Mikroverunreinigungen: Damit Spurenstoffe nicht mehr den Bach hinunter gehen

12.02.2012 - Über die Kläranlagen gelangt eine Vielzahl von organischen Spurenstoffen in unsere Gewässer. Solche Mikroverunreinigungen können selbst in sehr tiefen Konzentrationen empfindliche Wasserlebewesen wie Fische stark beeinträchtigen. Um Medikamente, Pestizide und weitere kritische Substanzen künftig von den Gewässern fernzuhalten, soll nun ein Teil der Kläranlagen nachgerüstet werden.

Die biologische Reinigungsstufe der Kläranlage Kloten/Opᴀkon (ZH) während des erfolgreichen Pilotversuchs zur Elimination von Mikroverunreinigungen mittels Pulveraktiv kohle. Durch den Einsatz dieses Verfahrens ist der normalerweise braune Belebtschlamm hier schwarz gefärbt.
© Marc Böhler, Eawag

Schmerzmittel und fiebersenkende Medikamente helfen uns bei Kopfweh und Grippe, Hormonpräparate in Antibabypillen verhindern ungewollte Schwangerschaften, und keimtötende Substanzen in Form von Antibiotika eliminieren unerwünschte Krankheitserreger. Allen diesen Wirkstoffen ist gemeinsam, dass sie über menschliche Ausscheidungen zuerst ins Kanalisationsnetz und dann in eine Abwasserreinigungsanlage (ARA) gelangen. «Die rund 700 Kläranlagen der Schweiz entfernen in erster Linie Nährstoffe wie Kohlenstoff, Phosphor und Stickstoff aus dem Abwasser», erklärt Michael Schärer vom BAFU, der sich in der Sektion Oberflächengewässer-Qualität seit Jahren mit der Problematik von organischen Spurenstoffen befasst. «Hingegen werden Mikroverunreinigungen durch eine Vielzahl von Chemikalien aus Medikamenten, Pestiziden, Imprägnierungen, Reinigungsmitteln und anderen Produkten in den ARA entweder gar nicht oder nur teilweise zurückgehalten.» Dadurch landet ein beträchtlicher Teil solcher Substanzen via Kläranlagen ungehindert in Fliessgewässern und Seen. Hierzulande geht man von über 30‘000 Stoffen in unzähligen Produkten des täglichen Gebrauchs aus. In Zukunft dürfte ihr Einsatz in Haushalten, Industrie- und Gewerbebetrieben sowie in der Landwirtschaft weiter zunehmen - so unter anderem als Folge des Bevölkerungswachstums und der steigenden Lebenserwartung.

Am Zebrabärbling (Danio rerio) lassen sich die Wirkungsmechanismen hormonaktiver Stoffe gut untersuchen. Deshalb ist der exotische Kleinfisch für die Wasserforschung ein idealer Modellorganismus.
© Eawag

Auswirkungen auf Wasserlebewesen. Aufgrund ihres ursprünglichen Verwendungszwecks sind zahlreiche dieser Chemikalien biologisch aktiv, stabil und daher in der Natur schlecht abbaubar. «Da sie auf Wasserlebewesen bereits in geringen Spurenkonzentrationen von einigen Nanogramm pro Liter ungewollt dieselben Wirkungen entfalten können, die für ihre eigentliche Anwendung erwünscht waren, stellen die Mikroverunreinigungen für den Gewässerschutz eine grosse Herausforderung dar», hält Michael Schärer fest. «So unterbinden etwa Herbizide gegen unerwünschte Pflanzen auch die Fotosynthese von Algen, neurotoxische Insektizide schädigen das Nervensystem von Wassertieren, und hormonaktive Stoffe beeinträchtigen das Wachstum und die Fortpflanzung von Fischen oder Amphibien.»

Mikroskopische Aufnahme eines Schnitts durch die eingefärbten Geschlechtszellen eines Felchenzwitters aus dem Thunersee. Dieser Fisch weist sowohl Eierstöcke als auch Hoden auf.
© Zentrum für Fisch- und Wildtiermedizin, Uni BE

In den Schweizer Gewässern gibt es klare Hinweise für nachteilige Auswirkungen auf die Gewässerfauna, wie etwa die Verweiblichung von männ­lichen Fischen. Solche Beeinträchtigungen durch östrogene Wirkstoffe treten vor allem unterhalb von Einläufen aus Kläranlagen auf. 2010 durchgeführte Messungen im Auftrag des BAFU haben im ARA-Auslauf jeweils 60 bis 70 ausgewählte organische Spurenstoffe nachgewiesen, deren Gesamt­konzentration überall 50 Mikrogramm pro Liter überschreitet. Die Summe sämtlicher Substanzen und ihrer Umwandlungsprodukte dürfte jedoch deutlich höher liegen. Am stärksten belastet sind kleine bis mittlere Fliessgewässer im dicht besiedelten und intensiv genutzten Mittelland, in denen das aus Kläranlagen eingeleitete gereinigte Abwasser ungenügend verdünnt wird. Insbesondere bei Niedrigwasser ist hier davon auszugehen, dass die ökotoxikologischen Qualitätskriterien für verschiedene organische Spurenstoffe durch den permanenten Eintrag solcher Mikroverunreinigungen mehrfach überschritten werden.

