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Wasser- und Umweltanalytik

Unerwünschter Farbe auf der Spur

20.04.2005 | Autor / Redakteur: Astrid Rehorek* / Marc Platthaus

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Textilherstellende und textilveredelnde Prozesse sind intensive Wasserverbraucher, weshalb z.B. moderne Membrantechnologien eingesetzt werden, um Färbe- und Spülflotten zu reinigen und das eingesetzte Wasser zu recyceln.

Auf brillante und vielfältige Farbigkeit von Textilien möchten wir nicht verzichten. Textilherstellende und textilveredelnde Prozesse sind intensive Wasserverbraucher, weshalb z.B. moderne Membrantechnologien eingesetzt werden, um Färbe- und Spülflotten zu reinigen und das eingesetzte Wasser zu recyceln. Dabei fallen intensiv gefärbte Abwasser bzw. Abwasserkonzentrate an, deren Reinigung und Entgiftung ein nicht vollständig gelöstes Problem ist. Die Konzentratbehandlung erfolgt meistens chemisch mittels Fällungs- oder Adsorptionsverfahren, was Schlämme liefert, die verbrannt werden müssen.

Von den jährlich weltweit etwa 300 000 Tonnen hergestellten Farbstoffen ist ein wesentlicher Teil immer noch den wasserlöslichen Azofarbstoffen zuzuordnen, die im Faulturm schlecht abgebaut werden und einer speziellen Behandlung bedürfen, um entfärbt und sicher mineralisiert zu werden. Vorgestellt wird ein biologisches Konzentratbehandlungsverfahren für azofarbstoffhaltige Wässer, das auf der reduktiven, anaeroben Öffnung der Azobindung und einer nachgeschalteten aeroben oxidativen Behandlung beruht. Damit es für stark salzhaltige azofarbstoffdominierte Konzentrate mit Durchsichtsfarbzahlen (DFZ) von 30 000 bis 50 000 m-1 störungsfrei arbeiten kann, wurde erstmalig ein Online-LC-MS-Prozessmonitoringsystem mit kontinuierlicher Kopplung zum zweistufigen Bio-Reaktorsystem etabliert.

Das System kann vollautomatisch und direkt aus der Flüssigkeit der anaeroben und aeroben Biomasse die auftretenden Abbauprodukte trennen und identifizieren, die bei der Anaerobstufe bei normaler Laboranalytik durch Sauerstoffzutritt verfälscht würden. Gerade diese anaeroben Intermediate beeinflussen die Arbeitsweise der folgenden Aerobstufe.?Bei der mikrobiologischen Behandlung von Textilfarbstoffwässern mit hohem Gehalt an Reactive Black 5 (RB5), einem z.B. im Jeansfarbstoff Navy Blue industriell sehr häufig eingesetzten Azofarbstoff, wurden neue reaktionsmechanistische Erkenntnisse gewonnen, die zur Verfahrensoptimierung und zur Absicherung eines vollständigeren Abbaus genutzt werden.

Verfahrenstechnische und analytische Methodenentwicklung

In industriellen und kommunalen Kläranlagen werden bestimmte Summenparameter wie der pH-, der CSB- oder der AOX-Wert online gemessen. Diese lassen kaum Rückschlüsse auf die Eliminierung von Einzelsubstanzen zu. Daher ist die Entwicklung selektiver prozessintegrierter Online-Analysensysteme für die Verfahrensentwicklung, die Verfahrensoptimierung und möglichst auch die produktions- bzw. prozessintegrierte Qualitätskontrolle wünschenswert. Für Fermentationsprozesse werden bereits online-HPLC-basierte Monitoring- und Steuerungssysteme eingesetzt. Eine massenspektroskopische Analyse, die eine Strukturaufklärung von einzelnen Substanzen und Abbauprodukten ermöglicht, ist aus komplexer biologischer Matrix wie dem anaerob/aeroben Schlamm schwierig. Sulfonierte Farbstoffe selbst sind massenspektroskopisch schwer ionisierbar und erfordern den bisher wenig untersuchten negativen Ionisierungsmodus. In Abwasserkonzentraten stört neben den generell hohen Konzentrationen an Begleitstoffen besonders der hohe Salzgehalt die massenspektroskopisch notwendige Ionisierung der Proben.

