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Was ist das?
Die ARA Weißenburg im Detail
Wie entfernt man das?
Für die Elimination von organischen Schadstoffen, Mikroschadstoffen, Medikamentenresten und anthropogenen Spurenstoffen stehen verschiedene Verfahren zur Auswahl. Diese lassen sich in vier Gruppen einteilen: „Oxidativ“ mit Ozon oder AOP, „Adsorptiv“ mit PAK in die Belebung, vor einen Flockenfilter oder als PAK-Stufe bestehend aus Kontaktreaktor, Sedimentation nach der Nachklärung mit interner Rückführung der Kohle, „Adsorptiv“ mit GAK in unserem DynaSand-Carbon-Filter und „Physikalisch“, wobei der DynaSand die nachgeschaltete Technik schützt.
Die Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (DWA) legt eine neue Merkblattreihe DWA-M 285 „Spurenstoffelimination auf kommunalen Kläranlagen“ auf. Im Rahmen von Forschungsvorhaben und der Umsetzung von Pilotanlagen im Betrieb sind inzwischen zahlreiche Reinigungsanlagen zur Elimination von Spurenstoffen in Deutschland umgesetzt. Mittlerweile werden bereits auf mehr als 20 Kläranlagen im deutschsprachigen Raum Verfahren mit Ozon und/oder Aktivkohle betrieben, sodass zwischenzeitlich für einige Verfahren Erfahrungen zur Planung, zum Bau und zum Betrieb vorliegen. Für die Spurenstoffelimination auf kommunalen Kläranlagen werden derzeit die Ozonung und die Aktivkohleadsorption als geeignete Verfahren angesehen. Nach gegenwärtigem Stand unter Berücksichtigung der Ergebnisse des Stakeholder-Dialogs des Bundesumweltministeriums zur „Spurenstoffstrategie des Bundes“, ist davon auszugehen, dass in den kommenden Jahren weitere Kläranlagen um Verfahren zur gezielten Spurenstoffelimination zu erweitern sind. Die Dimensionierung der Verfahren erfolgte bislang auf Kennwerten, die man aus halb- und großtechnischen Versuchen abgeleitet hat. Gegenwärtig existiert im DWA-Regelwerk kein Dokument zur Auslegung dieser Verfahren bzw. eine Entscheidungshilfe bei der Auswahl des Verfahrens. Mit der Erstellung der neuen Merkblatt-Reihe sollen diese Lücken geschlossen werden. Die ersten drei Teile der Reihe sind: Teil 1: Kriterien der Verfahrensauswahl mit ausgewählten Beispielen Teil 2: Einsatz von Aktivkohle – Verfahrensgrundsätze und Bemessung Teil 3: Ozonung – Verfahrensgrundsätze und Bemessung.
Das gereinigte Abwasser konventioneller kommunaler Kläranlagen enthält eine Restbelastung organischer Verbindungen künstlichen Ursprungs. Solche „anthropogenen Spurenstoffe“ können dann in sehr geringen Konzentrationen in Gewässern nachgewiesen werden. Sie stammen zum Beispiel aus dem Gebrauch von Haushalts- und Industriechemikalien, Wasch- und Reinigungsmitteln oder der Anwendung von Arznei- und Pflanzenschutzmitteln. Wegen ihrer Stabilität werden sie in Kläranlagen nur teilweise abgebaut. Manche dieser Stoffe können Auswirkungen auf Gewässerorganismen oder die Trinkwassergewinnung haben. So entstand die Überlegung, aus Vorsorgegründen insbesondere größere Kläranlagen mit gewässersensiblen Einleitungsverhältnissen mit einer 4. Reinigungsstufe zur Elimination von Spurenstoffen nachzurüsten.
