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Ionisierende Strahlung

Umweltradioaktivität - Medizin - Beruflicher Strahlenschutz - Nuklear-spezifische Gefahrenabwehr

Ionisierende Strahlung

Rückstände aus der Trinkwasseraufbereitung

  • Rückstände von bestimmten Verfahren der Aufbereitung von Grundwasser zu Trinkwasserzwecken können gegenüber dem natürlichen Hintergrund von Böden erhöhte Radionuklidgehalte aufweisen.
  • Beim Umgang mit diesen Rückständen können unter ungünstigen Umständen Beschäftigte (innerhalb des Wasserwerks, aber auch im Zuge der Verwertung beziehungsweise Beseitigung) einer erhöhten Strahlenexposition ausgesetzt sein.
  • Der Artikel beschreibt die Entstehung dieser Rückstände und zeigt auf, welche Expositionspfade zu einer erhöhten Strahlenexposition für Beschäftigte führen können.

Radionuklide der natürlichen Zerfallsreihen von Uran-238, Uran-235 und Thorium-232 sind in allen Gesteinen in Spuren anzutreffen. Wenn Rohwasser mit diesen Gesteinen in Kontakt kommt, lösen sich Radionuklide zu einem kleinen Teil aus dem Gestein heraus und gelangen in das Grundwasser. Die Aktivitätskonzentration hängt entscheidend von der Gesteinsart und deren chemischer Zusammensetzung ab. Eine Studie des Bundesamtes für Strahlenschutz (BfS) für Deutschland bestätigte dies [1]. Tabelle 1 zeigt einen Auszug der Ergebnisse.

Die Aktivitätskonzentration der Radionuklide im Rohwasser ist zudem vom Redox-Potential, dem pH-Wert im Rohwasser und der Löslichkeit der Radionuklide abhängig.

Tabelle 1: Medianwerte (Med) und Maximalwerte (Max) der Aktivitätskonzentrationen häufig vorkommender natürlicher Radionuklide im Rohwasser in Millibecquerel pro Liter, abhängig von der Gesteinsart der wasserführenden Grundwasserschicht (nach [1])
GesteinsartU-238Ra-226Pb-210Po-210Ra-228
MedMaxMedMaxMedMaxMedMaxMedMax
Basalt<0,745,71,02,81,9200,995,6<0,815,4
Gneis<0,74152,27,07,8291,88,34,37,8
Granit1,25312989,5702,0191129
Kalkstein6,02105,91603,2231,3185,4110
Sand3,61207,1362,1181,3196,746
Schiefer1,1972,6272,1191,89,43,726
Sandstein17590123803,6312,96309,3210
sonstiges Gestein2,56208,03004,12702,04107,5130


Rückstandsarten bei der Wasseraufbereitung

Um die Vorgaben der Trinkwasserverordnung [2] einzuhalten, müssen Rohwässer gegebenenfalls zu Trinkwasserqualität aufbereitet werden. Zur Entfernung von Störstoffen wendet man je nach chemischer Zusammensetzung des Wassers unterschiedliche Verfahren zur Wasseraufbereitung an. Die dabei anfallenden Rückstände sind nach einer Definition des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches (DVGW) hauptsächlich eisenhaltige Schlämme, kalkhaltige Schlämme, Flockungsschlämme, Aktivkohle und Siebgut [3]. Weitere Rückstände können beim Austausch von Filtermaterial (zum Beispiel Filtersand/Filterkies) oder speziellen Absorberharzen sowie beim Anlagenrückbau (zum Beispiel Rohre mit Ablagerungen) anfallen.

Bisher wurden bei der Trinkwasseraufbereitung Radionuklide normalerweise nicht gezielt entfernt. Trotzdem können sich diese in einem Teil der Rückstände über das natürliche Niveau von Böden und Gesteinen hinaus anreichern. Im Oberflächenwasser ist die Konzentration natürlicher Radionuklide geringer als im Grundwasser (siehe Tabelle 2); deshalb sind vor allem bei der Aufbereitung von Grundwasser Rückstände mit erhöhten Radionuklidgehalten zu erwarten.

