Das Mikroplastik-Brennglas: Warum die Kläranlage Landau einer der datenreichsten Standorte Europas ist

Kläranlage Landau, Referenzstandort für die Abwasserbranche

Auf den zweiten Blick ist Landau etwas anderes: das Mikroplastik-Brennglas. Kaum ein anderer kommunaler Kläranlagenstandort in Europa kann auf eine vergleichbar dichte, durchgehend nach demselben Protokoll erhobene Datenbasis zum Mikroplastik im Ablauf verweisen. Seit 2021 wird hier mindestens zweimal im Monat gemessen – ohne Methodenwechsel, ohne Datenlücken. Hinzu kommen zahlreiche weitere Messungen aus Methodenuntersuchungen, Pilotversuchen und Vergleichskampagnen, die den Datenbestand zusätzlich verdichten.

Eine Zusammenarbeit, die schon 2014 begann

Der Ursprung liegt nicht in einem Förderprojekt, sondern im Hochschulbetrieb. 2014 begann Dennis Schober als hilfswissenschaftlicher Mitarbeiter in der Forschungsgruppe von Dr. Katrin Schuhen, damals Juniorprofessorin für Organische und Ökologische Chemie an der Universität in Landau. Aus dieser Gruppe heraus entstanden das Clump and Skim Verfahren zur Mikroplastik-Entfernung – und der Kontakt zur örtlichen Kläranlage, die von Beginn an als realer Versuchsraum diente.

Diese personelle und fachliche Kontinuität trägt bis heute: Schuhen ist seit 2020 Gründerin und Geschäftsführerin der gemeinnützigen Wasser 3.0 gGmbH in Karlsruhe, Schober arbeitet inzwischen hauptberuflich bei der KSSSüdpfalz und unterstützt weiterhin die Arbeiten von Wasser 3.0 als technischer Leiter (CTO). Er ist an den gemeinsamen Veröffentlichungen weiterhin beteiligt. Wissenschaft und Betrieb sitzen damit nicht nur am selben Tisch, sie teilen eine gemeinsame Vorgeschichte von mehr als zehn Jahren.

Institutionell verfestigt hat sich die Zusammenarbeit in mehreren Etappen: 2021 startete das standardisierte Mikroplastik-Messprogramm im Ablauf der kommunalen Kläranlage; 2022 beschloss der EWL-Verwaltungsrat, die Anlage dauerhaft als Forschungsstandort zu erhalten; seit 2023 ist Landau Demonstrationsstandort im EU-Vorhaben UPSTREAM.

Standardisierte Datenerfassung als Fundament 

Der entscheidende Unterschied zu vielen Messkampagnen liegt nicht in der Zahl der Proben, sondern in der Standardisierung. Landau war der Entwicklungsstandort für ein durchgängiges Protokoll von der Probenahme bis zur Auswertung.

Den Anfang machte eine 2023 in der Fachzeitschrift Analytica veröffentlichte Methodenstudie zur Mikroplastik-Detektion mit neu entwickelten Fluoreszenzmarkern. Über ein Jahr hinweg wurde der Ablauf der Kläranlage Landau beprobt, um ein vollständiges Verfahrensprotokoll aus 

• Probenahme mit 10-µm-Filterkartusche,
• Aufschluss mit Wasserstoffperoxid,
• Fluoreszenzfärbung,
• automatisierte Partikelzählung

zu entwickeln und zu überprüfen. Die neu entwickelten Farbstoffe erhöhten Selektivität und Signalstärke deutlich: Im direkten Vergleich wurden mit ihnen im Mittel 3,1-mal mehr Mikroplastikpartikel identifiziert als mit klassischem Fluoreszenzmarkern mit den bekannten methodischen Nachteilen.

