Integrierte emissions- und immissionsseitige Betrachtung vorgeschlagener Umweltqualitätsnormen für Oberflächengewässer und deren Bedeutung für die weitergehende Behandlung von Pestiziden, Bioziden und Pharmazeutika in kommunalen Kläranlagen

Abstract

Spurenstoffe stellen ein Risiko für aquatische Ökosysteme und die menschliche Gesundheit dar. Zum Schutz dieser Güter wurden im Rahmen der Kommunalen Abwasserrichtlinie (KARL) und der vorgeschlagenen Umweltqualitätsnormen (UQN) Maßnahmen zur Reduktion des Eintrags in Gewässer sowie immissionsorientierte Grenzwerte für ausgewählte Spurenstoffe festgelegt. Die KARL sieht unter anderem die verpflichtende Einführung einer vierten Reinigungsstufe für Kläranlagen mit einer Kapazität von ≥ 150000 EW sowie für Kläranlagen mit ≥ 10000 EW inbesonders mikroschadstoffsensiblen Gebieten vor. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, inwieweit die vorgeschlagenen UQN den Bedarf an der Implementierung einer vierten Reinigungsstufe in Kläranlagen <150 000 EW beeinflussen und ob die emissionsseitigen Maßnahmen ausreichen, um die immissionsseitigen Zielvorgaben der vorgeschlagenen UQN einzuhalten. Diese integrierte Betrachtung bildet dabei eine wesentliche Grundlage für die risikobasierte Identifikation jener Kläranlagen (≥ 10000 EW), die eine vierte Reinigungsstufe benötigen, sowie für die Bewertung der Notwendigkeit zusätzlicher Maßnahmen zur Einhaltung der vorgeschlagenen UQN.In dieser Arbeit wurden für ausgewählte Pestizide, Biozide und Pharmazeutika, für die in der vorgeschlagenen UQN-Richtlinie Grenzwerte definiert sind, mittels statistischer Auswertung mehrerer Messprogramme aus Deutschland und Österreich mediane Ablaufkonzentrationen kommunaler Kläranlagen bestimmt. Auf Basis durchschnittlicher Entfernungsraten von Ozonung und Aktivkohlebehandlung wurden diese Kennwerte zusätzlich für Kläranlagen mit vierter Reinigungsstufe sowie die notwendigen Verdünnungsfaktoren zur Einhaltung der vorgeschlagenen UQN berechnet. Anschließend wurden die Ergebnisse auf ein reales Fallstudiengebiet im Südosten Österreichs übertragen und theoretische Spurenstoffkonzentrationen in den Fließgewässern unter Berücksichtigung verschiedener Eintragspfade im Trenn- und Mischsystem sowie mehrerer Bezugswasserführungen ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass ohne Implementierung einer vierten Reinigungsstufe unter mittleren Abflussbedingungen an 81% und unter Niedrigwasserbedingungen an 86% der Auswertungspunkte mindestens ein Stoff den vorgeschlagenen Grenzwert im Gewässer überschreitet. Als besonders kritisch wurden Imidacloprid, Estron (E1), Azithromycin und Diclofenac identifiziert. Durch die Implementierung einer Ozonung an rund 84% bzw. einer Aktivkohlebehandlung an etwa 88% der Kläranlagen mit ≥ 10000 EW im Fallstudiengebiet reduziert sich der Anteil der Auswertungspunkte mit wahrscheinlichen Grenzwertüberschreitungen im Mittelwasserszenario auf etwa 39% (Ozonung) bzw. 47% (Aktivkohlebehandlung) und im Niedrigwasserszenario auf 78% bzw. 81%. Sämtliche verbleibenden Überschreitungen betreffen das Antirheumatikum Diclofenac. Zusätzlich wird unter Niedrigwasserszenarien die vorgeschlagene Umweltqualitätsnorm (UQN) für das Antibiotikum Azithromycin an bis zu 8% der Bewertungsstellen trotz Ozonung bzw. an bis zu 11% trotz Aktivkohlebehandlung überschritten. Der Ausbau der vierten Reinigungsstufe stellt somit eine wesentliche Maßnahme zur Reduktion des Spurenstoffeintrags in Oberflächengewässer dar, um die vorgeschlagenen UQN einzuhalten. In Einzugsgebieten mit geringer Verdünnung des kumulierten Kläranlagenablaufs ist sie jedoch in vielen Fällen nicht ausreichend, um die immissionsseitigen Zielvorgaben der vorgeschlagenen UQN vollständig zu erfüllen, weshalb zusätzliche Maßnahmen zur Reduktion der Stoffe im Abwasser notwendig sind.

Micropollutants pose a risk to aquatic ecosystems and human health. To protect these environmental goods, the Urban Waste Water Treatment Directive (UWWTD) and the proposed Environmental Quality Standards (EQS) introduce measures to reduce emissions into surface waters as well as immission-based environmental quality standards for selected substances.Among other measures, the UWWTD requires the implementation of a fourth treatment stage in wastewater treatment plants (WWTPs) with capacities ≥ 150000 PE and in WWTPs ≥ 10000 PE located in areas that are particularly sensitive to micropollutants. Against this background, the question arises to what extent the proposed EQS influence the need for implementing a fourth treatment stage in WWTPs with capacities below 150,000 PE and whether the emission-orientedmeasures are sufficient to meet the immission-oriented objectives of the proposed EQS. This integrated assessment provides an essential basis for the risk-based identification of WWTPs (≥ 10000 PE) requiring a fourth treatment stage and for evaluating the necessity of additional measures to ensure compliance with the proposed EQS.In this study, median effluent concentrations of selected pesticides, biocides, and pharmaceuticals regulated under the proposed EQSD were derived for municipal WWTPs by statistically evaluating several monitoring programmes from Germany and Austria. Based on reported removal efficiencies of ozonation and powdered or granular activated carbon treatment, corresponding concentration values were additionally calculated for WWTPs equipped with a fourth treatment stage, as well as the dilution factors required to comply with the proposed EQS threshold values.The results were subsequently applied to a real case study area in southeastern Austria, where theoretical micropollutant concentrations in rivers were estimated, taking into account different entry pathways in combined and separate sewer systems and multiple reference flow conditions.The results show that without implementation of a fourth treatment stage, at least one substance exceeds the proposed EQS at 81% of the assessment points under average flow conditions and at 86% under low-flow conditions. Imidacloprid, estrone (E1), azithromycin, and diclofenac were identified as particularly critical substances. Implementing ozonation at approximately 84% or activated carbon treatment at about 88% of WWTPs with capacities ≥ 10000 PE in the case study area reduces the proportion of assessment points with probable EQS exceedancesunder average flow conditions to about 39% (ozonation) and 47% (activated carbon treatment), respectively, and under low-flow conditions to 78% and 81%. All remaining exceedances are attributable to the non-steroidal anti-inflammatory drug diclofenac. Additionally, under low-flow conditions, the proposed EQS for the antibiotic azithromycin is exceeded at up to 8% of assessment points despite ozonation and up to 11% despite activated carbon treatment.The expansion of a fourth treatment stage therefore represents a key measure for reducing micropollutant emissions to surface waters and for achieving compliance with the proposed EQS.However, in catchments with low dilution of cumulative WWTP effluents, it is often insufficient on its own to fully meet the immission-oriented objectives of the proposed EQS, which is why additional measures to reduce these substances in wastewater are necessary.