Tabelle 2: Medianwerte (Med) und Maximalwerte (Max) der Aktivitätskonzentrationen häufig vorkommender natürlicher Radionuklide im Oberflächenwasser und im Grundwasser in Millibecquerel pro Liter (nach [1])
WasserartU-238Ra-226Pb-210Po-210Ra-228
MedMaxMedMaxMedMaxMedMaxMedMax
Grundwasser5,46208,43802,7821,66307,8210
Oberflächenwasser1,3394,3322,2291,6194,242

Bisher sind bei Rückständen aus der Aufbereitung von Grundwasser zu Trinkwasser erhöhte Radionuklidgehalte in Eisenschlämmen, Kalkschlämmen aus der Entsäuerung, in Austauschharzen, Aktivkohle und Filterkiesen aus der Enteisenung/Entmanganung bekannt. Bei Thermalwasserquellen wurde zudem von radionuklidhaltigen Inkrustationen berichtet [4]. In den vor allem bei der Aufbereitung von Oberflächenwasser anfallenden Flockungsschlämmen und im Siebgut sind keine erhöhten Radionuklidgehalte zu erwarten.

Eisenschlämme

Gelöstes Eisen und Mangan, wie es bei Grundwässern mit niedrigem Redox-Potential ("reduzierte Grundwässer") auftreten kann, wird bei der Aufbereitung von Rohwasser zu Trinkwasser entfernt. Durch Zufuhr eines Oxidationsmittels (zum Beispiel Luft oder Ozon) werden die löslichen Eisen(II)- und Mangan(II)-Ionen oxidiert und fallen als Eisen(III)- und Mangan(IV)-Oxide beziehungsweise –hydroxide aus. Die Oberflächen dieser Oxide sind sehr reaktiv. Hier können sich Schwermetalle und auch Radionuklide (vor allem Radium-226 und Radium-228) anlagern. Sandfilter oder Kiesfilter entfernen die gebildeten Oxide und Hydroxide aus dem Wasser. Damit die Filter nicht verstopfen, werden diese regelmäßig gespült. Die entstehenden Dünnschlämme enthalten vor allem die Eisenoxide, während die Manganoxide (Braunstein) überwiegend am Filterkies zurückbleiben. Dieses Verfahren wird ebenfalls zur Entfernung von Arsen angewendet.

Die Spannweite der Aktivität von Radium-226 und Radium-228 in Eisenschlämmen reicht von weniger als 0,2 bis 10 Becquerel pro Gramm, in wenigen Ausnahmen bis zu 50 Becquerel pro Gramm. Jährlich entstehen in Deutschland schätzungsweise bis zu 6.500 Tonnen an Eisenschlämmen mit erhöhten Radionuklidgehalten.

Kalkschlämme aus der Entsäuerung

Da Wasser mit niedrigen pH-Werten Korrosionsschäden im Leitungsnetz verursachen kann, wird der pH-Wert bei der Trinkwasseraufbereitung auf einen neutralen bis leicht basischen Wert eingestellt.

In einigen Wasserwerken wird hierzu durch Belüftung oder Ausgasung das gelöste Kohlendioxid entfernt. Bei sauerstoffarmen Rohwässern können dabei Eisenoxide beziehungsweise Manganoxide ausfallen, die dann aus dem Wasser gefiltert werden müssen (vergleiche Eisenschlämme). Der pH-Wert lässt sich auch anheben, indem man das Wasser über Kalkfilter oder Dolomitfilter laufen lässt. Um ein Verstopfen des Filters zu verhindern, ist ein regelmäßiges Rückspülen notwendig. Die Spülschlämme können feine Teilchen des Filtermaterials und gegebenenfalls Eisenausfällungen und Manganausfällungen enthalten [3]. Der höhere pH-Wert führt zu einer reduzierten Mobilität von Schwermetallen. Dies wirkt sich für natürliche Radionuklide vor allem bei Blei-210 und Polonium-210, weniger stark auch auf Radium-226 und Radium-228, aus.