Die Folgestudie zur beschleunigten Probenvorbereitung und dem Einsatz des neu entwickelten Fluoreszenzmarkers verkürzte den Laborweg bereits auf 2,5 Stunden von der Probennahme bis zum Messwert, bei Wiederfindungsraten zwischen 93,3 % (Polypropylen) und 101,7 % (Polyester). Die Rate falsch positiver Befunde durch Naturpartikel lag nach dem Aufschluss bei 5 bis 6 %. Zusätzlich belegt: Fluorpolymere wie PVDF und ETFE sind ebenfalls mit den neuen Markern nachweisbar. Der neue Fluoreszenzmarker, der unter dem vollständigen Namen abcr eco Wasser 3.0 detect mix MP-1 oder kurz MP-1 in der wissenschaftlichen Literatur und Kommunikation zu finden ist, hat die Prüfung auf „Herz  und Nieren“ überstanden. Die Standardprotokolle für die standardisierte Probennahme, Probenvorbereitung und Mikroplastik-Analyse sind seither kostenfrei verfügbar.

Zweimal im Monat, seit 2021 – und viele Messungen zusätzlich

Genau diese Kontinuität und Geschwindigkeit macht Landau möglich. Der Grundtakt ist seit 2021 unverändert: zweimal pro Monat eine standardisierte Beprobung des Ablaufs. Darüber hinaus laufen fortlaufend Messungen aus Methodenuntersuchungen, Pilotversuchen zur vierten Reinigungsstufe und Vergleichskampagnen mit anderen Anlagen und Wasserarten. Eine solche Dichte wäre mit Infrarot-, Raman- oder Pyrolyse-Gaschromatographie weder zeitlich noch wirtschaftlich darstellbar – und genau darin liegt der Grund, warum Landau als Brennglas funktioniert.

Die Langzeitauswertung dieser Messreihe erschien 2024 in der Fachzeitschrift Microplastics. Die Kernbefunde:

• Mittlere Mikroplastikkonzentration im Ablauf: 27,8 ± 29,8 Partikel je Liter, bei einer Spannweite von 0,6 bis 194,0 Partikeln je Liter.
• Hochgerechnet rund 1,5 × 10¹¹ Mikroplastikpartikel pro Jahr, entsprechend etwa 2,8 Millionen Partikeln je Einwohner und Jahr.
• Statistisch belastbare jahreszeitliche Muster ließen sich nicht nachweisen; es zeigt sich lediglich ein Trend zu niedrigeren Werten im Sommer. Direkte Zusammenhänge mit Abwasser- oder Wetterkennwerten fanden sich nicht.

Wer eine Kläranlage anhand von zwei Stichproben im Jahr bewertet, misst vor allem Zufall.

Die wichtigste Botschaft ist eine methodische: Einzelproben sind nicht repräsentativ. Bereits die erste Landauer Messreihe zeigte, wie stark die Belastung schwankt – an einem Beprobungstag lagen zwei Proben im Abstand von 15 Minuten bei 13 und bei 135 Partikeln je Liter, ein Faktor 10. 

Wenn die vierte Reinigungsstufe das Mikroplastik nicht mitnimmt

Landau ist zugleich Prüfstand für Technik. In einer Vergleichsuntersuchung von Oxidationsverfahren und Aktivkohle wurden an der Anlage Pilotanlagen zur UV-gestützten erweiterten Oxidation (Van Remmen UV Technology) und mit granulierter Aktivkohle betrieben. Das Ergebnis war unbequem und wichtig: Weder das Oxidationsverfahren noch die Aktivkohle entfernten Mikroplastik.

Vierte Reinigungsstufen sind auf gelöste Mikroschadstoffe ausgelegt; dispergierte Feststoffe erfassen sie nicht. Erst die Reihenschaltung mit dem Agglomerations-Fixierungs-Verfahren Wasser 3.0 PE-X® ermöglichte die gleichzeitige Entfernung beider Stoffgruppen.

