Pools angefragt:

  • Baujahr
  • Volumen
  • Mittel/Verfahren für die Wasseraufbereitung
  • Zeitpunkt Befüllung
  • Zeitpunkt Entleerung
  • Dauer Entleerung
Resultate Umfrage

Die Umfrage ergab, dass rund die Hälfte der Pools während der letzten 20 Jahre neu erstellt wurden und es zeigte sich, dass die Pools über alle Verbandsgemeinden gut verteilt sind. Rund 70% der Becken sind grösser als 30 Kubikmeter.

Für die Wasserdesinfektion wird Chlor mit einem Anteil von 62% klar am häufigsten eingesetzt. 14 Parteien haben angegeben, Brom einzusetzen. Dies entspricht einem Anteil von rund fünf Prozent.

Die Pool-Befüllung erfolgt im Frühling, wobei 80% der Pool-Befüllungen auf die Monate April und Mai entfallen. Einige wenige haben zusätzlich vermerkt, dass sie den Pool nicht jedes Jahr entleeren.

Die Pool-Entleerung kann sowohl im Frühling als auch im Herbst erfolgen (Fig. 5). Einige Poolbesitzer überwintern den vollen Pool und entleeren ihn im Frühling. Einige entleeren ihn im Herbst komplett und andere entleeren ihn im Herbst teilweise.

Die Entleerung dauert in der Regel weniger als einen halben Tag. Dies bedeutet, dass das Wasser bei der Entleerung im Normalfall innerhalb eines Tages auf die ARA gelangt und damit auch in der Probe eines Tages enthalten ist.

Die Ergebnisse der Pool-Umfrage zeigen, dass die privaten Pools aufgrund der Entleerungszeitpunkte im Frühling und im Herbst als mögliche Bromideinleiter infrage kommen. Während der Messkampagne traten die Bromidspitzen ebenfalls im Frühling sowie vereinzelt auch im Herbst auf. Da die Pool-Entleerung zusätzlich vom Wetter abhängig ist und damit früher oder später im Jahr stattfinden kann, können auch die jährlich etwas verschobenen Bromidpeaks während der Messkampagnen erklärt werden.

Messung Pool-Entleerung

In einem weiteren Schritt wurden sechs Pool-Besitzer, die Brom zur Desinfektion einsetzen, kontaktiert. Mit weiteren Messungen sollte der Zusammenhang zwischen den Bromidpeaks im ARA-Zulauf und den Pool-Entleerungen erhärtet werden.

Aus vier Pools konnten Proben für eine Bromidanalyse entnommen werden. Zudem wurde der Zeitpunkt der Pool-Entleerung bei den jeweiligen Poolbesitzern angefragt, um die zeitliche Übereinstimmung mit den Bromidspitzen im ARA-Zulauf überprüfen zu können.

In Tabelle 1 sind die gemessenen Bromidkonzentrationen für die vier beprobten Pools aufgelistet. Das Volumen der Pools wurde anhand der Resultate aus der Umfrage abgeschätzt. Mittels Konzentration und Volumen konnte so die Bromidfracht bzw. die Bromidmenge in den jeweiligen Pools berechnet werden. Bei einer Entleerung werden diese Bromidmengen in die Kanalisation eingeleitet und werden innerhalb einer Tagesprobe im ARA-Zulauf erwartet.

  Bromidkonzentration [mg/l Br] Poolgrösse [m3] Bromidfracht [kg]
Pool 1 63,5 85 5,40
Pool 2 44,3 40 1,77
Pool 3 45,2 40 1,81

Tab. 1 In den Schwimmbecken gemessene Bromidkonzentrationen und daraus berechnete Bromidmengen.

