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wlb - Wasser, Luft und Boden 3/2017

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WASSER-/ABWASSERTECHNIK

WASSER-/ABWASSERTECHNIK Mikroschadstoffe und multiresistente Keime Neue Herausforderungen in der biologischen Abwasserreinigung Die zunehmende Verwendung von Antibiotika in der Tierzucht und Humanmedizin führt zu einer stetigen Zunahme von multiresistenten Keimen in der Umwelt. Da multiresistente Bakterien die Fähigkeit besitzen, ihre Resistenz auch auf andere Bakterienstämme zu übertragen, ist es nur eine Frage der Zeit, bis auch Multiresistenzen bei pathogenen Bakterienstämmen auftreten und damit ein gesundheitliches Risiko entsteht. Autoren: Dipl.-Ing. Werner Ruppricht, Senior Sales Director; M. Sc. Dominik Schreier, Technical Service Engineer; Microdyn-Nadir GmbH, Wiesbaden projekt namens HyReKA initiiert, das die Verbreitung antibiotikaresistenter Bakterien durch Abwasser erforscht. Inzwischen gehen auch einige Fachleute davon aus, dass die Problematik der Verbreitung von multiresistenten Keimen, aufgrund des höheren Risikos für die Gesundheit, ein größeres Problem im Vergleich zur Verbreitung von Mikroschadstoffen darstellt. Hotspots im Griff behalten Aufgrund der hohen Bakteriendichte in Kläranlagen und der Anwesenheit von Antibiotika, die beispielweise aus der Tierzucht, aus Krankenhäusern oder auch aus ambulanten Anwendungen stammen, bilden u. a. Kläranlagen eine Quelle für die Bildung und Verbreitung von multiresistenten Keimen – sogenannte Hotspots. Es zeichnet sich bereits ab, dass es bezüglich der Mikroschadstoffe eine Verschärfung der gesetzlichen Regelung und Festlegung von Grenzwerten für gereinigtes Abwasser vor der Einleitung in die aquatische Umwelt geben wird. Auch bezüglich der multiresistenten Keime ist es nur ein Frage der Zeit, bis auch hier Maßnahmen zur Minimierung des Eintrags durch Hygienisierung von Kläranlagenabläufen gefordert und umgesetzt werden. Eine Schlüsseltechnologie könnte hierbei die Membrantechnik sein, die multiresistente Keime wirksam abtrennt. Die momentan überwiegend eingesetzten Verfahrenskombinationen zur Abtrennung von Spurenstoffen sehen trotz deren Vorteile keine Membranfiltration vor. Das zurzeit hauptsächlich eingesetzte Verfahren zur Spurenstoffelimination beruht auf einer Kombination aus Aktivkohle mit nachgeschaltetem Sandfilter. Mit diesem Verfahren können zwar Spurenstoffe wie z. B. Arzneimittelrückstände im Ablauf von Kläranlagen reduziert werden, jedoch hat Nachdem die Entfernung von Mikroschadstoffen aus biologisch gereinigtem Abwasser stetig an Bedeutung gewinnt, gelangt auch zunehmend die Problematik der multiresistenten Keime in den Fokus der Öffentlichkeit. So finden sich zunehmend Berichte in den Medien, die sich mit dem Thema der Verbreitung multiresistenter Keime und den daraus entstehenden Gesundheitsrisiken beschäftigen. Renommierte Institute wie das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) oder die Technische Universität Dresden beschäftigen sich bereits seit längerer Zeit mit dieser Problematik und das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat ein Verbunddieses Verfahren den schwerwiegenden Nachteil, dass der Sandfilter eine Abtrennung von multiresistenten Keimen nicht gewährleisten kann. Darüber hinaus wird die Aktivkohle durch einen Sandfilter nicht sicher und somit nicht vollständig abgetrennt, sodass dieses Verfahren insbesondere bei sehr großen Kläranlagen zu einem erheblichen Eintrag von Aktivkohle in die Umwelt führen kann. Auch hier hätte die Membranfiltration wegen der sehr geringen Porengröße im Nanometerbereich (zwischen 2 und 100 nm) eindeutige Vorteile. Die ebenfalls für die Elimination von Spurenstoffe eingesetzte Ozonisierung oder auch andere oxidierende Verfahren haben zwar auf den ersten Blick den Vorteil, dass neben der Oxidation der Spurenstoffe auch multiresistente Keime abgetötet werden und als aktivkohlefreies Verfahren kein Eintrag von Aktivkohle in die Umwelt stattfindet. Bei näherer Betrachtung bilden sich bei Oxidationsverfahren sog. Transformationsprodukte, deren Wirkungsweise in der aquatischen Umwelt nicht abzuschätzen ist. In Bezug auf multiresistente Keime ist allerdings festzustellen, dass diese zwar abgetötet werden, jedoch ihre sog. Antibiotikaresistenzgene, die Träger der Antibiotikaresistenz, nach wie vor verfügbar sind und von lebenden Bakterien wieder aufgenommen werden können, wodurch sich erneut multiresistente Keime bilden. Das vorgestellte Membranverfahren kombiniert die Adsorption von Mikroschadstoffen an Aktivkohle mit einer Membranfiltration. Die Membranstufe übernimmt die Abtrennung der multiresistenten Keime und Aktivkohle. Somit gewährleistet dieses Verfahren nicht nur die Elimination von Mikroschadstoffen wie zum Beispiel Arznei ­ mittelrückständen, sondern auch die Abtrennung von multiresistenten Keimen an Klärwerksabläufen. 18 wlb 3/2017

