Zukünftige Herausforderungen in der Abwasserreinigung

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1 Zukünftige Herausforderungen in der Abwasserreinigung - Neue Schadstoffe erfordern neue Strategien Rolf-Alexander Düring Institut für Landschaftsökologie und Ressourcenmanagement Fachtagung

2 Neue organische Schadstoffe: Pharmaka endokrine Disruptoren Pharmaka Endokrin wirksame Verbindungen Antibiotika Analgetika Psychopharmaka Betablocker Lipidsenker Zytostatika u.a. Organozinn- Östrogene Verbindungen Clenbuterol Nonylphenol Antidiabetika Phthalate ß-Sitosterol Bisphenol A u. a. Phytoöstrogene Natürliche Hormone u. a. (nach Roßknecht et al., 2001)

3 Entdeckungen von Reproduktionswirkungen 1952 Methoxychlor; östrogene Wirkung auf Säuger 1954 Experimenteller Nachweis östrogen wirkender Pflanzeninhaltsstoffe 1960 DDT, DDE; Eischalenverdünnung bei Raubvögeln Seit 1960 Seit 1970 Seit 1980 Seit 1980 Seit 1992 DDT; Reproduktionswirkungen bei Vögeln und Säuger Östrogene Wirkung von PCB auf marine Säuger Organische Zinnverbindungen; Schädigung von Wassertieren, Vermännlichung von Wasserschnecken Rückgang der Aligatorenpopulation im Lake Apopka in Florida: Verschiedene Reproduktionsstörungen, verkümmerte männliche Reproduktionsorgane Kläranlagenabläufe; östrogene Wirkungen auf Fische (nach Fent, 2003)

4 Arzneimittelverbrauch in Deutschland Apotheken Krankenhäuser Paracetamol Metformin Ibuprofen Theophyllin Piracetam Allopurinol Amoxillin (UBA, 2003) Verbrauch in 2001 [Mg]

5 Arzneimittelverbrauch in Deutschland Apotheken Krankenhäuser Pentoxifyllin Carbamazepin Penicillin V Ranitidin Diclofenac Verapamil Metoprolol Cyclophosphamid (x 100) Ethinylestradiol (x 100) (UBA, 2003) Verbrauch in 2001 [Mg]

6 Entsorgung von Arzneimitteln Tabletten Flüssige Arzneimittel 2,1 6,8 5,8 11,8 1 13,1 8,3 56,6 84,3 10,2 Nein, nie ja, immer ja, häufig ja, manchmal ja, selten 15,7% bzw. 43,4% der Arzneimittel gelangen direkt in die Kanalisation! n = 1306 Frankfurter Institut für sozial-ökonomische Forschung (ISOE), 2006

7 Schicksal von Pharmaka und Hormonen (Ternes, 2000)

8 Eliminationsleistung konventioneller Kläranlagen 1,8 1,6 Carbamazepin Pentoxifyllin Phenazon Konzentration [µg L -1 ] 1,4 1,2 1,0 0,2 0,0 Zulauf Vorklärbecken Ablauf (Düring et al., 2006)

9 Bilanzierung eines Einzugsgebiets N O NH 2 7 8% der verabreichten Menge an Carbamazepin gelangen in den Vorfluter! (Düring et al., 2006)

10 Gruppen organischer Schadstoffe in Oberflächengewässern der USA (nach Kolpin et al. 2002)

11 Düfte in der Umwelt haben viele Funktionen Dufte Typen Ersatzmänner Ersatzstoffe teuer giftig?

12 Düfte in der Umwelt erfordern feine Detektoren kcounts min Galaxolid min Tonalid 0 Scans minutes Segment 1 Segment 2 Segment 3 Segment Segment

13 Hinweise: Sinkende Spermiendichte Sinkende Fruchtbarkeit beim Mensch? (Carlsen et al., 1992)

14 Belege: Missbildungen und Fehlfunktionen Infertilität, Feminisierung im gesamten Tierreich Vitellogenin-Induktion bei männlichen Regenbogenforellen (Jobling et al., 2003)

15 Die Kläranlage als Punktquelle 1. Biologischer Abbau Aerob anaerob 2. Sorption an Feststoffe Vorklärung (Primärschlamm) Belebung (Überschussschlamm) 3. Lösung im Wasser Austrag mit dem gereinigten Abwasser 4. Bildung aus anderen Stoffen Mikrobieller Umbau zu anderen wirksamen Stoffen (nach Theilen, 2004)

16 Elimination in der Kläranlage Konzentration Leicht abbaubarer Anteil schwer abbaubarer/eliminierbarer Anteil Zeit Abwasserentstehung Biologische Kanal Filtration Nachbehandlung Behandlung Vorfluter (nach Schröder, 2004)

17 Abwasserreinigungstechniken Konventionell (biologische und chemische Reinigung) Membranbelebungsverfahren Ultra- Nanofiltration (zur Nachbehandlung) UV-/Ozonbehandlung (advanced oxidation) Aktivkohlebehandlung...

18 Membranbelebungsverfahren Erfolge im Pilotmaßstab (Schröder, 2004)

19 Advanced Oxidation: Erfolge im Pilotmaßstab (Yamada und Tsuno, 2006) (Bahr et al., 2006)

20 Systematischer Vergleich von Verfahren zur Entfernung von Umweltchemikalien aus Abwasser

21 Einsatzbereiche der Filtrationsverfahren Umweltchemikalien Kolloide Ionen Moleküle Makromoleküle Ultrafiltration Nanofiltration Umkehrosmose Molmasse [g mol -1 ] Radius [nm] Oberfläche [m 2 ]

22 Ultrafiltration Getauchte Plattenmodule geringer Energieaufwand (Druckdifferenz ca. 0,1 bar) Selbstreinigungseffekt Flexibler Einsatzbereich Bei MBR-Anlagen verbesserte Abbaubedingungen

23 Abwasserbehandlung mit UV-Strahlung

24 Elimination durch UV-Behandlung Vorversuche, C/C0 (%) Koffein Carbamazepin Naproxen Ibuprofen t [min]

25 Trägerfixierte Biomasse robuster, diversifizierter Biofilm höhere Betriebsstabilität bei ph- und Temperaturschwankungen hohe Umsatzraten bei geringem Raumbedarf Verbesserung der Schlammeigenschaften und Reduzierung der Gesamtschlammmenge Eingliederung in bestehende Anlagenbehälter möglich geringe Investitionskosten

26 Electrospinning Menschliches Haar und Nanofaser AK Greiner, Universität Marburg

27 Polymer-Bacteria fibers Reproduction tests Escherichia coli 0 hr after electrospinning Escherichia coli 21 hrs after electrospinning Micrococcus luteus 0 hr after electrospinning Micrococcus luteus 120 hrs after electrospinning AK Greiner, Universität Marburg

28 Polymer-Bakterien Fasern PEO M. luteus fibers Electrospinning M. luteus PEO H 2 O Polymer-bacteria nonwoven mats AK Greiner, Universität Marburg

29 Zusammenfassung Kommunale Kläranlagen sind bedeutende Punktquellen für Umweltkontaminanten Konzentrationen in der Umwelt erreichen Wirkschwellen Neue Regularien sind zu erwarten Problem lässt sich selten an der Quelle lösen End of Pipe Lösungen sind gefordert Neue, vorhandene Eliminationstechniken müssen forciert werden

30 Ausblick Design Anwendung Entsorgung