Vierte Reinigungsstufe

Aufgabe und Belastung durch Spurenstoffe

Die vierte Reinigungsstufe, in der Schweiz auch MV-Stufe, ist ein zusätzlicher Schritt in Kläranlagen. Sie soll schwer abbaubare Spurenstoffe entfernen. Diese stammen meist aus Reinigungsmitteln, Kosmetika oder der Medizin. Obwohl sie im Kläranlagenauslauf oft nur in Mikro- oder Nanogramm pro Liter vorkommen, können viele von ihnen Umwelt und Menschen nachweislich stark schädigen.

Spurenstoffe können über Oberflächengewässer und Grundwasser auch in Trinkwasser gelangen. Ihre Entfernung in der Trinkwasseraufbereitung ist aufwendig. Einige Stoffe sind bioakkumulativ: Sie reichern sich in Tieren und Pflanzen und damit auch in der menschlichen Nahrungskette an.

Weltweit sind etwa 235.000 einzelne chemische Stoffe registriert, in der EU etwa 100.000. Persistente Stoffe, also Stoffe, die schwer abgebaut werden, verbleiben im Abwasser und gelangen in die Umwelt. Problematisch können auch Abbauprodukte an sich unbedenklicher Chemikalien sein. Bereits 1976 wurden Salicylsäure und Clofibrinsäure im Auslauf einer Kläranlage in Kansas City gefunden.

Bei mehr als 1.300 Abwasserstoffen ist ein Gefährdungspotenzial bekannt. Eine Untersuchung des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung von 2022 betrachtete 610 bekannte oder problematische Chemikalien in 445 Proben aus 22 europäischen Flüssen. 504 Stoffe wurden nachgewiesen, darunter 229 Pestizide und Biozide sowie 175 pharmazeutische Chemikalien. Weitere Gruppen waren Tenside, Kunststoff- und Gummizusätze, PFAS sowie Korrosionsinhibitoren. In 40 % der Proben fanden sich bis zu 50 gesuchte Stoffe, in weiteren 41 % zwischen 51 und 100; eine Donauprobe enthielt mit 241 Stoffen die höchste Zahl.

Folgen für Organismen und resistente Keime

Spurenstoffe können sehr unterschiedliche biologische Wirkungen haben. Hormone aus der Antibabypille und östrogenartig wirkende künstliche Stoffe wie Bisphenol A können bei Fischen unterhalb von Kläranlageneinleitungen zu einer Verweiblichung führen und dadurch Populationen beeinträchtigen. Solche Stoffe heißen endokrine Disruptoren, weil sie das Hormonsystem stören. Es gibt Hinweise auf Auswirkungen dieser Stoffgruppe auf die menschliche Physiologie.

Benzotriazol wird Spülmaschinentabs als Korrosionsschutz für Silberbesteck zugesetzt. Es steht neben seiner möglichen Wirkung als endokriner Disruptor im Verdacht, in den gefundenen Konzentrationen krebserregend zu sein. Manche Stoffe sind für Säugetiere weniger, für Fische, Algen, Insekten, Krebstiere oder Vögel jedoch stark schädlich. Ein Beispiel ist Diclofenac: Ab 1994 starben in Südostasien Millionen Geier nach Aufnahme aus Rinderkadavern an Nierenversagen.

Außerdem können sich multiresistente Bakterien über Abwasser verbreiten. Dies geschieht entweder durch die Einleitung bereits resistenter Bakterienstämme in den Vorfluter, also das aufnehmende Gewässer, oder durch Antibiotika im Gewässer, die resistente Kulturen fördern. Gegen den Antibiotikaeintrag kann die vierte Reinigungsstufe helfen. UV-Licht, Ozon und früher auch Chlor dienen zur Hygienisierung. Membranbelebungsreaktoren und nachgeschaltete Ultrafiltration können Bakterien durch Sterilfiltration zurückhalten; je nach Technik entfernen sie teilweise auch Spurenstoffe.

Ziele, Messung und rechtliche Vorgaben

Leitsubstanzen sind ausgewählte Indikatorsubstanzen. Sie stehen stellvertretend für Hunderte von Spurenstoffen und erlauben, die Leistungsfähigkeit verschiedener Verfahren zu vergleichen. Ihr Auftreten auf einer Liste sagt jedoch nur begrenzt etwas über ihre tatsächliche ökotoxikologische Bedeutung oder Langlebigkeit aus.

