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BWK Elbetag MikroModell Magdeburg, 16.11.2017 ‐ Seite 1
Reduzierung von Mikroschadstoffen in Oberflächengewässerndurch Maßnahmen in Abwassersystemen
Zwischenergebnisse des Projektes MikroModell
Peter Krebs, Gerold Fritsche und Sara Schubert, TU Dresden
1. BWK Elbetag Magdeburg, 16. November 2017
BWK Elbetag MikroModell Magdeburg, 16.11.2017 ‐ Seite 2
Das Projekt
Eintragspfade
Monitoring
Stoffflussmodellierung
BWK Elbetag MikroModell Magdeburg, 16.11.2017 ‐ Seite 3BWK Elbetag MikroModell Magdeburg, 16.11.2017 ‐ Seite 3
Wieso noch ein Projekt zu Mikroschadstoffen ?
Aufwändige Messkampagnen im Abwasser und Gewässer
Räumlich und zeitlich gut aufgelöste Stoffflussmodellierung unter Verwendung von Verschreibungsdaten zur Einschätzung von Quellen und Pfaden zur Untersuchung verschiedenster Maßnahmen
Effektbasierte Bewertung unterschiedlicher Einleitungen
Ökonomische Bewertung verschiedener Handlungsoptionen
Untersuchungen rechtlicher Ansätze zur Einflussnahme auf Stoffströme
BWK Elbetag MikroModell Magdeburg, 16.11.2017 ‐ Seite 4BWK Elbetag MikroModell Magdeburg, 16.11.2017 ‐ Seite 4
©Gert Berger
©HELMSOFTWARE (Screenshot: Frederike Borges)
Quelle: www.umwelt.sachsen.de
Quelle: Fa. Luftbild-Service Büschel, 08301 Schlema
KA Chemnitz-Heinersdorf280.000 EW (CSB)
KA Dresden-Kaditz770.000 EW (CSB)
FG: Chemnitz, MNQ = 0,67 m³/s
FG: Elbe, MNQ = 106 m³/s
KA Plauen110.000 EW (CSB)
FG: Weiße Elster, MNQ = 1,8 m³/s
Quelle: PR Stadtentwässerung Dresden GmbH
Quelle: Alexander Bannier (ZWAV)
3 Standorte
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Stoffliste
8 PAKFluoranthenBenzo(a)pyrenBenzo(b)fluoranthenBenzo(ghi)perylenBenzo(k)fluoranthenBenzo(a)athracenPyrenIndeno(1.2.3‐cd)pyren
5 Industrie‐ und HaushaltschemikalienPerfluoroctansulfonat (PFOS)Perfluoroctanoat (PFOA)Benzotriazol (Korrosionsinhibitor)Tolyltriazol (Korrosionsinhibitor)4‐Nonylphenol
3 SchwermetalleCadmiumNickelQuecksilber
15 ArzneimittelIbuprofenDiclofenacParacetamolNaproxenMetoprololSulfamethoxazolEurytromycinClarithromycinCiprofloxacinBezafibratGabapentinCarbamazepinMetforminIomeprolFluoxetin
19 Pflanzenschutzmittel und BiozideDiuron (Herbizid)Isoproturon (Herbizid)Terbutryn (Biozid)Metazachlorsäure (Herbizid)Metazachlorsulfonsäure (Herbizid)Metolachlorsulfonsäure (Herbizid)Dimethachlorsäure (Herbizid)Dimethachlorsulfonsäure (Herbizid)2‐Hydroxy‐Terbuthylazin (Herbizid)Imidacloprid (Insektizid)Dimethoat (Insektizid)Nicosulfuron (Herbizid)p,p‐DDT (Insektizid)pp‐DDE (Insektizid)p,p‐DDD (Insektizid)o,p‐DDD (Insektizid)Dicofol (Akarizid)Hexachlorbenzen (Fungizid)Irgarol (Biozid/Fungizid)
1 LebensmittelzusatzstoffAcesulfam (Süßstoff)
2 Hormone17β‐Estradiol17α‐Ethinylestradiol
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Das Projekt
Eintragspfade
Monitoring
Stoffflussmodellierung
BWK Elbetag MikroModell Magdeburg, 16.11.2017 ‐ Seite 7