Die Stadt Weißenburg in Bayern hat auf ihrer Kläranlage eine 4. Reinigungsstufe errichtet. Verwirklicht wurde eine zweistufige Verfahrenskombination aus Ozonung und Filtration. Der Freistaat Bayern förderte das Pilotprojekt mit 75 Prozent der zuwendungsfähigen Kosten. Die Kläranlage Weißenburg leitet in die abflussschwache Schwäbische Rezat ein. Aufgrund dieser sensiblen wasserwirtschaftlichen Situation wurde die Kläranlage als Standort für ein bayerisches Pilotvorhaben ausgewählt. Folgende Ziele wurden verfolgt:
Von Beginn der Planungen an bis etwa ein Jahr nach der Inbetriebnahme wurde im Rahmen des Vorhabens „Elimination von anthropogenen Spurenstoffen auf kommunalen Kläranlagen“ die Errichtung der 4. Reinigungsstufe wissenschaftlich und ingenieurtechnisch begleitet. Weiterhin wurde ein umfangreiches Messprogramm durchgeführt. Nach rund fünf Jahren Projektlaufzeit wurde die Inbetriebnahme im Frühjahr 2019 abgeschlossen und die gewonnenen Erkenntnisse in einem Abschlussbericht zusammengefasst.
Um weitere Erkenntnisse zum Regelbetrieb zu gewinnen sowie zur weiteren energetischen Optimierung der 4. Reinigungsstufe wurde im Anschluss an die Inbetriebnahme vom November 2019 bis Juni 2021 das Folgeprojekt „4. Reinigungsstufe auf der Kläranlage Weißenburg, Erfahrungen im Regelbetrieb“ durchgeführt.
Mit dem Vorhaben zur Kläranlage in Weißenburg steht nun ein umfangreich untersuchtes „best practice“ Beispiel zur Verfügung, welches für die Konzeption und Planung sowie zum Betrieb weiterer Anlagen zur Spurenstoffelimination wertvolle Erkenntnisse liefert.
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In der Umwelt und in unseren Gewässern findet sich viel Plastikmüll: Getränkeflaschen, Plastiksäcke, Verpackungen, Strohhalme und vieles mehr. Mit blossem Auge weniger gut erkennbar, dennoch nicht seltener, ist sogenanntes Mikroplastik. Diese Seite informiert darüber, was genau Mikroplastik ist und welche Mengen in Schweizer Gewässern vorkommen.
Plastik, auch Kunststoff genannt, ist ein langlebiges organisches Material oder POP (von «persistent organic pollutant»). Es wird durch die Polymerisation von Monomeren hergestellt, die basierend auf Erdöl, Kohle, Erdgas erzeugt werden. Typische Plastikarten sind
Zudem gibt es im Wesentlichen zwei Arten von Biokunststoffen.
Plastik enthält in der Regel zusätzliche Chemikalien wie Bisphenol A oder Weichmacher, um dem Plastik spezielle Eigenschaften zu verleihen.
In der Wissenschaft werden Plastikpartikel in der Regel nach ihrer Grösse und ihrer Herkunft unterteilt.
Grösse
Makroplastik: Plastikpartikel grösser als 200 Millimeter
Mesoplastik: Plastikpartikel zwischen 5 und 200 Millimeter
Mikroplastik: Plastikpartikel zwischen 5 und 0.0001 Millimeter (=100 Nanometer)
Nanoplastik: Plastikpartikel kleiner als 100 Nanometer
Herkunft
Primäres Mikroplastik: Mikroplastikpartikel, die gezielt in dieser Grösse für spezifische Anwendung industriell produziert werden, zum Beispiel
Sekundäres Mikroplastik: Mikroplastikpartikel, die erst durch Zerfall oder Zersetzung grösserer Plastikteile entstehen, zum Beispiel
Im Strassenabwasser finden sich grosse Mengen an Mikroplastik. Es stammt vom Abrieb der Auto- und LKW-Pneus, von Polymeren und Bitumen aus dem Asphalt, von Schuhsohlen und Fahrbahnmarkierungen. Vor allem bei Starkregen werden die Plastikpartikel von der Strasse häufig nicht nur in die Kanalisation, sondern auch auf Felder und in Gewässer gespült. Auf wenig befahrenen Strassen kommt hinzu, dass das Strassenabwasser nicht immer über die Kanalisation in eine Strassenabwasser-Behandlungsanlage SABA, sondern ungefiltert in das nächste Gewässer geleitet oder in den Untergrund versickert wird.
Forschende der Empa haben den Abrieb von Pneus genauer unter die Lupe genommen – den Mikrogummi. Sie haben berechnet, dass sich in den Jahren 1988 bis 2018 in der Schweiz rund 200'000 Tonnen Mikrogummi in der Umwelt angesammelt haben könnten. Nach diesen Berechnungen verbleiben etwa drei Viertel in einem fünf Meter breiten Streifen rechts und links der Strasse, 5 Prozent gelangen in die Böden jenseits des Streifens und 20 Prozent in die Gewässer
(Quelle: «Gummi in der Umwelt», Empa, 2019).
In einer Studie des Fraunhofer Instituts UMSICHT haben die Forschenden den Pneuabrieb als den grössten Verursacher von Mikroplastik in der Umwelt in Deutschland identifiziert. Der Abrieb von Asphalt liegt an dritter Stelle, Schuhsohlen an siebter und Fahrbahnmarkierungen an neunter Stelle.
(Quelle: «Kunststoffe in der Umwelt: Mikro- und Makroplastik», Fraunhoferinstitut UMSICHT, 2018).
Weltweit werden jährlich 350 Millionen Tonnen Plastik produziert. Das entspricht im Schnitt 50 Kilogramm Plastik pro Person und Jahr. Etwa die Hälfte davon gelangen über verschiedene Prozesse in die Umwelt, also rund 20 bis 30 Kilogramm pro Person und Jahr. Die Hauptquellen von Mikroplastik – rund 1 Kilogramm pro Person und Jahr – sind
Weltweit betrachtet trägt primäres Mikroplastik kaum zur Belastung der Umwelt mit Plastik bei. Über 99,95 Prozent des Mikroplastiks in der Umwelt ist sekundäres Mikroplastik, also kleinste Plastikpartikel, die erst durch Zerfall oder Zersetzung grösserer Plastikteile entstehen.
Die Empa hat im Auftrag des Bundesamts für Umwelt (BAFU) mithilfe von Berechnungen abgeschätzt, wieviel Plastik in der Schweiz in die Umwelt gelangt. Erfasst wurden die sieben am häufigsten verwendeten Kunststoffe: Polyethylen (LD-PE und HD-PE), Polypropylen, Polystyrol und expandiertes Polystyrol, PVC und PET. Demnach werden schätzungsweise jährlich rund 5100 Tonnen Plastik freigesetzt: 4500 Tonnen Makroplastik und 615 Tonnen Mikroplastik. Davon gelangen etwa 600 Tonnen Mikroplastik in den Boden und knapp 15 Tonnen in die Gewässer. (Quelle: «Jährlich mehr als 5000 Tonnen Plastik in die Umwelt freigesetzt», Empa, 2019)
In der EU fliessen nur rund 7 Prozent des freigesetzten Mikroplastiks über häusliches und gewerbliches Abwasser in Abwasserreinigungsanlagen ARA. Dort werden zwischen 80 und über 99 Prozent entfernt und über den Klärschlamm entsorgt. Im gereinigtem Abwasser befinden sich noch 1 bis 5 Mikrogramm Mikroplastik pro Liter.
Im Kanton Zürich untersuchte das Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft (AWEL) 28 Abwasserreinigungsanlagen ARA. Sie setzten täglich etwa 18 Milliarden Mikroplastikteilchen oder 330 g in die Umwelt frei. Hochgerechnet auf alle 64 Zürcher ARA ergibt sich eine Menge von 31 Milliarden Teilchen oder 600 g, die täglich in die Zürcher Gewässer gelangen. Im Grund- und Trinkwasser konnte kein Mikroplastik nachgewiesen werden. (Quelle: Fachartikel «Mikroplastik in Abwasser und Gewässern», Aqua&Gas No 7/8, 2016)
Hauptquelle von Mikroplastik in der Umwelt ist weggeworfener Plastikabfall. Um Oberflächengewässer und Umwelt vor Verschmutzung mit Mikroplastik zu schützen, ist es vor allem wichtig, Plastik und Mikroplastik an der Quelle zu reduzieren und den verbleibenden Plastikabfall richtig zu entsorgen.
Zählt man Mikrogummi zum Mikroplastik, so wird der Pneuabrieb zur Hauptquelle von Mikroplastik. (Quelle: «Gummi in der Umwelt», Empa, 2019)
In der Schweiz gelangen im Schnitt jährlich 100 bis 2000 Kubikmeter Abwasser pro Person in die Abwasserreinigungsanlagen ARA. Dort werden zwischen 80 und 99 Prozent des Mikroplastiks aus dem Abwasser entfernt. Mit zusätzlichen Sand und Membran-Filtern, im Mitteleuropa bereits gut etablierte Verfahren, lässt sich die Quote auf über 99 Prozent steigern. Das aus dem Abwasser entfernte Mikroplastik sammelt sich im Klärschlamm, der in der Schweiz üblicherweise verbrannt wird. In der Schweiz stammen daher nach Modellrechnungen im schweizweiten Mittel nur etwa 0,01 Prozent des Plastikeintrags in die Umwelt aus den ARAs.
In Ländern jedoch, die heute noch über keine funktionierende Abwasserreinigung verfügen, stellen ARAs einen guten Ansatzpunkt dar, um durch den Einsatz von Reinigungstechnologien Mikroplastik aus dem Abwasser zu entfernen.
Fotos von verendeten Meeresvögeln und -fischen mit einem Bauch voller Plastikmüll sind weitum bekannt. Die Gefahren von grossen Plastikteilen in der Umwelt sind offensichtlich. Werden Plastikteile von Tieren mit Nahrung verwechselt und gefressen, gelangen sie in den Verdauungstrack und können dort zu Abschürfungen, Geschwüren und Verstopfungen führen, und schliesslich zu Verhungern und Tod.
Doch auch von kleinen Plastikteilchen in Schweizer Seen und Flüssen geht möglicherweise eine Gefahr für aquatische Organismen aus. Darüber ist zwar noch wenig bekannt. Die Vermutung liegt jedoch nahe, dass die Wirkung von Mikroplastik bei kleineren Tieren, die Mikroplastik mit Nahrung verwechseln, sehr ähnlich ist. Bei grösseren Tieren wie Fischen konnte bereits Mikroplastik im Magen und Darm und auch in der Leber nachgewiesen werden.
Neben dem Mikroplastik selbst können aber auch toxische Inhaltsstoffe wie Weichmacher oder Chemikalien, die von den Plastikteilchen absorbiert wurden, zu Schäden führen. Über die Auswirkungen dieser Zusatzstoffe, insbesondere wenn sie in Kombination auftreten, ist bisher noch wenig bekannt. Die Teilchen werden zudem – wie andere Oberflächen in Gewässern – von Mikroorganismen wie Bakterien bewachsen. Es bildet sich ein sogenannter Biofilm. Es gibt erste Hinweise, dass auf Kunststoffen schädliche Mikroorganismen konzentriert vorkommen können.
Im Gegensatz zum Menschen oder ausserhalb des Wassers lebenden Tieren sind aquatische Lebewesen verschmutztem Wasser stärker ausgesetzt. Sie verbringen 24 Stunden am Tag im Wasser. Ausserdem nehmen sie die Schadstoffe nicht nur bei der Nahrungsaufnahme auf, sondern auch bei der Atmung über Kiemen und über die Körperoberfläche.
Mikroplastik kann grundsätzlich drei potentielle Probleme bei Menschen hervorrufen:
In der Schweiz liegen aktuell kaum Studien hierzu vor. Gemässe der Weltorganisation für Gesundheit WSHO ist die physische Gefährdung gering, da Mikroplastik grösser als 0.15 mm wahrscheinlich nicht vom menschlichen Körper absorbiert wird. Es kann die Darmschleimhaut kaum passieren und wird recht schnell wieder ausgeschieden. Die Aufnahme von kleineren Partikeln dürfte nur im begrenzten Umfang erfolgen. Sehr kleine Mikroplastikpartikel und Nanoplastikpartikel werden jedoch wahrscheinlich vom menschlichen Körper absorbiert. Die Datenlage ist jedoch extrem limitiert.
(Quelle: WHO)
Auch die Gefährdung durch chemische Zusatzstoffe oder Mikroorganismen stuft die WHO als sehr gering ein, da die Menge der in den Körper aufgenommenen Substanzen sehr klein ist. Das Risiko durch Mikroorganismen in den Wasserleitungen oder Verunreinigungen beim Abfüllen des Trinkwassers ist viel grösser. Bei letzterem anzusetzen ist daher deutlich wirkungsvoller.
(Quelle: WHO)
Einleitung:
Die zunehmende Verschmutzung der Umwelt durch Spurenstoffe und Mikroplastik stellt eine erhebliche Bedrohung für Ökosysteme und die menschliche Gesundheit dar. Spurenstoffe umfassen eine Vielzahl von chemischen Verbindungen, darunter Arzneimittelrückstände, Pestizide, Industriechemikalien und hormonaktive Substanzen. Mikroplastik, kleine Kunststoffpartikel mit einer Größe von weniger als 5 Millimetern, entsteht durch die Zerkleinerung großer Plastikteile oder wird direkt als Mikroperlen in Kosmetika verwendet. In dieser Abhandlung werden die Herausforderungen und Fortschritte in Bezug auf die Spurenstoffelimination und Mikroplastikentfernung diskutiert.
Herausforderungen bei der Spurenstoffelimination:
Die Entfernung von Spurenstoffen aus dem Wasser ist eine komplexe Aufgabe, da viele dieser Verbindungen chemisch stabil sind und herkömmliche Wasserreinigungstechnologien sie nicht effektiv eliminieren können. Zudem sind Spurenstoffe oft in sehr geringen Konzentrationen vorhanden, was ihre Identifizierung und Entfernung erschwert. Die kontinuierliche Freisetzung neuer Spurenstoffe und die steigende Anzahl von Chemikalien stellen eine zusätzliche Herausforderung dar. Es bedarf daher innovativer Ansätze und Technologien, um eine effiziente Spurenstoffelimination zu erreichen.
Fortschritte bei der Spurenstoffelimination:
In den letzten Jahren wurden verschiedene Fortschritte in der Spurenstoffelimination erzielt. Fortgeschrittene Oxidationsverfahren wie die Ozonierung und die Aktivkohlefiltration können eine effektive Entfernung bestimmter Spurenstoffe ermöglichen. Die Verwendung von Membranfiltrationstechnologien wie der Umkehrosmose und der Nanofiltration hat sich ebenfalls als wirksam erwiesen. Darüber hinaus werden neue Technologien wie die fortgeschrittene Oxidationsreaktion mit UV- oder sichtbarem Licht, die Verwendung von ionischen Flüssigkeiten und die elektrochemische Oxidation erforscht. Diese Ansätze zeigen vielversprechende Ergebnisse, aber weitere Untersuchungen sind erforderlich, um ihre Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit zu bewerten.
Herausforderungen bei der Mikroplastikentfernung:
Die Entfernung von Mikroplastik aus Gewässern und anderen Umgebungen ist eine komplexe Aufgabe, da sie in verschiedenen Formen und Größen vorliegen und sich in unterschiedlichen Umweltmatrizen befinden können. Mikroplastikpartikel sind oft leicht und können durch Wind und Strömungen über weite Strecken transportiert werden. Darüber hinaus sind die vorhandenen Methoden zur Detektion und Quantifizierung von Mikroplastik immer noch begrenzt, was die Überwachung und Bewertung der Verschmutzung erschwert.
Fortschritte bei der Mikroplastikentfernung:
Verschiedene Ansätze zur Mikroplastikentfernung wurden
entwickelt, darunter physikalische Methoden wie Siebung, Sedimentation und Filtration. Fortgeschrittenere Technologien wie die Verwendung von Nanomaterialien, die Adsorption und die elektrostatische Aufladung zeigen vielversprechende Ergebnisse. Darüber hinaus werden biologische Ansätze erforscht, bei denen Mikroorganismen eingesetzt werden, um Mikroplastik abzubauen. Jedoch sind viele dieser Technologien noch in der Entwicklungs- und Testphase, und ihre praktische Anwendbarkeit und Umweltverträglichkeit müssen weiter untersucht werden.
Fazit:
Die Spurenstoffelimination und Mikroplastikentfernung sind komplexe Herausforderungen, die eine ganzheitliche Herangehensweise erfordern. Fortschritte in der Wasserreinigungstechnologie und der Entwicklung neuer Methoden sind vielversprechend, um die Auswirkungen von Spurenstoffen und Mikroplastik auf die Umwelt und die Gesundheit zu reduzieren. Es ist wichtig, dass Regierungen, Industrie und Forschungseinrichtungen zusammenarbeiten, um effektive Lösungen zu entwickeln und umzusetzen, um unsere Gewässer und Ökosysteme vor diesen schädlichen Verunreinigungen zu schützen.