Die Spannweite der spezifischen Aktivität von Blei-210 in Kalkschlämmen reicht von weniger als 0,2 bis 5 Becquerel pro Gramm, in wenigen Ausnahmen bis zu 20 Becquerel pro Gramm. Jährlich fallen bundesweit bis zu 500 Tonnen dieser Schlämme an.

Absorbermaterialien

Radionuklide (vor allem Uran) wurden bislang nur selten im Rahmen der Trinkwasseraufbereitung gezielt entfernt. Allerdings sieht die Trinkwasserverordnung seit 2016 für natürliche Radionuklide Grenzwerte vor. Dies kann in bestimmten Wasserversorgungsunternehmen neue Anlagen zum Entfernen von Radionukliden erfordern. Bislang sind zusätzliche Aufbereitungsverfahren jedoch nur für die Entfernung von Uran bekannt.

Eine sehr wirkungsvolle Möglichkeit zur Entfernung von Uran aus Wasser ist der Einsatz ionenspezifischer Austauschharze. Bei einer hohen Belegung der Harze können spezifische Aktivitäten von mehreren 100 Becquerel pro Gramm für Uran-238 und Uran-234 bezogen auf die Feuchtmasse auftreten [4]. Um die Entsorgung der Rückstände zu vereinfachen, werden die Harze bereits bei einer teilweisen Belegung, das heißt nach kürzeren Standzeiten gewechselt. Je nach Prozessführung führt dies zu einer geringeren spezifischen Aktivität (zehn beziehungsweise 50 Becquerel pro Gramm). Das jährliche Mengenaufkommen an Rückständen mit erhöhten Radionuklidgehalten wird auf weniger als 100 Tonnen geschätzt.

Ein weiteres Absorbermaterial ist Aktivkohle. Wasserversorgungsunternehmen setzen nur selten reine Aktivkohlefilter ein. Zur Ergänzung der Mangan-, Eisen- oder Säureentfernung verwenden einige Wasserwerke Aktivkohle in Mehrschichtfilteranlagen. Die Spannweite der spezifischen Aktivität für Radium-226 und Uran-238 in gebrauchter Aktivkohle reicht von weniger als 0,2 bis 10 Becquerel pro Gramm. Jährlich werden weniger als 1.000 Tonnen als Rückstände mit erhöhtem Radionuklidgehalt erwartet.

Ablagerungen

In Rohrleitungen von Wasserwerken können sich mit der Zeit Ablagerungen ("Inkrustationen", auch Scales genannt) bilden. Zum Aktivitätsgehalt von Inkrustationen in Rohrleitungen aus Wasseraufbereitungsanlagen gibt es wenig Literatur. Für Thermalwasserquellen wird von spezifischen Aktivitäten im Bereich von 10 Becquerel pro Gramm für Radium-226 beziehungsweise Radium-228 berichtet. Auch in Trinkwasseraufbereitungsanlagen können sich - je nach Druck, Temperatur und geochemischen Verhältnissen - vergleichbare Ablagerungen bilden.

Messdaten zum radiologischen Inventar dieser Rückstände bei der Trinkwasseraufbereitung liegen allerdings nicht vor. Die bundesweit jährlich anfallende Menge an kontaminierten Anlagenteilen wird auf weniger als 500 Tonnen pro Jahr geschätzt.