Resultate Pool-Entleerung

In Figur 6 sind die Bromidfrachten im Zu- und Ablauf der ARA währen der Entleerung des Pools 1 aufgezeigt. Klar ersichtlich ist, dass die Bromidfracht im ARA-Zulauf am Tag der Pool-Entleerung (9. April 2021) auf rund 7 kg Bromid ansteigt. Nach Abzug der Hintergrundkonzentration des Bromids im Abwasser passt die im ARA-Zulauf gemessene Bromidfracht gut mit den Abschätzungen aus Tabelle 1 von 5,4 kg Bromid überein. Im Ablauf der ARA ist der Anstieg der Bromidfracht, wie auch bereits beim Verlauf der Bromidkonzentration in Figur 2, etwas verspätet und geglättet zu erkennen.
Dasselbe kann in Figur 7 für die Entleerung der Pools 2 und 3 beobachtet werden. Gemäss den Abschätzungen in Tabelle 1 sind 1,7 kg bzw. 1,8 kg Bromid in den Pool 2 resp. 3 vorhanden. Am 22. bzw. am 25. April wurden die Pools geleert. An diesen Tagen wurden im ARA-Zulauf wiederum erhöhte Bromidfrachten gemessen.

FAZIT

Die Ergebnisse der Messkampagnen zeigen, dass die Entleerung von privaten Pools, die mit Brom das Badewasser aufbereiten, Bromidspitzen im Zulauf zur ARA verursachen können. Einzelne Bromidspitzen im Frühling 2021 konnten klar einer Pool-Entleerung zugeordnet werden. Damit erklärt sich auch der saisonale Anfall der Bromidspitzen im Frühling (Reinigung vor Sommerbetrieb) und Herbst (Teilentleerung nach Saisonende). Diese Erkenntnis gilt für die Anlagengrösse der ARA Birmensdorf von 33'000 Einwohnerwerten. Bei grösseren Einzugsgebieten dürfte der Effekt verschwinden.
Die vorgesehene Stufe zur Elimination von Mikroverunreinigungen der ARA Birmensdorf ist weiterhin mit einer Ozonung und anschliessender Sandfiltration geplant. Bei den erhöht auftretenden Bromidkonzentrationen im ARA-Zulauf handelt es sich um saisonal beschränkte Einzelwerte. Im Rahmen der «Abklärungen Verfahrenseignung Ozonung» wurde bei der Ozonexposition einer Abwasserprobe mit erhöhten Bromidkonzentrationen im Labor keine nennenswerte Bromatbildung festgestellt und das Abwasser als unauffällig eingestuft.
Eine Sensibilisierung der Pool-Besitzer für die Bromidthematik durch das Aufzeigen der vorliegenden Erkenntnisse ist im Rahmen einer Informationsveranstaltung geplant.

Bibliographie

[1] GSchG: Bundesgesetz über den Schutz der Gewässer (Gewässerschutzgesetz), 814.20, vom
24. Januar 1991 (Stand am 1. Januar 2020)
[2] GSchV: Gewässerschutzverordnung, SR 814.201, vom 28. Oktober 1998 (Stand am 1. Januar 2021)
[3] Wunderlin, P. et al. (2015): Behandelbarkeit von Abwasser mit Ozon. Aqua & Gas, No 7/8, S.28–38
[4] Soltermann, F. et al. (2016): Bromid im Abwasser. Aqua & Gas No 10, S.64–71
[5] Wunderlin, P. (2017): Abklärungen Verfahrenseignung Ozonung. VSA Empfehlung. Version 1
[6] Abegglen, C.; Siegrist, H. (2012): Mikroverunreinigungen aus kommunalem Abwasser. Bundesamt für Umwelt (BAFU), Bern
[7] Verordnung des UVEK zur Überprüfung des Reinigungseffekts von Massnahmen zur Elimination von organischen Spurenstoffen bei Abwasserreinigungsanlagen, 814.201.231, vom 3.11.2016 (Stand 1. Dezember 2016)
[8] Verordnung des EDI über Fremd- und Inhaltsstoffe in Lebensmitteln (Fremd- und Inhaltsstoffverordnung, FIV), SR 817.021.23, vom 26. Juni 1995 (Stand 1. Oktober 2015)

Dank

Ein grosser Dank geht an den Zweckverband Kläranlage Birmensdorf für den Willen und die Geduld, den Ursachen auf den Grund zu gehen, und dem ARA-Personal für die Zusatzaufwände während der Messkampagne. Ebenfalls danken wir der Ensola AG für die Umsetzung der Messkampagne im Kanalnetz, dem BAFU für die Unterstützung sowie der Eawag und der VSA-Plattform «Mikroverunreinigungen» für die Beratung.

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