Vierte Reinigungsstufe

Unter der 4. Reinigungsstufe versteht man einen zusätzlichen Reinigungsschritt in der Klärtechnik, um Spurenstoffe zu eliminieren.

Hintergrund

Es werden eine große Zahl von Chemikalien durch den Menschen in das Abwasser abgegeben. Sind diese persistent, gelangen sie in die Umwelt. Einige davon haben ökotoxische relevante Eigenschaften. In einigen Fällen ist die Chemikalie selber zwar nicht bedenklich, aber deren Abbauprodukte. Dieser Umstand ist bereits seit langem bekannt. Bereits 1976 wurde eine Studie veröffentlicht, in der Salicylsäure und Clofibrinsäure im Auslauf einer Kläranlage in Kansas City nachgewiesen wurden.

Bei aktuellen Untersuchungen der Gewässerqualität in europäischen Flüssen durch das Helmholzzentrum für Umweltforschung wurden 610 Chemikalien, deren Vorkommen oder problematische Wirkung bekannt sind, genauer betrachtet und analysiert, ob und wenn ja in welchen Konzentrationen sie in den Fließgewässern Europas vorkommen. Dabei ergab die Auswertung von 445 Proben aus insgesamt 22 Flüssen: Die Forschenden konnten insgesamt 504 der 610 Chemikalien nachweisen. Insgesamt fanden sie 229 Pestizide und Biozide, 175 pharmazeutische Chemikalien sowie Tenside, Kunststoff- und Gummizusätze, Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) und Korrosionsinhibitoren. In 40 Prozent der Proben wiesen sie bis zu 50 chemische Substanzen nach, in weiteren 41 Prozent zwischen 51 und 100 Chemikalien. In 4 Proben konnten sie sogar mehr als 200 organische Mikroschadstoffe belegen. Mit 241 Chemikalien stellten sie die meisten Substanzen in einer Wasserprobe der Donau fest.

Gesetzgebung

In der Schweiz

Seit dem 1. Dezember 2016 ist in der Schweiz die novellierte Gewässerschutzverordnung in Kraft. Danach sind alle Kläranlagen, die an mehr als 80.000 Einwohner angeschlossen sind verpflichtet, eine zusätzliche Reinigungsstufe zur Beseitigung von Spurenstoffen zu installieren. Für Kläranlagen mit über 24.000 Einwohnern im Einzugsgebiet von Seen gilt dasselbe. Zusätzlich sind alle Kläranlagen mit mehr als 8000 Einwohnern betroffen, die entweder Einleitung haben von mehr als zehn Prozent Abwasser, das bezüglich organischer Spurenstoffe ungereinigt ist, in ein Gewässer (Verdünnungsverhältnis im Gewässer), oder bei denen besondere hydrogeologische Verhältnisse vorliegen. Welche Kläranlage bis wann auszubauen ist, entscheiden die Kantone. Das Bundesamt für Umwelt (BAFU) hat die Oberaufsicht über diesen Kläranlagenausbau. Der Ausbau muss bei den betroffenen Kläranlagen bis zum Jahr 2040 abgeschlossen sein.

Um den Reinigungseffekt zu überprüfen, wurden 12 Leitsubstanzen als Marker festgelegt. Sie werden in die Kategorie 1 (sehr gut eliminierbare Substanzen) und in die Kategorie 2 (gut eliminierbare Substanzen) eingeteilt:

Kategorie 1:

• Amisulprid (CAS-Nr. 71675-85-9),
• Carbamazepin (CAS-Nr. 298-46-4),
• Citalopram (CAS-Nr. 59729-33-8),
• Clarithromycin (CAS-Nr. 81103-11-9),
• Diclofenac (CAS-Nr. 15307-86-5),
• Hydrochlorothiazid (CAS-Nr. 58-93-5),
• Metoprolol (CAS-Nr. 37350-58-6),
• Venlafaxin (CAS-Nr. 93413-69-5);

Kategorie 2:

• Benzotriazol (CAS-Nr. 95-14-7),
• Candesartan (CAS-Nr. 139481-59-7),
• Irbesartan (CAS-Nr. 138402-11-6),
• 4-Methylbenzotriazol (CAS-Nr. 29878-31-7) und 5-Methylbenzotriazol (CAS-Nr. 136-85-6) als Gemisch (Tolyltriazol).

