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Klarwasser in Flüssen: Herausforderung für die Trinkwassergewinnung?

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Oberflächengewässer leisten in vielen Fällen einen indirekten Beitrag zur Trinkwassergewinnung.

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In Deutschland werden rund 17 Prozent des Trinkwassers aus Uferfiltration oder künstlicher Grundwasseranreicherung gewonnen.

Über sogenanntes Klarwasser, das aus den Kläranlagen in die Oberflächengewässer eingeleitet wird, können hier Krankheitserreger und Schadstoffe in Flüsse, Seen und Talsperren gelangen.

Der Beitrag berichtet über die potenziellen Herausforderungen, die hierdurch für die Trinkwassergewinnung entstehen können.

von: Manuela Helmecke (Umweltbundesamt), Jörg E. Drewes, Sema Karakurt, Uwe Hübner (alle: Technische Universität München) & Rolf Timmermann (DHI Wasy GmbH)

In Deutschland wird behandeltes Kommunalabwasser, sogenanntes Klarwasser, in der Regel von Kläranlagen in Oberflächengewässer eingeleitet. Damit können theoretisch auch Krankheitserreger und Schadstoffe in Flüsse, Seen und Talsperren gelangen – sofern Klarwasser ihre Zuflüsse speist. Weitere Eintragspfade für chemische und mikrobiologische Belastungen sind Regenwassereinleitungen, landwirtschaftliche Entwässerungen, industrielle Direkteinleitungen oder Mischwasserentlastungen. Die Belastung der aufnehmenden Gewässer ist abhängig von Fracht und Konzentration der Chemikalien und Mikroorganismen; dabei spielt das Verdünnungsverhältnis und somit das Abflussregime der Gewässer eine wichtige Rolle.

Oberflächengewässer leisten neben der direkten Entnahme (z. B. aus Talsperren) vielerorts auch einen indirekten Beitrag zur Trinkwassergewinnung. So werden in Deutschland ca. 17 Prozent des über die öffentliche Wasserversorgung bereitgestellten Trinkwassers aus Uferfiltration oder künstlicher Grundwasseranreicherung gewonnen [1]. Dabei wird Fluss- oder Seewasser durch eine Bodenpassage gefiltert, bevor es in die Brunnen der Wassergewinnung gelangt (Abb. 1).


Um ein besseres Verständnis der relativen Anteile von behandeltem Kommunalabwasser in deutschen Flüssen und möglichen Herausforderungen für die Trinkwassergewinnung zu erlangen, hat das Umweltbundesamt (UBA) die Technische Universität München (TUM) zusammen mit der DHI Wasy GmbH mit der Durchführung einer Studie beauftragt. Der resultierende Bericht „Dynamik der Klarwasseranteile in Oberflächengewässern und mögliche Herausforderungen für die Trinkwassergewinnung in Deutschland[2] ermöglicht erstmalig eine deutschlandweite quantitative Einschätzung der Klarwasseranteile in Oberflächengewässern bei unterschiedlichen Abflussbedingungen und deren Bedeutung für die Trinkwassergewinnung über Uferfiltrat und künstliche Grundwasseranreicherung.

Herangehensweise zur Bestimmung relativer Klarwasseranteile und Standorte für die Trinkwassergewinnung

Die Klarwasseranteile wurden über Langzeitreihen von Pegel- und Abflussdaten für den mittleren Abfluss (MQ) und den mittleren Niedrigwasserabfluss (MNQ) aus Datenbanken des Bundes berechnet. Anhand der durchschnittlichen Abwasservolumenströme kommunaler Kläranlagen wurden die Kläranlageneinleitungen in die Gewässer bestimmt. Diese Daten beruhen auf der Berichterstattung zur Europäischen Kommunalabwasser-Richtlinie (91/271/EWG) und sind für berichtspflichtige kommunale Kläranlagen (> 2.000 Einwohner) in Deutschland auf dem Internet-Portal Thru.de des Umweltbundesamts veröffentlicht. Diese Daten wurden, sofern verfügbar, durch weitere Angaben zu Anlagen < 2.000 Einwohner ergänzt. Insgesamt wurden Einleitungen aus insgesamt 7.550 kommunalen Kläranlagen berücksichtigt.

