Micropollutant Emissions from Combined Sewer Overflows
Creators: name: Nickel, Jan Philip
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: combined sewer overflow
sewer systems
water quality
micropollutants
priority substances
substance emissions
large-volume sampler

description: Anthropogene Stoffeinträge beeinträchtigen den chemischen und ökologischen Zustand von Gewässern. Eine beständig zunehmende Anzahl und Vielfalt von Mikroschadstoffen – die in niedrigen Konzentrationen im Bereich von Nano- bis Mikrogramm pro Liter auftreten – gibt Grund zur Besorgnis erheblicher ökotoxikologischer Risiken und stellt den Gewässerschutz vor große Herausforderungen. Mischwasserüberläufe aus Kanalisationssystemen bei Regenereignissen sind ein wichtiger Eintragspfad für Stoffeinträge aus Siedlungsgebieten. Infolge von Fortschritten bei der Abwasserbehandlung und zunehmenden Anforderungen des Gewässerschutzes gewinnt dieser Eintragspfad weiter an Bedeutung. Gleichzeitig sind vergleichsweise wenige Daten zur Quantität und Qualität von Mischwasserüberläufen verfügbar. Um effektive Maßnahmen zur Reduzierung der Einträge entwickeln zu können, ist eine verbesserte Überwachung von Regenwetterabflüssen und eine Gesamtbetrachtung der Beiträge aus Abwasser- und Regenwasserbehandlung erforderlich. Diese Arbeit trägt dazu bei, den Kenntnisstand über stoffliche Belastungen aus Mischsystemen zu erweitern und zu aktualisieren. Das übergeordnete Ziel war es, die Grundlagen für die Modellierung der Stoffeinträge aus Mischwasserüberläufen auf Flussgebietsebene zu verbessern. Dazu wurden in einem umfangreichen Monitoring-Programm neue Daten zur Qualität der Überläufe erhoben. Weiterhin wurde ein Wasserbilanzansatz weiterentwickelt, der eine Abschätzung des jährlichen Überlaufvolumens in Kläranlageneinzugsgebieten sowie des darin enthaltenen Trockenwetterabflussanteils (Schmutzwasser und Fremdwasser) auf Basis weniger Eingangsdaten ermöglicht. Das Monitoring umfasste die Sammlung volumenproportionaler Mischproben von Überlaufereignissen an ausgewählten Mischwasserüberläufen im süddeutschen Raum über Zeiträume von mindestens einem Jahr. Mit diesem Ansatz sollten möglichst repräsentative, mittlere Stoffkonzentrationen erfasst werden. Das eingesetzte Probenahmesystem – bis zu 1.000 l fassende Feststoffsammler – wurde hinsichtlich der Vergleichbarkeit mit konventionellen automatischen Probenehmern untersucht. Dabei wurden spezifische Vorteile deutlich, insbesondere die Flexibilität bei der Beprobung hochvariabler Überlaufereignisse, die effiziente Erzeugung volumenproportionaler Ereignis-Mischproben, sowie die Möglichkeit, zusätzlich zur Analyse der Gesamtprobe, detaillierte Analysen der gesammelten Feststoffe durchzuführen, z.B. Korngrößenverteilung und partikuläre Schadstoffbeladung. In den Proben wurden die Konzentrationen von mehr als 40 Einzelsubstanzen verschiedener Stoffgruppen analysiert, darunter Metalle, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), Biozide und Pestizide, Benzotriazole, pharmazeutische Wirkstoffe, der Süßstoff Acesulfam und der Weichmacher Di(2-ethylhexyl)phthalat. In geringerem Umfang wurden perfluorierte Alkylsubstanzen, Phenole und weitere Biozide analysiert. Die Mehrzahl der Stoffe konnte nachgewiesen und sicher quantifiziert werden. Die Variabilität der Konzentrationen war erwartungsgemäß hoch. Der Einfluss von