Der Reinigungseffekt wird nach folgenden Kriterien ermittelt:

• Die Berechnung des Reinigungseffekts hat aufgrund von mindestens sechs Substanzen zu erfolgen. Dabei muss das Verhältnis der Substanzen der Kategorie 1 zu den Substanzen der Kategorie 2 zwei zu eins betragen.

• Sind bei den zu messenden Substanzen weniger als sechs Substanzen in einer ausreichenden Konzentration vorhanden, so legt die kantonale Behörde in Absprache mit dem Bundesamt für Umwelt - soweit sinnvoll - weitere Substanzen zur Berechnung des Reinigungseffekts fest.

• Maßgebend für die Erzielung des geforderten Reinigungseffekts ist der Mittelwert der prozentualen Eliminationen aller zur Berechnung herangezogenen Substanzen.

Der gesetzlich vorgeschriebene Reinigungseffekt liegt bei 80 % zwischen dem Einleiten in die Kläranlage und dem Einleiten in das Gewässer.

Zusätzlich gelten seit 2020 für die Clarithromycin drei Arzneimittel, Azithromycin, Clarithromycin und Diclofenac, Grenzwerte in Oberflächengewässer.

In der EU

Bis lang ist die 4. Reinigungsstufe in der EU noch nicht verpflichtend. Im Oktober 2022 legte die EU-Kommission einen Entwurf zur Überarbeitung der kommunalen Abwasserrichtlinie vor. Am 29. Januar 2024 einigten sich der EU-Rat und das EU-Parlament vorläufig auf eine Novellierung der kommunalen Abwasserrichtlinie 91/271/EWG von 1991. Diese wurde im Anschluss im Trilog-Verfahren verhandelt. Am 10. April 2024 verabschiedete das EU-Parlament die novellierte Kommunalabwasserrichtlinie. Ihr wurde am 5. November 2024 vom EU-Rat mehrheitlich zugestimmt. Die Mitgliedsstaaten haben nun 30 Monate Zeit die Neuerung der Richtlinie in nationames Recht zu überführen.

Die Novellierung sieht vor, dass neben strengeren Einleitwerten für Stickstoff und Phosphor, persistenten Spurenstoffe zumindest zu Teil abgetrennt werden müssen. Zielvorgabe ist analog zur Schweiz, dass 6 der Leitsubstanzen zu 80 % zwischen der Einleitung in die Kläranlage bis zum Einleiten in das Gewässer beseitigt werden müssen. Dabei werden mindestens 80 % der Investitionen und der Betriebskosten für die 4. Reinigungsstufe nach dem Verursacherprinzip an die Pharma- und Kosmetikindustrie weitergegeben um die Bevölkerung finanzell zu entlasten und einen Anreize für die Entwicklung umweltfreundlicherer Produkte zu bieten. Außerdem soll der Sektor der kommunalen Abwasserbehandlung bis 2045 energieneutral sein und die Emission von Mikroplastik und PFAS unterbunden werden.

Die Umsetzung der Rahmenrichtlinien ist, je nach Größe der Kläranlage und deren Einwohnerwerte (EW), zeitlich bis 2045 gestaffelt. Es haben Kläranlagen mit über 150.000 EW Priorität und sollen umgehend angepasst werden, da aus ihnen ein erheblicher Teil der Verschmutzungen kommt. Die Anpassungen ist auf nationaler Ebene gestaffelt in:

• 20 % der Anlagen bis zum 31. Dezember 2033,
• 60 % der Anlagen bis zum 31. Dezember 2039,
• 100 % der Anlagen bis zum 31. Dezember 2045.

Kläranlagen mit 10.000 bis 150.000 EW, die in Küstengewässer oder sensible Gewässer einleiten sind gestaffelt auf nationaler Ebene in:

• 10 % der Anlagen bis zum 31. Dezember 2033,
• 30 % der Anlagen bis zum 31. Dezember 2036,
• 60 % der Anlagen bis zum 31. Dezember 2039,
• 100 % der Anlagen bis zum 31. Dezember 2045.

Letzteres betrifft Gewässer mit einem niedrigen Verdünnungsverhältnissen, Gewässer aus denen Trinkwasser gewonnen wird und solche die als Badegewässer oder zur Muschelzucht genutzt werden. Den Mitgliedstaaten wird die Möglichkeit eingeräumt, in diesen Gebieten keine Viertbehandlung anzuwenden, wenn eine Risikobewertung ergibt, dass keine potenzielle Gefahr durch Mikroschadstoffe für die menschliche Gesundheit und/oder die Umwelt besteht.

