Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Die Belastung der Gew\u00e4sser mit anthropogenen Spurenstoffen, (Antibiotika resistenten) Krankheitserregern und Mikroplastik hat aufgrund menschlicher Aktivit\u00e4ten und der fortschreitenden Urbanisierung in den letzten Jahren deutlich zugenommen. Kl\u00e4ranlagen stellen f\u00fcr diese oft wasserg\u00e4ngigen Schadstoffe einen m\u00f6glichen Eintragspfad dar. Auch wenn es derzeit noch keine \u00dcberwachungswerte f\u00fcr Spurenstoffe, resistente Keime und Mikroplastik f\u00fcr Kl\u00e4ranlagen gibt, wird die Einf\u00fchrung einer weitergehenden (vierten) Reinigungsstufe zur Elimination dieser Stoffe intensiv diskutiert und teilweise auch schon vorangetrieben, da die langfristigen Auswirkungen auf Gew\u00e4sser\u00f6kosysteme und den Menschen vor allem in Bezug auf den Eintrag und die Verbreitung von Antibiotikaresistenzen noch nicht ausreichend verstanden sind.<\/p>\n
Ziel dieses Projektes ist es, vertiefte Kenntnisse \u00fcber den R\u00fcckhalt Antibiotika-resistenter Bakterien (ARB) und Resistenzgene (ARG) mit einer Kombination aus Ultrafiltration (UF) mit Pulveraktivkohle (PAK)-Dosierung zu liefern. Dieser Ansatz geht \u00fcber die meisten bisherigen Bem\u00fchungen hinaus, die sich ausschlie\u00dflich mit dem Thema Spurenstoffreduktion besch\u00e4ftigen. Das Projekt verfolgt einen integrierten Ansatz, bei dem \u00fcber die vierte Reinigungsstufe zur Spurenstoffelimination (hier die PAK-Dosierung) hinausgegangen wird. Dabei wird eine direkte Integration einer f\u00fcnften Stufe f\u00fcr die Reduktion von Spurenstoffen in Kombination mit ARB\/ARG betrachtet.<\/p>\n
Eine Verfahrenskombination mit Membrantechnik ist f\u00fcr den R\u00fcckhalt von ARB\/ARG nur dann sinnvoll, wenn die Membran die letzte Behandlungsstufe darstellt. Somit bietet die hier zu untersuchende Verfahrenstechnik gegen\u00fcber granulierter Aktivkohle den Vorteil vor \/ in Kombination mit der Membran eingesetzt werden zu k\u00f6nnen. Mit diesem Konzept wird eine sehr flexible Betriebsweise durch die angepasste Dosierung von PAK m\u00f6glich und gleichzeitig stellt die Membran die Barriere f\u00fcr den R\u00fcckhalt der PAK und der ARB\/ARG dar. Die Ziele des Vorhabens begr\u00fcnden sich so auch aus den bisher nur wenigen Erfahrungen mit der Spurenstoffelimination mit dieser Verfahrenstechnik, die au\u00dferdem bisher noch nie in Kombination mit dem ARB\/ARG-R\u00fcckhalt getestet wurde. Das Projekt verfolgt drei Forschungsfragen:<\/p>\n
1. Abtrennung von ARB und ARG mit Ultrafiltration \u0096 was kann die Technologie leisten?
\n2. Verfahrenstechnische Entwicklung
\n3. Wirtschaftlichkeit und Abwasserabgabe<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenF\u00fcr das Projekt wurde in Zusammenarbeit mit den Entsorgungsbetrieben der Landeshauptstadt Wiesbaden (ELW) auf dem Hauptkl\u00e4rwerk (HWK) Wiesbaden (ca. 300.000 EW) eine von der Firma MANN+HUMMEL Water & Fluid Solutions (M+H) bereitgestellte Pilotanlage betrieben. Die Pilotanlage wurde mit Ablauf der Nachkl\u00e4rung beschickt und bestand aus PAK-Dosierung und Membranfiltration. F\u00fcr eine bessere \u00dcbertragbarkeit wurde ein gro\u00dftechnisches Modul verwendet. Die Pilotanlage war au\u00dferdem mit Sensorik ausgestattet, um m\u00f6glichst umfangreiche Daten zu erheben. Die Vorgehensweise im Projekt l\u00e4sst sich in Datenerhebung, Anlagenbetrieb und Datenauswertung gliedern. <\/p>\n
1. Datenerhebung zum HKW und zur Bewertung der Pilotanlage. Diese lassen sich in drei Kategorien einteilen:
\n\u0095 Klassische Abwasserparameter zur Bewertung der Pilotanlage (CSB, TOC\/DOC, P, TS, etc.).
\n\u0095 Spurenstoffmessungen mit Spurenstoffscreening (Zu- und Ablauf Kl\u00e4rwerk) und eine monatliche Routinebeprobung der Pilotanlage.