In Abb. 1 ist der Aufbau des entwickelten reaktorgekoppelten Online-Analysensystems illustriert, das diese Probleme weitgehend zu lösen vermag. Die mikrobiologische Behandlung der RB5 enthaltenden Textilfarbwässer erfolgt in zwei 40-Liter-Reaktoren mit anaerobem bzw. aerobem Schlamm, der auf Aktivkohle aktivierten Polyurethanschaumwürfeln immobilisiert wurde. Das stabilisiert die den Konzentraten ausgesetzte Kultur und erleichtert die Online-Probenahme. Im ersten anaeroben Reaktor wird durch Azobrückenöffnung die möglichst vollständige Farbstoffreduktion realisiert, die einmal indirekt möglich ist durch enzymatisch erzeugte Redoxmediatoren und zum anderen direkt durch biogene Reduktoren wie dem Schwefelwasserstoff, der so vollständig gebunden wird. In der aeroben Stufe erfolgt die oxidative Behandlung, die zu weiterem Abbau und vollständiger Entfärbung führen soll.

Die Rückhaltung von Festpartikeln oder nichtimmobilisierten Bakterien und die hydrodynamische Verweilzeit schwerabbaubarer Substrate werden am Auslauf der aeroben Reaktorstufe durch Ultra- bzw. Mikrofiltrationsmembranzellen bestimmt. Das gesamte Zweistufenreaktorsystem wird durch eine klassische Prozesskontrolleinheit gesteuert, die die Summenparameter Zu- und Abfluss, pH-Wert, Redoxpotenzial, Sauerstoffgehalt und Leitfähigkeit permanent erfasst. Für das substanzspezifische LC-MS-Monitoring sind beide Reaktoren mit Inline-Mikrofiltrationsprobenahmesonden ausgestattet. Diese versorgen kontinuierlich über die 1/16-Zoll-Peak-Kapillaren eines Bypass-Kreislaufsystems die LC-MS mit pumpengeförderter, partikelfreier Probenflüssigkeit aus den Reaktorstufen. Die Probenahme erfolgt so vollautomatisch über ein programmgesteuertes Sechswegeventil wahlweise aus der Anaerob- bzw. Aerobstufe. Manuelle Probenanreicherungsschritte entfallen, da das Verfahren so geführt wird, dass der Reaktor die interessierenden Intermediate und Abbauprodukte entsprechend konzentriert anbietet.

Es kann gewährleistet werden, dass das Mikrofiltrations-Inline-Probenahmesystem keine Retention für gelöste Substanzen zeigt, auch bei Anwesenheit von kolloidal gelöstem molekularem Schwefel robust schwebstofffreie Proben liefert und die Mikrofiltrationsmembranstufen nur wöchentlich gereinigt werden müssen. Das eigentliche LC-MS-Monitoring-System stellt ein mehrdimensionales Analysensystem dar, wie es nötig ist, um eine Trennung und Detektion sowohl polarer als auch unpolarer, sowohl farbiger als auch farbloser, sowohl höhermolekularer als auch niedermolekularer Substanzen zu bewältigen. Es besteht aus drei Einheiten: einem Agilent 1100 HPLC-DAD-Gradientensystem, einer ionenchromatographischen Kationensuppressoreinheit von Metrohm und einem Qtrap Hybrid-Massenspektrometer von Applied Biosystems mit ESI (Elektronenstoßionisation) und APCI (Atmospheric Pressure Ionisation).

Entwicklung von zwei optimierten Trennmethoden

Um die breite Palette der interessierenden Substanzen aus komplexer Konzentratmatrix hinsichtlich der Aufklärung ihrer Struktur abdecken zu können, wurden für die LC-DAD-Analyse zwei unterschiedlich optimierte Trennmethoden entwickelt: eine mit besonders hoher polarer Selektivität für polysulfonierte Azofarbstoffe und nichtsulfonierte aromatische Amine, die die Verwendung auch rein wässriger Gradientenabschnitte mit Acetat- oder Formiatpuffern und den direkten Anschluss des Massenspektrometers ermöglicht.

