Mikroverunreinigungen: Gewässerbelastung reduzieren

Foto: Esther Ramseier, ETH Zürich

Mikroverunreinigungen sind organische Spurenstoffe oder auch Metalle, die in sehr tiefen Konzentrationen (Milliardstel- bis Millionstel-Gramm pro Liter) in den Gewässern nachgewiesen werden. Zum Vergleich: Ein Milliardstel-Gramm (Nanogramm) pro Liter entspricht etwa der Konzentration des Wirkstoffs einer Kopfschmerztablette in einem Schwimmbecken mit 25 Metern Länge. Bei diesen Stoffen handelt es sich um Pflanzenschutzmittel, Medikamente, Inhaltsstoffe aus Körperpflegeprodukten, Imprägnierungen, Farben etc., die aus verschiedensten Quellen wie Landwirtschaft, Haushalt, Bau und Verkehr in die Gewässer gelangen. Der Verbrauch solcher Stoffe steigt laufend, und dass sich auch kleine Konzentrationen aufsummieren, zeigt das Beispiel des Antiepileptikums Carbamazepin: Im Rhein bei Basel wird es in einer Konzentration von rund 15 ng/L gemessen. Pro Tag ist das mehr als ein Kilogramm des hochpotenten Stoffs, das flussabwärts transportiert wird.

Messung?

Die Entwicklung immer leistungsfähigerer Analysemethoden z.B. Flüssigchromatographie gekoppelt mit Massenspektrometrie machte den Nachweis der Mikroverunreinigungen erst möglich. Die Eawag hat dazu entscheidende Beiträge geleistet. Als Ergänzung zur chemischen Analytik werden ökotoxikologische Tests angewendet: Hier kommen z. B. Fische, Kleinkrebse oder Algen zum Einsatz. Ausserdem gibt es Tests, um die spezifische Wirkung bestimmter Substanzgruppen nachzuweisen, wie östrogene Aktivität, neurotoxische Wirkung oder Hemmung der Fotosynthese. Die Biotests ermöglichen eine Aussage über die Wirkung der komplexen Schadstoffgemische. Das Oekotoxzentrum und die Eawag entwickeln alternative Methoden mit Zelllinien oder Computermodellen, um die Zahl der Fischversuche zu verringern. Dies auch deshalb, weil die meisten Standardtests auf die akute Toxizität von Stoff en ausgerichtet sind (hohe Konzentrationen und kurze Einwirkzeiten). Sie sind nicht geeignet, um langfristige Belastungen oder unterschwellige Wirkungen zu beurteilen.

Wirkung?

Stoffe, die gut wasserlöslich und schwer abbaubar sind, passieren die Abwasserreinigungsanlagen (ARA) nahezu ungehindert und können in den Gewässern nachgewiesen werden, besonders langlebige Substanzen wie Röntgenkontrastmittel auch im Grundwasser. Hohe Konzentrationen treten in kleinen Fliessgewässern auf, wenn grosse oder mehrere ARA ihren Ablauf einleiten. Meist entfalten die Stoff e dann unerwünscht dieselben Wirkungen, die an ihrem ursprünglichen Einsatzort erwünscht waren – bloss auf andere Organismen: Gegen Unkraut eingesetzte Pestizide unterbinden die Fotosynthese von Algen, neurotoxische Insektizide schädigen das Nervensystem von Wassertieren und hormonaktive Substanzen aus Antibabypillen oder Kunststoff en beeinträchtigen die Fortpflanzung von Fischen. Es sind aber auch subtilere Schädigungen möglich, z. B. des Immunsystems. Die Situation wird dadurch kompliziert, dass sich ähnliche Stoff e in ihrer Wirkung summieren können und zusätzliche Stressfaktoren (z. B. Temperaturanstieg) mitspielen.

In Zusammenarbeit mit dem Bundesamt für Umwelt, kantonalen Gewässerschutzfachstellen und der Industrie hat die Eawag eine Palette von für die Schweiz relevanten Mikroverunreinigungen ausgewählt, die in Überwachungsprogramme der Kantone mit aufgenommen werden können. Mit dem Oekotoxzentrum wurde darauf aufbauend ein Konzept erarbeitet, um das von Mikroverunreinigungen ausgehende Risiko zu bewerten. Bei den Trinkwasserressourcen für die Bevölkerung besteht zurzeit keine Gefährdung, trotzdem sollten aus Gründen des vorsorglichen Verbraucherschutzes Massnahmen getroffen werden.