0,000,501,001,502,002,503,003,504,004,505,00
W1 A1 B1 S1 I1 R1 W8 A8 B8 S8 I8 R8
Surf
ace
load
of Z
n (m
g/m
2 )
Sampling site
1000-400 µm 400-100 µm 100-63 µm 63-0.45 µm Total
Quellen: • Autoreifen • Bremsbeläge
Pfad mit dem Regenwasser
Zhang et al. (2013c)
Regenwasserabfluss schwemmt Partikel von der Straße ab, die mit Schwermetallen und PAKs beladen sind
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Jahresfrachten von PAK und Schwermetallen im Mischsystem
• Ɛ0 = Jahresentlastungsrate für Regenwasser • ηi = Wirkungsgrad der Kläranlage für Stoff i
Urbane OberflächePAK, Schwermetalle Mischsystem Abwasserreinigung
Fließgewässer
Regen Schmutzwasser
Grundwasser
100%
> ɛ0
< (1‐ɛ0) (1‐ηi)∙(1‐ɛ0)
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Urbane Oberfläche PAK, Schwermetalle
Schmutzw.‐Kanal Kläranlage
Fließgewässer
Regen Schmutzwasser
100%
100%
Regenw.‐Kanal
Jahresfrachten von PAK und Schwermetallen im Trennsystem
BWK Elbetag MikroModell Magdeburg, 16.11.2017 ‐ Seite 10
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
Men
ge
in k
g/
Jah
r
Levo-/Ofloxacin
Ciprofloxacin
Clindamycin
Trimethoprim
Sulfamethoxazol
Roxithromycin
Azithromycin
Clarithromycin
Cefuroxim
Penicillin V
Amoxicillin
Doxycyclin
Schmutzwasserpfad
Verschreibungsdaten der AOK PLUS 41% der Versicherten in Dresden
von Oertl et al. (2015)
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• Ɛ0 = Jahresentlastungsrate für Regenwasser • ϕ0 = Jahresentlastungsrate für Schmutzwasser• ηi = Wirkungsgrad der Kläranlage für Stoff i
Urbane Oberfläche Mischsystem Abwasserreinigung
Fließgewässer
Regen Schmutzwasser
Pharmazeutika
100%
(1‐ηi)∙(1‐ϕ0)
ϕ0Grundwasser
1‐ϕ0
(? %)
Jahresfrachten von Pharmazeutika im Mischsystem
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Urbane Oberfläche
Schmutzw.‐Kanal Kläranlage
Fließgewässer
Regen Schmutzwasser
Pharmazeutika
100%
100%
Regenw.‐Kanal (1‐ηi)
• ηi = Wirkungsgrad der Kläranlage für Stoff i
Jahresfrachten von Pharmazeutika im Trennsystem
BWK Elbetag MikroModell Magdeburg, 16.11.2017 ‐ Seite 13
Phen
azon
Dic
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Ibup
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Nap
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Clo
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Clin
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Prop
rano
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Aten
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Sota
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Ethi
nyle
stra
diol
Estro
n
0 %
20 %
40 %
60 %
80 %
100 %
KläranlageKläranalge + OzonungKläranlage + Aktivkohle
Analgetika Lipidsenker Anti-epileptika
Röntgen-kontrast-
mittel
Antibiotika Beta-Blocker Hormone
Auswertung von 11 Studien sowie von Pilotversuchen
Wirkungsgrad von Kläranlagen bzgl. Pharmazeutika
Aber: Metabolite?