Relevante Standorte für die Trinkwassergewinnung wurden durch Datenbanken zu künstlicher Grundwasseranreicherung und ausgewiesenen Wasserschutzgebieten bestimmt (frei zugängliche und einheitliche Daten über die Nutzung von künstlicher Grundwasseranreicherung und Uferfiltration für die Trinkwassergewinnung in Wasserwerken liegen nicht vor).

 

Deutlich erhöhte Klarwasseranteile bei Niedrigwasser

Die Studie zeigt, dass sich die relativen Klarwasseranteile regional und entsprechend der Abflussbedingungen deutlich unterscheiden: Bei mittlerem Abfluss (MQ) liegen die entsprechenden Anteile in den meisten Oberläufen unter 5 Prozent. Höhere Klarwasseranteile zwischen 5 und 10 Prozent bzw. zwischen 10 und 20 Prozent konnten in Teileinzugsgebieten oder flussabwärts von Ballungsräumen (z. B. Havel, Neckar, Niederrhein, Maas, Mittelrhein) sowie in abflussschwachen Gewässern (z. B. Main, Ems, Neckar) gezeigt werden (Abb. 2).


Bei Niedrigwasser fallen die Klarwasseranteile wesentlich höher aus: Deutschlandweit beträgt der Anteil in den meisten Einzugsgebieten dann zwischen 10 und 20 Prozent; vielfach streckenweise auch zwischen 20 und 30 Prozent (z. B. Elbe/Saale, Weser, Mittelrhein). In einigen Flussabschnitten wurden Klarwasseranteile von 30 bis 50 Prozent ermittelt, dazu gehören z. B. Abschnitte des Mains, der Ems, der Weser und der Havel. Klarwasseranteile über 50 Prozent bei Niedrigwasserbedingungen finden sich in Teileinzugsgebieten des Neckars, der Ostsee sowie des Nieder- und Mittelrheins (Abb. 3).


Anhand von vorliegenden Messdaten für persistente abwasserbürtige Indikatorsubstanzen (z. B. Carbamazepin, Oxipurinol, Methylbenzotriazol) und Kenntnissen über das Abflussregime zum Zeitpunkt der Messungen konnten für ausgewählte Flussabschnitte die Klarwasseranteile auch rechnerisch ermittelt werden. In den meisten Fällen ergab dies eine gute Übereinstimmung mit den aus dem GIS-Modell ermittelten Klarwasseranteilen, sodass die Belastbarkeit des Modells bestätigt werden konnte.

Bedeutung für die Trinkwassergewinnung

Aus den beschriebenen, teils sehr hohen Klarwasseranteilen ergibt sich die Frage nach einer möglichen Relevanz für die Trinkwassergewinnung – vor allem vor dem Hintergrund, dass durch klimatische Veränderungen zukünftig verstärkt Niedrigwasserbedingungen auch über längere Zeiträume hinweg erwartet werden können. Die Studie nimmt vor alle chemische Belastungen in den Fokus. Für die mikrobiologische Qualität des Rohwassers bei einer Uferfiltration oder künstlichen Grundwasseranreicherung aus Oberflächengewässern nahmen die Autorinnen und Autoren an, dass keine negative mikrobiologische Beeinträchtigung besteht, wenn die 50-tägige Untergrundpassage („50-Tage-Linie“) unabhängig von den Abflussbedingungen sicher eingehalten wird.

Dahingehend trifft das UBA eine andere Einschätzung: Chemikalien, insbesondere langlebige polare organische Mikroverunreinigungen (wie z. B. Arzneimittelwirkstoffe, Biozide oder bestimmte Perfluoralkylverbindungen) können auch nach einer langen Bodenpassage im Rohwasser auftreten. Diese Stoffe sind meist nicht über die Trinkwasserverordnung (TrinkwV) [3] geregelt. Für bisher ungeregelte Stoffe leitet das Umweltbundesamt gesundheitliche Orientierungswerte (GOW) und Trinkwasser-Leitwerte ab [4]. Eine Überschreitung der GOW stellt nach [5] zwar noch keinen Anlass zu „konkreter Besorgnis“ dar, sollte aber in verbesserter Vorsorge münden, während eine Überschreitung eines Leitwertes zu Maßnahmen führen sollte.

