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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.
Christian Götz , 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 auszudrücken, kann die gemessene Umweltkonzentration durch das chronische Qualitätskriterium (CQK) geteilt und so der Risikoquotient (RQ) gebildet werden. Wenn der RQ eines Stoffes höher als 1 ist, kann eine Schädigung der Wasserlebewesen nicht ausgeschlossen werden. Das Risiko, das von der Gesamtheit der rund 30 untersuchten Stoffe für die Gewässer ausgeht, kann als Summe der Risikoquotienten für die chronische Belastung («chronischer Risikoquotient», CRQ) ausgedrückt werden [1].

Die Produkte, aus denen die MV im kommunalen Abwasser stammen, werden das ganze Jahr über in mehr oder weniger gleichbleibenden Mengen verwendet. Die Konzentrationen der Verbindungen in den Gewässern – und somit das Risiko, das sie für die im Wasser lebenden Organismen darstellen – korrelieren deshalb mit dem jeweiligen Anteil an gereinigtem Abwasser. In Figur 1 ist die maximale Summe der auf Messdaten basierende CRQ in Abhängigkeit des Abwasseranteils bei Trockenwetter dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass für die dargestellten Gewässer Glatt, Reppisch, Aabach und Furtbach von einem erhöhten Risiko für die Wasserlebewesen, das auf MV aus kommunalem Abwasser zurückzuführen ist, ausgegangen werden muss.

In vielen Gewässern überschreiten die Arzneimittel Azithromyzin, Clarithromycin und Diclofenac regelmässig die seit dem 1. April 2020 in der Gewässerschutzverordnung (GSchV) in Anhang 2 festgelegten numerischen Anforderungen. Stellt ein Kanton eine Überschreitung der Grenzwerte fest, ist er aufgrund der GSchV verpflichtet, die Ursachen der Überschreitungen abzuklären und Massnahmen zur Verbesserung der Wasserqualität einzuleiten. Wenn Überschreitungen weitverbreitet festgestellt werden, muss der Bund übergeordnete Massnahmen zur Reduzierung der Belastung einleiten, sodass diese weitverbreiteten Überschreitungen nicht mehr auftreten [2].

Ausbau der Abwasserreinigungsanlagen

Zum Schutz der Wasserlebewesen und der Trinkwasserressourcen in der Schweiz werden deshalb bis 2040 ausgewählte ARA mit zusätzlichen Reinigungsstufen ausgerüstet, welche MV aus dem Abwasser entfernen. Die gesetzlichen Grundlagen zu diesem Vorhaben traten am 1. Januar 2016 in Kraft. Als Verfahren für 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 grössten ARA, grosse ARA im Einzugsgebiet von Seen sowie ARA, die in Fliessgewässer mit einem hohen Anteil an gereinigtem Abwasser einleiten. Die ausgebauten ARA müssen gemäss Vorgaben der GSchV mindestens 80% der Spurenstoffe, gemessen anhand von zwölf Leitsubstanzen, aus dem Abwasser entfernen. Schweizweit soll so die aus ARA in die Gewässer eingetragene MV-Fracht um 50% reduziert werden.

Im Kanton Zürich werden bis zum Jahr 2035 34 ARA mit einer Reinigungsstufe für die Elimination von Mikroverunreinigungen (EMV-Stufe) ergänzt, Ende 2020 waren fünf davon bereits in Betrieb. In Figur 2 ist der Ausbaustand der ARA im Kanton Zürich 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 Dübendorf 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 Zürcher Oberland wurden die ARA Wetzikon und ARA Esslingen (Egg-Oetwil) mit einer Pulveraktivkohlestufe aufgerüstet, die im Juni 2019 bzw. im November 2020 in Betrieb genommen wurde. Zu den Anlagen, die bereits aufgerüstet sind, gehört auch die grösste ARA im Kanton Zürich, die ARA Zürich-Werdhölzli. Seit Frühjahr 2018 wird dort das gesamte Abwasser vor der Einleitung in die Limmat zusätzlich mit Ozon und anschliessender Sandfiltration behandelt.

Überprüfen des Erfolgs der Massnahmen

Artikel 50 des Gewässerschutzgesetzes (GSchG) verpflichtet Bund und Kantone, die Öffentlichkeit über den Gewässerschutz und den Zustand der Gewässer zu informieren; insbesondere auch über den Erfolg von Massnahmen. Dies verpflichtet die Behörden, eine Funktions- und Wirkungskontrolle des Ausbaus der ARA mit weitergehenden Reinigungsstufen zur Elimination von Mikroverunreinigungen durchzuführen und über die Ergebnisse zu informieren.

