Wasser Infrastruktur Ressourcen (Institut)

Mikro-System

Modellgestützte Stoffbilanzierung zur systematischen Identifikation von Maßnahmenschwerpunkten für eine kombinierte Reduktion von Phosphor- und Mikroschadstoffen

Projektlaufzeit: 08/2016 - 12/2019

Bearbeitung durch: siwawi

BearbeiterIn:

Förderung: Ministerium für Umwelt, Energie, Ernährung und Forsten Rheinland-Pfalz (MUEEF)

Projektpartner:

  • Wuppergesellschaft für integrale Wasserwirtschaft mbH (WiW)

Veranlassung und Vorgehensweise

Mikroschadstoffe werden in vielen Fließgewässern nachgewiesen. Einige Stoffe liegen dabei bereits in Konzentrationen deutlich über den ökotoxikologisch abgeleiteten, substanzspezifischen Null-Effekt-Konzentrationen (PNEC = predicted no effect concentration) bzw. einem vorgeschlagenen Jahresdurchschnittswert einer Umweltqualitätsnorm (JD-UQN-V) vor. Negative Auswirkungen auf die aquatische Umwelt können beim Überschreiten dieser Werte damit nicht ausgeschlossen werden.

Die Angaben über Vorkommen und Verbleib der Stoffe aus Monitoringprogrammen sind zeitlich und räumlich limitiert. Ergänzend zu Messungen werden daher vermehrt georeferenzierte Stoffflussmodelle eingesetzt, die eine flächendeckende Bewertung der Belastungssituation größerer Gewässersysteme erlauben. Der Modellansatz und dessen Komplexität hängen dabei maßgebend von den betrachteten Substanzen, der Gebietsgröße sowie den Fragestellungen ab. Durch die Verwendung räumlich hoch aufgelöster Modelle, mit für die Teileinzugsgebiete spezifischen Emissionsdaten, können die Konzentrationsverläufe entlang der Fließstrecke und die Einflüsse einzelner Maßnahmen abgeschätzt werden (Knerr et al. 2018).

Zur flächendeckenden Beurteilung der Belastungssituation des rd. 4.000 km2 großen Flussgebiets der Nahe (Rheinland-Pfalz, Deutschland) wurde im Rahmen des Projektes „Relevanz, Möglichkeiten und Kosten einer Elimination von Mikroschadstoffen auf kommunalen Kläranlagen in Rheinland-Pfalz, aufgezeigt am Beispiel der Nahe - Mikro_N“ (Schmitt et al. 2016) das Modellsystem GREAT-ER (Geo-Referenced Regional Exposure Assessment Tool for European Rivers) angewendet. Insgesamt wurden damit 14 Mikroschadstoffe bilanziert. Aufbauend auf den Ergebnissen der Bestandsanalyse wurden verschiedene Szenarien zur Reduktion des Mikroschadstoffeintrags im Vergleich zum Ist-Zustand untersucht und in ihren Kosten sowie in dem gewässerspezifischen Nutzen bewertet (Knerr et al. 2016; Kolisch et al. 2016; Schmitt et al. 2016).

Bei der Bewertung der betrachteten Szenarien zum Kläranlagenausbau wurde deutlich, dass größere Kläranlagen aufgrund der insgesamt emittierten Frachten, aber auch kleinere Kläranlagen an leistungsschwachen Vorflutern eine große Gewässerrelevanz aufweisen. Eine hohe Abwasserlast im Gewässer oder eine hohe Vorbelastung aus stromaufwärts gelegenen Abwassereinleitungen können dazu führen, dass auch bei Integration einer weitergehenden Reinigungsstufe zur Mikroschadstoffelimination die angesetzten Qualitätskriterien in den Gewässern nicht immer erreicht werden. Das bedeutet, dass eine rein frachtorientierte Betrachtung nicht immer zielführend ist und somit eine immissionsorientierte Bewertung und ggf. eine Einzelfallbetrachtung hochbelasteter Gewässer erforderlich wird, in der geprüft wird, was maximal für das Gewässer getan werden kann (Knerr et al. 2016; Kolisch et al. 2016; Schmitt et al. 2016).

Aus diesem Grund wird in dem Projekt „Modellgestützte Stoffbilanzierung zur systematischen Identifikation von Maßnahmenschwerpunkten für eine kombinierte Reduktion von Phosphor- und Mikroschadstoffen in Rheinland-Pfalz - Mikro-System“ das Potenzial verschiedener technischer Maßnahmen zur Mikroschadstoff-
elimination an zwei hochbelasteten Gewässern im Einzugsgebiet der Nahe (Wiesbach und Lauter) im Rahmen einer Variantenbetrachtung detailliert untersucht und bewertet. Dies ermöglicht u. a. auch eine immissionsorientierte Beurteilung der Maßnahmenwirksamkeit und damit eine Identifikation von sinnvollen Kombinationen einzelner Maßnahmen.