Risiken für die Trinkwassernutzung. Übermässige Konzentrationen von hormonaktiven Substanzen in Fliessgewässern können unter ungünstigen Umständen auch die Trinkwasserressourcen belasten. Dies gilt namentlich für flussnahe Trinkwasserfassungen im Lockergestein. Hier besteht ein Risiko, dass schwer abbaubare Verbindungen im gereinigten Abwasser auf dem Weg der Uferinfiltration auch in die unterirdischen Gewässer eindringen. Zudem findet sich ein breites Spektrum an persistenten Mikroverunreinigungen in den grossen Schweizer Seen, die ihrerseits als Trinkwasserressource dienen.

«Gemäss den heutigen Erkenntnissen stellen die ermittelten Gehalte für die menschliche Gesundheit zwar keine Gefährdung dar», sagt Michael Schärer. «Trotzdem drängen sich im Sinne des Vorsorgeprinzips Massnahmen zur Reduktion der entsprechenden Gewässerbelastung auf, zumal neue Stoffgruppen im Abwasser - wie beispielsweise die Nanopartikel - für den Schutz der Trinkwasserressourcen eine zusätzliche Herausforderung sind.»

Ein dringender Handlungsbedarf besteht auch im Interesse der Unterlieger, denn vor allem über Rhein und Rhone, die einen Grossteil der Schweiz entwässern, werden relativ hohe Stofffrachten ins Ausland exportiert. Für die Trinkwassernutzung ist dies insofern problematisch, als die Konzentrationen von persistenten Mikroverunreinigungen im Verlauf der Fliessstrecke mit zunehmendem Abwasseranteil ansteigen, wie etwa Analysen von Röntgenkontrastmitteln im Rhein zeigen.

Massnahmen an der Quelle greifen zu kurz. Zum Schutz der Gewässer vor nachteiligen Einwirkungen sieht die Chemikaliengesetzgebung zahlreiche Verbote oder Anwendungseinschränkungen für umweltgefährdende Substanzen vor. So ist es zum Beispiel untersagt, Dächer, Terrassen, Lagerplätze, Strassen, Wege oder Grünstreifen mit Herbiziden zu behandeln. Auch dürfen Unterwasser-Bootsanstriche gegen Muschelbefall keine Antifouling-Mittel mit toxischen Verbindungen wie organischen Zinnverbindungen oder Arsen enthalten.

Allein mit solchen Massnahmen an der Schadstoffquelle lassen sich die Probleme mit organischen Spurenstoffen in den Gewässern allerdings nicht ausreichend entschärfen. «Eine wichtige Gruppe der für die Schweiz und das umliegende Ausland typischen Mikroverunreinigungen aus Abwasser-einleitungen machen nämlich Arzneimittel und ihre Abbauprodukte aus», stellt Michael Schärer vom BAFU fest. Da in der Regel nicht Punktquellen wie Spitäler oder ­Alterspflegeheime die Belastung in einem ARA-Einzugsgebiet dominieren, würde auch eine alleinige Abwasservorbehandlung in solchen Betrieben zu kurz greifen. So haben etwa Abklärungen des Wasserforschungsinstituts Eawag im Kantonsspital Winterthur ergeben, dass dessen Anteil an den Gesamtemissionen eher gering ist.

Zusätzliche Reinigungsstufe für grosse Kläranlagen. Weil heute ein wesentlicher Teil der Mikroverunreinigungen über Kläranlagen in die Gewässer gelangt, schlägt die vom BAFU erarbeitete Strategie MicroPoll einen selektiven Ausbau der mittleren bis grossen ARA vor. Auch die Internationale Kommission zum Schutz des Rheins nennt in ihrer Strategie Mikroverunreinigungen für Siedlungs- und Industrieabwässer (IKSR-Bericht Nr. 181) den Ausbau ausgewählter kommunaler Kläranlagen als mögliche Massnahme, um die Belastung der Flüsse, Seen und Grundwasservorkommen mit organischen Spurenstoffen markant zu senken.

