Suchen

Biotests zum Monitoring der Spurenstoffadsorption mit granulierter Aktivkohle

Vier Schritte vorwärts in der Abwasserreinigung

Seite: 2/2

Firmen zum Thema

Ergebnisse & Diskussion

Tab.1: Übersicht des Spurenstoffspektrums der organischen Analytik sowie statistische Kenngrößen der Spurenstoffkonzentration im Zulauf der Adsorber der beiden Fallstudien KA AOL und KA Putzhagen.
Tab.1: Übersicht des Spurenstoffspektrums der organischen Analytik sowie statistische Kenngrößen der Spurenstoffkonzentration im Zulauf der Adsorber der beiden Fallstudien KA AOL und KA Putzhagen.
(Bild: LABORPRAXIS)

Die erzielten Ergebnisse verdeutlichen, dass die drei untersuchten Kläranlagen über eine sehr gute Reinigungseffizienz ihres Abwassers verfügen. Durch den Einsatz der Aktivkohle als weiterführende Reinigungsstufe konnten die geringen Spurenstoffkonzentrationen zudem weiter verringert werden (s. Tab. 1).

Für alle ausgewählten Leitsubstanzen der Gruppe der Antibiotika und Betablocker, der Gruppe andere Humanpharmaka (Analgetikum und Antikonvulsivum) und der Gruppe Korrosionsschutzmittel der KA Rodenkirchen zeigte der mit Aquasorb 5000 bestückte Adsorber, die bessere Eliminationsleistung verglichen mit der GAK Hydraffin AR.

Auf der KA AOL nahm für alle ausgewählten Leitsubstanzen mit fortschreitenden Bettvolumina (BV) die Elimination kontinuierlich ab. Eine Desorption konnte für N4-Acetylsulfamethoxazol, Sulfamethoxazol, Diclofenac, Ibuprofen und Naproxen aufgezeigt werden.

Auf der KA Putzhagen war für Sulfamethoxazol die Elimination mit fortschreitenden Bettvolumina (BV) beider Großadsorber rückläufig und für N4-Acetylsulfamethoxazol und Clarithromycin war sie schon von Beginn an nur mäßig gut. Die Elimination von Diclofenac und Naproxen war in den beiden Großadsorbern bis zum Ende des Untersuchungszeitraumes mit mehr als 20.000 BV sehr gut und langzeitstabil. 1H-Benzotriazol und 4-Methylbenzotriazol sind gut wasserlöslich und schwer abbaubar. Dennoch gelang ein effektiver Rückhalt beider Spurenstoffe bis zu einem durchgesetzten Bettvolumen von ca. 17.000 m3 Wasser/m3 Aktivkohle in beiden Großadsorbern.

In den umfangreichen Testreihen an verschiedenen GAK-Adsorbern mit unterschiedlichen Abwasserzusammensetzungen konnte im Ablauf der Adsorber nur selten ein öko-toxikologischer Effekt nachgewiesen werden. Dies kann teilweise auf die hohen Nachweisgrenzen in den Biotests zurückgeführt werden. Für einzellige Primärproduzenten (Algen), Süßwasserkrebse (Daphnien) und Primärproduzenten (Wasserlinsen) wurden in Einzelbefunden Überschreitungen der Wirkschwellen festgestellt und führten nicht zu einer schlechteren Einstufung der Wasserqualität an den jeweiligen Kläranlagenabläufen.

Abb.2: Hauptkomponentenanalyse der absoluten Konzentration der Spurenstoffe. Abläufe Nachklärung (gefüllte Symbole, mit „Z“ gekennzeichnet), Abläufe Adsorber (offene Symbole), rot: KA Rodenkirchen (ROK), grün: KA des Abwasserverbands Obere Lutter (AOL), blau: KA Putzhagen (PUH), Pfeile: Spurenstoffe, IBU: Ibuprofen, ATE: Atenolol, SOT: Sotalol, MET: Metoprolol, NAP: Naproxen, SMX: Sulfamethoxazol, CBZ: Carbamazepin, CLA: Clarithromycin, MBT: 4-Methylbenzotriazol, ASMX: N4-Acetylsulfamethoxazol
Abb.2: Hauptkomponentenanalyse der absoluten Konzentration der Spurenstoffe. Abläufe Nachklärung (gefüllte Symbole, mit „Z“ gekennzeichnet), Abläufe Adsorber (offene Symbole), rot: KA Rodenkirchen (ROK), grün: KA des Abwasserverbands Obere Lutter (AOL), blau: KA Putzhagen (PUH), Pfeile: Spurenstoffe, IBU: Ibuprofen, ATE: Atenolol, SOT: Sotalol, MET: Metoprolol, NAP: Naproxen, SMX: Sulfamethoxazol, CBZ: Carbamazepin, CLA: Clarithromycin, MBT: 4-Methylbenzotriazol, ASMX: N4-Acetylsulfamethoxazol
(Bild: IWW Rheinisch-Westfaelisches Institut für Wasser)

