Die Beprobung von Jahresschmutzfrachten in einem Mischwasser- und einem Niederschlagswasserkanal bei Regenwetter

Niederschlagswasser- und Mischwassereinleitungen können für Spurenstoffe aus dem urbanen Bereich der dominierende Eintragspfad in die Gewässer sein (Clara et al. 2014; Huber et al. 2015; MKULNV 2016; Wicke et al. 2016; Launay 2017). Effektive Niederschlagswasser- und Mischwasserbehandlung sind somit in vielen Fällen entscheidend für die Gewässergüte und damit auch für die Erreichung der Zielsetzungen der EU-Wasserrahmenrichtlinie.

Im Rahmen des Projektes SCHTURM (Spurenstoffemissionen aus Siedlungsgebieten und von Verkehrsflächen, Clara et al. 2014) wurden in Österreich in den Jahren 2012 bis 2014 unterschiedliche Eintragspfade in die Gewässer auf organische und anorganische Spurenstoffe untersucht. Das Ziel dieses Projekts war eine frachtbasierte Bewertung der Emissionen aus Siedlungsgebieten und die Identifikation von Haupteintragspfaden. Die dafür durchgeführten Beprobungen, Spurenstoffuntersuchungen und Frachtabschätzungen basierten auf einigen wenigen (3 bis 5) mengenproportionalen Ereignismischproben in 4 verschiedenen Untersuchungsgebieten. Dabei zeigten die Ergebnisse weder ein eindeutiges Bild, noch war ein Eintragspfad bei allen untersuchten Stoffen dominant.

Das Projekt (T)EMPEST („Erfassung von Emissionen ausgewählter Spurenstoffe aus Kanalsystemen und Handlungsoptionen zu deren Minderung und Optimierung einer alternativen Nachweismethode für Kunststoffpartikel in Wasserproben“) zielt unter anderem auf eine Erweiterung der bestehenden Datenbasis zum Vorkommen ausgewählter Spurenstoffe im Abwasser mit dem Fokus auf Niederschlagswassereinleitungen aus Trennkanalisationen ab, wofür abermals in 3 der 4 SCHTURM-Untersuchungsgebieten Beprobungen in insgesamt 4 Niederschlagswasserkanälen (NWK) und einem Mischwasserkanal (MWK) über ein Jahr lang durchgeführt wurden. Im Unterschied zum SCHTURM-Projekt, wo nur einige wenige Niederschlagsereignisse beprobt wurden, sollten jetzt im (T)EMPEST-Projekt insgesamt 5 mengenproportionale Jahresmischproben generiert werden, um daraus dann die abgeleiteten bzw. in die Gewässer eingeleiteten Jahresstofffrachten messtechnisch abschätzen zu können. Diese messtechnisch ermittelten Jahresfrachten sollen in weiterer Folge nach einer detaillierten Analyse der Oberflächenbeschaffenheiten in den Einzugsgebieten und entsprechenden Stoffflussanalysen theoretisch ermittelbaren Stofffrachtpotenzialen aus der Literatur gegenübergestellt werden.

Für eine messtechnische Abschätzung der Jahresstofffrachten war es dafür an den 5 Kanal-Probenahmestellen erforderlich, möglichst alle abflusswirksamen Niederschlagsereignisse eines Jahres möglichst vollständig mengenproportional zu beproben und entsprechende Aliquote eines jeden beprobten Ereignisses ebenfalls mengenproportional zu einer Jahresmischprobe zu vereinigen, die durch kumulatives Einfrieren der Ereignis-Aliquote erzeugt wurde. Aus diesen Jahresmischproben werden schließlich wieder ausgewählte Spurenstoffkonzentrationen bestimmt, die – wie schon im SCHTURM-Projekt – ein ubiquitär persistentes, bioakkumulierendes und toxisches Verhalten aufweisen (sog. uPBTs).