In der Schweiz gilt seit 1. Dezember 2016 die novellierte Gewässerschutzverordnung. Vorerst sollen rund 140 von mehr als 766 zentralen kommunalen Kläranlagen (Stand 2020) ausgebaut werden. Betroffen sind insbesondere Anlagen ab 80.000 Einwohnerwerten, Anlagen mit mehr als 24.000 angeschlossenen Einwohnern im Einzugsgebiet von Seen sowie bestimmte Anlagen ab 8.000 Einwohnern. Die Kantone entscheiden über den Zeitpunkt; der Ausbau muss bis 2040 abgeschlossen sein.

Für die Kontrolle wurden 12 Leitsubstanzen festgelegt. Kategorie 1 umfasst Amisulprid, Carbamazepin, Citalopram, Clarithromycin, Diclofenac, Hydrochlorothiazid, Metoprolol und Venlafaxin. Kategorie 2 umfasst Benzotriazol, Candesartan, Irbesartan sowie Tolyltriazol, ein Gemisch aus 4-Methylbenzotriazol und 5-Methylbenzotriazol. Der Reinigungseffekt wird aus mindestens sechs Stoffen berechnet, im Verhältnis Kategorie 1 zu Kategorie 2 von zwei zu eins. Entscheidend ist der Mittelwert der prozentualen Eliminationen. Gesetzlich gefordert sind 80 % Entfernung zwischen Kläranlagenzulauf und Einleitung in das Gewässer. Seit 2020 gelten in Schweizer Oberflächengewässern zudem Grenzwerte für Azithromycin, Clarithromycin und Diclofenac.

Die Richtlinie (EU) 2024/3019 trat am 1. Januar 2025 in Kraft; die Mitgliedstaaten müssen ihre Vorschriften bis 31. Juli 2027 anpassen. Sie verlangt neben strengeren Einleitwerten für Stickstoff und Phosphor eine teilweise Entfernung persistenter Spurenstoffe. Sechs Leitsubstanzen müssen zu 80 % entfernt werden. Mindestens 80 % der Investitions- und Betriebskosten der vierten Reinigungsstufe sollen nach dem Verursacherprinzip von Pharma- und Kosmetikindustrie getragen werden. Der kommunale Abwassersektor soll bis 2045 energieneutral sein; Mikroplastik und PFAS sollen überwacht werden.

Anlagen über 150.000 Einwohnerwerte haben Vorrang: 20 % sollen bis 31. Dezember 2033, 60 % bis 31. Dezember 2039 und 100 % bis 31. Dezember 2045 angepasst sein. Für Anlagen mit 10.000 bis 150.000 Einwohnerwerten, die in Küsten- oder sensible Gewässer einleiten, gelten Stufen von 10 % bis 2033, 30 % bis 2036, 60 % bis 2039 und 100 % bis 2045. Bei einer Risikobewertung ohne potenzielle Gefahr für Gesundheit oder Umwelt darf auf die Viertbehandlung verzichtet werden.

Reinigungsverfahren

Die Zielwerte schreiben kein bestimmtes Verfahren vor. Die wichtigsten Grundprinzipien sind Oxidation, also die chemische Umwandlung von Stoffen, und Adsorption, also die Anlagerung von Stoffen an Oberflächen. Ein Teil der Stoffe wird schon in herkömmlichen Kläranlagen abgebaut. Ein höheres Schlammalter verbesserte in Studien die Eliminationsrate von Benzotriazol und Metoprolol pro Tag Schlammalter um 2,5 %.

Etabliert sind zwei Aktivkohle-Verfahren und die Ozonbehandlung. Weitere untersuchte oder teils eingesetzte Verfahren arbeiten mit Plasma, Enzymen, Ultraschall, AOP-Prozessen, Zeolithen, Cyclodextrinen, Membranen oder Photokatalyse. Auch Retentionsbodenfilter und abgetrennte Lagunen können die Vorgaben erfüllen.

Aktivkohle wird als GAK, PAK oder µGAK eingesetzt. GAK ist granulierte Aktivkohle in einem Filter nach der Nachklärung. Sie muss wegen abgelagerter Feststoffe oder Bakterienbewuchs regelmäßig rückgespült werden; das verbrauchte Granulat kann regeneriert und vorhandene Sandfilter können teilweise umgenutzt werden. PAK ist pulverisierte Aktivkohle. Sie kann in das Belebungsbecken oder in ein nachgeschaltetes Kontaktbecken dosiert werden und wirkt wegen ihrer großen Oberfläche sehr effektiv. Da sie sehr fein ist, braucht sie meist eine weitere Stufe wie Tuchfilter, Membranbelebungsreaktor oder Sandfilter; anschließend wird sie meist mit Klärschlamm thermisch entsorgt. µGAK ist feineres Granulat, wird von unten im Schwebebett angeströmt und verbindet Vorteile beider Körnungen.