Mithilfe verschiedener statistischer Analysen wurden die mittels chemischer Analytik beobachteten Unterschiede in der Spurenstoffelimination bestätigt. So konnte aufgezeigt werden, dass die Zusammensetzung der Spurenstoffbelastung im Ablauf Nachklärung der KA Putzhagen und AOL ähnlich ist, sich aber deutlich von der KA Rodenkirchen abgrenzt (s. Abb. 2). Dieser Unterschied kann nicht abschließend geklärt werden, da als Ursachen u.a. die Struktur des Einzugsgebiets, der Fremdwasseranteil, der Anteil kommunalen und industriellen Abwassers sowie regional geprägte Verschreibungspraxen der niedergelassenen Ärzte in Betracht gezogen werden können. Für Kläranlagen mit ausreichender Adsorbereffektivität (> 0,8) stellt eine lineare Korrelation ein angemessenes Modell zur Vorhersage der Adsorbereffektivität aus dem durchgesetzten Bettvolumen dar. Diese kann z.B. mithilfe von Generalisierten Linearen Modellen (GLM) oder der Partial Least Squares Regression (PLS) realisiert werden. Da hier insgesamt nur wenige Wirkungen in den durchgeführten biologischen Testverfahren auftraten, war der Datensatz nicht aussagekräftig genug, um einen Zusammenhang zwischen den biologischen und chemischen Messdaten darzustellen.

Wirtschaftlichkeitsberechnung

Unter Annahme eines einheitlichen spezifischen Personalkostensatzes (inkl. Lohnnebenkosten) von 68.000 €/Jahr (brutto) sowie einem spezifischen Energiekostensatz von 0,18 €/kWh (brutto) wurden basierend auf bestehenden Kostenberechnungen aus Vorgängerprojekten zu den KA AOL und Putzhagen fixe Personalkostenbestandteile für Administration (Bestellung/Abrechnung) und Laboranalytik sowie von der Anzahl der GAK-Wechsel abhängige, variable Personal-, Energie- und Aktivkohlekostenbestandteile für unterschiedliche Betriebsszenarien der Filterstufen auf den beiden Kläranlagen bestimmt. Im Ergebnis liegen die spezifischen Betriebskosten der GAK-Filtration auf der KA Putzhagen bei 8 bis 10 Cent/m3 aufbereitetes Abwasser und auf der KA AOL bei 9 bis 10 Cent/m3. Der Großteil der spezifischen Kosten wird dabei in Übereinstimmung mit bisherigen Erhebungen von den Kosten zur Beschaffung bzw. Reaktivierung der Aktivkohle verursacht. Werden die einzelnen Filter jedoch nicht gleichzeitig, sondern versetzt in Betrieb genommen, sodass Verschneidungseffekte der Einzelfiltrate im Sammelfiltrat genutzt werden können, lassen sich die individuellen Filterlaufzeiten deutlich erhöhen. Auf die spezifischen Betriebskosten wirkt dies unmittelbar kostensenkend.

Basierend auf der Annahme einer monatlichen Überprüfung von 24-h-Mischproben aus dem Sammelfiltrat der fünf umgerüsteten Filterkammern der KA AOL sowie der zwei umgerüsteten Filterkammern auf der KA Putzhagen erhöhen sich die spezifischen Monitoringkosten bei monatlicher Anwendung der Biotestbatterie in beiden Fallstudien um 0,7 bis 0,9 Cent/m3 aufbereitetes Abwasser.

