Elimination organischer Spurenstoffe aus kommunalem Abwasser

Kommunales Abwasser enthält neben Feststoffen, Sauerstoff zehrenden Verbindungen und Nährstoffen eine große Anzahl organischer Spurenstoffe. Hierzu gehören Industriechemikalien, Pestizide, Arzneiwirkstoffe, natürliche und synthetische Hormone sowie Bestandteile von Körperpflegemitteln. Schon in sehr niedrigen Konzentrationen (ng/L bis µg/L) können einige dieser Substanzen negative Auswirkungen auf die Umwelt haben. Dies kann sich beispielsweise in toxischen, kanzerogenen und/ oder endokrinen Wirkungen von Kläranlagenabläufen auf aquatische Lebewesen äußern. Bei der Planung und dem Betrieb kommunaler Abwasserbehandlungsanlagen wurde bisher jedoch keine gezielte Elimination gefährlicher organischer Stoffe angestrebt. Auf Grund der Anforderungen der EG-Wasserrahmenrichtlinie an den Zustand europäischer Oberflächengewässer könnte sich dies zukünftig ändern. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden von den etwa 500 von den Landesumweltämtern regelmäßig erfassten organischen Spurenstoffen 52 als umweltrelevant eingestuft, da diese Stoffe in Kläranlagenabläufen und Gewässern Deutschlands die entsprechenden Zielwerte überschritten haben. Da es nicht möglich war, alle 52 relevanten Spurenstoffe bezüglich ihres Verhaltens während der Abwasserreinigung näher zu untersuchen, wurden als Modellspurenstoffe die Industriechemikalien Nonylphenol und Bisphenol A, das natürliche Hormon 17b-Estradiol und das künstliche Steroid 17a-Ethinylestradiol bestimmt. Als Auswahlkriterien dienten die unterschiedliche biologische Abbaubarkeit und Flüchtigkeit dieser Stoffe sowie ihre Affinität zum Klärschlamm. Das Verhalten der Modellspurenstoffe bei der mechanisch-biologischen Abwasser- und Schlammbehandlung wurde sowohl in halbtechnischen Kläranlagen als auch in Sorptions- und Abbauversuchen mit radioaktiv markierten Stoffen im Labormaßstab untersucht. Hierbei wurde der biologische Abbau als Hauptweg der Elimination identifiziert. Da bei dem biologischen Abbau der Modellspurenstoffe neben Kohlendioxyd einige unbekannte Metabolite entstanden sind, besteht weiterhin ein großer Forschungsbedarf zur Risikoabschätzung für die Abbauprodukte. Die Beurteilung der Eliminationsleistung verschiedener Kläranlagenkonfigurationen erfolgte mit Hilfe der Versuchsergebnisse und eines im Rahmen der Arbeit entwickelten mathematischen Modells. Eine konventionelle Belebungsanlage mit simultaner aerober Schlammstabilisierung hat die beste Leistung bezüglich der Elimination der Modellspurenstoffe aufgewiesen. Es folgten die Membranbelebungsanlagen mit simultaner aerober sowie mit getrennter anaerober Schlammstabilisierung. Die niedrigste Eliminationsleistung war für eine konventionelle Belebungsanlage mit getrennter anaerober Schlammstabilisierung zu verzeichnen. Die Nachschaltung eines Sandfilters konnte keinen bedeutenden Beitrag zur Elimination der Modellspurenstoffe in konventionellen Belebungsanlagen leisten. Da einige organische Spurenstoffe wie 17a-Ethinylestradiol und der Arzneimittelwirkstoff Carbamazepin gemäß der Modellabschätzungen in keiner der betrachteten Anlagenkonfigurationen ausreichend zurückgehalten werden, wurden 16 verschiedene Maßnahmen zur Verbesserung der Spurenstoffelimination bezüglich ihrer Leistung und Wirtschaftlichkeit bewertet. Für kleinere Anlagen (bis 5.000 E) eignete sich besonders die Zugabe pulverisierter Aktivkohle ins Belebungsbecken. Für größere Kläranlagen war eine Ozonisierung als nachgeschaltete Verfahrensstufe vorzuziehen. Je nach Größe der Kläranlage würden diese Maßnahmen die Abwasserbehandlungskosten um 20-35% (0,07-0,18 e/m³) erhöhen.