Der selektive Ausbau basiert auf folgenden Überlegungen: Zum Schutz von Wasserpflanzen und Tieren sollten alle grösseren Kläranlagen um eine zusätzliche Reinigungsstufe erweitert werden, wenn die Einleitung des gereinigten Abwassers in ein Fliessgewässer bei niedrigem Wasserstand mehr als 10 Prozent der Wassermenge ausmacht. Um die Trinkwasserressourcen vorbeugend zu schützen, wollen sich die Umweltbehörden dabei auch auf ARA-Standorte an Gewässern mit bedeutenden Trinkwassernutzungen konzentrieren. Dazu gehören insbesondere Grundwasserfassungen in der Nähe von Fliessgewässern mit Uferinfiltration. Zwecks Reduktion der Gesamtfracht an organischen Spurenstoffen sollen überdies die 12 grössten kommunalen Kläranlagen mit mehr als 100‘000 Einwohnerwerten neu über technische Verfahren zur weitgehenden Elimination von Mikroverunreinigungen verfügen. Damit wird die Schweiz ihrer Verantwortung für die flussabwärts gelegenen Anrainer gerecht und verringert die Stofffrachten in der Nordsee sowie im Mittelmeer. Der geplante Ausbau der rund 100 betroffenen ARA im Inland soll innerhalb von 20 Jahren erfolgen.

Behandlung mit Ozon oder Pulveraktivkohle. Studien und Praxistests im In- und Ausland haben die technische Machbarkeit der Entfernung von organischen Spurenstoffen aus dem kommunalen Abwasser bestätigt. «Als besonders geeignet erweist sich die Behandlung mit Ozon oder mit Pulveraktivkohle nach einer weitgehenden biologischen Reinigung», erläutert Michael Schärer. «Beide Verfahren verfügen über eine Breitbandwirkung gegen eine Vielzahl von Mikroverunreinigungen und lassen sich relativ einfach in bestehende Kläranlagen einbauen.»

Die Ozonierung ist im Rahmen von grosstechnischen Pilotversuchen an den ARA-Standorten Regensdorf (ZH) und Lausanne (VD) erfolgreich getestet worden. Bei diesem Oxidationsverfahren wird das stark reaktive Gas Ozon in Konzentrationen von 3 bis 5 Gramm pro Kubikmeter ins gereinigte Abwasser eingetragen, wo es mit den Mikroverunreinigungen reagiert und diese umwandelt. Die umfangreichen wissenschaftlichen Abklärungen ergaben keine Hinweise auf eine kontinuierliche Bildung von stabilen toxischen Nebenprodukten durch die Ozonierung. Um die Reaktionsstoffe vollständig abzubauen, empfiehlt sich jedoch eine nachgeschaltete biologisch aktive Stufe wie beispielsweise ein Sandfilter.

Die Eignung der sehr fein gemahlenen Aktivkohle hat man ebenfalls in Lausanne, in Kloten/Opfikon sowie zusätzlich auf einer Kleinkläranlage der Eawag in Dübendorf evaluiert. Bei diesem Verfahren werden dem Abwasser 12 bis 15 Gramm Pulveraktivkohle pro Kubikmeter beigemischt. Die Mikroverunreinigungen lagern sich an der Oberfläche der Kohlekörner an, die danach mittels Sedimentation-Tuchfiltration, Sandfiltration oder Ultrafiltration abgetrennt und entsorgt werden.

Kosteneffiziente Elimination der Spurenstoffe. Beide Verfahren reduzieren die Mikroverunreinigungen im gereinigten Abwasser um mindestens 80 Prozent, was die Wasserqualität in Flüssen und Seen markant verbessert. Wie die grosstechnischen Versuche in der Schweiz zeigen, lassen sich ökotoxikologische ­Effekte wie die Vergiftung von Algen oder die negativen Auswirkungen hormonaktiver Stoffe auf Forellenlarven und weitere Wasserlebewesen dadurch nahezu vollständig eliminieren.

Für den entsprechenden Ausbau wird mit Investitionskosten von schätzungsweise 1,2 Milliarden Franken gerechnet. Dies entspricht gut 1 Prozent des Wiederbeschaffungswerts der inländischen Abwasserinfrastruktur von rund 100 Milliarden Franken. Je nach Grösse einer Kläranlage und dem gewählten Verfahren steigt der Energieverbrauch für die Abwasserreinigung um 5 bis 30 Prozent, was sich auch auf die Betriebskosten auswirkt. Laut Berechnungen des BAFU dürfte der jährliche Aufwand von heute durchschnittlich rund 120 Franken pro Einwohner für den ARA-Betrieb dadurch um etwa 16 Franken höher ausfallen. «Da in vielen Kläranlagen ohnehin umfassende Erneuerungen anstehen, ist der Zeitpunkt für eine kosteneffiziente Realisierung weiter reichender Reinigungsmassnahmen in der Siedlungswasserwirtschaft günstig», sagt Stephan Müller, Chef der BAFU-Abteilung Wasser.

Das Parlament hat die Problematik anerkannt und fordert jetzt eine verursachergerechte gesamtschweizerische Finanzierungslösung für den selektiven Ausbau der Kläranlagen. In enger Zusammenarbeit mit den Kantonen, Gemeinden und ARA-Betreibern erarbeitet das BAFU gegenwärtig die rechtlichen Grundlagen. Die Vorlage für eine entsprechende Ergänzung des Gewässerschutzgesetzes (GSchG) wird in den nächsten Monaten in die Vernehmlassung geschickt.

Beat Jordi

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Letzte Änderung 14.02.2012

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