Bestätigt wurde der Befund 2025 im Vergleich dreier Kläranlagen mit zwei, drei und vier Reinigungsstufen: Landau mit drei Stufen (21,8 Partikel je Liter) unterschied sich statistisch nicht belastbar von einer vierstufigen Anlage mit Pulveraktivkohle und Tuchfiltration (15,1) und von einer zweistufigen Anlage mit Membranbioreaktor auf Mykonos (15,1). Weder der Membranbioreaktor noch der Tuchfilter lösten das Mikroplastikproblem im Praxisbetrieb.

EU-Projekt UPSTREAM: die „4. Reinigungsstufe plus" im Dauerversuch

Seit 2023 ist die Kläranlage Landau-Mörlheim Demonstrationsstandort im europäischen Forschungs- und Innovationsvorhaben UPSTREAM (Förderkennzeichen 101112877). Von fünf Demonstrationsstandorten in Großbritannien, Spanien, Italien, Serbien und Deutschland ist Landau der einzige, an dem drei wichtige Bausteine zusammenkommen: schnelle Detektion über Fluoreszenzfärbung, Abbau von Mikroschadstoffen durch UV-gestützte erweiterte Oxidation und Entfernung von Mikroplastik mittels Clump & Skim Technologie Wasser 3.0 PE-X®.

Erprobt wird damit das, was Wasser 3.0 als „4. Reinigungsstufe plus" bezeichnet: eine Nachrüstlösung, die nicht nur gelöste Spurenstoffe, sondern auch partikelgebundene Fracht erfasst. Van Remmen UV Technology aus Wijhe in den Niederlanden bringt die Technik der erweiterten Oxidation ein, die UV-C-Licht mit Wasserstoffperoxid verbindet und dabei – anders als andere Oxidationsverfahren – keine Nebenprodukte wie Bromat, adsorbierbare organisch gebundene Halogene (AOX) oder N-Nitrosodimethylamin (NDMA) bildet.

Der inhaltliche Fokus geht bewusst über Mikroplastik hinaus und schließt auch lösliche Polymere, die fälschlicherweise auch gerne als „flüssiges Mikroplastik“ bezeichnet werden. Auch per- und polyfluorierte Verbindungen (PFAS) schließt die Studie ein. Hinzu kommen Auslaugungen, in denen sich Zusatzstoffe und Abbauprodukte der Kunststoffe wiederfinden. Für keine dieser Stoffgruppen besteht bislang eine Langzeit-Monitoring- und / oder Entfernungspflicht in und aus Abwässer kommunaler Kläranlagen. Die Diskussion über ihre Wirkung auf die Wasserqualität nimmt jedoch zu – und Betreiber, die frühzeitig belastbare Betriebsdaten haben, sind im Vorteil.

Ein Detail mit Signalwirkung: In Landau lässt sich die Wirkung der vierten Stufe deshalb sauber bewerten, weil die Bezugsgröße – der Ablauf der dritten Stufe – seit Jahren lückenlos vermessen ist. Ohne diese Ausgangsbasis wäre jede Prozentangabe zur Entfernungsleistung meinungsgebundene Auslegung statt datenbasierte Messung.

Gewässerüberwachung an der Queich

Der Kläranlagenablauf allein sagt wenig über den Gewässerzustand. Deshalb wird in Landau parallel die Queich beprobt – ein 52 Kilometer langer Zufluss des Rheins –, und zwar rund 400 Meter unterhalb der Einleitstelle bei Offenbach.

Die Ergebnisse dieses gekoppelten Vorgehens erschienen 2025 in einer Fallstudie zur Mikroplastik-Überwachung in Fließgewässern. Die Studie erfasste zusätzlich den Regenwasserüberlauf – jenen Pfad, der bei Starkregen ungeklärtes Mischwasser direkt ins Gewässer führt und in klassischen Messprogrammen meist unbeobachtet bleibt.

Diese Verknüpfung von Punktquelle, Entlastungspfad und Vorfluter ist der eigentliche Mehrwert des Standorts: Einleitung und Gewässerbelastung werden mit demselben Verfahren, denselben Nachweisgrenzen (ab 10 µm) und derselben Qualitätssicherung erfasst.