Filterkiese

Bevor Filterkiese ausgetauscht werden, bleiben sie über viele Jahre bis Jahrzehnte in Wasserwerken in Betrieb. Mit zunehmender Betriebsdauer wächst durch die Ausfällung von Mangan um die Filterkörner ein Belag aus Braunstein (siehe oben unter "Eisenschlämme"). Schwermetalle und somit auch Radionuklide werden von Braunstein sehr gut festgelegt ("sorbiert"). Die spezifische Aktivität von Radium-226 und Radium-228 in Filterkiesen/Filtersanden kann deshalb im Lauf der Jahre höher sein als in den überwiegend eisenhaltigen Rückspülschlämmen. Dabei sind die Radionuklide fast vollständig in den aufgewachsenen Belägen anzutreffen.

Bisher sind diese Rückstände aber nur wenig untersucht. Aus den vorliegenden Daten lassen sich in Einzelfällen Anreicherungen gegenüber dem Schlamm bis zum Faktor 5 ableiten. Die spezifischen Aktivitäten aus den bisherigen Untersuchungen liegen für Radium-226 und Radium-228 bei weniger als 0,2 bis 50 Becquerel pro Gramm. Die anfallende Menge an Rückständen mit erhöhten Radionuklidgehalten lässt sich nur mit einem Schätzwert von mehreren Zehntausend Tonnen angeben. Aufgrund der langen Standzeiten fallen Filterkiese als Rückstände in einzelnen Wasserwerken selten an.

Beseitigung oder Verwertung

Nach dem Kreislaufwirtschaftsgesetz ist die Verwertung gegenüber einer Beseitigung vorzuziehen [5]. Allerdings entfällt bei einer Gefahr für Mensch und Umwelt der Vorrang zur Verwertung. Von den oben aufgeführten Rückständen können Eisenschlämme, Kalkschlämme aus der Entsäuerung und Filterkiese grundsätzlich wiederverwertet werden. Der DVGW empfiehlt in seinem Merkblatt W-221-3 für diese Rückstände verschiedene Verwertungsmöglichkeiten [3]. Für Ablagerungen ist bisher keine Verwertungsoption bekannt, während Aktivkohle und Absorberharze aufgrund des hohen Kohlenstoffanteils grundsätzlich thermisch verwertbar sind.

Eisenschlämme werden in der Umwelttechnik verwendet, um den Gehalt an Schwefelwasserstoff und Phosphat zu senken. Außerdem kommen sie in der Ziegelindustrie und in der Zementindustrie sowie bei der Herstellung von Pflanzgranulat als Sekundärrohstoff zum Einsatz. In der Vergangenheit wurden etwa 35 Prozent der Eisenschlämme deponiert; aus abfallrechtlichen Gründen wird dieser Anteil in Zukunft voraussichtlich sinken.

Kalkschlämme aus der Entsäuerung werden zur Verbesserung ("Melioration") des pH-Wertes im Boden in der Land- und Forstwirtschaft ausgebracht. Die Verwertung dieser Rückstände - etwa bei der Herstellung von Kalk und Zement oder zur Herstellung künstlicher Bodensubstrate – ist denkbar.

Da Filterkiese aus der Enteisenung und Entmanganung über mehrere Jahre bis Jahrzehnte im Wasserwerk im Einsatz bleiben, fallen diese nur selten als Rückstand bei den Wasserversorgern an. Deshalb haben sich für diese Rückstände keine festen Entsorgungswege durchgesetzt. Von Einzelfällen ist bekannt, dass die Kiese zur Inbetriebnahme neuer Filteranlage in anderen Wasserwerken oder im Straßenbau eingesetzt werden. Zudem könnten sie im Landschafts- und Wegebau verwertet werden. Informationen zur Menge der verwerteten oder deponierten Rückstände sind nicht veröffentlicht und liegen auch dem DVGW nicht vor.

Rechtlicher Rahmen

Wasserwerksrückstände sind in der aktuellen Strahlenschutzverordnung nicht in der Liste der zu berücksichtigenden Rückstände aufgeführt (Anlage XII, Teil A) Siegelten somit grundsätzlich als nicht überwachungsbedürftig [6]. Wenn von diesen Rückständen dennoch eine erhebliche Strahlenexposition für Personen der Bevölkerung zu befürchten ist, kann die zuständige Landesbehörde entsprechende Schutzmaßnahmen anordnen. Eine erhebliche Strahlenexposition ist gegeben, wenn die effektive Dosis den Wert von 1 Millisievert im Jahr übersteigt.