Die dafür gewählte Probenahmestrategie, die dabei gesammelten Erfahrungen bei der Probenahme und die erzielten Ergebnisse aus den Beprobungen in einem Niederschlagswasser- und in einem Mischwasserkanal im (T)EMPEST-Untersuchungsgebiet Süd in Graz werden in diesem Beitrag beschrieben und diskutiert.

Um möglichst alle Niederschlagsereignisse eines Jahres vollständig und mengenproportional beproben zu können, erfolgte in Graz die automatische Teilprobenentnahme an beiden Probenahmestellen zunächst zeitproportional, d. h., dass der Zeitabstand (Teilprobenintervall) zwischen den einzelnen Teilprobenentnahmen konstant war und dafür möglichst geringe konstante Zeitintervalle von i. d. R. 4 min gewählt wurden. Erst in einem zweiten Schritt wurden die Teilproben im Nachgang an die Probenahmen und in Abhängigkeit von der jeweiligen Abflussganglinie der Ereignisse mengenproportional zu den jeweiligen Ereignisproben händisch zusammengemischt. Dabei wurde die Variante gewählt, dass die Mischung der Teilproben aus den 24 bzw. 48 Einzelflaschen der verwendeten Probenahmegeräte abhängig vom zugehörigen Abflussvolumen jeder Einzelflasche erfolgte, was nach Ort et al. (2010) die genaueste Art einer mengenproportionalen Probenahme darstellt.

Nach der manuellen Herstellung der mengenproportionalen Ereignisproben wurden diese anschließend anteilig von den beiden abgeschätzten Jahresabflussvolumina zu jeweils zwei Halbjahresmischproben kumuliert und möglichst bald nach den Ereignissen kumulativ eingefroren.

In Abb. 1 ist beispielhaft eine automatisierte Ereignis-Auswertung für die MWK-Probenahmestelle „Graz – MÜ-R05“ und das Ereignis mit der ID 64 dargestellt. Im linken Teil der Auswertung sind die Messdaten der Kanalabflussraten (L/s), der Wasserstandshöhen (cm) und der Niederschlagsintensitäten (mm/min) in Kombination mit den Zeitpunkten und der Parametrierung der Teilprobenahmen dargestellt.

Der rechte Teil der Auswertung enthält eine statistische Auswertung zum theoretischen Gesamt-Probenvolumen, den Mischungsvolumina für alle betroffenen Probenahmeflaschen zur Erstellung der mengenproportionalen Ereignismischprobe und dem einzufrierenden Probenvolumen zur Erstellung der mengenproportionalen Jahresmischprobe (abhängig vom abgeschätzten Jahres-Abflussvolumen, der angestrebten Jahres-Probenmenge und dem relativen Ereignisanteil am Jahresabflussvolumen). Im rechten unteren Teil der Auswertungen finden sich noch Statistiken zur Ereignisdauer und ergänzende Kennwerte zur Probenahme.

Sofern ausreichend Probenvolumen von den Ereignisproben übrig blieb, wurden diese Ereignisproben in Graz zusätzlich auch noch auf die Standardparameter CSB, CSB_mf, AFS, AFS63 und Leitfähigkeit untersucht. Bei einigen Ereignisproben wurde zusätzlich auch noch der Glühverlust bestimmt.

Aufgrund des Trockenwetterabflusses im Mischwasserkanal und des relativ konstanten Fremdwasserabflusses im Niederschlagswasserkanal bei Trockenwetter mussten für das Aktivieren der Probenahmegeräte jeweils Ein- und Ausschaltpunkte vorgegeben werden, welche jeweils über Wasserstandssensoren getriggert wurden. Diese wurden nach einer Voranalysenphase über die vorherrschende hydraulische Dynamik an den beiden Probenahmestellen definiert und stellten letztendlich einen Kompromiss zwischen dem Ziel einer möglichst vollständigen Erfassung des Niederschlagswasser- bzw. Mischwasserabflusses über ein gesamtes Jahr und den praktischen Erfordernissen an eine möglichst gesicherte Jahresbetreuung rund um die Uhr dar.

