Combined sewer overflows: contamination and toxicity of downstream located sediments

Schertzinger, Gerhard GND

Obwohl sich die Wasserqualität in europäischen Gewässern in den letzten Jahrzehnten stetig verbessert hat, befinden sich Gewässersedimente häufig noch in schlechtem Zustand. Regenwasserentlastungen, wie z.B. Mischwasserüberläufe, beeinflussen die Sedimentqualität der Vorfluter auf unterschiedliche Weise. Um die Auswirkungen von Mischwasserentlastungen auf die Sedimente kleiner Bäche zu bewerten, wurde im Rahmen dieser Studie ein kombinierter Ansatz aus Stoffidentifizierung und Toxizitätstest durchgeführt. Vor dem Hintergrund, dass Partikel, die über Mischwasserentlastungen eingeleitet werden, als Vektor für die Sedimentverschmutzung gelten, wurde eine umfassende Probenahmestrategie angewendet. Diese ermöglicht Rückschlüsse auf die Hintergrundbelastung der Bäche, die Auswirkung der jeweiligen Mischwasserentlastung auf die Sedimentqualität, die räumliche Verteilung von Kontamination und Sedimenttoxizität sowie auf Kontaminationsquellen. Darüber hinaus wurden in hydraulischen Rückhaltezonen Proben entnommen, um herauszufinden, ob diese den Partikelrückhalt zusätzlich unterstützen und somit zur Verbesserung der Sedimentqualität der nachfolgenden Bäche beitragen können. Die durchgeführte Studie identifizierte Akkumulations-Hotspots partikelassoziierter Schadstoffe in stromabwärts gelegenen Sedimenten nahe den Entlastungsstellen. In Kombination mit erhöhten Hintergrundkonzentrationen führte dies zu toxischen Effekten im Sedimentkontakttest mit dem Nematoden Caenorhabditis elegans. Zudem zeigten die am stärksten kontaminierten Sedimente eine hohe Sauerstoffzehrung, welche zu Entwicklungsstörungen bei Embryonen von Zebrafischen (Danio rerio) und damit zu einer weiteren Verschlechterung der Sedimentqualität führte. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass hydraulische Rückhaltemaßnahmen Partikel wirksam zurückhalten und dadurch eine weitere Verschlechterung der Sedimentqualität aufgrund von partikelassoziierten Schadstoffen, Sauerstoffdefiziten oder Verschlammung des Flussbetts verhindern. Auf dieser Basis wurden in der vorliegenden Arbeit verschiedene Überwachungsinstrumente und -parameter sowie Verbesserungsmaßnahmen diskutiert. Ihre Umsetzung in Rechtsvorschriften wie beispielsweise der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie wird als sinnvoll erachtet, um die oft vernachlässigte Sedimentqualität als wichtigen Parameter für den ökologischen Zustand von Oberflächengewässern zu verbessern.

Sediment quality in European surface waters often remains poor, although water quality is continuously improving. Urban wet weather discharges such as combined sewer overflows (CSOs) are known to influence the sediment quality of receiving waters in different ways. In order to evaluate the impact of CSOs on pollution and toxicity of small creeks` sediments, a coupled substance and bioassay approach was conducted. Considering that particles being discharged from CSOs are known as a major vector for sediment pollution, a comprehensive sampling strategy was applied. An upstream/downstream sampling design was conducted in order to account for different background concentrations of the receiving creeks. The goals were to analyze the sole impact of the respective CSO on the sediment quality as well as to gather information for source identification. In addition, several samples were taken in a 100 m long downstream transect to take into account the spatial distribution of pollution and sediment toxicity. Further samples were taken in hydraulic retention zones located behind two of the three investigated sewer outfalls to analyze their effectiveness in reducing the amount of particles. This, in turn, makes it possible to assess whether such measures are suitable to contribute to an improved sediment quality of the subsequent creeks. The present study revealed accumulation hotspots of particle-bound pollutants such as metals and organic substances in downstream sediments near CSOs. Pollutant accumulation in combination with high background concentrations of the receiving habitat increased the toxicity of the sediments for the nematode Caenorhabdits elegans. Concomitant with pollutant accumulation an increased sediment oxygen demand contributed to a poor sediment quality as could be seen in the sediment contact assay (SCA) using embryos of the zebrafish Danio rerio. Hydraulic retention measures were found to effectively retain particles and thereby prevent a further decrease in sediment quality of the subsequent creek due to particle associated pollutants, oxygen deficit or siltation of the river bed.Against this background, various monitoring tools and parameters as well as improvement measures were discussed in the present thesis. Furthermore, their implementation in legislation such as the European Water Framework Directive was proposed in order to improve the often neglected sediment quality as an important parameter for the ecological status of surface waters.

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Schertzinger, G., 2021. Combined sewer overflows: contamination and toxicity of downstream located sediments. https://doi.org/10.17185/duepublico/73571
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