Daneben ist eine zweite Methode auf der Basis einer ionenpaarchromatographischen (IPC) Gradiententrennung mit Tetrabutylammoniumacetat (TBAAc) unverzichtbar. Sie wird für kurze 3µm-C18 -Phasen und in Kombination mit der Vorschaltung der ionenchromatographischen Kationensuppression (IC) vor der Massenspektrometrie eingesetzt. Für sulfonierte Verbindungen ist der negative Ionisierungsmodus der MS besonders geeignet, und die Kationensuppression hilft Ionisierungsstörungen durch die Matrix zu vermeiden. Die Kationensuppression entfernt die hohe Salzfracht aus der Bioreaktorprobe und die TBA-Kationen der Gradientenelution. Insgesamt ist die MF-IP-HPLC-DAD-IC-ESI-MSMS im Routinebetrieb stabiler als die MF-HPLC-DAD-ESI-MSMS und für kleine einfach sulfonierte aromatische Amine besonders geeignet.

Die gesamte Analysendauer für TBAAc-Ionenpaarchromatographie mit anschließender IC-Kationensuppression und ESI-MSMS konnte für kurze Bischoff-AQ-Säulen auf 15 Minuten reduziert werden, was das substanzspezifische Monitoring aus beiden Bioreaktoren im Halbstundentakt ermöglicht. Die Auswertung und Interpretation der gewonnen DAD- und MS-Daten macht den wesentlich aufwendigeren Teil der Arbeiten aus.

Insgesamt konnte eine sichere, automatisierte Methode für das qualitative und quantitative Online-Monitoring von biologischen Azofarbstoffabbauprozessen als Mikrofiltrations-Ionenpaar-HPLC-DAD-Ionensuppressions-ESI-MSMS-Reaktorkopplung etabliert werden. Die quantitative Validierung erfolgte mit konzentrierten Farbstoffhydrolysaten in Realmatrix angenäherter Salzlösung von bis zu 20 g/L NaCl und Na2SO4 aus der Biomasse an 15 ausgewählten Substraten und bekannten Intermediaten. Qualitativ wurden allein für das die Farbabwasserkonzentrate dominierende RB5 an die 40 verschiedene Ausgangssubstrate und Abbauprodukte gefunden. Die Strukturanalysen wurden mit Hilfe der gezielten MS-Analyse von Molpeaks, Vorläufer- und Produkt-Ionen-Peaks sowie von Fragmentierungsmustern, die für den negativen Ionisierungsmodus in der Literatur noch kaum beschrieben sind, abgesichert.

Ergebnisse des kontinuierlichen Online-LC-MS-Monitoring

Es konnten eine Vielzahl von kinetischen und mechanistischen Daten ermittelt werden, von denen wichtige Abbauprodukte und Reaktionsmechanismen in Abb. 2 zusammengefasst sind. Im Textilabwasserkonzentrat aus der Reaktivfärbung mit dominierendem Reaktive Black 5 liegen hauptsächlich das Farbhydrolysat und bestimmte Nebenkomponenten vor, z.B. Nebenkomponenten mit noch einem reaktiven Vinylanker. Dadurch können im Zulauf der biologischen Behandlungsstufe auch höhermolekulare Verbindungen auftreten als dem Ausgangsfarbstoff entspricht. So konnte erstmalig ein RB5-Hydrolysat mit Di-p-Base-Ether-Anlagerung und Molekulargewicht von 926 nachgewiesen werden.

Hauptabbauprodukte der anaeroben Behandlungsstufe sind p-Base und Tri-amino-hydroxynaphthalin-disulfonsäure (TAHNDS), die als „degradation product 1“ (DP1) vorhergesagt wurde, nun aber eindeutig verfolgt werden konnte. DP1 wird nur bei vollständiger Reduktion gebildet, wenn beide Azobrücken geöffnet werden. Kommen Produkte mit noch einer intakten Azobrücke in die Aerobstufe, so belastet das die Entfärbeleistung der oxidativen Stufe. Insgesamt sinkt die Entfärbeleistung, und die hydrodynamische Gesamtverweilzeit steigt drastisch.

