Wasser: Oberflächengewässer

Schwermetalle in Schwebstoffen der Fließgewässer


Herkunft der Schwermetalle


Schwermetalle sind chemische Elemente, die auch ohne den Eingriff des Menschen natürlicherweise in der Umwelt vorkommen. Im Vordergrund der Diskussionen und gesetzlichen Regelungen stehen die Metalle Blei, Cadmium, Chrom, Kupfer, Nickel, Quecksilber und Zink. Darüber hinaus ist auch das Halbmetall Arsen, das nicht zu den Schwermetallen zählt, von Bedeutung.

Schwermetalle werden in vielfältiger Weise technisch genutzt und gelangen durch Produktionsabfälle, durch die Anwendung entsprechender Produkte und durch die Abfallentsorgung dieser Produkte in die Umwelt.

In Oberflächengewässer können sie auf verschiedenen Wegen eingetragen werden, z. B.

Eigenschaften der Schwermetalle in der Umwelt

Schwermetalle sind als chemische Elemente in der Umwelt nicht abbaubar. Zu einer Gefahr für den Menschen und die Umwelt werden sie erst bei erhöhten Konzentrationen und wenn sie von Lebewesen aufgenommen werden können. Die Konzentrationen in der Umwelt sind meist so gering, dass keine akuten Giftwirkungen auftreten. Dagegen sind langfristige, chronische Giftwirkungen dann zu erwarten, wenn einzelne Schwermetalle in die Nahrungskette gelangen und sich in Lebewesen anreichern können. So kann z. B. die jahrzehntelange Aufnahme kleinster Mengen von Cadmium und Quecksilber durch den Menschen im Alter zu Nierenschäden führen. Bekannt ist auch die krebserzeugende Wirkung von Arsen. Die Giftigkeit der einzelnen Metalle ist sehr unterschiedlich und hängt zudem von der jeweils vorkommenden chemischen Bindungsform ab. Zink ist zum Beispiel für den Menschen relativ ungefährlich, während viele Pflanzen empfindlicher reagieren.

In Gewässern lagern sich die Schwermetalle bevorzugt an Feststoff-Teilchen an; sie liegen daher größtenteils an Schwebstoffe gebunden vor.

Eigenschaften von Schwebstoff

Als Schwebstoffe werden allgemein die in Gewässern schwebenden Feststoff-Teilchen bezeichnet. Sie setzen sich aus anorganischen (mineralischen) Stoffen und aus organischem Material zusammen, das aus tierischen und pflanzlichen Lebewesen sowie toter organischer Substanz besteht. Für Eintrag und Entstehung der Schwebstoffe sind hauptsächlich folgende Vorgänge verantwortlich:

Der Schwebstoffgehalt von Fließgewässern ist stark vom jeweiligen Wasserstand abhängig. Bei Niedrigwasser wurden in hessischen Gewässern überwiegend Werte von 2 bis 20 mg Schwebstoff pro Liter Wasser erhalten. Bei Hochwasser beträgt der Schwebstoffgehalt ein Vielfaches dieser Werte. Aus langjährigen Messungen vieler Gewässer resultiert ein Durchschnittswert von 25 mg Schwebstoff in einem Liter Wasser.

Die Neigung von in Gewässern vorhandenen Substanzen, sich an Schwebstoffe anzulagern, ist von Stoff zu Stoff unterschiedlich:

Schwermetalle reichern sich relativ stark in Gewässer-Schwebstoffen an. Dieser Effekt bringt messtechnische Vorteile mit sich: In Wasserproben liegen die Konzentrationen der Schwermetalle oftmals so niedrig, dass sie sich gar nicht oder nur ungenau messen lassen. Hingegen ist ihre Konzentration in Schwebstoffproben aufgrund der Anreicherung wesentlich höher als im Wasser.