Ziele und Leitsubstanzen

Zusätzlich zu den EU-Leitsubstanzen (KARL-Liste), die der Schweizer Liste entspricht, wurden auch auf den nationalstaatlichen Ebenen Listen mit relevanten Spurenstoffen erstellt. Die Schweizer-Liste und die KARL-Liste sind Indikatorsubstanzen und dienen der Vergleichbarkeit und überprüfung der Funktionsfähigkeit der Abwasserreinigungsverfahren. Sie wurden reprässentativ gewählt und sind stellvertretend für Hunderte von Spurenstoffen. Ihr Erscheinen auf den Listen hat nur eine begrenze Aussage über ihre ökotoxigoklogische Relevanz und ihre Langlebigkeit. Inwieweit weitere Substanzen nach Ratifizierung der Richtlinie in die jeweiligen nationalen Rechte überprüft entfernt werden müssen, beschließen die Gesetzgeber. In den Niederlanden wurde eine Liste für 7 von 11 Stoffen (Schweiz und KARL 6 von 12) die zu 80 % zwischen den Zulauf der Kläranlage und dem Auslauf, beseitigt werden müssen geschaffen, die sich auch in ihrer Zusammensetzung leicht unterscheidet. Dies begründet sich darauf, dass einige der Stoffe der KARL-Liste nicht in ausreichend hohen Konzentationen im Kläranlagenzulauf vorhanden sind. Hinzu kommt eine Beobachtungsliste mit etwa 20 Stoffen. Auch auf europäischer Ebene gibt es eine Watch-Liste, mit bedenklichen Spurenstoffen, die jährlich dem aktuellen Wissenstand angepasst wird.

In der BRD sind nach Einschätzung des Umwelt Bundesamt die folgende Verbindungen relevante Spurenstoffe. Es sind überwiegend dieselben Stoffe die auf anderen nationalen Listen vorkommen. Relevanz meint hier laut UBA, dass für sie Maßnahmen zur Eintragsreduktion in Gewässer eingeführt werden sollten, hinsichtlich der Gefährdungen die von ihnen ausgehen:

• Acesulfam K (E950)
• Sucralose
• Diclofenac
• Iopamidol
• Oxipurinol (Transformationsprodukt von Allopurinol)
• Valsartansäure
• Stoffgruppe Sartane
• Metformin
• Guanylharnstoff (u. a. Transformationsprodukt von Metformin)
• 1H-Benzotriazol
• Decabromdiphenylether
• Sulfamidsäure
• Trifluoressigsäure
• Galaxolid
• Melamin
• N,N′-Diphenylguanidin
• TMDD
• 6-PPD und 6-PPDC
• Thiacloprid
• Tebuconazol
• Fipronil

Techniken

Da der Weg zum Erreichen der Zielvorgaben nicht vorgegeben ist, gibt es mehrere mögliche Techniken, die eingesetzt werden können. Sie basieren entweder auf Oxidation oder Adsorption der Spurenstoffe. Ein großer Teil der Spurenstoffe ist zumindest zum Teil in gängigen Kläranlagen abbaubar. Entsprechend kann eine gesteigerte Beseitigung teilweise durch verbesserte Klärverfahren erzielt werden.

Bislang haben sich drei grundlegende Techniken, zwei mit Aktivkohle und eine mittels Ozon, etabliert. Zudem werden eine Vielzahl von Techniken auf ihre Anwendbarkeit untersucht und zum Teil auch eingesetzt. Dazu gehören zum Beispiel Verfahren, die mit Plasma oder Ultraschall arbeiten, so genannte AOP-Prozesse, Anwendungen mit Zeolithen und Cyclodextrine, Membranverfahren oder Photokatalyse. Aber vor allem Kombinationen aus verschiedenen Techniken werden untersucht, da sich die unterschiedlichen Spurenstoffe mit dem jeweiligen Verfahren unterschiedlich gut eliminieren lassen, oder um Kosten zu senken. Da das Einsatzgebiet noch relativ jung ist und die Zahl der Chemikalien weiter zunimmt, gibt es noch einen recht hohen Forschungsbedarf.

Aktivkohle

Block Schema einer GAK - Filtation

Es werden drei verschiedene Arten von Aktivkohle angewendet, die auf Grund unterschiedlicher Korngrößen andere Techniken mit sich bringen. Dies sind PAK (Pulverisierte Aktivkohle), GAK (Granulierte Aktivkohle) und µGAK (ein feineres Granulat).