Entfernung aus dem Abwasser?

Die verbreiteten mechanisch-biologischen Abwasserreinigungsanlagen sind darauf ausgelegt, Feststoff e, gelöste organische Stoffe, sowie die Nährstoffe Phosphor und Stickstoff aus dem Abwasser zu entfernen. Dennoch eliminieren auch sie bereits eine ganze Palette von Spurenstoff en, indem die Stoff e biologisch abgebaut oder am Klärschlamm angelagert werden. Gewisse Stoffe, darunter Substanzen mit hormonähnlicher Wirkung, werden aber auch im geklärten Abwasser noch in Konzentrationen nachgewiesen, die Effekte haben. Die Eawag hat daher im Labor und in grossen Versuchen Verfahren untersucht, die unerwünschte Spurenstoffe aus dem Abwasser entfernen können. Teilweise konnte dabei auf frühere Erkenntnisse aus der Trinkwasseraufbereitung zurückgegriffen werden. Es schieden aber auch Methoden aus, zum Beispiel weil sie nicht genügend effizient sind (UV-Bestrahlung), zu viel Energie benötigen oder zu viel Abfall produzieren (Nanofiltration). Als geeignet herausgestellt hat sich die Behandlung des bereits gereinigten Abwassers mit Ozon oder mit Pulveraktivkohle. Ozon hat stark oxidierende Wirkung, d. h. viele chemische Verbindungen werden vom Ozon angegriffen und in Substanzen umgewandelt, die biologisch abbaubar sind und nach einem nachgeschalteten Sandfilter keine ökotoxikologischen Wirkungen mehr zeigen. Die Pulveraktivkohle bindet die Moleküle an ihre Oberfläche. Die Stoffe werden mit dem Klärschlamm entsorgt.

Technik schon ausgereift?

Grosstechnische Versuche der Eawag, teils im Auftrag des Bundesamtes für Umwelt, auf den ARA Regensdorf und Opfikon haben gezeigt, dass sich sowohl die Ozonung als auch die Zugabe von Aktivkohle mit verhältnismässig geringem Aufwand in bestehende Anlagen integrieren lassen. Auch die Pilotversuche in Vidy/Lausanne zeigen viel versprechende Resultate. Je nach Verhältnissen (Platz, Abwasserzusammensetzung etc.) ist das eine oder andere Verfahren besser geeignet, beide können vom heutigen Personal betrieben werden. Andere Verfahren, die eine ähnliche Breitbandwirkung bezüglich der eliminierten Stoffe zeigen und deren Kosten und Energieverbrauch in vertretbarem Rahmen liegen, sind derzeit nicht in Sicht. In Detailfragen, wie Materialwahl und Steuerung, geht die Optimierung der Verfahrenstechnik natürlich laufend weiter.

Prävention ausbauen?

Die Entfernung von Mikroverunreinigungen aus dem Abwasser ist eine wichtige Massnahme, um zu verhindern, dass diese Stoffe in die Gewässer gelangen. Denn manche Stoffe, die via Abwasserreinigung in den Gewässern landen, können nicht durch Verbrauchseinschränkungen oder andere Massnahmen reduziert werden. Mehrere Forschungsprojekte haben aber aufgezeigt, dass es parallel dazu nötig ist, den Eintrag von Spurenstoff en vorsorglich schon an der Quelle zu vermeiden. So können Anwenderrichtlinien und eine standortgerechte Landwirtschaft viel dazu beitragen, dass weniger Pestizide von den Feldern in die Gewässer gelangen. Oder die Anpassung der Rezepturen von Zusatzstoff en in Baumaterialien kann deren Auswaschung reduzieren. Im Beispiel von Wurzelschutzmitteln in Bitumenbahnen hat die Zusammenarbeit der Eawag mit den Herstellern zur Reduktion der Auswaschung von Bioziden um über 90 % geführt. Lassen sich Einträge toxischer Stoffe in die Umwelt nicht vermeiden, darf auch ein Verbot gewisser hochwirksamer Substanzen kein Tabu sein.