Die Probenahme von Schwebstoffen

Durchlaufzentrifuge
Abb. 1: Durchlauf-Zentrifuge zur Gewinnung von Schwebstoffproben

Die Schwebstoffproben werden mit Hilfe einer Durchlauf-Zentrifuge gewonnen, die mit einem Fahrzeug zum jeweiligen Einsatzort transportiert wird. Dort werden dann mit einer Pumpe 1 000 Liter Wasser pro Stunde aus dem Gewässer zur Zentrifuge gefördert. Diese enthält ein Auffanggefäß mit sehr hoher Umdrehungszahl; in ihm wird der Schwebstoff durch die Zentrifugalkraft an den Wänden abgeschieden und anschließend von ihnen abgeschabt.

Die Probenahme dauert einige Stunden; die benötigte Zeit hängt dabei von der gewünschten Probenmenge und dem Schwebstoffgehalt des Gewässers ab. Schwebstoffe in hessischen Gewässern werden seit 1991 durch das HLUG untersucht.

 

Zum Verständnis der Karten

In den Karten sind die Mittelwerte aus Messungen der Jahre 2004 bis 2010 dargestellt. Die Anzahl der Einzelproben an den Messstellen variiert zwischen 4 Proben in kleinen Gewässern bis hin zu 70 Proben an der Messstation Main/Bischofsheim.

Aus Gründen der Anschaulichkeit werden die Fließgewässer nicht nur an der jeweiligen Probenahmestelle farbig markiert, sondern das gesamte Einzugsgebiet des Gewässers oberhalb der Messstelle, d. h. der Wasserkörper, wird je nach Schadstoffgehalt eingefärbt. Tatsächlich ist es aber z. B. durchaus möglich, dass die Quelle einer Belastung nur wenig oberhalb einer Messstelle liegt und davor das Gewässer weniger belastet ist.

Als Bezugsgröße für die Bewertung wird die Zielvorgabe der Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) gewählt: Wird die Zielvorgabe eingehalten, ist der Wasserkörper grün eingefärbt.

Gemäß den Vorgaben der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) werden die Metalle (mit Ausnahme von Arsen) anders klassifiziert: Zum einen sind die Umweltqualitätsnormen der WRRL für Kupfer, Zink und Chrom höher als die LAWA-Vorgaben. Die entsprechenden Werte sind auf den einzelnen Karten aufgeführt. Zum anderen erfolgt die Bewertung von Blei, Cadmium, Nickel und Quecksilber gem. WRRL nicht für Schwebstoffkonzentrationen. Bei Cadmium, Nickel und Blei werden Werte aus der filtrierten Wasserprobe herangezogen, bei Quecksilber zusätzlich Werte für Biota. Da die Wasserwerte i.d.R. unterhalb der Bestimmungsgrenze liegen, lässt sich in Kartendarstellungen keine Differenzierung zwischen den einzelnen Gewässern abbilden. Deshalb wird hier im Umweltatlas die Bewertung gem. der LAWA-Zielwerten beibehalten. Einschätzungen gem. der Vorgaben der WRRL finden sich in den Texten zu den einzelnen Karten.

Zu den Messwerten

Quecksilber:

Der Belastungsschwerpunkt ist der Schwarzbach mit seinen Zuflüssen, während die übrigen Flüsse Werte unterhalb der LAWA Zielvorgabe aufweisen. Die hohe Belastung hängt mit dem hohen Anteil an gereinigten häuslichen Abwässern zusammen; die sehr hohen Werte im Schwarzbach-Zufluss Landgraben sind allerdings nur durch zusätzliche industrielle Einflüsse erklärbar, die in früheren Jahren die Sedimente stark belastet haben. Diese Sedimente geben offenbar heute noch bei mittlerweile deutlich reduzierten industriellen Einleitungen Quecksilber an die Schwebstoffe ab. Die in den Vorjahren ermittelten Belastungen in der Rodau sind deutlich zurückgegangen.