• GAK wird meist wie ein klassischer Aktivkohlefilter, vergleichbar einem Sandfilter nach der Nachklärung installiert und wird je nach Hersteller von oben oder von unten durchströmt. Diese Filter müssen für gewöhnlich in regelmäßigen Intervallen rückgespült werden, da sich Feststoffe darin ablagern oder ein Bakterienbewuchs entsteht. GAK hat den Vorteil, dass das verbrauchte Granulat regeneriert werden kann und teils bereits installierte Sandfilter umfunktioniert werden können.

Block Schema eines Ulmer Verfahrens

• PAK kann entweder in das Belebungsbecken zudosiert werden oder in einem nachgeschalteten Kontaktbecken (Ulmer-Verfahren) zum Einsatz kommen. Durch die größere Oberfläche ist sie sehr effektiv. Sie ist sehr fein und bedarf in der Regel eines weiteren Reinigungsschritts, um nicht mit dem Ablauf in das Gewässer verfrachtet zu werden. Dafür eignen sich Tuchfilter, MBR oder Sandfilter. Allerdings ist sie Verbrauchsmaterial und wird abschließend mit dem Klärschlamm meist thermisch entsorgt.

• µGAK wird bislang noch nicht sehr häufig eingesetzt, aber es werden zunehmend Anlagen damit geplant. Sie kombiniert die Vorteile der anderen beiden Körnungen. µGAK wird von unten im Schwebebett angeströmt.

Ozonbehandlung

Block Schema einer Ozon Behandlung

Die Behandlung mit Ozon ist sehr effektiv. Allerdings tauchen 2 mögliche Probleme auf:

• Bei hohem Bromid-Gehalt des Wassers, kann dieses zu dem krebserregenden Bromat oxidiert werden.
• Durch die Oxidation können Abbauprodukte entstehen, die teils höheres toxisches Potenzial haben als die Ausgangsstoffe. Diese müssen dann wiederum ihrerseits aus dem Wasser entfernt werden. Daher bedarf es einer Weiterbehandlung über biologische Stufen, Schönungsteiche oder Aktivkohle. Hierfür kommen auch oft Bio-Sandfilter zum Einsatz, die begrenzt, unter anaeroben Bedingungen und geringer Zugabe von leicht verfügbarem CSB, auch Phosphor, Nitrat und Bromat verringern können.

Kombinierte Verfahren

Bedingt durch die unterschiedliche Effizienz der eingesetzten Verfahren auf den jeweiligen Spurenstoff, kommen vermehrt Kombinationen von oxidativen und adsorbierenden Techniken zum Einsatz. Diese Kombination stellen keine Verdoppelung des Aufwandes dar, da jeder Schritt in einer geringeren Intensität durchgeführt werden kann, um zu den Zielvorgaben zu gelangen. Auch eine Vorreinigung über Filtration kann Energie und Chemikalien einsparen.

Aktuell werden vermehrt Anlagen aus einer Kombination von vorgeschalteter Tuchfiltration, Ozon und einer Nachbehandlung mit GAK geplant. Dabei vervielfachen sich die Standzeiten des GAK-Filters und die Vorteile beider Grundprinzipien spielen zusammen.

Auch Anwendungen, bei denen insbesondere MBR-Verfahren eingesetzt werden, sind auf dem Markt. Gerade bei einer Anwendung von PAK ist eine Nachbehandlung nötig, die durch eine MBR gewährleistet werden kann. Zudem wird dadurch weniger Platz benöticht, da es keine Nachklärbecken und Sandfilter gibt. Auch bei AOP-Verfahren, deren Effizienz stark von der Tranzmission des Mediums abhängen, ist eine vorgeschaltete MBR von großem Vorteil. Zusätzlich werden Chemikalien eingespart und das Wasser wird zuverlässig von Mikroplastik und multiresistenten Keimen gereinigt.

Aktuelle Situation

In der Schweiz

In der Schweiz wird bereits deutlich länger an der Umsetzung einer 4. Reinigungsstufe gearbeitet. Entsprechend sind bereits im Verhältnis mehr Kläranlagen damit ausgestattet. Seit 2014 sind bereits rund 25 Anlagen aufgerüstet worden, bei fast 50 laufen Planung oder Bau. Es wird angenommen, dass es bis 2040 insgesamt 120 sein werden.