Aufgrund der erhöhten Kosten und der fehlenden (öko-) toxikologischen Effekte im Ablauf der GAK-Adsorber lässt sich die Installation der Biotestbatterie zur Überwachung der beiden untersuchten KA-Abläufe derzeit nicht rechtfertigen. Sollte sie dennoch zur Anwendung kommen, wäre insbesondere die Notwendigkeit des kostenintensiven Lemna-Wachstumshemmtest zu hinterfragen. Es empfiehlt sich eine zweistufige Anwendung nach dem „Wenn-Dann-Prinzip“, sofern dieser Test auf der nachgelagerten Ebene liegen kann und somit anzunehmen ist, dass er nicht für alle Probenentnahmen durchgeführt werden muss. So ließen sich die spezifischen Kosten der Biotestbatterie bestenfalls halbieren.

Fazit

Mit allen in den Kläranlagen eingesetzten Aufbereitungsverfahren, die granulierte Aktivkohle (GAK) als Adsorbens nutzen, war eine sehr effektive Verminderung von organischen Spurenstoffen möglich.

Die Versuche verdeutlichen, dass Primärproduzenten empfindlich auf die Abwasserinhaltsstoffe im Zu- und Ablauf der GAK-Filter reagieren. Zur Ermittlung genotoxischer Wirkungen sollte zudem die Untersuchung von angereicherten Proben in Betracht gezogen werden. Die Bestimmungsgrenze des ER-CALUX ist mit 0,7 ng EEQ/L so sensitiv, dass östrogene Wirkpotenziale über die native Probe erfassbar sind.

Tab.2: Fließschema der verwendeten Biotests von der zellulären Ebene bis hin zu Primärkonsumenten.
Tab.2: Fließschema der verwendeten Biotests von der zellulären Ebene bis hin zu Primärkonsumenten.
(Bild: IWW, LABORPRAXIS)

Die gewählte Biotestbatterie (s. Tab. 2) umfasst organismische Biotestverfahren, wie sie bereits in der Abwasserprüfung eingesetzt werden und entspricht dem Vorschlag einer modularen Biotestbatterie für das aquatische Umweltmonitoring von Schmidt et al. (2018) [1]. Trotz prinzipieller Eignung der eingesetzten Biotestbatterie bezogen auf die gewählten Endpunkte kann festgehalten werden, dass im Langzeitbetrieb von Aktivkohleadsorbern chemische Parameter vor biologisch wirksamen Aktivitäten durchbrechen. Somit ist aufgrund der deutlich niedrigeren Nachweisgrenzen die Analytik chemischer Parameter zur Kontrolle von GAK-Filtern derzeit noch die Überwachungsmethode der Wahl.

Kriterien zur Bewertung des Durchbruchs chemischer Parameter werden aktuell unterschiedlich angelegt, bezüglich des Stoffspektrums und der einzuhaltenden Ablaufkonzentrationen. Hier besteht noch Abstimmungsbedarf seitens der Behörden, auch hinsichtlich der Frage von ggf. vorhandenen Mischungstoxizitäten. Da sich in den durchgeführten Algen- und Wasserlinsentests bereits deutliche Unterschiede zwischen den Organismen gezeigt haben, ist zu empfehlen weitere Pflanzentests zu betrachten. Makrophyten wie Myriophyllum sp. (Tausendblatt) oder Glyceria maxima (Wasserschwade), welche für die Pflanzenschutzmitteltestung im Gespräch sind, könnten eventuell noch sensitiver reagieren und als Monitoringinstrument geeignet sein. Forschungsbedarf besteht zudem in der Erarbeitung niedrigerer Nachweisgrenzen in den Biotests, wie dies z.B. mit dem ER-CALUX gelungen ist. Durch Reduktion der bislang umfangreichen Einzelstoffanalytik auf ausgewählte Parameter und der Ergänzung der wirkungsbezogenen Analytik könnte ein ganzheitlicher Ansatz nach dem Vorsorgeprinzip ohne erhebliche Kostenerhöhung durchgeführt werden.

Literatur

[1] Schmidt, S., W. Busch und R. Altenburger (2018): Biotestverfahren zur Abschätzung von Wirkpotenzialen in der aquatischen Umwelt – Vorschlag einer modularen Biotestbatterie für das aquatische Umweltmonitoring als Ergebnis einer systematischen Literaturrecherche und Bewertung. LUBW Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg.

* Dr. A. Simon, Prof. Dr. Elke Dopp, IWW Rheinisch-Westfälisches Institut für Wasser, 45476 Mülheim an der Ruhr

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 45368950)