Untersuchung zum Eintrag und zur Elimination von gefährlichen Stoffen in kommunalen Kläranlagen

Ziel

Im zweiten Teil des Projektes sollte das Verhalten verschiedener organischer Spurenstoffe innerhalb der betrachteten Kläranlagen genauer analysiert werden, um die Eliminationswege zu verstehen. Dazu erfolgte eine Massenbilanzierung über den Wasserweg und den Schlammpfad der Kläranlagen unter Berücksichtigung der wichtigsten Verfahrensstufen.
Beteiligt waren die Technische Universität Dortmund, die Deutsche Projekt Union GmbH und das Landesumweltamt NRW.

Vorgehensweise

Beprobt wurden neben der halbtechnischen Versuchsanlage Neuss hauptsächlich die Klärwerke in Düsseldorf-Süd und Köln-Stammheim (Funktionsschema zweier Kläranlagen s. Abb. 1).

Fließschemata der Klärwerke Düsseldorf-Süd und Köln-Stammheim

Bis zu sechs Abwasser- und Schlammproben wurden bei wöchentlichen Messkampagnen auf vier Substanzgruppen untersucht. Analysiert wurden halogenierte und nichthalogenierte Organophosphate, welche als Flammschutzmittel und Weichmacher verwendet werden, sowie synthetische Moschusduftstoffe, insbesondere Galaxolid und Tonalid. Des Weiteren wurden Phthalate, die als Additive und Weichmacher eingesetzt werden, und phenolische Verbindungen (Bisphenol A, Nonylphenol und Pentachlorphenol) untersucht. Bei Letzteren handelt es sich um Industriechemikalien oder deren Abbauprodukten, welche aufgrund ihrer Wirkung auf das endokrine System als kritisch angesehen werden. Dies gilt auch für die Weichmacher auf der Basis der Phthalsäure, welche allgegenwärtig in der Umwelt anzutreffen sind.

Analytik

Um das Ziel des Projektes zu erreichen, war es erforderlich, empfindliche und selektive analytische Methoden, die für Abwasser- und Schlammproben geeignet sind, einzusetzen. Die Proben wurden mit Hilfe der Festphasenextraktion, beschleunigter Lösungsmittelextraktion oder Flüssig-Flüssig-Extraktion aufbereitet. Zusätzlich mussten einige Stoffe derivatisiert werden, um sie für eine gaschromatografische Untersuchung ausreichend flüchtig zu machen. Zur Bestimmung der Stoffgruppen wurde ein Gaschromatograph mit massenselektivem Detektor (GC/MS) verwendet.

Der Vorteil der GC/MS ist die sichere Identifizierung und Quantifizierung der Zielverbindungen. Der Einsatz des massenselektiven Detektors im "Selected Ion Monitoring" (SIM) ermöglichte des Weiteren, selektiv die gewünschten Substanzen zu detektieren.
Da Moschusduftstoffe, Organophosphate und Phthalate nicht zusammen mit Alkylphenolen, Bisphenol A und Triclosan bestimmt werden konnten, mussten für diese Substanzgruppen jeweils getrennte Messprozeduren durchgeführt werden.

Ergebnisse

Die Resultate (Abb. 2) zeigen ein unterschiedliches Eliminationsverhalten der Stoffgruppen. Innerhalb der einzelnen Stoffgruppen werden die verschiedenen Substanzen in sehr unterschiedlichem Maß eliminiert.

Konzentration und Elimination der untersuchten Substanzgruppen

Bei der Betrachtung der erreichten Gesamtelimination in den kommunalen Kläranlagen lässt sich festhalten, dass eine Vielzahl der betrachteten Stoffe bereits zu 85 % (synthetische Moschusduftstoffe) oder mehr als 90% (Phthalate und phenolische Verbindungen) entfernt werden konnten. Die Elimination der chlorierten Organophosphate im Vergleich zu den nicht chlorierten ist deutlich schlechter. Wegen der schlechten Abbaubarkeit dieser Substanzen (< 50%) sind die chlorierten Organophosphate eine interessante Substanzgruppe für zukünftige Untersuchungen. Anhand der vollständigen Beprobung aller Verfahrensstufen des Wasserwegs, des Schlammpfades sowie von Prozesswässern konnte das Verhalten der untersuchten Spurenstoffe in den Kläranlagen Düsseldorf und Köln erfasst und deren Aufkommen bilanziert werden (Abb. 3).

Massenbilanz von Dibutylphthalat für die Klärwerke Düsseldorf-Süd und Köln-Stammheim

Zum Beispiel wurde für DBP in beiden Kläranlagen eine sehr gute Gesamtelimination von >95 % nachgewiesen. Die Zulaufkonzentrationen sind, im Gegensatz zu den Frachten im Median, insbesondere für das DBP aus dem Klärwerk Düsseldorf gegenüber dem Klärwerk Köln leicht erhöht. Die Elimination von DBP ist sowohl auf die Sorption an die Klärschlämme als auch auf einen biologischen Abbau in den Belebungsstufen zurück zu führen. Beim Klärwerk Düsseldorf überwiegt der biologische Abbau mit 70 - 75 %, während für das Klärwerk Köln-Stammheim eine etwa gleiche Verteilung der Elimination auf Sorption und biologischen Abbau festgestellt wurde. Die Elimination in den Filterstufen der betrachteten Kläranlagen betrug weniger als 5 %.

Zur Bewertung der Kläranlagen müssen insbesondere die Ablaufkonzentrationen betrachtet werden. Auch wenn die Eliminationsleistung für einige Stoffe sehr hoch erscheint, können die Restkonzentrationen ökotoxikologisch relevant sein.
Zur Minimierung der Belastung von Oberflächengewässern mit organischen Spurenstoffen wird eine Behandlungstechnologie benötigt, die die bestehenden Belebungsanlagen ergänzen kann. Beispiel für eine ergänzende Technologie ist die Kombination einer Oxidationsstufe mit einer anschließenden biologischen Behandlung, um eine verbesserte Elimination schwer abbaubarer Substanzen wie z.B. TCEP zu ermöglichen.

Förderung

Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes NRW

Ansprechpartner

Univ.-Prof. Dr. Dr. h.c. Michael Spiteller
M.Spiteller@infu.uni-dortmund.de
Fon: (0231) 755-4080

Dr. rer. nat. Sebastian Zühlke
S.Zuehlke@infu.uni-dortmund.de
Fon: (0231) 755-4088

Veröffentlichungen

1. MUNLV Hrsg. (2007):
   "Untersuchung zum Eintrag und zur Elimination von gefährlichen Stoffen in kommunalen Kläranlagen, Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben - Teil 2" Broschüre des MUNLV in press.

2. Zühlke, S. (2007):
   "Das Verhalten organischer Spurenstoffe während der Abwasserbehandlung", ISSN 1618-3258 Mitt. Umweltchem. Ökotox., 1/2007, 7-9.