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BWK Elbetag MikroModell Magdeburg, 16.11.2017 ‐ Seite 1 Reduzierung von Mikroschadstoffen in Oberflächengewässern durch Maßnahmen in Abwassersystemen Zwischenergebnisse des Projektes MikroModell Peter Krebs, Gerold Fritsche und Sara Schubert, TU Dresden 1. BWK Elbetag Magdeburg, 16. November 2017

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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 

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Das Projekt 

Eintragspfade 

Monitoring 

Stoffflussmodellierung 

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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 

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©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 

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Monitoring 

Stoffflussmodellierung 

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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 

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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 

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Phen

azon

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Beza

fibra

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Clo

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säur

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Gem

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Trim

etho

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Sota

lol

Ethi

nyle

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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 

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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)

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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 

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NH4+ ‐ Messungen im Lockwitzbach 

MS6  MS4 MWE 

NH4+ ‐ aus Misch‐

wasserentlastung

Ammonium‐Fracht  Ammonium‐Konzentration 

Verhalten sich Pharmazeutika wie Ammonium? Benisch et al. (2017)

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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)

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Das Projekt 

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Monitoring 

Stoffflussmodellierung – Sachsenweit

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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

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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

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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

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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

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Das Projekt 

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Monitoring 

Stoffflussmodellierung – Abwassersystem 

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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 

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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 (‐) 

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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 

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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