Probenahmestrategien: Wie viele Proben braucht Belastbarkeit?

Die jüngste Arbeit aus Landau widmet sich der Frage, an der die meisten Messprogramme scheitern. Eine Untersuchung zu Probenahmestrategien, Wiederfindung und Probenzahl vergleicht vier Wasserarten am Standort Landau: Kläranlagenablauf, Trinkwasser, Mischwasserentlastung und Oberflächenwasser der Queich.

Verglichen wurden zwei Vorgehensweisen: die klassische Schöpfprobe von 0,5 Litern und die Großvolumenfiltration von 100 Litern über einen 10-µm-Filter mit der Partikel-Probenahmeeinheit (PSU). Zur Kontrolle wurden Polyamid-Referenzpartikel zugegeben.

Der praktisch wichtigste Befund betrifft die Wirtschaftlichkeit: Der Zusammenhang zwischen Streuung und benötigter Probenzahl ist quadratisch. Wer die Standardabweichung halbiert, braucht nur noch ein Viertel der Proben. Jede Verbesserung des Verfahrens zahlt sich also überproportional aus – ein Argument, das Aufsichtsbehörden und Betreiber bei der Ausgestaltung künftiger Überwachungspflichten kennen sollten.

Anschluss an die Kommunalabwasserrichtlinie

Diese Erkenntnisse treffen auf einen Rechtsrahmen im Umbruch. Die Richtlinie (EU) 2024/3019 über die Behandlung von kommunalem Abwasser vom 27. November 2024 löst die Richtlinie 91/271/EWG ab und ist bis zum 31. Juli 2027 in nationales Recht zu überführen. Sie führt erstmals eine Überwachungspflicht für Mikroplastik ein: im Zu- und Ablauf kommunaler Behandlungsanlagen ab 10.000 Einwohnerwerten sowie – wo einschlägig, insbesondere bei landwirtschaftlicher Verwertung – im Klärschlamm. Für Anlagen ab 150.000 Einwohnerwerten ist die Beprobung mindestens zweimal jährlich vorgesehen, für kleinere Anlagen deutlich seltener. Parallel wird die Viertbehandlung für Anlagen ab 150.000 Einwohnerwerten gestaffelt verpflichtend, mit einer geforderten mittleren Entfernungsleistung von mindestens 80 % für die Kennsubstanzen nach Anhang I.

Die Zahlen aus Landau liefern dazu einen unbequemen Abgleich mit der Wirklichkeit. Bei einer Streuung von 41 % wären nach dem Rechenmodell der Landauer Untersuchung 21 Großvolumenproben nötig, um die mittlere Belastung mit ± 25 % anzugeben. Zwei Proben im Jahr ergeben eine Fehlermarge, die weit jenseits jeder Aussagekraft für Grenzwerte oder Trendbewertungen liegt. Für eine erste Abschätzung – gibt es hier überhaupt ein Thema? – reicht das; für Vollzug und Verursacherprinzip nicht.

Vom Modellstandort in die Welt: Übertragung nach Griechenland

Ein Verfahren, das nur an einem Standort funktioniert, ist kein Standard. Die Übertragung läuft über das europäische Vorhaben REMEDIES (Förderkennzeichen 101093964), ein Leuchhturmprojekt der EU-Mission zur Wiederherstellung von Ozeanen und Gewässern.

Im Januar 2024 wurde auf Mykonos eine die Wasser 3.0  PE-X® Technologie zur Mikroplastik-Entfernung in der kommunalen Kläranlage in Betrieb genommen. Für den analytischen Teil wurde das Landauer Protokoll übertragen: Die Probenvorbehandlung erfolgte in Griechenland, Färbung und Detektion in Landau – gleiche Parameter, gleiche Auswertung. Erst dadurch war der oben beschriebene Vergleich zwischen Landau, einer weiteren vierstufigen deutschen Anlage und dem griechischen Anwendungsfall methodisch sauber möglich. Mykonos ist dabei ein anspruchsvoller Prüffall: Der saisonale Tourismus lässt die Belastung zwischen unter 10.000 und 48.000 Einwohnerwerten schwanken.