\n\u0095 Bestimmung von ARG in Proben vom Kl\u00e4rwerk und der Pilotanlage mit Next Generation Sequencing (NGS). <\/p>\n
2. Anlagenbetrieb als Kernst\u00fcck des Projektes mit Ablauf der Nachkl\u00e4rung des HKW. Es wurden unterschiedliche Betriebseinstellungen gefahren und verglichen um das Verfahren weiter zu entwickeln und (energetisch und verfahrenstechnisch) zu optimieren. Erste Vorversuche zur direkten Abtrennung von Pulveraktivkohle mit getauchten UF-Membranen waren vielversprechend, jedoch wurde die Verfahrenstechnik bisher nur in kleinem Ma\u00dfstab (25 m\u00b2 im Vergleich zu Serienmembranmodulen mit 480 m\u00b2) und ohne umfangreiche Optimierungen erprobt. Deshalb wurde die verfahrenstechnische Optimierung im Rahmen der Pilotierung mit einem Serienmembranmodul der Firma M+H durchgef\u00fchrt, um Fragen bez\u00fcglich des Luftbedarfs (Crossflow-Str\u00f6mung), der Reinigungsintervalle, der Leistungsf\u00e4higkeit (spezifischer Fluss) und des Energiebedarfs zu beantworten. Diese Optimierungen wurden in Kombination mit den Untersuchungen zur Reduktion der Spurenstoffe und ARB\/ARG durchgef\u00fchrt. <\/p>\n
3. Bewertung des Risikos f\u00fcr das Betriebspersonal da an vielen Stellen Kontakt zum Belebtschlamm besteht. <\/p>\n
4. Wirtschaftlichkeit und Abwasserabgabe: Bewertung der Pilotanlage hinsichtlich Wirtschaftlichkeit einer gro\u00dftechnischen Anlage (nach Upscaling) bzgl. Jahreskosten (Investitionen, Personal, Betriebsmittel) sowie zur Erreichung von einer evtl. Abwasserabgabenfreiheit (im Kontext einer weitgehenden CSB- und P-Elimination.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Im Projekt wurde eine Kombination aus Pulveraktivkohle (PAK)-Dosierung und Ultrafiltrationsmembran eingesetzt, um Antibiotikaresistenzgene (ARG) und Mikroverunreinigungen aus behandeltem Abwasser zu entfernen. In Laborversuchen wurden 13 verschiedene Pulveraktivkohlen auf ihre Adsorptionsleistung und m\u00f6gliche Auswirkungen auf die Membran getestet. Eine PAK wurde ausgew\u00e4hlt, basierend auf Kriterien wie dem CO2-Fu\u00dfabdruck; auch Lufteintrag und chemische Reinigung der Membran wurden optimiert.
\nUm die Effizienz der ARG- und Spurenstoffreduktion zu bewerten, wurden Referenzmessungen an der Kl\u00e4ranlage durchgef\u00fchrt. Etwa 50 % der Spurenstoffe im Ablauf lagen oberhalb der Bestimmungsgrenzen, und die Konzentration im Ablauf lag in Summe bei 118 \u00b5g\/l. Die ARG-Reduktion betrug insgesamt 1 Log-Stufe in der Kl\u00e4ranlage und ca. 3 Log-Stufen in der Pilotanlage.<\/p>\n
Langzeitdaten zeigten eine verbesserte Entfernung von ARG und Spurenstoffen durch die Pilotanlage. Die vorherrschende Antibiotikaklasse war die der multiresistenten ARG. Die PAK hatte jedoch keinen Einfluss auf die ARG-Reduktion. Die Reduktion der Spurenstoffe mittels PAK betrug \u00fcber 80 %. Unterschiede wurden bei der PAK-Dosierung und dem PAK-Typ festgestellt. PAK 12 ben\u00f6tigte 30 % weniger Aktivkohle, um 80 % der Spurenstoffe zu entfernen. Als \u00dcberwachungsparameter wurde der SAK254 untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass Benzotriazol zu \u00fcber 90 % und Amidotrizoes\u00e4ure nur maximal zu 30 % entfernt wurden. Die Betriebsbedingungen der Pilotanlage hatten keinen wesentlichen Einfluss auf die ARG- und Spurenstoffentfernung.<\/p>\n