Derzeit existieren länderspezifisch bereits weitergehende Anforderungen an die Phosphorelimination auf kommunalen Kläranlagen. Gesetzliche Vorgaben bzgl. Mikroschadstoffen fehlen dagegen weitgehend. Die Integration einer zusätzlichen Reinigungsstufe zur weitergehenden Phosphor- und/ oder Mikroschadstoff-elimination erfordert i. d. R. den Bau einer nachgeschalteten Filtrationsstufe. In Zusammenhang mit einer technischen Erweiterung von kommunalen Kläranlagen um eine Stufe zur weitergehenden Phosphor- und Mikroschadstoffelimination stellt sich also die Frage nach Synergieeffekten. Im Sinne einer nachhaltigen Planung kommunaler Kläranlagen ist es daher zweckmäßig, die Möglichkeit der schrittweisen Umsetzung einer weitergehenden Phosphor- und Mikroschadstoffelimination zu untersuchen, um z. B. zunächst die Errichtung einer Filtration zwecks Phosphorelimination und in einem zweiten Schritt eine Erweiterung der Anlage im Sinne einer weitergehenden Mikroschadstoffelimination vorzusehen.

Im Projekt Mikro-System wurde der Parameter Gesamt-Phosphor (Pges) in das bestehende Stoffflussmodell integriert, um anhand vergleichender Untersuchungen eine kombinierte Phosphor- und Mikroschadstoffstrategie Strategie für das Land Rheinland-Pfalz zu entwickeln.

Schlussbericht

Schmitt, Theo G.; Knerr, Henning; Gretzschel, Oliver; Kolisch, Gerd; Taudien, Yannick (2020): „Modellgestützte Stoffbilanzierung zur systematischen Identifikation von Maßnahmenschwerpunkten für eine kombinierte Reduktion von Phosphor- und Mikroschadstoffen“, Studie im Auftrag des Ministeriums für Umwelt, Energie, Ernährung und Forsten des Landes Rheinland-Pfalz, Deutschland, Schlussbericht, Januar 2020 Download

Vorträge der Fachtagung vom 28. und 29. April 2021

Literaturliste

  • Gretzschel, Oliver; Knerr, Henning; Schmitt, Theo G.; Steinmetz, Heidrun; Taudien, Yannick; Kolisch, Gerd (2019): Modellgestützte Phosphor- und Spurenstoffbilanzierung als Basis für eine systematische Identifikation von Maßnahmenschwerpunkten zur kombinierten Reduktion von Phosphor- und Spurenstoffeinträgen. In: Johannes Pinnekamp (Hg.): 52. Essener Tagung für Wasserwirtschaft "Wasser und Gesundheit". 20. bis 22. März 2019 in der Messe Essen Ost, Bd. 250. Unter Mitarbeit von Verena Kölling. Aachen: Gesellschaft zur Förderung der Siedlungswasserwirtschaft an der RWTH Aachen e.V (Gewässerschutz - Wasser - Abwasser, 250), 50/1-50/17.
  • Knerr, H.; Gretzschel, O.; Kolisch, G.; Taudien, Y. (2019): Stoffflussmodellierung - Planungsinstrument zur Entwicklung von Gewässerschutzstrategien. In: Steinmetz, H. (Hrsg.): Schriftenreihe Wasser Infrastruktur Ressourcen, Bd. 6, Technische Universität Kaiserslautern, Festschrift zur Verabschiedung von Prof- Dr.-Ing. Theo G. Schmitt, 211-226. Link
  • Knerr, Henning; Gretzschel, Oliver; Schmitt, Theo. G.; Steinmetz, Heidrun; Kolisch, Gerd; Taudien, Yannick (2018): Modellbasierte Strategieentwicklung zur Reduktion des Mikroschadstoffeintrags in Gewässer aus Abwassersystemen. In: Johannes Pinnekamp (Hg.): 51. Essener Tagung für Wasserwirtschaft "Wasserwirtschaft im Umbruch". 14. bis 16. März 2018 in der Messe Essen Ost, Bd. 247. Unter Mitarbeit von Verena Kölling. Aachen: Gesellschaft zur Förderung der Siedlungswasserwirtschaft an der RWTH Aachen e.V (Gewässerschutz - Wasser - Abwasser, 247), 54/1-54/16.
  • Knerr,H.; Gretzschel, O.; Schmitt, T.G.; Steinmetz, H.; Taudien, Y.; Kolisch, G. (2017): "Reduzierung des Eintrags von Mikroschadstoffen in Gewässer aus Abwassersystemen - Stoffflussmodellierung verschiedener Maßnahmen". Schriftenreihe zur Wasserwirtschaft der Technischen Universität Graz, Bd. 75, T1-T18