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Fachartikel
07. Oktober 2021

Abwasser

Zusätzliche Reinigungsstufe zeigt Wirkung

Mikroverunreinigungen aus kommunalem Abwasser belasten die Gewässer und führen regelmässig zu Überschreitungen von gesetzlichen Anforderungen. Deshalb werden Abwasserreinigungsanlagen mit zusätzlichen Reinigungsstufen zur Elimination von Mikroverunreinigungen ausgerüstet. Mit einer auf Messungen im Gewässer basierten Wirkungskontrolle können erste Erfolge nachgewiesen werden.
Jürg Sinniger, Pius Niederhauser , Urs Holliger, 

Viele der Mikroverunreinigungen (MV) in unseren Gewässern haben ihren Ursprung in den Siedlungsgebieten. Sie stammen beispielsweise aus Produkten, die in Haushalten, in Pflegeeinrichtungen sowie Industrie und Gewerbe verwendet werden. Dazu gehören Reinigungs- und Desinfektionsmittel, Medikamente, Kosmetika oder Korrosionsschutzmittel. Da die Wirkstoffe, die in diesen Produkten enthalten sind, in herkömmlichen Abwasserreinigungsanlagen (ARA) nicht oder nicht vollständig aus dem Abwasser entfernt werden, gelangen sie mit dem gereinigten Abwasser in die Gewässer. Besonders im dicht besiedelten und intensiv genutzten Mittelland der Schweiz ist die Belastung der Gewässer durch MV hoch.

Um das Risiko eines einzelnen Stoffes auszudr√ľcken, kann die gemessene Umweltkonzentration durch das chronische Qualit√§tskriterium (CQK) geteilt und so der Risikoquotient (RQ) gebildet werden. Wenn der RQ eines Stoffes h√∂her als 1 ist, kann eine Sch√§digung der Wasserlebewesen nicht ausgeschlossen werden. Das Risiko, das von der Gesamtheit der rund 30 untersuchten Stoffe f√ľr die Gew√§sser ausgeht, kann als Summe der Risikoquotienten f√ľr die chronische Belastung (¬ęchronischer Risikoquotient¬Ľ, CRQ) ausgedr√ľckt werden [1].

Die Produkte, aus denen die MV im kommunalen Abwasser stammen, werden das ganze Jahr √ľber in mehr oder weniger gleichbleibenden Mengen verwendet. Die Konzentrationen der Verbindungen in den Gew√§ssern ‚Äď und somit das Risiko, das sie f√ľr die im Wasser lebenden Organismen darstellen ‚Äď korrelieren deshalb mit dem jeweiligen Anteil an gereinigtem Abwasser. In Figur 1 ist die maximale Summe der auf Messdaten basierende CRQ in Abh√§ngigkeit des Abwasseranteils bei Trockenwetter dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass f√ľr die dargestellten Gew√§sser Glatt, Reppisch, Aabach und Furtbach von einem erh√∂hten Risiko f√ľr die Wasserlebewesen, das auf MV aus kommunalem Abwasser zur√ľckzuf√ľhren ist, ausgegangen werden muss.

In vielen Gew√§ssern √ľberschreiten die Arzneimittel Azithromyzin, Clarithromycin und Diclofenac regelm√§ssig die seit dem 1. April 2020 in der Gew√§sserschutzverordnung (GSchV) in Anhang 2 festgelegten numerischen Anforderungen. Stellt ein Kanton eine √úberschreitung der Grenzwerte fest, ist er aufgrund der GSchV verpflichtet, die Ursachen der √úberschreitungen abzukl√§ren und Massnahmen zur Verbesserung der Wasserqualit√§t einzuleiten. Wenn √úberschreitungen weitverbreitet festgestellt werden, muss der Bund √ľbergeordnete Massnahmen zur Reduzierung der Belastung einleiten, sodass diese weitverbreiteten √úberschreitungen nicht mehr auftreten [2].

Ausbau der Abwasserreinigungsanlagen

Zum Schutz der Wasserlebewesen und der Trinkwasserressourcen in der Schweiz werden deshalb bis 2040 ausgew√§hlte ARA mit zus√§tzlichen Reinigungsstufen ausger√ľstet, welche MV aus dem Abwasser entfernen. Die gesetzlichen Grundlagen zu diesem Vorhaben traten am 1. Januar 2016 in Kraft. Als Verfahren f√ľr die weitergehende Abwasserreinigung bieten sich vor allem die Adsorption an Aktivkohle sowie die Behandlung mit Ozon an. Beide Technologien sind in der Lage, eine Vielzahl von MV aus dem Abwasser zu entfernen [3]. Vom Ausbau betroffen sind die gr√∂ssten ARA, grosse ARA im Einzugsgebiet von Seen sowie ARA, die in Fliessgew√§sser mit einem hohen Anteil an gereinigtem Abwasser einleiten. Die ausgebauten ARA m√ľssen gem√§ss Vorgaben der GSchV mindestens 80% der Spurenstoffe, gemessen anhand von zw√∂lf Leitsubstanzen, aus dem Abwasser entfernen. Schweizweit soll so die aus ARA in die Gew√§sser eingetragene MV-Fracht um 50% reduziert werden.

