Hembach, Norman (2021)
Vergleich ausgewählter Verfahren der weitergehenden Abwasserbehandlung auf Grundlage ihrer Reduktion von mikrobiellen Kontaminationen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00017623
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Antibiotikaresistente und fakultativ pathogene Bakterien stellen eine wachsende Gefahr für die öffentliche Gesundheit und Umwelt dar. Als letzte gemeinsame Barriere der unterschiedlichen Emissionsquellen, wie Abwässer aus Krankenhäusern, Pflegeheimen, Schlachtbetrieben, privaten Haushalten etc., ist die Kläranlage ein geeigneter Ort, um die Ausbreitung von Antibiotikaresistenzgenen und fakultativ pathogenen Bakterien in die Umwelt zentral zu minimieren. Da, trotz bestehender gesundheitlicher Risiken durch die bisherige Gesetzgebung keine allgemeinen und übergreifenden Regelungen für die Reduktion von fakultativ pathogenen Bakterien und Antibiotikaresistenzgenen durch die Kläranlagen existieren, sind die einzelnen Prozesse sowie die Betriebsweise existierender Kläranlagen nicht auf deren Rückhalt ausgelegt. Eine Grenzwerterhebung, wie sie für Spurenstoffe als sinnvoll erachtet wird, ist allerdings für Bakterien aufgrund ihres Vermehrungspotentials nicht zielführend. Die amerikanische National Blue Ribbon Commission schlägt aus diesem Grunde eine minimal zu erreichende Reduktion von 6 Log Stufen durch den gesamten Klärprozess vor. Vor diesem Hintergrund wird in dieser Arbeit, im Ablauf von sieben Kläranlagen, die Abundanz an 6 unterschiedlichen, an die Gruppe angelehnten, fakultativ pathogenen Bakterien (Enterokokken, Enterococcus faecalis, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii und Escherichia coli) sowie einer Auswahl von 14 Antibiotikaresistenzgenen mit unterschiedlicher gesundheitlicher Relevanz ermittelt. Es werden Resistenzen gegen veterinär genutzte Antibiotika, Resistenzen gegen Breitbandantibiotika, sowie aus hygienischer Sicht kritische Resistenzen gegen Reserveantibiotika unterschiedlicher Wirkungsklassen untersucht. Hierfür wurden neben der Methode der qPCR auch kulturbasierte Experimente sowie Metagenom Analysen und Isolate Charakterisierungen durchgeführt. Die untersuchten 7 Kläranlagen mit konventioneller Klärung bestehend aus mechanischer sowie biologischer Behandlung, wie sie in Deutschland verbreitet ist, sind in der Lage, fakultativ pathogene Bakterien und Antibiotikaresistenzgene um ca. 1,8 ± 0,6 Log Stufen zu reduzieren. Weiterhin wurde untersucht inwiefern jeweils eine: Pulveraktivkohlebehandlung mit nachgeschalteter Sandfiltration, Ozonbehandlung (1-2 g Ozon/g DOC), UV Bestrahlung (400 J/m² UV), sequentiellen Ozonbehandlung mit nachgeschalteter UV Bestrahlung (1-2 g Ozon/g DOC, 400 600 J/m²), Ultrafiltration (20 und 25nm) am Standort einer Kläranlage dazu beitragen können, die erforderliche Reduktion von 6 Log-Stufen zu erreichen. Als besonders effizient erwies sich die Ultrafiltration, welche eine Reduktion der mikrobiellen Kontaminanten von bis zu 7 Log Stufen erreichte. Der weitere Verbleib oder Möglichkeiten einer zusätzlichen Behandlung des, bei der Ultrafiltration entstehenden, stark belasteten und biologisch weiterhin aktiven Retentats, ist allerdings noch nicht geklärt. Die Verfahren der Ozonbehandlung erzielten, abhängig von den eingesetzten Ozonkonzentrationen und hydraulischen Verweilzeiten im Ozonkontaktreaktor, Reduktionen zwischen 1,5 und 3,5 Log-Stufen. Allerdings konnten einzelne fakultativ pathogene Bakterien und Antibiotikaresistenzgene identifiziert werden, welche sich als besonders robust gegenüber der Ozonung erweisen (z.B. P. aeruginosa). Durch eine sequentielle Ozonbehandlung und UV-Bestrahlung konnten synergistische Effekte beobachtet werden, welche die Reduktion von fakultativ pathogenen Bakterien und Antibiotikaresistenzgenen steigern und auch eine verstärkte Reduktion dieser robusten Spezies ermöglichen. Eine alleinstehende UV-Bestrahlung erzielte lediglich geringfügige Reduktionen der mikrobiellen Kontaminationen. Die ebenfalls auf ihre mikrobiologische Reduktionsleistung untersuchte, aber für die Spurenstoffelimination konzipierte, adsorptive Reinigung mittels pulverisierter Aktivkohle erzielte ebenfalls eine geringe Reduktion der untersuchten mikrobiellen Kontaminationen. Weiterhin wird deutlich, dass eine Kombination mehrerer Verfahren synergetische Effekte für die Reduktion mikrobieller Kontaminationen mit sich bringen kann. Eine Hygienisierung des Wassers, also eine vollständige Elimination aller mikrobieller Kontaminationen, ist mit den untersuchten Verfahren nur bedingt möglich. Mehrere Verfahren und Verfahrenskombinationen waren jedoch in der Lage, die Reduktion von fakultativ pathogenen Bakterien und Antibiotikaresistenzgenen im Laufe des gesamten Klärprozesses auf die erforderlichen 6 Log-Stufen anzuheben.

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