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Biotests zum Monitoring der Spurenstoffadsorption mit granulierter Aktivkohle

Vier Schritte vorwärts in der Abwasserreinigung

| Autor / Redakteur: Dr. Anne Simon, Prof. Dr. Elke Dopp* / Dr. Ilka Ottleben

Abb.1: Mechanisch, biologisch, abiotisch-chemisch und dann? Wie könnte eine praktikable Lösung eines Monitorings für eine vierte Reinigungsstufe in der Abwasserreinigung aussehen?
Abb.1: Mechanisch, biologisch, abiotisch-chemisch und dann? Wie könnte eine praktikable Lösung eines Monitorings für eine vierte Reinigungsstufe in der Abwasserreinigung aussehen? (Bild: ©radiorio, © Kateryna_Kon , © sergey makarenko maxrosoftig, ©- stock.adobe.com)

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Aktivkohle gilt als vielversprechend für die Abwasserreinigung im Rahmen einer vierten Reinigungsstufe. Doch wie könnte eine praxistaugliche Lösung zur Bewertung der Spurenstoffadsorption an Aktivkohle aussehen und was ist mit dem Kosten-Nutzen-Verhältnis? Per wirkungsbezogener Analytik könnte ein ganzheitlicher Ansatz nach dem Vorsorgeprinzip entstehen.

Spurenstoffe wie Medikamentenrückstände stellen Kläranlagen vor große Herausforderungen. Die typischen drei Reinigungsstufen – mechanisch, biologisch und abiotisch-chemisch – sind nicht in der Lage diese vollständig aus den Abwässern zu entfernen. Derzeit viel diskutiertes Thema ist daher eine vierte Reinigungsstufe. Aktivkohle wird dabei als vielversprechendes Filtermaterial gehandelt. Doch wie kann eine praktikable Lösung hierfür aussehen?

Die vierte Reinigungsstufe auf dem Prüfstand

Zurzeit erfolgt die routinemäßige Überprüfung der Reinigungsleistung der vierten Reinigungsstufe, im speziellen Adsorptionsverfahren mit Aktivkohle, über die chemische Einzelstoffanalytik. Die Betrachtung der gesamten Wasserprobe im Sinne einer wirkungsbezogenen Analytik (analog zu einem Summenparameter) erfolgt hingegen nicht. Dabei ist nicht auszuschließen, dass sich das toxikologische Potenzial des gereinigten Wassers mit steigender Laufzeit nachteilig verändern kann, wenn Verdrängungseffekte zwischen organischen Einzelstoffen auftreten und nicht erkannt werden, bzw. wenn die Aktivkohle nicht rechtzeitig ausgetauscht oder reaktiviert wird. Aus diesem Grund lag der Fokus in dem vom Ministerium geförderten Forschungsvorhaben (Az.: 17-04.02.01-04b/201) ausschließlich auf der Effektivität und Filtratqualität granulierter Aktivkohle (GAK)-Festbettadsorber von drei verschiedenen Kläranlagen. Durch den Einsatz einer Biotestbatterie als Monitoringinstrument ergab sich neben der rein chemischen Analytik organischer Einzelstoffe die Möglichkeit einer ganzheitlichen Betrachtung der Wasserqualität.

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Wirkungsbezogene Analytik

Ziel des Projektes war es, bei der weitergehenden Abwasserreinigung nachzuweisen oder auszuschließen, dass neben dem zeitlich voranschreitenden Durchbruch einzelner organischer Spurenstoffe durch Aktivkohlefilter weitere Stoffe unentdeckt durchbrechen. Dadurch sollte eine schnelle Aussage über das toxische Verhalten des Filtrats möglich sein, sodass zeitnah auf Veränderungen der Wasserqualität im Ablauf der vierten Reinigungsstufe reagiert werden kann. Eine abschließende Wirtschaftlichkeitsberechnung umfasste sowohl den unterschiedlichen Betriebsablauf der Kläranlagen sowie die Effektivität des Einsatzes der Biotestbatterie. Zudem wurde mit statistischen Methoden ermittelt, inwiefern die Ergebnisse der chemischen und biologischen Analytik Auswirkung auf die maximale Lauf- bzw. Standzeit von GAK-Chargen in Filtern haben und somit Rückwirkung auf die Kosten der Verfahrensstufen haben.

Versuchsaufbau & Methoden

Drei Kläranlagen (KA) wurden in die Untersuchungen einbezogen:

  • KA Rodenkirchen mit 88.000 EW und zwei parallel betriebenen Adsorbern, die mit unterschiedlichen GAK (Aquasorb 5000 und Hydraffin AR) bestückt waren.
  • KA des ostwestfälischen Abwasserverbands Obere Lutter (AOL) mit 380.000 EW (Anschlussgröße von ca. 75.000 Einwohnern und 110.000 Einwohnergleichwerten) und drei parallel geschalteten Adsorbern mit Einfach- und Zweifach-Reaktivat Aquasorb 5000.
  • KA Gütersloh Putzhagen mit 150.600 EW (Anschlussgröße von 145.000 EW) und zwei GAK-Großadsorbern (einer bestückt mit Frischkohle, der andere mit Reaktivat des Typs Hydraffin AR) und einem Kleinadsorber mit Frischkohle des Typs Hydraffin AR, um den Einfluss einer höheren Filtergeschwindigkeit bzw. geringerer Leerbettkontaktzeiten untersuchen zu können.

Insgesamt wurden in den Zuläufen und Filtraten der Adsorber 108 Wasserproben mittels neun biologischer Prüfverfahren, die verschiedene Wirkebenen abdecken, untersucht. Zur Ermittlung der allgemeinen Zellschädigung wurde der MTT-Test durchgeführt, zur Ermittlung der östrogenen Wirkung der ER-CALUX und zur Detektion des genotoxischen Potenzials der umuC-Test (mit und ohne metabolischer Aktivität). Zum Nachweis phytotoxischer Wirkpotenziale wurden der Algen-Wachstumshemmtest und der Wachstumsinhibitionstest mit der Wasserlinse Lemna minor durchgeführt. Die Beurteilung der Umweltrelevanz eines Schadstoffs in Gewässern erfolgte anhand des Daphnientests. Daphnia magna als Primärkonsument stellt ebenfalls eine wichtige Rolle im limnischen Nahrungsnetz dar, da nur schwimmende Daphnien in der Nahrungskette von Wassertieren zur Verfügung stehen. Aliivibrio fischeri dient als Modellorganismus für die Biolumineszenz und repräsentiert die Destruenten (Zersetzer organischen Materials). Kombiniert mit dem akuten Leuchtbakterientest erlaubt der Zellvermehrungshemmtest den direkten Vergleich von akuter und chronischer Toxizität bei Betrachtung verschiedener Endpunkte (Biolumineszenz und Wachstumshemmung). Zusätzlich zu den biologischen Testverfahren erfolgte die Untersuchung einzelner anorganischer Parameter zum Ausschluss toxischer Effekte auf die Zelllinien sowie die Untersuchung von zwölf organischen Leitparametern.

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