Für Standorte mit erhöhten Klarwasseranteilen, an denen Trinkwasser über Uferfiltration oder künstliche Grundwasseranreicherung gewonnen wird, kann keine pauschale Aussage über ein Gefährdungspotenzial getroffen werden. Hier sind standortspezifische Bedingungen ausschlaggebend – dazu gehören hydrogeologische und hydrobiochemische Charakteristika vor Ort. Wesentlich für die Bewertung sind die Fließzeiten in der Untergrundpassage und die Uferfiltratanteile bei der Trinkwassergewinnung. Auch zeigt die Studie, dass modelltechnische Abschätzungen keine verlässlichen Aussagen ermöglichen.

Um ein besseres Verständnis für die Relevanz erhöhter Klarwasseranteile bei verschiedenen Uferfiltratanteilen für die chemische Qualität des Rohwassers zu erlangen, wurde eine Beispielrechnung für die Indikatorsubstanz Oxipurinol (ein Arzneimittel-Metabolit) herangezogen. Für Oxipurinol beträgt der GOW als rechtlich unverbindlicher Vorsorgewert 0,3 µg/l. Bei der realistischen Annahme einer Oxipurinol-Konzentration von 10 µg/l im Kläranlagenablauf (basierend auf Messungen von Kläranlagen am Rhein) zeigt sich, dass der GOW bei einem Uferfiltratanteil von 30 Prozent im Förderbrunnen und einem Klarwasseranteil von 10 Prozent im Gewässer erreicht wird.

Bei 50 Prozent Uferfiltrat und über 20 Prozent Klarwasser läge eine dreifache Überschreitung des GOW vor, bei 50 Prozent Uferfiltrat und 60 Prozent Klarwasser wiederum ergäbe sich eine zehnfache Überschreitung. Eine Überschreitung bis zum zehnfachen des GOW kann in Analogie zu den Vorgaben der Trinkwasserverordnung bei Überschreitung eines chemischen Grenzwertes zunächst toleriert werden; im gleichen Zeitraum sollten aber geeignete Maßnahmen zur Einhaltung bzw. Unterschreitung des GOW im Sinne des Vorsorgeprinzips durchgeführt werden. In der Studie wurde eine dreifache GOW-Überschreitung im Uferfiltrat als relevanter Schwellenwert für weitere Handlungsempfehlungen angenommen. Es bleibt jedoch anzumerken, dass das GOW-Konzept für die Stoffbewertung im Trinkwasser entwickelt worden ist und angewandt wird.

Ergebnisse der Studie

Die Studie zeigt, dass eine chemische Beeinträchtigung der Trinkwassergewinnung bei erhöhten Klarwasseranteilen in einem Oberflächengewässer, das indirekt via Uferfiltration oder künstlicher Grundwasseranreicherung zur Trinkwassergewinnung genutzt wird, möglich ist. Dadurch besteht gleichwohl jedoch nicht per se ein Gesundheitsrisiko. Um verlässliche Aussagen zu treffen, bedarf es eines umfassenden Verständnisses der standortspezifischen Bedingungen und der Dynamik des gesamten Einzugsgebietes – vor allem dort, wo erhöhte Klarwasseranteile auftreten und die Uferfiltration einen substanziellen Anteil am gewonnenen Rohwasser hat. Eine entsprechende Risikoabschätzung steht bei vielen Landesbehörden und Wasserversorgungsunternehmen noch aus. Daraus ergeben sich folgende Empfehlungen:

  • Bei hohen Klarwasseranteilen im Gewässer und/oder hohen Uferfiltratanteilen bzw. wenn diese jeweils über rund 20 Prozent liegen, ist eine Beeinträchtigung des Rohwassers zu besorgen. Dies sollte durch weitere Untersuchungen zu den potenziellen Risiken betrachtet werden. Dafür eignet sich das WHO-Konzept über die Entwicklung eines Water Safety Plans für die jeweilige Wasserversorgung [6].
  • Die Klarwasseranteile, die in der Studie berechnet wurden, sollten durch gezielte Messkampagnen (z. B. mit Indikatorsubstanzen) bei unterschiedlichen Abflussbedingungen überprüft werden.
  • Besteht keine Kenntnis über den Uferfiltratanteil im Förderbrunnen, so wird empfohlen, diesen durch Indikatorsubstanzen zu ermitteln – vor allem in Flussabschnitten mit erhöhten Klarwasseranteilen. Geeignete Tracer können EDTA, Carbamazepin, Primidon, 4-Methylbenzotriazol, Sucralose und Oxipurinol sein.
  • Sofern nicht schon vorhanden, sollte anhand standortspezifischer Daten (z. B. hydrogeologische Bedingungen der Sedimentpassage, biochemische Bedingungen, Fließwege zur Wasserfassung, Fließgeschwindigkeit und mittlere Verweilzeit im Untergrund) eine Modellierung der Fließzeiten im Grundwasser erfolgen. Damit kann abgeschätzt werden, ob die 50-Tage-Linie auch unter wechselnden hydraulischen Abflussbedingungen eingehalten wird.
  • Unabhängig davon sollte bei hohen Abwasseranteilen über längere Zeiträume vor Ort geprüft werden, ob die Filtrationswirkung des Sediments ausreicht, um auch Viren ausreichend zurückzuhalten. Einige Viren können viel länger infektiös bleiben als Bakterien und sind zudem unter Umständen im Sediment ggf. länger mobiler. Es ist in diesem Zusammenhang zu verifizieren, ob eine 50-tägige Bodenpassage dafür ausreicht; siehe hierzu auch [7].
  • Um mögliche Risiken abschätzen zu können, empfiehlt sich eine Analyse des Einzugsgebiets auf Einleitungen im Oberstrom. Neben Einleitungen aus kommunalen Kläranlagen sollten Direkteinleiter, Regen- und Mischwasserentlastungen und landwirtschaftliche Drainagen berücksichtigt werden. Dadurch können potenziell für die Trinkwassergewinnung problematische Chemikalien besser identifiziert und das Risiko ihres Durchbrechens bis ins Uferfiltrat ermittelt werden.
  • Bei Identifikation von Belastungsquellen sollte geprüft werden, inwiefern diese durch Maßnahmen an der Quelle reduziert werden können, insbesondere durch Vermeidung oder umweltgerechtere Verwendung problematischer Stoffe. Zielstellung sollte sein, weiterhin eine naturnahe Trinkwassergewinnung sicherzustellen und dafür dem Multibarrieren- und Vorsorgeansatz gerecht zu werden. Eine weitergehende Abwasserbehandlung in der Kläranlage (die sogenannte 4. Reinigungsstufe) an Standorten mit deutlicher abwasserbürtiger Belastung kann dabei einen Bestandteil darstellen – dies käme nicht nur der Trinkwassergewinnung, sondern auch dem chemischen und ökologischen Gewässerzustand zugute. Ggf. sind ergänzend Alternativen der Trinkwasseraufbereitung oder -gewinnung zu prüfen. In Gebieten, in denen Wasserversorgern hohe Klarwasseranteile oder andere qualitative Belastungen für die Trinkwassergewinnung bekannt sind, werden entsprechende Maßnahmen vielfach schon umgesetzt bzw. sind in der Planung.

Offene Fragen

Bei weiteren Untersuchungen ist zu berücksichtigen, dass die in der Studie betrachteten MQ- und MQN-Abflussbedingungen sich auf langjährige Mittel beziehen; zwischen den Jahren und innerjährlich bestehen gleichwohl deutliche Abflussschwankungen. Für eine realistische Abschätzung des Klarwasseranteils wäre daher eine Betrachtung des monatlichen Abflusses nötig. Es ist anzunehmen, dass die Abflussmenge saisonal vielfach unter dem Mittelwert MQ liegt. Darüber hinaus muss im Zuge des Klimawandels mit weiteren Veränderungen und Schwankungen des Abflussregimes gerechnet werden.

Erhöhte Klarwasseranteile in Fließgewässern stellen nicht nur die Trinkwasserversorgung vor Herausforderungen. Auch für den ökologischen und chemischen Zustand der Gewässer spielt dies eine Rolle. Möglichkeiten zur Reduzierung von Mikroverunreinigungen in den Gewässern und Handlungsempfehlungen zu Antibiotika und Antibiotikaresistenzen in der Umwelt hat das UBA in zwei aktuellen Hintergrundpapieren [8, 9] adressiert.