F\u00fcr die Bewertung der ARG-Reduktionsleistung wurden die Probennahme und die Auswahl der ARG detailliert betrachtet. Dazu wurden auch Tages- und Wocheng\u00e4nge der ARG-Konzentrationen ermittelt und ausgewertet. Der Anteil Plasmid-basierter ARG variierte zwischen den Probenahmestellen. Insgesamt wurden 45 Plasmid-basierte ARGs detektiert, die nicht vollst\u00e4ndig entfernt wurden. Die ARG-Konzentration im Retentat betrug 4×10^4 Reads\/ml, im Zulauf 7×10^6 Reads\/ml und im Ablauf 1×10^5 Reads\/ml. Von den 37 klinisch relevanten ARG wurden maximal zehn in allen Proben detektiert. Das Auftreten von riskanten ARG nahm mit dem Kl\u00e4rprozess ab und das Expositionsrisiko reduzierte sich deutlich.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Das Projektkonzept und die Ergebnisse des Pilotbetriebs wurden in zahlreichen Presseterminen und Pr\u00e4sentationen erl\u00e4utert bzw. der interessierten \u00d6ffentlichkeit zug\u00e4nglich gemacht.<\/p>\n
Presseberichte:
\n23.05.22 mit der Presse zu den Ergebnissen \u0084Nicht sauber, sondern rein\u0093, Wiesbaden Kurier (25.05.22)
\n13.08.22 Tag der offenen T\u00fcr \u0084Bakterien bei der Arbeit\u0093, Wiesbaden Kurier (15.08.22)
\n15.11.22 25-j\u00e4hriges Jubil\u00e4um ELW \u0084Schmerzmittel und Viren aus dem Wasser filtern\u0093, Wiesbaden Kurier (18.11.22)<\/p>\n
Pr\u00e4sentationen hda:
\n21.09.21 Pressetermin am Hauptkl\u00e4rwerk Wiesbaden
\n02.11.21 Pr\u00e4sentation auf der Aachener Tagung
\n23.05.22 Pressetermin am Hauptkl\u00e4rwerk Wiesbaden
\n21.07.22 Pr\u00e4sentation f\u00fcr die Hessen Agentur am Hauptkl\u00e4rwerk Wiesbaden
\n13.08.22 Tag der offenen T\u00fcr am Hauptkl\u00e4rwerk Wiesbaden
\n13.09.22 Vortrag auf der IWA Word Water Conference in Kopenhagen
\n15.11.22 25-j\u00e4hriges Jubil\u00e4um der ELW <\/p>\n
Pr\u00e4sentationen TUDa:
\n21.09.21 Pressetermin am Hauptkl\u00e4rwerk Wiesbaden
\n23.05.22 Pressetermin am Hauptkl\u00e4rwerk Wiesbaden
\n30.03.22 Keynote Vortrag auf der 17th IWA Leading Edge Conference on Water and Wastewater Technologies, Reno, USA
\n14.08.22 Poster auf dem 18th International Symposium on Microbial Ecology (ISME 18), Lausanne, Schweiz
\n27.03.23 Vortrag auf der Tagung Spurenstoffe und Krankheitserreger im Wasserkreislauf (SUK 2023), Dechema, Frankfurt<\/p>\n
Zus\u00e4tzlich ist die Ver\u00f6ffentlichung der Daten in wissenschaftlichen Fachzeitschriften in Vorbereitung.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die Ergebnisse des Projekts zeigen, dass die Implementierung eines weitergehenden mit PAK und UF-Membran dazu beitr\u00e4gt, ARG und Spurenstoffe deutlich zu reduzieren und gleichzeitig auch hohe Eliminationsleistungen bei den Abwasser-Standardparametern (insbesondere CSB und Phosphor) zu erreichen, die sogar eine Befreiung von der Abwasserabgabe erm\u00f6glichen. Das Verfahren wurde energetisch optimiert, weist aber mit dem Wiesbadener Abwasser einen geringen Betriebsfluss auf (Energiebedarf eher hoch mit 0,1 kWh\/m\u00b3 f\u00fcr die UF). Die Reinigungen der Membran wurden optimiert um den Chemikalienbedarf zu reduzieren.<\/p>\n
Insgesamt wurde eine 80 %-Reduktion der Spurenstoffe durch die PAK Dosierung beobachtet. Die Pilotanlage lieferte eine h\u00f6here Reduktion der ARG im Vergleich zur Kl\u00e4ranlage und erreichte eine Reduktion der ARG-Konzentration um 3-Log Stufen. Plasmid-basierte ARG wurden dagegen weniger effizient entfernt als nicht Plasmid-basierte ARG. Die Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit einer differenzierten Analyse der verschiedenen ARG inklusive der Probenahmestrategie.<\/p>\n
Insgesamt ist dieses Verfahren bei den Investitionskosten vergleichbar oder g\u00fcnstiger als andere Verfahren (Ozonung, PAK und GAK-Anwendungen) und bietet eine h\u00f6here Reinigungsleistung hinsichtlich der ARG. Bei den Betriebskosten schlagen die Kosten f\u00fcr Energie und PAK zu buche. Mit Bruttobetriebskosten von < 0,1 \u0080\/m\u00b3 sind dieser aber auch in einem vergleichbaren Rahmen mit anderen Verfahrenstechniken.\n<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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