Was der Fall Landau lehrt

Drei Punkte lassen sich aus mehr als vier Jahren Messbetrieb ableiten.

• Erstens: Kläranlagen bleiben bedeutende Punktquellen für Mikroplastik. Auch bei hoher Reinigungsleistung führen die großen Durchsatzmengen dazu, dass erhebliche Partikelzahlen ins Gewässer gelangen. Bestehende vierte Stufen ändern daran wenig, weil sie für gelöste Stoffe gebaut sind.
• Zweitens: Ohne Datendichte keine Aussage. Die Spannweite von 0,6 bis 194 Partikeln je Liter im selben Ablauf ist kein Messfehler, sondern die Wirklichkeit ungleich verteilter Partikel. Überwachungspflichten müssen die statistische Konsequenz daraus abbilden, sonst erzeugen sie Zahlen ohne Belastbarkeit.
• Drittens: Standardisierung schlägt Präzision im Einzelfall. Ein schnelles, robustes, überall gleich durchgeführtes Verfahren liefert für Trend- und Vollzugsfragen mehr als eine hochauflösende Analytik, die aus Kostengründen nur zweimal jährlich zum Einsatz kommt.

Damit wird ein Standort in der Südpfalz zum Brennglas für ein europäisches Problem. Nicht weil in Landau besonders viel Mikroplastik gemessen wird – sondern weil dort seit 2021 standardisierte und vergleichende Mikroplastik-Analytik angewendet wird.

Häufige Fragen

• Seit wann gibt es Mikroplastikdaten für die Kläranlage Landau?

Seit 2021, im festen Rhythmus von zwei Beprobungen pro Monat. Hinzu kommen zusätzliche Messungen aus Methoden-, Pilot- und Vergleichsuntersuchungen. Die zugrunde liegende Zusammenarbeit zwischen EWL und dem heutigen Team von Wasser 3.0 reicht bis 2014 zurück.

• Wie hoch ist die Mikroplastikbelastung im Ablauf?

Im Mittel 27,8 ± 29,8 Partikel je Liter ab 10 µm, bei einer Spannweite von 0,6 bis 194,0 Partikeln je Liter. Hochgerechnet entspricht das rund 1,5 × 10¹¹ Partikeln pro Jahr.

• Was ist die „4. Reinigungsstufe plus"?

Eine Verbindung aus UV-gestützter erweiterter Oxidation von Van Remmen UV Technology zur Entfernung gelöster Mikroschadstoffe und dem organosilanbasierten Agglomerationsverfahren Wasser 3.0 PE-X® zur Entfernung von partikelgebundenem Mikroplastik. Herkömmliche vierte Stufen erfassen Mikroplastik nachweislich nicht.

• Was schreibt die EU-Kommunalabwasserrichtlinie zu Mikroplastik vor?

Die Richtlinie (EU) 2024/3019 verpflichtet die Mitgliedstaaten, das Vorhandensein von Mikroplastik im Zu- und Ablauf von Anlagen ab 10.000 Einwohnerwerten sowie – wo einschlägig – im Klärschlamm zu überwachen. Eine Nachrüstpflicht eigens zur Mikroplastik-Entfernung enthält sie nicht. Umsetzungsfrist ist der 31. Juli 2027.

• Wie viele Proben braucht eine belastbare Mikroplastik-Überwachung?

Nach der Landauer Untersuchung sind für eine Fehlermarge von ± 25 % bei 95 % Konfidenz 21 Großvolumenproben oder 51 Schöpfproben nötig. Für ± 10 % steigt der Bedarf auf 131 beziehungsweise 312 Proben.