Machbarkeitsstudie zur Verminderung des Eintrags von Spurenstoffen aus dem Abwassersystem in die Körsch

– Darstellung einer bisher weltweit einmaligen Untersuchung –

Durch die Einleitung von gereinigtem Abwasser der Klärwerke Möhringen und Plieningen sowie durch Mischwasserentlastungen der zahlreichen Regenüberläufe (RÜ) und Regenüberlaufbecken (RÜB) im Einzugsgebiet wird die Gewässerqualität der Körsch beeinflusst. Neben den „klassischen“ Abwasserinhaltsstoffen, die in den Klärwerken bereits jetzt gezielt eliminiert werden, kommt den Emissionen an Spurenstoffen eine zunehmende Bedeutung zu. Wegen des ungünstigen Verhältnisses von natürlichem Basisabfluss und Einleitungen aus Siedlungsgebieten treten in der Körsch vergleichsweise hohe Konzentrationen dieser Stoffe auf.

Vor diesem Hintergrund förderte das Regierungspräsidium Stuttgart die Erstellung einer „Machbarkeitsstudie zur Verminderung des Eintrags von Spurenstoffen aus dem Abwassersystem in die Körsch“ durch die Stadtentwässerung Stuttgart (SES). Die Projektbearbeitung erfolgte am Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft (ISWA) der Universität Stuttgart. Ebenfalls beteiligt waren das Zentrallabor der SES (Spurenstoffanalytik) sowie die Firmen Iat-Ingenieurberatung GmbH und InfraConsult GmbH (Modellierung).

Ziel dieser Studie war es, technische Maßnahmen aufzuzeigen und zu bewerten, durch die Emissionen an Spurenstoffen aus den Abwassersystemen im Einzugsgebiet der oberen Körsch effektiv reduziert werden können.

Dabei wurde das Gesamtsystem aus Kanalnetz (mit den Mischwasserentlastungsanlagen) und der Klärwerke (Möhringen bzw. Plieningen) betrachtet. In die Bewertung der Maßnahmen wurden auch die erwarteten Auswirkungen auf die Emissionen anderer Stoffe (z.B. Nährstoffe) einbezogen. Maßnahmen zur Reduzierung der Spurenstoffemissionen sollten nicht zu einer Verschlechterung im Bereich anderer Stoffemissionen führen.

Abb.1: Entnahme von Wasserproben aus der Körsch.

Vorgehensweise
Als konkrete Ergebnisse der Studie wurden Vorschläge zu effektiven und wirtschaftlichen Lösungskonzepten, sowohl betrieblicher als auch investiver Natur, zur Verminderung von Stoffemissionen in die Körsch gegeben.

Um zielorientierte, technische Lösungen vorschlagen zu können, wurde folgende Vorgehensweise verwendet:

  • Feststellung der Frachtströme im Ist-Zustand durch Messungen und Beprobungen bei Trocken- und Regenwetter,
  • Ermittlung der Eingangsdaten für die Modellierung aus den Messdaten,
  • Gekoppelte Simulation von verschiedenen Szenarien der Stoffminderung (Kanalnetz und Klärwerk).

In einem ersten Schritt wurde mittels Messungen und Beprobungen untersucht, wie hoch die Stoffausträge des Abwassersystems in die Körsch sind. Bei den Auswertungen wurde hinsichtlich der Stoffe selbst, aber auch hinsichtlich der räumlichen und zeitlichen Auflösung der Emissionen differenziert: Welche Stoffe werden in welchen Mengen und in welchen Zeiträumen an welchen Stellen in die Körsch eingetragen?

In einem zweiten Schritt wurde eine detaillierte Datenauswertung aus den Messungen durchgeführt, um die Eingangsparameter für die Modellierung zu ermitteln.

In einem dritten Schritt wurden verschiedene technische Varianten (Szenarien mit einzelnen Maßnahmen oder Maßnahmenkombinationen) zur Reduzierung von Stoffemissionen in die Körsch modelliert und bewertet. Ziel der gekoppelten Simulation beider Systeme war die Ermittlung derjenigen Maßnahmen oder Maßnahmenkombinationen, die unter Machbarkeits- und Wirtschaftlichkeitsaspekten die größte Wirksamkeit hinsichtlich der Reduzierung von Stoffemissionen aus dem Abwassersystem (Kanalnetz und Klärwerk) ergeben. Dabei durfte eine Optimierung hinsichtlich der Reduzierung von Spurenstoffemissionen nicht zu einer unvertretbaren Erhöhung anderer Emissionskenngrößen führen.

Abb. 2: Analyse der Proben mit Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie (LC-MS). Links ist das Massenspektrometer zu sehen, rechts der Flüssigchromatograph.

Die oben beschriebene Methodik wurde im Einzugsgebiet des Klärwerks Möhringen entwickelt und anschließend im Einzugsgebiet des Klärwerks Plieningen angewandt.

Ergebnisse
Um zielorientierte technische Lösungen vorschlagen zu können, wurde in einem ersten Schritt untersucht, wie hoch die Stoffausträge des Abwassersystems der Einzugsgebiete Möhringen und Plieningen sind. 69 Substanzen wurden ausgewählt, die zum einen repräsentativ für verschiedene chemische und physikalische Eigenschaften sind und zum anderen für unterschiedliche Eintragspfade (Schmutzwasser, Regenwasser und Oberflächenabfluss) stehen. Die Untersuchung eines derart breiten Substanzspektrums (69 Stoffe) unter Berücksichtigung aller drei genannten Eintragspfade ist bislang weltweit einmalig. Acht Substanzen wurden in beiden Einzugsgebieten nicht nachgewiesen, darunter alle sechs untersuchten PCBs, sowie Dichlorprop und Methyltriclosan.

Die Ergebnisse der nachgewiesenen Substanzen haben gezeigt, dass sich unterschiedliche Spurenstoffe im System Abwasser/Gewässer abhängig von ihrer Herkunft im Auftreten und im Verhalten sehr stark unterscheiden. Eine weitere Erkenntnis ist, dass Messungen nur bei Trockenwetter, wie dies bisher üblich war, die ins Gewässer eingeleitete Fracht der oberflächenbürtigen Substanzen massiv unterschätzen.

Die Bilanzierung der emittierten Spurenstoffströme vom Klärwerk Möhringen und der Mischwasserentlastungen für das Jahr 2014 hat gezeigt, dass die Einträge für 20 Spurenstoffe durch Mischwasserentlastungen höher waren als durch das Klärwerk, obwohl die Entlastungsmenge aller Bauwerke nur 11,2% der gesamten in die Körsch eingeleiteten Abwassermenge betrug. Zehn dieser Stoffe sind gesetzlich geregelt.

Die Ergebnisse der Messkampagne im stark urban geprägten Gewässer Körsch haben gezeigt, dass für Diclofenac, Triclosan, Terbutryn, Mecoprop, Fluoranthen und Benzo[a]pyren, die JD-UQN Werte überschritten wurden und dass für die polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe Benzo[b]fluoranthen, Benzo[k]fluoranthen und Benzo[ghi]perylen, an allen Messstellen deutliche Überschreitungen der ZHK-UQN auftraten. Folglich sind Maßnahmen zur Reduzierung der Spurenstoffeinträge in das Gewässer erforderlich.

Um einen guten chemischen Zustand zu erreichen, ist eine Reduzierung der Spurenstoffeinträge ins Gewässer durch zusätzliche Maßnahmen im Klärwerk nicht ausreichend. Nur durch eine Kombination von Maßnahmen an Kanalnetz und Klärwerk kann eine deutliche Reduzierung von Spurenstoffeinträgen stattfinden.

Die höchsten Gesamtfrachtreduzierungen wurden für mehrere Szenarien mit unterschiedlichen Verfahren der weitergehenden Abwasserreinigung bei konstanter Erhöhung der Mischwasserbeschickung mit Abflusssteuerung ermittelt, was aber der teuersten technischen Variante entspricht.

Die Vorschläge für weitere Investitionen in die Abwasserbehandlung und Abwasserableitung basieren auf den Erkenntnissen, die im Rahmen dieser Studie gewonnen wurden. Diese sind entsprechend der gesetzlichen und wirtschaftlichen Gesichtspunkte sowie im Hinblick auf die örtlichen Randbedingungen zu prüfen. Die Kostenschätzungen können lediglich einen groben Anhaltspunkt darstellen und sind gegebenenfalls durch entsprechende Planungen zu belegen.

Bezüglich der polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe wird eine Einhaltung der UQN-Werte allerdings auch mit kombinierten Maßnahmen im Abwassersystem nicht erreichbar sein. Die erforderliche PAK-Reduzierung der Gewässerbelastung kann allenfalls durch Maßnahmen an der Quelle (Verbrennungsmotoren, Reifenabrieb etc.) erreicht werden.

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