In den Anfang 2014 veröffentlichten europäischen Grundnormen zum Strahlenschutz [7] werden Rückstände aus Grundwasserfilteranlagen jedoch als ein relevanter Industriezweig eingestuft. Diese europäischen Regelungen sind verbindlich in nationales Recht zu überführen. Daher sind im Entwurf zum neuen Strahlenschutzgesetz Filterkiese, Filtersande und Kornaktivkohle in die Liste der zu berücksichtigenden Rückstände mit aufgeführt.

Sofern Rückstände aus Wasserwerken in Bauprodukten wiederverwertet werden, sind zudem die Vorgaben der europäischen Empfehlung zur natürlichen Radioaktivität in Baumaterialien einzuhalten [8], nach der von handelsüblichen Baustoffen keine erhöhte Strahlenexposition für die Bevölkerung ausgehen sollte.

Weiterhin ist zu prüfen, ob die geplante Verwertung oder Beseitigung abfallrechtlich zulässig ist. Insbesondere bei einer Verwertung im Landschaftsbau oder im Straßenbau sind die Vorgaben der Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Abfall (LAGA) zum Auslaugverhalten von mineralischen Reststoffen zu berücksichtigen [9].

Für den Transport von Materialien muss das Europäische Übereinkommen über die internationale Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße (ADR) eingehalten werden [10].

Expositionspfade und Expositionsszenarien

Je nach Menge, Radionuklidgehalt im Rückstand und Entsorgungsvariante können Beschäftigte - in Wasserwerken oder bei Entsorgungs- beziehungsweise Verwertungsfirmen - beim Umgang mit Rückständen aus Wasserwerken einer erhöhten Strahlenexposition ausgesetzt sein. Ob tatsächlich eine erheblich erhöhte Strahlenexposition (mehr als 1 Millisievert pro Jahr zusätzlich zur natürlichen Umweltradioaktivität) für Beschäftigte zu befürchten ist, lässt sich anhand einer Dosisabschätzung ermitteln. Bei einer Dosisabschätzung sollten die Situationen

  • Aufenthalt der Beschäftigten in Räumen, in denen Rückstände lagern,
  • Umgang mit den Rückständen bei Lagerung, Verwertung, Transport oder Beseitigung und
  • Wartung beziehungsweise Reinigung von Betriebsanlagen

betrachtet werden. Aus Sicht des Strahlenschutzes sind dabei die Expositionspfade

zu berücksichtigen.

Weiterhin können bei einer Deponierung oder einer Verwertung im Straßenbau und vor allem im Landschaftsbau Radionuklide aus den Rückständen mit dem Sickerwasser freigesetzt und ins Grundwasser eingetragen werden. Für die Allgemeinbevölkerung ergibt sich bei einer Nutzung dieses Grundwassers unter Umständen ein zusätzlicher Expositionspfad. Die Verwendung beeinträchtigten Grundwassers aus einem Privatbrunnen zu Trinkwasserzwecken oder zur Beregnung ist daher bei einer Dosisabschätzung zwingend zu berücksichtigen.

In verschiedenen Studien wurde für den Umgang mit Eisen-, Mangan- und Kalkschlämmen die Strahlenexposition für Beschäftige in Wasserwerken, bei Entsorgungsbetrieben und bei Verwertern abgeschätzt ([4] und [11]). Im Ergebnis ist selbst unter ungünstigen Annahmen eine Überschreitung des Dosisrichtwerts für die Bevölkerung von 1 Millisievert pro Jahr nicht zu befürchten. Aus den bisher veröffentlichten Aktivitätsgehalten zu Aktivkohle und Inkrustation aus Wasserwerken ist ebenfalls keine erhöhte Strahlenexposition für die Bevölkerung abzuleiten.