Im Kanton Z√ľrich werden bis zum Jahr 2035 34 ARA mit einer Reinigungsstufe f√ľr die Elimination von Mikroverunreinigungen (EMV-Stufe) erg√§nzt, Ende 2020 waren f√ľnf davon bereits in Betrieb. In Figur 2 ist der Ausbaustand der ARA im Kanton Z√ľrich Ende 2020 wiedergegeben.

Im Glatttal sind zwei ARA mit einer Stufe zur weitergehenden Abwasserreinigung ausgebaut. Als erste Anlage der Schweiz nahm die ARA Neugut in D√ľbendorf 2014 eine Ozonanlage in Betrieb. Auf der ARA Eich in Bassersdorf wurde mit dem Ausbauprojekt 2016 bis 2018 eine neue Verfahrensstufe mit Ozonung und Sandfiltration realisiert. Ein Sandfilter nach der Ozonung wirkt als nachgeschaltete biologisch aktive Verfahrensstufe, um abbaubare Produkte, die bei der Ozonung entstehen, zu entfernen. Im Z√ľrcher Oberland wurden die ARA Wetzikon und ARA Esslingen (Egg-Oetwil) mit einer Pulveraktivkohlestufe aufger√ľstet, die im Juni 2019 bzw. im November 2020 in Betrieb genommen wurde. Zu den Anlagen, die bereits aufger√ľstet sind, geh√∂rt auch die gr√∂sste ARA im Kanton Z√ľrich, die ARA Z√ľrich-Werdh√∂lzli. Seit Fr√ľhjahr 2018 wird dort das gesamte Abwasser vor der Einleitung in die Limmat zus√§tzlich mit Ozon und anschliessender Sandfiltration behandelt.

√úberpr√ľfen des Erfolgs der Massnahmen

Artikel 50 des Gew√§sserschutzgesetzes (GSchG) verpflichtet Bund und Kantone, die √Ėffentlichkeit √ľber den Gew√§sserschutz und den Zustand der Gew√§sser zu informieren; insbesondere auch √ľber den Erfolg von Massnahmen. Dies verpflichtet die Beh√∂rden, eine Funktions- und Wirkungskontrolle des Ausbaus der ARA mit weitergehenden Reinigungsstufen zur Elimination von Mikroverunreinigungen durchzuf√ľhren und √ľber die Ergebnisse zu informieren.

Funktionskontrolle 

Zur √úberpr√ľfung des Reinigungseffekts der EMV-Stufe werden aus dem Zufluss einer ARA (Rohabwasser oder Zufluss Biologiestufe) und dem Abfluss der ARA periodisch Proben genommen und auf MV hin analysiert (Fig. 3). Im Kanton Z√ľrich werden daf√ľr zwei aufeinanderfolgende mengenproportionale 24-Stunden-Sammelproben verwendet, die zu 48-Stunden-Mischproben vereinigt werden. Die zu messenden Substanzen sind in einer Verordnung des Eidgen√∂ssischen Departements f√ľr Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation (UVEK) festgelegt [4].

Der Nachweis, dass mit den weitergehenden Reinigungsstufen die gesetzlich geforderte Elimination von 80% der MV erreicht wird (Funktionskontrolle), muss im Kanton Z√ľrich von der ARA selbst erbracht werden. Je nach Gr√∂sse der Anlage m√ľssen dabei vier bis zw√∂lf Messungen pro Jahr gemacht werden, im ersten Jahr nach der Inbetriebnahme oder bei Nichteinhalten der gesetzlichen Vorgaben doppelt so viele. Der Kanton Z√ľrich f√ľhrt zur √úberwachung der Selbstkontrolle in den entsprechenden Anlagen viermal pro Jahr Kontrollmessungen durch. In ARA, in denen Online-UV/VIS-Sonden vorhanden sind, k√∂nnen diese erg√§nzend zur Funktionskontrolle ausgewertet werden. Die Reduktion des spektralen Absorptionskoeffizienten (SAK) bei 254 nm korreliert in der Regel sehr gut mit dem Abbau der MV √ľber die weitergehende Stufe.