Die gewählte Methodik zur Generierung mengenproportionaler Ereignisproben war sehr arbeitsaufwendig, da diese nach den zeitproportionalen automatischen Probenahmen jeweils manuell anhand der Abflussganglinien zusammengemischt werden mussten, führte jedoch über das gesamte Beprobungsjahr gesehen zu einer sehr hohen Ausbeute an erfolgreich generierten Ereignisproben. Sie hatte auch den großen Vorteil, dass die automatischen Teilprobenentnahmen unabhängig von den Abflussmessungen sind, wodurch die Teilprobenentnahmen auch bei Ausfall der Abflussmengenmessung durchgeführt werden können. Weiters konnten zwei fehlende Abflussganglinien bei den zwei aufgetretenen Extremereignissen an der Probenahmestelle MWK – MÜ-R05 mittels hydrodynamischer Simulation rekonstruiert werden und damit dann auch die Mischungstabellen für das Herstellen der mengenproportionalen Ereignisproben im Nachhinein noch erzeugt werden. Nachdem bei diesen beiden Extremereignissen aber auch die Mischwasserkammer unter Druck ging, versagten während dieser beiden Ereignisse nicht nur das installierte Radar-Durchflussmesssystem, sondern auch die in der Mischwasserkammer installierte Ultraschall-Wasserstandssonde zum Triggern des Probenahmegeräts, was dazu führte, dass während der Einstauperiode in der Kammer auch keine Teilproben entnommen wurden. Dies könnte durch Verwendung einer piezometrischen Wasserstandsmessung verhindert werden, welche die Druckhöhen in der Mischwasserkammer auch noch bei Einstau der Kammer zuverlässig messen würde. Das ist insofern von großer Bedeutung, da diese beiden Extremereignisse auch einen überproportional großen Anteil am Niederschlagswasserjahresabfluss aufwiesen.

Nachteilig an der angewandten Methodik ist sicherlich die erforderliche Probenteilung der inhomogenen Proben aus jeder der befüllten Probenahmeflaschen anhand der zu erstellenden Mischungstabellen, was insbesondere bei partikelhaltigen Rohabwasserproben immer fehlerbehaftet ist.

Die Benachrichtigung der diensthabenden TU-Graz-Projektmitarbeiter erfolgte im Ereignisfall über eine automatisierte E‑Mail-Alarmierung, aus welcher sowohl der Start- als auch der Endzeitpunkt der Probenahmen ersichtlich war. Auf Basis dieser Benachrichtigungen wurde der zeitliche Ablauf der Probenabholungen von den Probenahmestellen organisiert. Dabei bringt die gewählte zeitproportionale Teilprobenentnahme auch den Vorteil mit sich, dass man nach dem Alarmierungsbeginn der automatischen Teilprobenentnahmen genau weiß, wann das Probenahmegerät vollkommen befüllt sein wird und daher spätestens entleert werden muss, um es für das nachfolgende Ereignis wieder betriebsbereit zu machen.

Durch die angewandte Programmverkettung beim MWK-Probenahmegerät bzw. durch das In-Serie-Konfigurieren von zwei identen Probenahmegeräten beim NWK konnte ein vorzeitiges Ende der automatischen Teilprobenentnahmen weitestgehend verhindert werden und damit fast alle aufgetretenen Ereignisse innerhalb des Beprobungsjahrs vollständig und mengenproportional beprobt werden.

Wie zu erwarten war, schwankten die Ergebnisse der durchgeführten Standardparameter-Untersuchungen bei den einzelnen Ereignissen über große Bereiche und können auch nicht direkt auf andere Einzugsgebiete übertragen werden. Aufgrund der großen Anzahl an untersuchten Einzelereignissen liefern die resultierenden Mediane aber sehr repräsentative Hinweise über die mittleren zu erwartenden Konzentrationen aus den beiden untersuchten Einzugsgebieten in Graz. Generell lagen diese bei den untersuchten Standardparametern im Mischwasserkanal höher als im Niederschlagswasserkanal.