Bei der Entsorgung oder Verwertung von Filterkiesen aus der Manganentferung/Eisenentfernung sowie von hochbeladenen Austauschharzen, die bei der gezielten Entfernung von Uran entstehen, kann eine Überschreitung des Dosisrichtwertes nach bisherigem Kenntnisstand unter ungünstigen Umständen nicht gänzlich ausgeschlossen werden. In diesen Fällen wird eine Einzelfallbetrachtung empfohlen. Sollte nach dieser Prüfung der Dosisrichtwert tatsächlich überschritten sein, ist in diesen Fällen zu klären, welche Maßnahmen zur Dosisminderung mit vertretbarem Aufwand eingeführt werden können. Hierzu zählen beispielsweise das Tragen persönlicher Schutzausrüstung oder die Suche nach alternativen Entsorgungswegen.

Das BfS erstellt aktuell Berechungsvorschriften, mit denen sich die effektive Dosis für Beschäftigte und Personen der Bevölkerung aufgrund einer Exposition durch NORM-Stoffe abschätzen lässt (Berechnungsgrundlagen NORM). Bis zur Fertigstellung dieser Berechnungsvorschrift bietet das BfS Empfehlungen für eine vereinfachte Abschätzung der Strahlenexposition für Beschäftigte und Personen der Bevölkerung an.

Literatur

[1] Bundesamt für Strahlenschutz (2009): Strahlenexposition durch natürliche Radionuklide im Trinkwasser in der Bundesrepublik Deutschland
[2] TrinkwV (2001): Trinkwasserverordnung vom 21. Mai 2001 (Bundesgesetzblatt I, Seite 959)
[3] DVGW (2000): Rückstände und Nebenprodukte aus Wasseraufbereitungsanlagen; Teil 3: Vermeidung, Verwertung und Beseitigung. DVGW-Arbeitsblatt W221-3
[4] Bay_LfU (2007): Ermittlung von Arbeitsfeldern mit erhöhter Exposition durch natürliche Radionuklide und überwachungsbedürftige Rückstände – Rückstände aus der Trinkwasseraufbereitung, Teil I, Abschlussbericht. Bayerisches Landesamt für Umwelt, Augsburg 2006.
[5] KrWG (2012): Gesetz zur Förderung der Kreislaufwirtschaft und Sicherung der umweltverträglichen Bewirtschaftung von Abfällen (Kreislaufwirtschaftsgesetz - KrWG), vom 24. Februar 2012 (Bundesgesetzblatt I Seite 212)
[6] StrlSchV (2001): Verordnung über den Schutz vor Schäden durch ionisierende Strahlen (Strahlenschutzverordnung- StrlSchV) vom 20.Juli 2001
[7] Richtlinie 2013/59/Euratom des Rates vom 5. Dezember 2013 zur Festlegung grundlegender Sicherheitsnormen für den Schutz vor den Gefahren einer Exposition gegenüber ionisierender Strahlung und zur Aufhebung der Richtlinien 89/618/Euratom, 90/641/Euratom, 96/29/Euratom, 97/43/Euratom und 2003/122/Euratom
[8] EC (1999): Radiological Protection Principles concerning the Natural Radioactivity of Building Materials. Radiation Protection 112, European Commission, Directorate-General Environment, Nuclear Safety and Civil Protection
[9] LAGA (2003): Anforderungen an die stoffliche Verwertung von mineralischen Reststoffen/Abfällen - Technische Regeln (Mitteilung 20)
[10] ADR: European Agreement concerning the International Carriage of Dangerous Goods by Road
[11] Bay_LfU (2009): Ermittlung von Arbeitsfeldern mit erhöhter Exposition durch natürliche Radionuklide und überwachungsbedürftige Rückstände – Rückstände aus der Trinkwasseraufbereitung, Teil II

Stand: 14.07.2017

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