02 Schematischer Aufbau der Anlage 01 Bio-Cel-L-Membranmodul Pilotprojekt an der Kläranlage Am Standort Hünxe betreibt die Emschergenossenschaft/Lippeverband eine kommunale Kläranlage mit einer Kapazität von 17 000 Einwohnergleichwerten, die sich in eine Membranbioreaktor-Anlage und eine konventionelle Anlage gleicher Kapazität aufteilt. Am Ablauf der konventionellen Anlage – bestehend aus einer mechanischen Vorbehandlung, einer Biologie und einer Nachklärung – wurden Versuche mit Aktivkohle und einem getauchten Bio-Cel-Membranmodul durchgeführt. Ziel der Versuche war es die prinzipielle Eignung des Verfahrens und dessen Wirtschaftlichkeit zu prüfen. Dabei wurde ein besonderes Augenmerk auf die erreichbare Flussleistung des Moduls und den Energieverbrauch gelegt. Des Weiteren wurden die Investitions- und Betriebskosten aus diesen Pilotversuchen abgeleitet. Der Ablauf der Nachklärung wurde in einen Misch- und Filtrationsbehälter geführt. In diesem Misch- und Filtrationsbehälter wurde Aktivkohle zudosiert und diese mittels dem getauchten Bio-Cel-Membranmodul abgetrennt. Für die Versuche wurden 10 bis 20 mg Aktivkohle je Liter Abwasser zu dosiert. Im Verlauf der Versuche wurde die Aktivkohlekonzentration im Filtrationsbecken bis auf 6,5 g/l erhöht. Die Module wurden zyklisch mit Filtration, Relaxation und Rückspülung betrieben und mit einer Querstrom-Belüftung wurde die Deckschichtbildung minimiert und die Aktivkohle aufgewirbelt. Eine chemische Zwischenreinigung mittels Rückspülung mit Chlor und/ oder Zitronensäure erfolgte nach Bedarf. Ergebnisse der Versuche Die Versuche zeigen die Eignung der Verfahrenskombination aus Aktivkohle und dem getauchten Bio-Cel-Membranmodul zur Abtrennung von Mikroschadstoffen und gewährleisten einen sicheren Rückhalt der Aktivkohle. Durch die Verwendung der Ultrafiltration ist auch eine Abtrennung von Keimen gegeben. Die Aktivkohlekonzentration wurde während des Versuches bis auf 6,5 g/l erhöht. Dabei zeigte sich bei höheren Aktivkohlekonzentrationen eine Zunahme der Permeabilität aufgrund der mechanischen Reinigungswirkung der Aktivkohle, die das Fouling an der Membranoberfläche reduzierte. Es wurde während der gesamten Versuchszeit kein negativer Einfluss der steigenden Aktivkohlekonzentration auf die Leistungsfähigkeit der Membranfiltration oder eine Veränderung des Aktivkohlerückhalts der Membran festgestellt. Das während des Betriebs auftretende Fouling an der Membran konnte durch die Rückspülung des Moduls mit Permeat nahezu vollständig entfernt werden. Der Anteil an irreversiblen, durch chemische Reinigung zu entfernenden Foulings war während der gesamten Versuchszeit von vier Monaten vernachlässigbar gering. Das Modul konnte mit einem Nettofluss von 31 LMH kontinuierlich betrieben werden und selbst die Reduktion der Querstrom- Belüftung um 50 % ergab unter diesen Bedingungen kein erhöhtes Fouling auf der Membran. Somit wurde keine Ab nahme der Permeabilität und damit verbunden kein erhöhter Reinigungsbedarf festgestellt. Vergleich mit anderen Verfahren Die Eliminationsleistung des Verfahrens bezüglich der Mikroschadstoffe ist vergleichbar mit der Verfahrenskombination aus Aktivkohle und Sandfilter, wobei durch die Membranfiltration die Aktivkohle sicher abgetrennt wird. Mithilfe der Kombination aus Aktivkohle mit Ultrafiltration konnte auch der DOC-Wert (gelöste, organische Verbindungen) des Ablaufs der konventionellen Kläranlage um 26 % und der chemische Sauerstoffbedarf um 32 % gesenkt werden. Eine erste Kostenabschätzung einer Aktivkohle/Ultrafiltrationsanlage nach dem vorgestellten Prinzip zum Nachrüsten einer konventionellen Kläranlage mit einer Kapazität von 75 000 EW ergibt einen Wert von rund 0,12 €/m³ behandeltes Abwasser. Vergleicht man diesen Wert mit dem im DWA-Themenheft T3/2015 „Möglichkeiten der Elimination von anthropogenen Spurenstoffen“ genannten Wert von 0,10 bis 0,25 €/m³ für eine Anlage bestehend aus Aktivkohledosierung/Fällung/Sandfiltration, so ist eine Wettbewerbsfähigkeit des Verfahrens gegeben. Die hier vorgestellte Verfahrenskombination aus Aktivkohle und getauchter Membranfiltration ist eine Alternative zum etablierten Verfahren der Aktivkohle/Fällung/Sandfiltration und hat seine Vorteile besonders im Hinblick auf die Abtrennung von multiresistenten Keimen und Mikroplastik und zudem ist ein vollständiger Rückhalt der Aktivkohle gewährleistet. Fotos: Fotolia, Microdyn-Nadir www.microdyn-nadir.de wlb 3/2017 19