Bereits umgesetzte Anlagen 2024 sind: Abwasserverband Altenrhein, Bassersdorf, Delémont, Ecublens, Egg-Oetwil, Fehraltorf, Flos - Wetzikon, Furthof, Glarnerland, Gossau-Grüningen, Herisau, Lützelmurgtal (Aadorf), Moos - Amriswil, Morgental, Neugut, Oberglatt, Penthaz, Porrentruy, Reinach, Schönau, Thunersee, Klärwerk Werdhölzli

In der Schweiz zeichnen sich durch den zeitlichen Vosprung die ersten Ergebnisse ab. So konnte zum Beispiel, trotz steigender Bevölkerung, die Fracht an Diclofenac, den am häfigsten in den Gewässern gefundene Medikamentenrückstand, in den sechs Haupteinzugsgebieten im Kanton Zürich im Vergleich von 2015–2017 zu 2018–2020 um mehr als 50 % reduziert werden.

In Deutschland

Bisher wurden verschiedene Techniken vor allem in Baden-Württemberg und in Nordrhein-Westfalen umgesetzt. In Nordrhein-Westfalen sind Stand Mai 2024 22 der insgesamt rund 600 kommunalen Kläranlagen mit einer 4. Reinigungsstufe ausgestattet. Zehn weitere befinden sich im Bau und 17 in der konkreten Planung. Nordrhein-Westfalen hat 43 Kläranlagen mit Einzugsbereichen von mehr als 150.000 Einwohnern. In Baden-Württemberg sind Stand April 2024 30 Kläranlagen mit einer 4. Reinigungsstufe ausgebaut. 31 weitere befinden sich in der Planung oder im Bau. In den anderen Bundesländern werden aktuell vier weitere Anlagen mit einer 4. Reinigungsstufe betrieben. Eine in Bayern, eine in Berlin, eine in Schleswig-Holstein und eine in Hessen. In Bayern sind derzeit zwölf Anlagen in Planung oder im Bau.

Insgesamt sind derzeit (Stand Dezember 2023) folgende 54 kommunale Kläranlagen mit einer 4. Reinigungsstufe ausgerüstet: Albstadt-Ebingen (bereits seit 1992), Albstadt-Lautlingen, Augustdorf, Bad Oeynhausen, Bad Sassendorf, Baden-Baden/Sinzheim, Barntrup, Böblingen-Sindelfingen, Dagersheim-Darmsheim, Dülmen, Emmingen-Liptingen, Eriskirch, Espelkamp, Fridingen, Friedrichshafen, Greven, Gütersloh – Putzhagen, Halzhausen, Harsewinkel, Hechingen, Heidelsheim, Herford – ZKA, Immendingen-Geisingen, Immenstaad, Karlsruhe, Kressbronn, Lahr, Laichingen, Langwiese (Ravensburg), Lemgo-Grevenmarsch, Lübbecke, Mannheim, Mittleres Glemstal (Leonberg), Mörfelden-Walldorf, Obere Lutter, Öhringen, OWA Tegel, Pforzheim, Rheda-Wiedenbrück, Rheinbach, Rietberg, Schloß Holte-Stukenbrock, Schwerte, Soers, Steinhäule (Ulm), Stockacher Aach, Tübingen, Überlinger See (Uhldingen-Mühlhofen), untere Hardt (Leimen), Vierlinden, Warburg, Weißenburg in Bayern, Wendlingen am Neckar, Westerheim.

In Österreich

In Österreich gibt es bislang keine Kläranlagen mit gebauter 4. Reinigungsstufe (Stand 2022). Es wurden allerdings Forschungsprojekte durchgeführt.

Im Bodensee-Einzugsgebiet

Der Bodensee ist Europas größtes Trinkwasserreservoir. Im Jahr 2015 wurden allein in Baden-Württemberg vier Millionen Menschen durch die Bodensee-Wasserversorgung mit Trinkwasser beliefert. Entsprechend ist die Zusammenarbeit der angrenzenden Länder sehr wichtig. Es gibt bereits seit längerem strengere Auflagen für die Landwirtschaft und die Kläranlagen im Einzugsgebiet des Bodensees als in anderen Einzugsgebieten. 2024 werden bereits 80 % des Abwassers im Bodenseekreis in Anlagen geklärt, die mit einer 4. Reinigungsstufe ausgestattet sind.

Weblinks

• Vorschlag für eine Richtlinie mit den Änderungen des EU-Parlaments vom 22. März 2024
• DWA - Entfernung von Spurenstoffen – Handreichung für Betreiber von Kläranlagen vom 30. November 2020
• KomS - Kompetenzzentrum Spurenstoffe Baden-Württemberg mit den Kläranlagen mit einer vierten Reinigungsstufe und deren Ausführung, Stand März 2018