Cadmium:

Bei Cadmium sind die Werte in Schwarzbach und Bieber besonders schlecht. Ursache sind hohe Abwasseranteile sowie im Fall des Schwarzbachs belastet Sedimentablagerungen aus früheren Jahren. Die Belastung der Werra hat ihren Ursprung in Thüringen. Die Belastungen kleinerer Gewässer wie Urselbach, Käsbach und Winkelbach resultieren ebenfalls aus erhöhten Abwasseranteilen. Die Belastungen der Lahn sind vermutlich auf Einträge aus der Dill und geogene Einflüsse zurückzuführen.

In der Wasserrahmenrichtlinie wird Cadmium als prioritärer Stoff anhand einer Umweltqualitätsnorm für die filtrierte Wasserprobe in Abhängigkeit von der Wasserhärte beurteilt. Zu Überschreitungen der Norm kommt es in der Bieber.

Blei:

Bei Blei zeigen nur Schwarzbach, Bieber und Usa erhöhte Werte. Insgesamt stellt Blei bei den untersuchten Gewässern heute kein großes Problem mehr dar. Während die Belastung bei Schwarzbach und Rodau den schon o. g. allgemein schlechten Verdünnungsverhältnissen zugeschrieben werden kann, kommt die Bleibelastung der Usa durch Mineralwassereinleitungen zustande (siehe Arsen). Die hohen Werte in der Eder resultieren aus einer einzelnen extrem hoch belasteten Probe, die nicht repräsentativ war.

Bei der Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie wird Blei als prioritärer Stoff anhand einer Umweltqualitätsnorm für die filtrierte Wasserprobe von 7,2 µg/l beurteilt. Der Wert wird in keinem Gewässer erreicht.

Arsen:

Die Arsenkonzentrationen sind im landesweiten Vergleich nur in der Usa ein Problem. Ursache sind die Mineralwassereinleitungen in Bad Nauheim.

Kupfer:

Sehr hohe Werte liegen im Hegwaldbach vor. Die Probenahmestelle liegt hier allerdings relativ nah an einer Kläranlageneinleitestelle. Oberhalb der Kläranlage liegen die Kupferkonzentrationen mit im Mittel 80 mg/kg deutlich niedriger. Hohe Konzentrationen weisen Schwarzbach, Rodau, Bieber, Eschbach, Urselbach und Mühlbach. An der Eder ist, wie auch beim Blei, eine extrem stark belastete Schwebstoffprobe für den hohen Mittelwert verantwortlich.

Ursache der Belastungen sind kommunale Kläranlagen sowie Mischwasserentlastungen und Regenwasserkanäle der Trennkanalisation in den urban geprägten Regionen.

Zink:

Zink wird in hohem Maß durch häusliche Abwässer bzw. kommunale Kläranlagen in die Gewässer gebracht. Daher ist die Zink-Konzentration in den Gewässern zunächst abhängig vom Abwasseranteil am gesamten Abfluss des Gewässers. Die hohen Werte treten daher im hessischen Ried mit seinen wasserarmen Bächen bei gleichzeitig hoher Bevölkerungsdichte und im Ballungsraum Frankfurt auf. Die Nidda wird hauptsächlich über die Usa stark mit Zink belastet. An der Usa ist der Mineralwassereintrag maßgeblich (siehe Arsen).

Chrom:

Erhöhte Werte sind, wie auch bei Zink und Kupfer, in der Rodau, im Schwarzbach, der Ohm, dem Urselbach und der Weschnitz feststellbar. In keinem Gewässer wird die Umweltqualitätsnorm der WRRL überschritten.

Nickel:

Die hohen Rodau-Werte sind hauptsächlich auf frühere Industrieeinträge zurückzuführen. Bei den Gewässern im Vogelsberg mit Konzentrationen zwischen 50 und 100 mg/kg muss von einer geogenen Belastung durch Basaltgesteine ausgegangen werden. An der Ohm haben die Konzentrationen von Nickel ebenso wie die Chromwerte zugenommen.

In der Wasserrahmenrichtlinie wird Nickel als prioritärer Stoff anhand einer Umweltqualitätsnorm für die filtrierte Wasserprobe von 20 µg/l beurteilt. Der Wert wird in keinem Gewässer überschritten.

© 2013 Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie