Diffuse Mikroverunreinigungs-Emissionen aus Siedlungen (DIMES)

Schlussbericht
Faktenblatt DIMES 

Zusammenfassung
Die Hauptziele dieses Projektes waren (i) den heutigen Kenntnisstand zu diffusen Emissionen von Mikroverunreinigungen aus Siedlungen zusammenzufassen und (ii) die Relevanz der Niederschlagswassereinleitungen auf lokaler und nationaler Ebene zu beurteilen. Dazu wurde Literatur ausgewertet und eine System- und Stoffflussanalyse durchgeführt. Die Untersuchung fokussiert auf diffuse urbane Stoff- und Quellenkombinationen, die über Mischwasserentlastungen und Regenwassereinleitungen (zusammen nachstehend als „Niederschlagswassereinleitungen“ bezeichnet) in die aquatische Umwelt gelangen.

Einleitungen und Dynamik im Gewässer
Für Mischwasserentlastungen und Regenwassereinleitungen konnten charakteristische Eintragsdynamiken identifiziert werden, die einen direkten Zusammenhang mit dem dominierenden Stofftransportprozess an der Quelle besitzen. Für einige Stoffe sind ausgeprägte Konzentrations- und Frachtspitzen durch deren Freisetzung an der Quelle und an der Einleitungsstelle die Folge (z.B. Mecoprop, Schwermetalle). Bei den anderen Wirkstoffen ist die Abflussvariabilität im Kanal bei Regen wichtiger als die Variation der Stofffreisetzung (z.B. Diclofenac, Carbendazim). Literaturwerte von gemessenen Gewässerkonzentrationen belegen kurzfristige Überschreitungen der Zielwerte sogar durch Einzeleinleitungen. Im Regelfall ist in Gewässern jedoch von einer Überlagerung einer Vielzahl von Abflusswellen respektive Niederschlagswassereinleitungen auszugehen. Die unterschiedlichen Pulse führen bei den meisten Abflussereignissen zu einer Vergleichmässigung der Gewässerkonzentrationen. Je isolierter die Einleitung im Gewässernetz angeordnet ist, desto deutlicher ist der Frachtverlauf zu detektieren.

Urbane Wasserbilanz
Die urbane Wasserbilanz zeigt auf, welcher Anteil der gefassten Abwassermenge in einer Siedlung direkt in ein oberirdisches Gewässer geleitet wird bzw. welcher Anteil in eine Abwasserreinigungsanlage gelangt. Dabei wird sowohl der Regenabfluss als auch das häusliche Abwasser betrachtet.

• In der Schweiz ist mit einem Anteil von 70% das Mischsystem, in dem Regenwasser und häusliches Abwasser gemeinsam transportiert werden, das vorwiegend anzutreffende Entwässerungsverfahren. Die Hochrechnungen für das schweizerische Mittel beziffern den Anteil der kanalisierten Abwassermenge, der über Mischwasserentlastungen direkt in die Gewässer gelangt, auf rund ein Fünftel. Darin sind rund 3.5% der jährlichen häuslichen Abwassermenge enthalten. Gleichzeitig bedeutet dies, dass mehr als drei Viertel des Abwassers im Mischsystem zur Abwasserreinigungsanlage geleitet wird.

• Im Trennsystem wird der gefasste Regenabfluss weitgehend vom häuslichen Abwasser separiert. Gleichzeitig wird nur in Ausnahmefällen Regenwasser auf der Abwasserreinigungsanlage behandelt. In Gebieten mit Trennsystemen gelangt daher ein Grossteil des gefassten Regenabflusses (rund 90%) direkt in die oberirdischen Gewässer.

Modelluntersuchungen
Zwei besondere Schwerpunkte der Untersuchung bilden die Modellbetrachtungen in Worst-Case Szenarien zum Rhein (bei Basel) und zu kleinen Fliessgewässern in einer lokalen Betrachtungsweise. Die lokale Belastung von Fliessgewässern wird an einem semi-hypothetischen Beispiel untersucht. Das betrachtete Einzugsgebiet spiegelt den Median der Gemeindegrösse in der Schweiz mit einer Einwohnerzahl von 3’300 wider. Der Vergleich zwischen berechneten Gewässerkonzentrationen und Zielwerten gibt erste Hinweise auf die Gewässerrelevanz der Niederschlagswassereinleitungen. Für die Belastung des Rheins wurde die Summe aller urbanen Niederschlagswassereinleitungen betrachtet, d.h. es wurden die Einleitungen sowohl räumlich wie auch von Misch- und Trennsystemen zusammengefasst. In der lokalen Betrachtungsweise wurde zwischen Mischwasserentlastungen und Regenwassereinleitungen differenziert. Die Aussagen aus beiden Betrachtungsweisen wurden mit Messdaten und den zugrunde liegenden Vereinfachungen evaluiert. Im Hinblick auf die Gewässerrelevanz können folgende Ergebnisse zu den beiden Schwerpunkten zusammengefasst werden:

Rhein bei Basel

• Die berechneten Jahresdurchschnittskonzentrationen aufgrund von Niederschlagswassereinleitungen aus dem Misch- und Trennsystem führen für die meisten Stoffe nicht zu einer Überschreitung der Zielwerte. Die berechneten Glyphosat-Konzentrationen sind eine Ausnahme.

• Schwermetalle und persistente organischen Verbindungen gelangen durch Mischwasserentlastungen und Regenwassereinleitungen in die Gewässer. Eine Akkumulation im Sediment und den Schwebstoffen ist möglich, weil diese Stoffe überwiegend an Partikel gebunden sind.

Lokale Betrachtungsweise

- Mischwasserentlastungen

• Im Fall der Mischwasserentlastungen muss zwischen Starkregen und Dauerregen unterschieden werden. Bei Starkregen sind die durch den Regenabfluss eingetragenen Stoffe von grösserer Bedeutung als die Stoffe aus dem häuslichen Abwasser. Bei lang anhaltendem Regen verhält es sich umgekehrt. Sowohl bei Starkregen als auch bei Dauerregen wurden Regendauern von mindestens 24 Stunden betrachtet. Für den Vergleich mit den anderen Faktenblättern wurde das Starkregenereignis definiert (10% des Jahresniederschlags in 24h). Zusätzlich für dieses Faktenblatt wurde ein Dauerregen definiert (100% des Jahresniederschlags in 10% der Zeit (36.5 Tage) = 2.7% des Jahresniederschlags in 24h).

• Bei Starkregen können lokal und zeitlich begrenzt die Zielwerte überschritten werden. Im Einzelnen sind diesbezüglich die Pestizide Carbendazim, Glyphosat, Diuron und Mecoprop sowohl in Messungen als auch im Modell zu nennen. Die Arzneimittel Metformin und Ethinylöstradiol sowie der antibakterielle Zusatzstoff Triclosan überschreiten die Zielwerte mehrfach, wenn nur ein kleiner Gewässerabfluss vorhanden ist (QGew < 1 m3/s).

• Lang anhaltender Dauerregen führt zu einer höheren Belastung des Mischwassers durch das häusliche Abwasser. Die Modellbetrachtung ergibt folglich, dass sich in Gewässern mit Abflüssen bis 1 m3/s bei lang anhaltenden Entlastungsereignissen höhere Gewässerkonzentrationen einstellen als bei Starkregenereignissen.

• Für viele Stoffe liegen keine Messdaten vor, um das Verhalten zu belegen. Das Verhalten von Diclofenac und Sulfamethoxazol konnte plausibilisiert werden.

• Im Gegensatz zu den Pestiziden sind bei den Schwermetalleinträgen eher die Folgen für das Sediment und die Schwebstoffe als für die wässrige Phase wichtig.

- Regenwassereinleitungen im Trennsystem

• Aufgrund der Modellaussagen und den Messwerten werden Glyphosat, Diuron und Mecoprop sowie Zink als besonders relevant eingestuft. Mit steigendem Anteil von Verkehrsflächen wird die Bedeutung des Schwermetalls Zink grösser.