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Das Projekt
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Monitoring
Stoffflussmodellierung
BWK Elbetag MikroModell Magdeburg, 16.11.2017 ‐ Seite 15Ringvorlesung Wasser Vom globalen zum urbanen Wasser Peter Krebs, 2017 ‐ Seite 15
AOK PLUS Klinikums‐Apotheke
Abwasser UKD ChirurgieCefuroxim 71 µg/lPiperacillin 58 µg/lLevofloxacin 42 µg/l
stationäre Verordnungen Piperacillin (2012:161 kg, Chirurgie 44 kg) Cefuroxim (2012:105 kg, Chirurgie 26 kg)Cefotaxim (2012:37 kg, Chirurgie 13 kg)
ambulante VerordnungenAmoxicillin (82 kg/a, 23 %)Penicillin V (70 kg/a, 19 %)Clindamycin (58 kg/a, 16 %)
Wohnsiedlung/Stadtbezirk
Uniklinikum
Abwasser KanalnetzClarithromycin 3,4 µg/lAmoxicillin 3,2 µg/lPenicillin V 1,5 µg/l
Sediment KanalnetzCiprofloxacin 380 µg/kgAzithromycin 150 µg/kgDoxycyclin 120 µg/kg
Abwasser KA ZulaufCefuroxim 1,59 µg/lClarithromycin 0,43 µg/l Clindamycin‐SO 0,42 µg/l
Sediment KA SandfangCiprofloxacin 803 µg/kgLevofloxacin 348 µg/kgDoxycyclin 151 µg/kg
Abwasser KA AblaufCefuroxim 0,60 µg/lClindamycin‐SO 0,42 µg/lClarithromycin 0,37 µg/l
FaulschlammCiprofloxacin 397 µg/kgLevofloxacin 308 µg/kgRoxithromycin 272 µg/kg
Monitoring KA (15 Mon.)
„Hitliste“ von Antibiotikakonzentrationen im Abwasser
nach Schubert et al. (2015)
BWK Elbetag MikroModell Magdeburg, 16.11.2017 ‐ Seite 16
Eigenschaften von Stoffen
abbaubar nicht abbaubar
gelöst • Abbau z.T. schon im Kanal
• Kaum Im KA‐Ablauf
• Ev. in der MW‐Entlastung
• Abbauprodukte?
• Bleiben in Lösung
• Höchste Konzentrationen im Kläranlagenablauf
• Über die Entlastung mit ϕ0 bzw. ɛ0direkt ins Gewässer
an Partikeln anlagernd
• In Kanalsedimenten „lagernd“
• Teils Abbau – teils an Schlamm gebunden
• Teils Abbau in der Schlammbehandlung
• In Kanalsedimenten „lagernd“
• KA: Im Schlamm – nicht im Ablauf
• Erosion von Partikeln in die Entlastung: mit > ϕ0 bzw. > ɛ0direkt ins Gewässer
BWK Elbetag MikroModell Magdeburg, 16.11.2017 ‐ Seite 17
NH4+ ‐ Messungen im Lockwitzbach
MS6 MS4 MWE
NH4+ ‐ aus Misch‐
wasserentlastung
Ammonium‐Fracht Ammonium‐Konzentration
Verhalten sich Pharmazeutika wie Ammonium? Benisch et al. (2017)
BWK Elbetag MikroModell Magdeburg, 16.11.2017 ‐ Seite 18
0 10 20 30 40 50 60 70 80
02000400060008000
10000120001400016000
Q [m
3/h]
ZEIT [h]
Azithromycin
0 10 20 30 40 50 60 70 8005001000150020002500300035004000
Load
[mg/
h]
Tagesgang bei Trockenwetter
Frachtspitzen bei Regenwetter akute Belastung im Gewässer ökotoxikologische Relevanz??