Funktionskontrolle 

Zur Überprüfung 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 Zürich werden dafür zwei aufeinanderfolgende mengenproportionale 24-Stunden-Sammelproben verwendet, die zu 48-Stunden-Mischproben vereinigt werden. Die zu messenden Substanzen sind in einer Verordnung des Eidgenössischen Departements für 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 Zürich von der ARA selbst erbracht werden. Je nach Grösse der Anlage müssen dabei vier bis zwölf Messungen pro Jahr gemacht werden, im ersten Jahr nach der Inbetriebnahme oder bei Nichteinhalten der gesetzlichen Vorgaben doppelt so viele. Der Kanton Zürich führt zur Überwachung der Selbstkontrolle in den entsprechenden Anlagen viermal pro Jahr Kontrollmessungen durch. In ARA, in denen Online-UV/VIS-Sonden vorhanden sind, können diese ergänzend zur Funktionskontrolle ausgewertet werden. Die Reduktion des spektralen Absorptionskoeffizienten (SAK) bei 254 nm korreliert in der Regel sehr gut mit dem Abbau der MV über die weitergehende Stufe.

Wirkungskontrolle

Eine Möglichkeit, die Wirkung der MV-Elimination auf ARA nachzuweisen, ist das Monitoring einer Auswahl an MV im Gewässer und die anschliessende Beurteilung der Wasserqualität mittels Qualitätskriterien. Für die Auswertungen in diesem Bericht wurden 2-Wochen-Mischproben in den Gewässern erhoben. Da die Stoffe aus kommunalem Abwasser in der Regel sehr gleichmässig in die Gewässer eingetragen werden, kann die Überprüfung gegebenenfalls auch mit Momentanproben erfolgen. Es bietet sich auch die Ermittlung von Frachten an, da ein Fliessgewässer an einer bestimmten Stelle, wie eingangs erwähnt, über das Jahr hinweg immer die etwa gleiche Fracht einer bestimmten Mikroverunreinigung aus kommunalem Abwasser mit sich führen sollte.

Biologische Wirkungskontrollen sind aktuell noch schwierig umzusetzen, und es existiert noch keine robuste und etablierte Methode. Eine grundsätzliche Schwierigkeit ist, dass der biologische Zustand neben der chemischen Belastung durch zahlreiche weitere, teilweise stärker dominierende Faktoren bestimmt wird. Dazu gehören Pflanzenschutzmittelrückstände aus landwirtschaftlichen und privaten Anwendungen, die Temperaturerhöhung aufgrund der Klimaveränderung, die Morphologie und auch Nährstoffeinträge.

Für die Wirkungskontrolle anhand von chemischen Messungen ist die Auswahl einer geeigneten Palette an MV entscheidend. Das Bundesamt für Umwelt (BAFU) hat dazu von der VSA-Plattform «Wasserqualität» mit Unterstützung der Eawag die wichtigsten Stoffe in einem aufwendigen Verfahren eruieren lassen [5]. Diese wurden in das Nationale Oberflächengewässerbeobachtungsprogramm NAWA eingespeist und werden durch die kantonalen Umweltlaboratorien im Auftrag des BAFU gemessen.

Zu den MV auf dieser Liste, die in Gewässern in so hohen Konzentrationen vorkommen, dass sie auch in grossen Gewässern wie der Limmat nachgewiesen werden können, gehören die Arzeimittel Diclofenac und Hydrochlorthiazid. Figur 4 zeigt deren Frachten in Zulauf (dunkle Balken) und Ablauf (helle Balken) der ARA Werdhölzli. 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 vollständiger Durchmischung des Abwassers der ARA Werdhölzli mit dem Flusswasser aufgeführt (schwarze Rechtecke). Die Messungen zeigen, dass die Ozonung des gereinigten Abwassers die Frachten von Diclofenac und Hydrochlorthiazid auch im Gewässer massiv reduziert. Mit der aktuell im Gewässerschutzlabor angewandten Analytik sind die in der Limmat vorliegenden Konzentrationen nicht mehr quantifizierbar (n. b.).
Die Fracht- und Konzentrationsreduktion in der Limmat widerspiegelt sich auch in einer deutlich besseren Beurteilung der Wasserqualität basierend auf der Risikoabschätzung für Wasserorganismen.