Es wurde festgestellt, dass die anaerobe Reduktion ein zweistufiger Prozess ist, bei dem zunächst nur eine Azobrücke geöffnet wird, was mit dem Redoxpotenzial und dem Zulauf korreliert (siehe Tabelle 1). Die absolute Farbstoffkonzentration ist dabei nicht so entscheidend wie die Raumbelastung. Es war möglich, mit der vorhandenen adaptierten anaeroben Schlammkultur zu Raumbelastungen von bis zu 4 mMol pro Liter und Tag zu kommen, solange das Redoxpotenzial unter ?-200 mV lag. Dann ist insgesamt für diese Konzentrate bei einer relativ geringen hydrodynamischen Verweilzeit von 3-4 Tagen noch eine Entfärberate von 95% möglich. Liegt das Redoxpotenzial im Anaerobreaktor höher, so steigt die Zahl der Anaerobintermediate, die aerob schwer abbaubar sind.

Die Korrelation mit Zulauf und Redoxpotenzial ermöglicht eine durch Monitoring gesteuerte Verfahrensoptimierung, z.B. über Co-Substratgaben wie Ethanolzusatz und Zulaufregulation in der anaeroben Behandlungsstufe. Während DP2 vorhergesagt wurde, liefert das LC-MS-Monitoring der Abbauprozesse in der aeroben Schlammkultur ebenfalls bisher unbekannte Intermediate, z.B. die Autoxidationsprodukte DP3 und DP4 (siehe Abb. 2). Es konnte gezeigt werden, dass die Aerobstufe in der Lage ist, Substanzen wie p-Base, Vinyl-p-Base, Di-p-Base-Ether oder Sulfanilsäure nach entsprechender Adaption abzubauen. Der Abbau sulfonierter aromatischer Amine ist langsamer als der von aromatischen Aminen, aber er ist möglich. Substanzen wie DP3 und DP4 können aber nicht weiter abgebaut werden.

Diese Verbindungen erscheinen im Auslauf, und wir schreiben ihnen nicht nur Teile der sichtbaren Restfarbigkeit zu, sondern halten sie für die Hauptverursacher der häufig beobachteten sogenannten „Rückverfärbung“ nach der anaeroben Entfärbung. Ein Problem sind auch bestimmte Nebenprodukte der Farbstoffsynthese wie 2-[2-(4-Amino-benzen-sulfonyl)-ethoxy]-ethan-sulfonsäure, die normalerweise nur in sehr geringen Mengen im Färbebad vorkommen, im anaerob-aeroben Behandlungsprozess aber verstärkt werden. Insgesamt positiv ist, dass es jetzt generell möglich ist, nicht nur vorgeschriebene Farbzahlen für die interessanten Spektralbereiche im UV Bereich und besonders im sichtbaren Bereich zu verwenden, sondern Substanzen individuell und strukturell im Zulauf, in den biologischen Behandlungsstufen und im Auslauf zu identifizieren und ihr gesamtes Absorptionsverhalten und ihre anaerobe und/oder aerobe Abbaubarkeit einzeln zuzuordnen.

Abb. 3 illustriert die substanzspezifische und quantitative Zuordnung der Restfarbigkeit des biologisch behandelten RB5-Abwasserkonzentrates durch das LC-DAD-MS-Monitoring. Hervorzuheben ist noch, dass zwischen Entfärbbarkeit und Abbaubarkeit deutlich unterschieden werden muss. Die „Restfarbigkeit“ im anaeroben Reaktor bedeutet nicht unbedingt, dass noch der reine Farbstoff vorhanden ist, sondern die neuen reduzierten Intermediate haben ebenfalls Absorptionsbanden, die zu blauer Farbigkeit beitragen können. Andererseits bedeutet eine weitgehende Entfärbung im aeroben Auslauf nicht, dass eine wirkliche Mineralisierung der Farbstoffe stattgefunden hat. Es wurde noch ein relativ hoher Anteil an Aromaten und kondensierten Aromaten beobachtet, die sich nur teilweise durch „Rückverfärbungsphänomene“ oder durch hohe UV-Absorptionen verraten und deren potenzielle toxische Umweltgefährdung damit noch nicht erfasst wird. Das beschriebene LC-MS-Monitoring kann aber der stoffspezifischen Verfahrensoptimierung dienen und die Entwicklung weiterer Verfahrensschritte zur vollständigen Mineralisierung kontrollierend begleiten.