Wirkungskontrolle

Eine M√∂glichkeit, die Wirkung der MV-Elimination auf ARA nachzuweisen, ist das Monitoring einer Auswahl an MV im Gew√§sser und die anschliessende Beurteilung der Wasserqualit√§t mittels Qualit√§tskriterien. F√ľr die Auswertungen in diesem Bericht wurden 2-Wochen-Mischproben in den Gew√§ssern erhoben. Da die Stoffe aus kommunalem Abwasser in der Regel sehr gleichm√§ssig in die Gew√§sser eingetragen werden, kann die √úberpr√ľfung gegebenenfalls auch mit Momentanproben erfolgen. Es bietet sich auch die Ermittlung von Frachten an, da ein Fliessgew√§sser an einer bestimmten Stelle, wie eingangs erw√§hnt, √ľber das Jahr hinweg immer die etwa gleiche Fracht einer bestimmten Mikroverunreinigung aus kommunalem Abwasser mit sich f√ľhren sollte.

Biologische Wirkungskontrollen sind aktuell noch schwierig umzusetzen, und es existiert noch keine robuste und etablierte Methode. Eine grunds√§tzliche Schwierigkeit ist, dass der biologische Zustand neben der chemischen Belastung durch zahlreiche weitere, teilweise st√§rker dominierende Faktoren bestimmt wird. Dazu geh√∂ren Pflanzenschutzmittelr√ľckst√§nde aus landwirtschaftlichen und privaten Anwendungen, die Temperaturerh√∂hung aufgrund der Klimaver√§nderung, die Morphologie und auch N√§hrstoffeintr√§ge.

F√ľr die Wirkungskontrolle anhand von chemischen Messungen ist die Auswahl einer geeigneten Palette an MV entscheidend. Das Bundesamt f√ľr Umwelt (BAFU) hat dazu von der VSA-Plattform ¬ęWasserqualit√§t¬Ľ mit Unterst√ľtzung der Eawag die wichtigsten Stoffe in einem aufwendigen Verfahren eruieren lassen [5]. Diese wurden in das Nationale Oberfl√§chengew√§sserbeobachtungsprogramm NAWA eingespeist und werden durch die kantonalen Umweltlaboratorien im Auftrag des BAFU gemessen.

Zu den MV auf dieser Liste, die in Gew√§ssern in so hohen Konzentrationen vorkommen, dass sie auch in grossen Gew√§ssern wie der Limmat nachgewiesen werden k√∂nnen, geh√∂ren die Arzeimittel Diclofenac und Hydrochlorthiazid. Figur¬†4 zeigt deren Frachten in Zulauf (dunkle Balken) und Ablauf (helle Balken) der ARA Werdh√∂lzli. Mit Inbetriebnahme der weitergehenden Reinigungsstufe konnten die Frachten der beiden Verbindungen im gereinigten Abwasser um mehr als 90% reduziert werden. Dies macht sich entsprechend auch in der Limmat bei Dietikon bemerkbar. In Figur 4 sind die Frachten von Diclofenac und Hydrochlorthiazid in der Limmat nach vollst√§ndiger Durchmischung des Abwassers der ARA Werdh√∂lzli mit dem Flusswasser aufgef√ľhrt (schwarze Rechtecke). Die Messungen zeigen, dass die Ozonung des gereinigten Abwassers die Frachten von Diclofenac und Hydrochlorthiazid auch im Gew√§sser massiv reduziert. Mit der aktuell im Gew√§sserschutzlabor angewandten Analytik sind die in der Limmat vorliegenden Konzentrationen nicht mehr quantifizierbar (n.‚ÄČb.).
Die Fracht- und Konzentrationsreduktion in der Limmat widerspiegelt sich auch in einer deutlich besseren Beurteilung der Wasserqualit√§t basierend auf der Risikoabsch√§tzung f√ľr Wasserorganismen.

Diclofenac hat ein tiefes CQK von 0,05‚ÄČőľg/l. In abwasserbelasteten Gew√§ssern dominiert deshalb h√§ufig diese Verbindung die Gesamtbeurteilung. Das heisst, wenn Diclofenac das chronische Qualit√§tskriterium einh√§lt, machen dies in der Regel auch alle weiteren bekannten Stoffe aus dem kommunalen Abwasser. Dies ist auch in der Limmat bei Dietikon der Fall. Figur 5 demonstriert eindr√ľcklich, dass nach der Inbetriebnahme der Ozonung auf der ARA Werdh√∂lzli die Konzentration von Diclofenac in der Limmat nie mehr das CQK von 0,05‚ÄČőľg/l √ľberschritten hat. Die chemische Wasserqualit√§t der Limmat, bestimmt anhand s√§mtlicher im NAWA-Programm gemessener Mikroverunreinigungen, hat sich von unbefriedigend auf gut bis sehr gut verbessert.