Diclofenac hat ein tiefes CQK von 0,05 μg/l. In abwasserbelasteten Gewässern dominiert deshalb häufig diese Verbindung die Gesamtbeurteilung. Das heisst, wenn Diclofenac das chronische Qualitätskriterium einhält, 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 eindrücklich, dass nach der Inbetriebnahme der Ozonung auf der ARA Werdhölzli die Konzentration von Diclofenac in der Limmat nie mehr das CQK von 0,05 μg/l überschritten hat. Die chemische Wasserqualität der Limmat, bestimmt anhand sämtlicher im NAWA-Programm gemessener Mikroverunreinigungen, hat sich von unbefriedigend auf gut bis sehr gut verbessert.

Entwicklung der Stoff-Frachten im Kanton Zürich

Im Rahmen der Umweltbeobachtung des Kantons Zürich, die ergänzend zum NAWA-SPEZ-Programm und weiteren Programmen des Bundes seit vielen Jahren durchgeführt wird, werden an zwölf sogenannten «Hauptmessstellen» im Kanton Zürich quartalsweise 14-Tages-Sammelproben (bis 2016 Wochensammelproben) entnommen und auf Mikroverunreinigungen untersucht. Die Hauptmessstellen decken alle Einzugsgebiete der Gewässer des Kantons ab und bieten somit eine ideale Datengrundlage für die Erfolgskontrolle des Ausbaus der ARA gemäss Art. 50 des Gewässerschutzgesetzes.

Figur 6 zeigt, wie sich die Frachten von Diclofenac zwischen den beiden Perioden 2015–2017 und 2018–2020 in sechs Haupteinzugsgebieten des Kantons Zürich entwickelt haben. Bei den Messstellen Limmat bei Dietikon (Ausbau ARA Werdhölzli) und Glatt vor Rhein (Ausbau ARA Dübendorf und Bassersdorf) kann eine Abnahme der Gesamtfrachten von Diclofenac nachgewiesen werden. Insgesamt konnte die Fracht an Diclofenac in den sechs Haupteinzugsgebieten im Kanton Zürich um mehr als 50% reduziert werden.

Fazit

Allgemein rechnet man damit, dass die Belastung der Gewässer durch MV aus Industrie, Gewerbe, Pflegeeinrichtungen und Haushalt weiterhin zunehmen wird. Einerseits dürfte sowohl die Vielfalt der Chemikalien als auch derjenigen Produkte, die Chemikalien enthalten, grösser werden, andererseits wächst die Bevölkerung und mit ihr die Verkaufsmengen dieser Produkte. Zudem steigt das Durchschnittsalter der Bevölkerung, was einen höheren Verbrauch an Arzneimitteln nach sich zieht. Verstärkt werden könnte die Problematik durch die Klimaerwärmung. Werden Phasen mit trockener Witterung häufiger, treten auch mehr Niedrigwasserstände in den Bächen und Flüssen auf. Dies bedeutet eine schlechtere Verdünnung des gereinigten Abwassers und somit höhere Konzentrationen von MV in den Fliessgewässern.

Trotz grösser werdender Bevölkerung und damit einhergehendem steigendem Verbrauch von Konsumchemikalien und Arzneimitteln konnte mit dem Ausbau der fünf ARA im Kanton Zürich eine Reduktion der Gesamtfracht einzelner MV um rund 50% erreicht werden. Ein Grossteil dieser Frachtreduktion ist auf den Ausbau der ARA Zürich-Werdhölzli zurückzuführen, die mit rund 470'000 angeschlossenen Einwohnern ca. ein Drittel der Zürcher Bevölkerung abdeckt. Die ARA Dübendorf, 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 Wasserqualität in einzelnen Gewässern und Gewässerabschnitten deutlich verbessert werden. So weist die Limmat bei Dietikon seit 2018 eine gute bis sehr gute Wasserqualität auf.

Bibliographie

[1] Spycher, S. et al. (2018): Pesticide Risks in Small Streams – How to Get as Close as Possible to the Stress Imposed on Aquatic Organisms, Environmental Science & Technology
[2] Bundesamt für Umwelt (2020): Revision Gewässerschutzverordnung – Strengere Grenzwerte stärken den Gewässerschutz – 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 zukünftige Entwicklungen, Aqua & Gas 1/17
[4] UVEK (2016): Art. 2 der Verordnung des UVEK zur Überprüfung des Reinigungseffekts von Massnahmen zur Elimination von organischen Spurenstoffen bei Abwasserreinigungsanlagen vom 3. November 2016 (Stand am 1. Dezember 2016)
[5] VSA-Plattform «Wasserqualität» (2021): Website. https://waterquality.ch/projekte/stoffauswahl

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