Kommunale Kläranlagen im Wandel: Neue Wege gegen Mikroschadstoffe

Spurenstoffe wie Arzneimittelrückstände, Röntgenkontrastmittel oder Pestizide gelten als zunehmende Herausforderung für Gewässer- und Trinkwasserschutz. Die herkömmliche Abwasserreinigung stößt hier an ihre Grenzen. Der Deutsche Kommunalinformationsdienst (DEKOM) sprach mit Prof. Dr.-Ing. Henning Knerr, Experte für Siedlungswasserwirtschaft an der Technischen Universität Kaiserslautern, über die Risiken dieser Mikroschadstoffe, die technischen Möglichkeiten ihrer Entfernung und das Potenzial von Simulationsmodellen wie „StoffFLUSS“ für eine strategische Maßnahmenplanung in Kommunen.

DEKOM: Kommunale Kläranlagen schaffen es bisher nur unzureichend, Spurenstoffe wie Arzneimittelrückstände, Röntgenkontrastmittel oder Pestizide aus dem Abwasser zu entfernen. Messungen in Mainz zeigen zum Beispiel, dass täglich noch eine Diclofenac-Fracht in den Rhein gelangt, die umgerechnet etwa 100 Tuben Diclofenac-haltiger Sportsalbe entspricht. Warum sind solche Mikroschadstoffe selbst in kleinsten Konzentrationen so gefährlich für Gewässer und Trinkwasser? Und wann wurde deutlich, dass die herkömmliche Abwasserreinigung hier an ihre Grenzen stößt?

Knerr: Unter dem Begriff Spurenstoffe versteht man synthetische und natürliche Substanzen, die in Konzentrationen von wenigen Nano- bis Mikrogramm pro Liter (10⁻⁶ bis 10⁻⁹ g/l) in Gewässern vorkommen – also in extrem geringen Mengen. Dennoch können sie bereits grundlegende biochemische Prozesse in der Natur beeinflussen. Viele Spurenstoffe sind persistent, also langlebig, und hochmobil – das heißt, sie werden kaum abgebaut, verbleiben im Wasserkreislauf und werden mit dem Wasserstrom weitertransportiert. Das birgt zwei Gefahren: Zum einen können sie sich in der Umwelt anreichern und zu chronischen Schäden führen. Zum anderen können sie lokal und temporär in hohen Konzentrationen akut toxisch wirken. Beispiele sind die Hemmung der Photosynthese durch Herbizide, Beeinträchtigungen der Fortpflanzung bei Fischen durch Hormone oder Organschäden durch Schmerzmittel. Auch Süßstoffe stehen im Verdacht, das Nervensystem von Fischen zu beeinflussen. Eintritt ins Trinkwasser ist möglich – mit potenziellen Gesundheitsrisiken für den Menschen. Konventionelle Kläranlagen sind auf die Entfernung von Feststoffen, Nährstoffen und organischer Substanz ausgelegt – nicht auf Spurenstoffe. Erst seit etwa 20 Jahren können wir Substanzen in so niedrigen Konzentrationen überhaupt messen. Ab da wurde klar, dass die klassische Reinigung nicht ausreicht.

DEKOM: Sie untersuchen auch, woher diese Spurenstoffe stammen und wie sie sich in Flüssen verteilen. Wie lässt sich wissenschaftlich nachweisen, woher solche Mikroschadstoffe stammen, und welche Hauptquellen lassen sich heute identifizieren? Welche Rolle spielt Ihr StoffFLUSS-Simulationsmodell dabei?

Knerr:  Der Haupteintragspfad für viele Spurenstoffe in Gewässer sind kommunale Kläranlagen. Zwar erfolgt dort ein teilweiser Abbau – etwa biologisch, über Sorption oder Verflüchtigung –, aber der ist nicht gezielt auf Spurenstoffe ausgerichtet. Je nach Stoffeigenschaft (z. B. Polarität, Löslichkeit, Sorptionsverhalten) werden die Stoffe sehr unterschiedlich gut entfernt:

• Ibuprofen zum Beispiel wird sehr gut (>90 %) entfernt
• Diclofenac dagegen nur schlecht (<25 %)
• Das Röntgenkontrastmittel Amidotrizoesäure wird praktisch gar nicht eliminiert

Deshalb sind Gewässer einer dauerhaften Belastung ausgesetzt, und ein Großteil deutscher und europäischer Oberflächengewässer weist eine hohe Spurenstoffkonzentration auf. Zur Quantifizierung setzen wir Monitoringprogramme ein. Diese sind aber punktuell und zeitlich begrenzt. Deshalb nutzen wir ergänzend Modelle wie StoffFLUSS, ein Bilanzmodell, das ich entwickelt habe. Es berechnet für ganze Flusssysteme Herkunft, Verbreitung und Verbleib der Spurenstoffe.
Damit lassen sich verschiedene Maßnahmen – etwa technische Ausbaustrategien oder auch demografische Veränderungen – simulieren und bewerten. Das Modell ermöglicht eine mittel- bis langfristige Abschätzung von Gewässerbelastungen und die Wirksamkeit von Maßnahmenkombinationen über einzelne Messstellen hinaus.

DEKOM: Zur Entfernung von Spurenstoffen in der vierten Reinigungsstufe setzen Kläranlagen heute vor allem auf Ozonung (chemische Oxidation) und Aktivkohle-Adsorption. Membranverfahren kommen hingegen selten zum Einsatz, da sie sehr kostenintensiv sind. Wie schätzen Sie die technologische Machbarkeit der vierten Reinigungsstufe ein? Welche Verfahren halten Sie für besonders vielversprechend, wo liegen ihre Grenzen – und wie geht man mit besonders hartnäckigen Spurenstoffen um?

Knerr: Ozonung und Aktivkohle-Adsorption sind etablierte Verfahren zur gezielten Spurenstoffelimination. In Baden-Württemberg, NRW und der Schweiz sind bereits viele Kläranlagen mit diesen Verfahren ausgestattet. Beide Verfahren wirken breitbandig, also auf viele verschiedene Stoffe. Manche werden durch Oxidation besser entfernt (z. B. Diclofenac: 95 %), andere besser adsorptiv (Diclofenac: ca. 80 %). Insgesamt können beide Verfahren die in der EU-KARL geforderte mittlere Elimination von 80 % sicherstellen. Beide Verfahren stammen ursprünglich aus der Trinkwasseraufbereitung und sind langjährig erprobt. (DEKOM, 20.08.2025) Mehr Infos hier…

Über das Institut WIR an der Rheinlandpfälzischen technischen Universität Kaiserslautern:

Das Institut Wasser Infrastruktur Ressourcen – WIR ist ein themenbezogener Zusammenschluss der Fachgebiete Siedlungswasserwirtschaft (SiWaWi), Ressourceneffiziente Abwasserbehandlung (rewa) und des Zentrums für Innovative Abwassertechnologien (tectraa) an der RPTU Kaiserslautern Landau e.V.  Mehr Infos hier…