• Im Vergleich zwischen Misch- und Trennsystem ist die Häufigkeit der Ereignisse zu berücksichtigen. Trennsysteme leiten bei jedem abflusswirksamen Niederschlagsereignis ein. Aus Mischsystemen wird jedoch nur nach bestimmten (hohen) Niederschlagshöhen Mischwasser entlastet.

• Wie im Fall der Mischwasserentlastungen wird die ökologische Wirkung der Schwermetalle eher im Zusammenhang mit der Akkumulation im Sediment zu sehen sein als in der wässrigen Phase.

Diese Erkenntnisse unterstreichen die grundsätzliche Bedeutung der Niederschlagswassereinleitungen für kleine Fliessgewässer. Eine Analyse auf Gemeindeebene schloss die Landnutzung, die Versiegelung und die Grösse der natürlichen Einzugsgebiete in die Betrachtung ein. Grundlage ist eine Immissionsbetrachtung, die auf den natürlichen Abfluss basiert. Die Immission wird durch den natürlichen Niederschlagsabfluss und stoffspezifische Zielwerte bestimmt. Die durchgeführte Analyse vergleicht die Emission durch Niederschlagswassereinleitungen mit der Immission in einem Teileinzugsgebiet. Die Ergebnisse heben Gebiete hervor, in denen im Modell bereits die urbanen Niederschlagswassereinleitungen die natürlichen Immissionsgrenzen überschreiten ohne andere Quellen zu berücksichtigen. Es handelt sich um dicht besiedelte Gebiete im schweizerischen Mittelland, im Bogen um den Genfersee sowie im südlichen Tessin.

Links:
Schlussbericht Faktenblatt DIMES

Dieses Projekt steht im inhaltlichen Zusammenhang mit:
Mikroverunreinigungen in den Gewässern
Mikroverunreinigungen - Beurteilungskonzept für organische Spurenstoffe aus kommunalem Abwasser

Ausgangslage
Produkte wie z.B. Medikamente, Wasch- und Reinigungsmittel, Planzen- oder Flammschutzmittel enthalten eine Vielzahl von Stoffen die eine gezielte Wirkung erreichen sollen. Gelangen sie nach der korrekten Anwendung mit gereinigtem oder ungereinigtem Abwasser in die Umwelt können auch bei sehr geringen Konzentrationen unerwünschte Effekte auf Menschen und andere Organismen nicht ausgeschlossen werden. Die meisten sogenannten Mikroverunreinigungen werden in Abwasserreinigungsanlagen (ARA) mit konventionellen Verfahren nur teilweise entfernt und kontinuierlich in natürlich Gewässer eingeleitet. Je besser eine Substanz abgebaut wird, sei es mit konventionellen oder erweiterten technischen Verfahren, desto massgebender werden diskontinuierliche Massenströme: Historisch bedingt wird häusliches Schmutzwasser bei Regenfällen mit Niederschlagswasser vermischt und kann praktisch unbehandelt direkt in die Gewässer eingeleitet werden, um die ARA vor hydraulischer Überlastung zu schützen.

Ziel Im Rahmen des vom Bundesamt für Umwelt geförderten Vorhabens ist es das Ziel, die Emissionen von organischen Mikroverunreinigungen aus Siedlungen schweizweit zu bilanzieren (DIMES). Es werden neben Wirkstoffen im Schmutzwasser auch die von urbanen Flächen abfliessenden Stoffe wie Schwermetalle und Biozide bilanziert.

Bedeutung Ein Ressourcen schonender Gewässerschutz optimiert gleichzeitig den Ausbau von Abwasserreinigungsanlagen und Entwässerungssystem. Dies ermöglicht eine integrierte Systembetrachtung und erlaubt die gegenseitige Beeinflussung der Teilsysteme zu berücksichtigen. Mit den Ergebnissen des Forschungsvorhabens kann die Relevanz von Mikroverunreinigungen, die über Regenwasserentlastungen in die Gewässer gelangen, beurteilt und ein Vergleich zu den kontinuierlichen Einleitungen gezogen werden. Falls erforderlich, bilden die Ergebnisse eine fundierte Grundlage, einen Entwicklungsprozess in der Siedlungsentwässerung anzustossen, der den besonderen Anforderungen eines Infrastruktursystems gerecht wird.