Ozon wird wegen seiner Instabilität direkt vor Ort erzeugt und zerfällt überschüssig rasch zu Sauerstoff; Katalysatoren beschleunigen dies. Bei hohem Bromidgehalt kann jedoch krebserregendes Bromat entstehen. Außerdem können Oxidationsprodukte toxischer sein als die Ausgangsstoffe. Deshalb folgt eine biologische Stufe, ein Schönungsteich oder Aktivkohle; oft werden Bio-Sandfilter eingesetzt. Diese können unter anaeroben Bedingungen und mit geringer Zugabe leicht verfügbaren CSB auch Phosphor, Nitrat und Bromat vermindern.

Kombinationen und bisherige Umsetzung

Kombinierte oxidative und adsorbierende Verfahren gewinnen an Bedeutung, weil einzelne Spurenstoffe je nach Technik unterschiedlich gut entfernt werden. Die Kombination muss den Aufwand nicht verdoppeln, da jeder Schritt weniger intensiv betrieben werden kann. Vorgeschaltete Filtration kann zusätzlich Energie und Chemikalien sparen. Häufig geplant sind Tuchfiltration, Ozon und eine GAK-Nachbehandlung. Dadurch verlängert sich die Standzeit des GAK-Filters. Membranbelebungsreaktoren sind besonders bei PAK nützlich, sparen Platz durch den Wegfall von Nachklärbecken und Sandfiltern und reinigen zuverlässig von Mikroplastik sowie multiresistenten Keimen.

Die Schweiz ist weiter fortgeschritten: Seit 2014 wurden rund 25 Anlagen aufgerüstet, bei fast 50 liefen Planung oder Bau; bis 2040 werden insgesamt 120 Anlagen erwartet. In den sechs Haupteinzugsgebieten des Kantons Zürich sank die Diclofenacfracht trotz wachsender Bevölkerung von 2015–2017 zu 2018–2020 um mehr als 50 %.

In Deutschland wurden Verfahren besonders in Baden-Württemberg und Nordrhein-Westfalen umgesetzt. In Nordrhein-Westfalen waren im Mai 2024 22 von rund 600 kommunalen Anlagen ausgerüstet; zehn waren im Bau und 17 konkret geplant. In Baden-Württemberg waren im April 2024 30 Anlagen ausgebaut und 31 weitere geplant oder im Bau. Insgesamt waren im Dezember 2023 56 kommunale und industrielle Kläranlagen mit vierter Reinigungsstufe ausgerüstet. In Bayern sollen langfristig etwa 90 Anlagen nachgerüstet werden. Österreich hatte Stand 2022 noch keine gebaute vierte Reinigungsstufe, aber Forschungsprojekte.

Der Bodensee ist Europas größtes Trinkwasserreservoir; 2015 versorgte die Bodensee-Wasserversorgung allein in Baden-Württemberg vier Millionen Menschen. 2024 wurden bereits 80 % des Abwassers im Bodenseekreis in Anlagen mit vierter Reinigungsstufe gereinigt.

Grenzen und Kritik

Kritik richtet sich vor allem gegen die begrenzte Wirkung einer End-of-pipe-Technologie, also einer Technik am Ende des Abwasserwegs. Nicht alle Einträge gelangen über Kläranlagen in Gewässer, und keine Technik entfernt sämtliche Stoffe. Oxidative Verfahren können zudem neue Substanzen mit bislang unbekannten Wirkungen bilden. Deshalb wird zusätzlich vorbeugender Schutz an der Quelle gefordert, etwa durch veränderte Produkte und Verbraucherverhalten sowie Beiträge von Landwirtschaft, Industrie und Abwasserreinigung.

Eine Stellungnahme baden-württembergischer Kläranlagenbetreiber und des KomS von 2015 bewertete die technische Anwendung als geeignet, die Vorgaben zu erfüllen und die Trinkwasseraufbereitung zu unterstützen. Der Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft schätzte 2018, dass Abwassergebühren in Deutschland durch die vierte Reinigungsstufe um 17 % steigen könnten; die jährlichen Kosten wurden auf 1,2 Milliarden Euro geschätzt.

Pro Generika bezeichnet die Kostenbeteiligung der Pharmaindustrie als unfaire Belastung und befürchtet eine Verschärfung von Medikamentenknappheit. Pharma- und Kosmetikindustrie kritisieren die harte Anwendung des Verursacherprinzips, obwohl laut Artikel 92 % der Schadstoffe im Abwasser auf diese Industrien zurückzuführen sind und sie 80 % der Modernisierungskosten tragen sollen. Sie weisen darauf hin, dass auch Chemie und Landwirtschaft beitragen, und befürchten höhere Produktpreise sowie wirtschaftliche Folgen.