Entwicklung der Stoff-Frachten im Kanton Z√ľrich

Im Rahmen der Umweltbeobachtung des Kantons Z√ľrich, die erg√§nzend zum NAWA-SPEZ-Programm und weiteren Programmen des Bundes seit vielen Jahren durchgef√ľhrt wird, werden an zw√∂lf sogenannten ¬ęHauptmessstellen¬Ľ im Kanton Z√ľrich quartalsweise 14-Tages-Sammelproben (bis 2016 Wochensammelproben) entnommen und auf Mikroverunreinigungen untersucht. Die Hauptmessstellen decken alle Einzugsgebiete der Gew√§sser des Kantons ab und bieten somit eine ideale Datengrundlage f√ľr die Erfolgskontrolle des Ausbaus der ARA gem√§ss Art. 50 des Gew√§sserschutzgesetzes.

Figur 6 zeigt, wie sich die Frachten von Diclofenac zwischen den beiden Perioden 2015‚Äď2017 und 2018‚Äď2020 in sechs Haupteinzugsgebieten des Kantons Z√ľrich entwickelt haben. Bei den Messstellen Limmat bei Dietikon (Ausbau ARA Werdh√∂lzli) und Glatt vor Rhein (Ausbau ARA D√ľbendorf und Bassersdorf) kann eine Abnahme der Gesamtfrachten von Diclofenac nachgewiesen werden. Insgesamt konnte die Fracht an Diclofenac in den sechs Haupteinzugsgebieten im Kanton Z√ľrich um mehr als 50% reduziert werden.

Fazit

Allgemein rechnet man damit, dass die Belastung der Gew√§sser durch MV aus Industrie, Gewerbe, Pflegeeinrichtungen und Haushalt weiterhin zunehmen wird. Einerseits d√ľrfte sowohl die Vielfalt der Chemikalien als auch derjenigen Produkte, die Chemikalien enthalten, gr√∂sser werden, andererseits w√§chst die Bev√∂lkerung und mit ihr die Verkaufsmengen dieser Produkte. Zudem steigt das Durchschnittsalter der Bev√∂lkerung, was einen h√∂heren Verbrauch an Arzneimitteln nach sich zieht. Verst√§rkt werden k√∂nnte die Problematik durch die Klimaerw√§rmung. Werden Phasen mit trockener Witterung h√§ufiger, treten auch mehr Niedrigwasserst√§nde in den B√§chen und Fl√ľssen auf. Dies bedeutet eine schlechtere Verd√ľnnung des gereinigten Abwassers und somit h√∂here Konzentrationen von MV in den Fliessgew√§ssern.

Trotz gr√∂sser werdender Bev√∂lkerung und damit einhergehendem steigendem Verbrauch von Konsumchemikalien und Arzneimitteln konnte mit dem Ausbau der f√ľnf ARA im Kanton Z√ľrich eine Reduktion der Gesamtfracht einzelner MV um rund 50% erreicht werden. Ein Grossteil dieser Frachtreduktion ist auf den Ausbau der ARA Z√ľrich-Werdh√∂lzli zur√ľckzuf√ľhren, die mit rund 470'000 angeschlossenen Einwohnern ca. ein Drittel der Z√ľrcher Bev√∂lkerung abdeckt. Die ARA D√ľbendorf, Bassersdorf, Wetzikon und Egg leisten mit kumulierten 115'000 angeschlossenen Einwohnern ebenfalls einen substanziellen Beitrag zur Gesamtreduktion der MV-Fracht im Kanton. In der Folge konnte die Wasserqualit√§t in einzelnen Gew√§ssern und Gew√§sserabschnitten deutlich verbessert werden. So weist die Limmat bei Dietikon seit 2018 eine gute bis sehr gute Wasserqualit√§t auf.

Bibliographie

[1] Spycher, S. et al. (2018): Pesticide Risks in Small Streams ‚Äď How to Get as Close as Possible to the Stress Imposed on Aquatic Organisms, Environmental Science & Technology
[2] Bundesamt f√ľr Umwelt (2020): Revision Gew√§sserschutzverordnung ‚Äď Strengere Grenzwerte st√§rken den Gew√§sserschutz ‚Äď https://www.bafu.admin.ch/bafu/de/home/themen/wasser/fachinformationen/revision-der-gewaesserschutzverordnung.html
[3] Wunderlin, P. et al. (2017) Elimination von Mikroverunreinigungen auf ARA, Aktueller Stand der Verfahren und zuk√ľnftige Entwicklungen, Aqua & Gas 1/17
[4] UVEK (2016): Art. 2 der Verordnung des UVEK zur √úberpr√ľfung des Reinigungseffekts von Massnahmen zur Elimination von organischen Spurenstoffen bei Abwasserreinigungsanlagen vom 3. November 2016 (Stand am 1. Dezember 2016)
[5] VSA-Plattform ¬ęWasserqualit√§t¬Ľ (2021): Website. https://waterquality.ch/projekte/stoffauswahl

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