Darüber hinaus sollten die vorliegenden Ergebnisse über Klarwasseranteile in deutschen Fließgewässern auch im Hinblick auf andere Nutzungen, z. B. landwirtschaftliche Bewässerung, berücksichtigt werden. Auch hier können abwasserbürtige Chemikalien und Krankheitserreger in möglichen Gesundheits- und Umweltrisiken resultieren. Ohne eine Risikoabschätzung können Oberflächengewässer nicht grundsätzlich als unbelastet angenommen werden. Dies sollte auch im Zuge der aktuellen Diskussion zu Wasserwiederverwendung („Water reuse“) bedacht werden [10].

Fazit

Die Studie "Dynamik der Klarwasseranteile in Oberflächengewässern und mögliche Herausforderungen für die Trinkwassergewinnung in Deutschland" hat für einige Fließgewässer, die über Uferfiltration und künstliche Grundwasseranreicherung zur Trinkwassergewinnung beitragen, hohe Klarwasseranteile ermittelt – vor allem unter Niedrigwasserbedingungen, die künftig über längere Zeiträume andauern können. Eine allgemeine Aussage zu einer nachteiligen Beeinträchtigung des Rohwassers für die Trinkwassergewinnung ist zwar ohne ein Verständnis lokaler Bedingungen und der Dynamik des Einzugsgebiets pauschal nicht möglich. Gleichwohl geben die Ergebnisse Anlass, vor Ort jeweils zu prüfen, wie sicher ein Risiko des Durchbrechens (insbesondere von Viren und mobilen persistenten Schadstoffen) ausgeschlossen werden kann. Dies sollte ergänzt werden durch einen ganzheitlichen Blick und kohärente Anforderungen, um sicherzustellen, dass Oberflächengewässer den verschiedenen relevanten Nutzungen und Ansprüchen von Ökologie, über Trinkwassergewinnung via Uferfiltrat/Grundwasseranreicherung zu landwirtschaftlicher Bewässerung gerecht werden.

Literatur

[1] Destatis (2013): Öffentliche Wasserversorgung und öffentliche Abwasserentsorgung - Öffentliche Wasserversorgung. Fachserie 19 Reihe 2.1.1.
[2] Drewes, J. E., Karakurt, S., Schmid, L., Bachmaier, M., Hübner, U., Clausnitzer, V., Timmermann, R., Schätzl, P., McCurdy, S. (2018): Dynamik der Klarwasseranteile in Oberflächengewässern und mögliche Herausforderung für die Trinkwassergewinnung in Deutschland. Im Auftrag des Umweltbundesamtes. Texte 59/2018.
[3] TrinkwV - Trinkwasserverordnung - Verordnung über die Qualität von Wasser für den menschlichen Gebrauch, in der Fassung der Bekanntmachung vom 10. März 2016 (BGBl. I S. 459), zuletzt geändert durch Artikel 1 der Verordnung vom 3. Januar 2018 (BGBl. I S. 99).
[4] Umweltbundesamt (2018): Liste der nach GOW bewerteten Stoffe. Stand Februar 2018.
[5] Dieter, H. H. (2011): Grenzwerte, Leitwerte, Orientierungswerte, Maßnahmenwerte. Aktuelle Definitionen und Höchstwerte. Hrsg. Umweltbundesamt.
[6]WHO (2005): Water safety plans: Managing drinking-water quality from catchment to consumer.
[7] UBA – Umweltbundesamt (2014): Empfehlung des Umweltbundesamtes nach Anhörung der Trinkwasserkommission „Vorgehen zur quantitativen Risikobewertung mikrobiologischer Befunde im Rohwasser sowie Konsequenzen für den Schutz des Einzugsgebietes und für die Wasseraufbereitung“
[8] Umweltbundesamt (2018): Empfehlungen zur Reduzierung von Mikroverunreinigungen in den Gewässern. Hintergrundpapier April 2018.
[9] Umweltbundesamt (2018): Antibiotika und Antibiotikaresistenzen in der Umwelt. Hintergrund, Herausforderungen und Handlungsoptionen. Hintergrundpapier November 2018.
[10] Umweltbundesamt (2018): Internetseite zum Thema Wasserwiederverwendung. Stand: 1.8.2018.
[11] Technische Universität München (2018): TrinkWave-Projektseite