Einzugsgebietsmerkmalen, hydraulischen Bedingungen und saisonalen Trends auf die Konzentrationen wurde geprüft. Es konnte gezeigt werden, dass keine einfachen Zusammenhänge existieren, die sich für die Vorhersage von Konzentrationen an nicht untersuchten Standorten eignen. Aufgrund der Vielzahl möglicher Einflüsse ist fraglich, ob solche Zusammenhänge selbst mit größerem Datenumfang abgeleitet werden könnten. Daher ist bei der Bewertung stofflicher Belastungen aus Mischwasserüberläufen stets eine hohe, zufallsgeprägte Variabilität zu berücksichtigen, etwa durch die Verwendung stochastischer Ansätze auf Basis von Werteverteilungen. Die Konzentrationsdaten der Mischwasserüberläufe wurden mit den Daten von insgesamt 49 Kläranlagen und einzelnen Regenwassereinleitungen aus Trennsystemen zusammengeführt. Die mit harmonisierten Probenahme- und Analyseverfahren erhobenen und einheitlich zusammengefassten Daten können als repräsentative Eingangsdaten für die Modellierung der Stoffeinträge aus Siedlungsgebieten genutzt werden, wenn keine gebietsspezifischen Daten verfügbar sind. Insgesamt betrachtet, lies sich das Verhältnis der Konzentrationen zwischen Kläranlagen, Mischwasserüberläufen und Regenwassereinleitungen hauptsächlich durch die Herkunftsbereiche und das Umweltverhalten (im Speziellen der Rückhalt in Kläranlagen durch Adsorption oder biologischen Abbau) der einzelnen Stoffe erklären. Es konnte gezeigt werden, dass Mischwasserüberläufe vor allem ein wichtiger Eintragspfad für Stoffe sein können, welche überwiegend mit dem Oberflächenabfluss in Abwassersysteme eingetragen werden und/oder einen hohen Rückhalt in Kläranlagen aufweisen. Dazu zählen einige Schwermetalle und PAK, die häufig ursächlich dafür sind, dass ein guter chemischer Zustand von Oberflächengewässern nicht erreicht wird. Der Wasserbilanzansatz ermöglicht eine Abschätzung des jährlichen Überlaufvolumens in Kläranlageneinzugsgebieten auf Basis von Flächeninformationen, Niederschlags- und Kläranlagenzuflussdaten. Mit den vorgenommenen Anpassungen können zudem die aktuell für die Regulierung der Emissionen aus Mischsystemen vorgeschlagenen, volumenbasierten Emissionszielwerte abgeschätzt werden (z.B. Anteil des jährlichen Trockenwetterabflusses in Mischwasserüberläufen). Der Ansatz konnte anhand von Messdaten, die mit Wasserstandssonden an Überläufen ermittelt wurden, erfolgreich für ein Testgebiet verifiziert werden. Die Sensitivität und flächenhafte Übertragbarkeit des Ansatzes sollten jedoch anhand weiterer Gebiete untersucht werden. Der weitere Ausbau von Messtechnik an Mischwasserüberläufen wird wesentlich dazu beitragen, den allgemeinen Kenntnisstand zu deren Aktivität sowie die Grundlagen für die Modellierung der Stoffeinträge zu verbessern. Auf Grundlage der Wasserbilanz und der neuen Stoffdaten wurden exemplarisch Stoffeinträge für das Testgebiet ermittelt. Die aus der Verwendung repräsentativer Daten resultierenden Unsicherheiten wurden dargestellt, um der hohen Konzentrationsvariabilität Rechnung zu tragen und eine möglichst informierte Bewertung zu ermöglichen. Vor dem Hintergrund der begrenzten Verfügbarkeit quantitativer Daten zu Mischwasserüberläufen bildet der Ansatz gemeinsam mit den neuen Stoffdaten ein geeignetes Instrument, um Einzugsgebiete für eine weitere detaillierte Bewertung zu priorisieren und damit die strategische Planung von Maßnahmen zu unterstützen.