Online-LC-MS ermöglicht substanzspezifische Zuordnung

Das beschriebene biologische Verfahren erlaubt im Maßstab von zwei 40-Liter-Reaktorstufen die Reinigung von Farbkonzentraten mit z.B. bis zu etwa 10-15 g/L Reaktive Black 5 bis zu einer Entfärbung auf etwa 95 Prozent, was den Anforderung des Anhang 38 der Abwasserverordnung bzw. den BMU-/LAGA Hinweisen und Erläuterungen zu Anhang 38 vom Januar 2004 genügt. Die beschriebene Online-LC-MS-Methode ermöglicht darüber hinaus die substanzspezifische Zuordnung von Farbigkeit und Abbaubarkeit. Es kann zwischen Restfarbigkeit und Rückverfärbungen unterschieden werden und der Abbau strukturanalytisch, stoffspezifisch kontrolliert und optimiert werden.

Trotz der guten Entfärbeleistung weisen die gereinigten Wässer noch einen hohen Anteil an relativ hochmolekularen organischen Verbindungen auf, deren Struktur nun klarer wird. Prinzipiell ist die Reaktor-LC-MS-Anlage dazu geeignet, reaktionsmechanistische Informationen zu liefern, die über Prozessparameter wie das Redoxpotenzial eine Optimierung und Steuerung der Wasserbehandlung ermöglichen können.

Das hier vorgestellte Online-LC-MS-System ist durch konsequenten Einsatz von Mikrofiltrationssonden und -stufen sowie der ionenchromatographischen Kationensuppression zwischen LC- und MS-Einheit robust und kontinuierlich vollautomatisiert einsatzfähig. Es ist beabsichtigt, dieses Potenzial weiter auszubauen, um z.B. durch FUZZY-geregelte Co-Substratgaben an die Reaktorstufen gemäß LC-MS-Monitoring von kritischen Intermediaten auch den biologischen Abbau anderer Farb- oder Schadstoffe zu untersuchen und zu verbessern.

DIE AUTORIN

Prof. Dr. Astrid Rehorek: 1974-1978 Chemiestudium, Fachstudienrichtung Synthesechemie, Industriesemester Verfahrenstechnik in Leuna Merseburg, Universität Leipzig; 1978-1982 wissenschaftliche Assistentin im Wissenschaftsbereich Anorganische Chemie der Sektion Chemie, Universität Leipzig; 1982 Promotion im Bereich der Arbeitsgruppe Photochemie Universität Leipzig; 1983-1991 Wissenschaftliche Assistentin am Institut für Pathobiochemie des Bereiches Medizin,Postgradualstudium „Fachchemiker für Medizin“, UniversitätLeipzig; 1991-1996 Industrielle Applikationschemikerin und Projektmanagerin, Merck KGaA; 1996 Ernennung zur Professorin für das Fach Chemie im Fachbereich Anlagen- und Verfahrenstechnik, Lehrfächer Chemie, Chemische Verfahrenstechnik, Instrumentelle Analytik, Prozessanalytik, Fachhochschule Köln; 1999 Leiterin des Arbeitskreises Analytik der Fachhochschule Köln; 2004 Leiterin des Forschungsclusters „Wasser und Wassertechnologien“ der Fachhochschule Köln.

Die Autorin dankt ihrem Arbeitskreis, insbesondere dem Doktoranden Alexander Plum, für die engagierte, vielschichtige Arbeit zum beschriebenen Projekt und dem Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes NRW für die Finanzierung und Förderung.

* Fachhochschule Köln, Fakultät 09, Institut für Anlagen- und Verfahrenstechnik, Betzdorfer Straße 2, 50679 Köln

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