Frachtspitzen bei Regen
Separate hydrodynamische Stofftransportmodellierung – zunächst für DD
aus Käseberg et al. (2016)
BWK Elbetag MikroModell Magdeburg, 16.11.2017 ‐ Seite 19
Das Projekt
Eintragspfade
Monitoring
Stoffflussmodellierung – Sachsenweit
BWK Elbetag MikroModell Magdeburg, 16.11.2017 ‐ Seite 20BWK Elbetag MikroModell Magdeburg, 16.11.2017 ‐ Seite 20
Räumlich‐zeitliche Differenzierung der Arzneimittelmengen in Sachsen Zuverlässige Frachtabschätzung Akute Belastungen
Datengetriebene Modellentwicklung Identifikation relevanter Einflussgrößen (Gebietsgröße, Gewässergüte,
Ausscheidungsrate, …)
Möglichst schlanke Parametrisierung des Stoffflussmodells Wenige Annahmen und Variablen, aber großes Aussagepotential Daten durch Mustererkennung gewinnen
Zusätzlich Untersuchung akuter Belastungen und deren Auswirkungen Sehr hohe zeitliche und räumliche Auflösung notwendig Gekoppelte Modellierung Kanal – Kläranlage – Fließgewässer
Zielstellung Stoffflussmodell
BWK Elbetag MikroModell Magdeburg, 16.11.2017 ‐ Seite 21BWK Elbetag MikroModell Magdeburg, 16.11.2017 ‐ Seite 21
Eingangsdaten Modell Einwohner (Mikrozensus) Krankenhaus Bettenzahlen Verschreibungsmengen Pharmaka Versichertenzahlen Kläranlagen + Anschlusszahlen Gewässernetz Verknüpfung über PLZ oder
Gemeinde
Herangehensweise
Eingangsdaten Gewässerbilanz Konzentrationsdaten:
1003 Messstellen 14 tägig – vierteljährlich
Durchflussdaten 216 Messstellen täglich
BWK Elbetag MikroModell Magdeburg, 16.11.2017 ‐ Seite 22
Sächsisches Landesamt für Umwelt, 2016
Flussgebiete als Bilanzräume Zuflüsse nach Sachsen / aus Sachsen heraus als Randbedingung Umwandeln in gerichtetes Netzwerk (Topologie und Fließrichtung) Verknüpfung mit Messstellen, Kläranlagen, Flächendaten Daten für ∑ 12.916 km Fließgewässerlänge aufbereitet
Datenaufbereitung: Gewässernetz
BWK Elbetag MikroModell Magdeburg, 16.11.2017 ‐ Seite 23
Beispiel: Einzugsgebiet Chemnitz 17.02.2014
Interpolation von Durchflüssen für Qualitätsmessstellen automatisierte Optimierung des Interpolationsverfahrens Frachten aus gemessenen Konzentrationen und gemessenen / interpolierten
Durchflüssen
Frachtbilanzierung
Predicted Load [µg/d] with normalized Standard Errors
BWK Elbetag MikroModell Magdeburg, 16.11.2017 ‐ Seite 24
Das Projekt
Eintragspfade
Monitoring
Stoffflussmodellierung – Abwassersystem
BWK Elbetag MikroModell Magdeburg, 16.11.2017 ‐ Seite 25
Stoffflussmod
ell
Verschreibungen, wöchentlich
Messung von Konzentrationen im Ablauf der Kläranlage
Messung von Konzentrationen in der Kanalisation
Abfluss im Fließgewässer
Konsum
Ausscheidungsrate
Transport in der Kanalisation
Elimination in den Kläranlagenprozessen
Konzentration im Fließgewässer
Stoffflussmodell für Pharmazeutika
BWK Elbetag MikroModell Magdeburg, 16.11.2017 ‐ Seite 26
Das Risiko ist häufig im Sommer am höchsten, da der Abfluss im Fließgewässer niedrig ist geringe Verdünnung
Antibiotikakonzentrationen im Fließgewässer
(Marx et al., 2015)
20052006
2007 20092010
2011
Inde
x (‐)
BWK Elbetag MikroModell Magdeburg, 16.11.2017 ‐ Seite 27
Ausblick
Weitere Messkampagnen
Stoffflussmodell kalibrieren
Szenarien und Maßnahmen im Modell abbilden
Zeitlich hoch auflösende, gekoppelte Modellierung für akute Belastungen
Ökotoxikologische Untersuchungen zur Bewertung • des Stoffgemisches inkl. Metabolite! • der Auswirkungen von Maßnahmen • akuter Belastungen aus Mischwasser‐ und Regenwassereinleitungen
Ökonomische Bewertungen
Rechtliche Möglichkeiten aufzeigen
BWK Elbetag MikroModell Magdeburg, 16.11.2017 ‐ Seite 28
Versorgungsatlas 2012
Ambulante Antibiotikaverordnung bei Erwachsenen (15‐69 Jahre alt)
Besten Dank für die Aufmerksamkeit
Besten Dank an die Förderer: DBU, SMUL, Gelsenwasser AG, Betreiber Dresden, Chemnitz, Plauen