DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Bereich Wasserchemie Prof. Dr. F. H.

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1 DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Bereich Wasserchemie Prof. Dr. F. H. Frimmel Abschlussbericht Entwicklung neuer Verfahren zur simultanen Elimination von organischen Schadstoffen (Pestizide) und Nitrat aus Trinkwasser unter Verwendung biologisch abbaubarer Festsubstrate Teilprojekt IV Förderkennzeichen: 02WT0707 Laufzeit des Vorhabens: Berichtszeitraum: Antragsteller: Prof. Dr. Fritz H. Frimmel DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Bereich Wasserchemie Engler-Bunte-Ring-1, Karlsruhe Projektbearbeitung: Dr. Gudrun Abbt-Braun Dr.-Ing. George Metreveli Dipl.-Ing. Dunja Haak Axel Heidt, Elly Karle, Matthias Weber Billy Junniar, Caroline Neuhäuser, Vincent Siauw Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 02WT0707 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.

2 Inhaltsangabe Inhaltsangabe Einleitung und Problemstellung Zusammenarbeit mit anderen Stellen Materialien und Methoden Biologisch abbaubare Polymere (BAP) Pestizide Freisetzungsexperimente Untersuchungen zum biologischen Abbau der aus den Polymeren freigesetzten organischen Substanzen Untersuchungen zum Biofilmwachstum Adsorptionsexperimente Untersuchungen zur Elimination von Pestiziden in Anwesenheit von Mikroorganismen Proben aus der Pilotanlage Rasterelektronenmikroskopie (REM) Größenausschlusschromatographie (SEC) Pestizidanalyse Bestimmung der aus Polymeren freigesetzten organischen Substanzen mittels HPLC/MS/MS Ergebnisse und Diskussion Charakterisierung der Polymere Freisetzung von organischen und anorganischen Substanzen aus den Polymeren Freisetzung von organischen Substanzen Freisetzung von anorganischen Substanzen Charakterisierung der Polymere nach der Behandlung mit Wasser Biologische Abbaubarkeit von Freisetzungsprodukten aus den Polymeren Biofilmwachstum an der Polymeroberfläche Adsorption der Pestizide an Polymeren Elimination der Pestizide in An- und Abwesenheit von Mikroorganismen Charakterisierung der Proben aus den Pilotanlagen Zusammenfassung Literatur Veröffentlichungen Anhang

3 1 Einleitung und Problemstellung Pestizide werden als Pflanzenbehandlungs- und Pflanzenschutzmittel (PBSM) in der Landwirtschaft weltweit eingesetzt und können durch verschiedene Transportpfade ins Grundwasser gelangen [1], [2], [3]. Als Konsequenz kann eine Gefährdung für das Trinkwasser entstehen, besonders in den Ländern, wo Trinkwasser überwiegend aus Grundwasser gewonnen wird. Durch die Anwendung biologisch abbaubarer Festphasen können Pestizide aus der wässrigen Phase eliminiert werden. Ziel dieses Projekts war es, den Einsatz von biologisch abbaubaren Polymeren (BAP) zur Elimination von Pestiziden und ihren Metaboliten aus dem Grundwasser hinsichtlich der Trinkwasseraufbereitung zu erforschen. Neben den Adsorptions- und Abbauvorgängen von Pestiziden wurden auch die Freisetzungsprozesse von organischen und anorganischen Substanzen aus den Polymeren untersucht. Es wurden die Proben aus Labor- und Pilotexperimenten untersucht. 1.1 Zusammenarbeit mit anderen Stellen Die hier dargestellten Ergebnisse sind im Rahmen des Verbundprojektes Entwicklung neuer Verfahren zur simultanen Elimination von organischen Schadstoffen (Pestizide) und Nitrat aus Rohwässern für die Trinkwasserversorgung unter Verwendung biologisch abbaubarer Festsubstrate entstanden. Die Projektpartner waren: a) Deutsche Projektpartner Forschungszentrum Karlsruhe (FZKA), Prof. Dr.-Ing. Wolfgang H. Höll (Teilprojekt I) Technologiezentrum Wasser, Karlsruhe (TZW), Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Kühn (Teilprojekt II) Universität Stuttgart, Institut für Siedlungswasserwirtschaft, Wassergüte- und Abfallwirtschaft (UST), Dr. Wolf-Rüdiger Müller (Teilprojekt III) Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU), Prof. Dr. Rainer Schnabel (Teilprojekt V) Firma Earth Tech Umwelttechnik GmbH (ETU) (Teilprojekt VI) Firma Ambs, Apparate-, Rohrleitungsbau (AMBS) (Teilprojekt VII) b) Chinesischer Projektpartner: Tsinghua University, Institute for Nuclear Energy Technology Beijing (TSI, Prof. ZHAO Xuan (Teilprojekt VIII) Das Verbundprojekt wurde von Prof. Dr.-Ing. Wolfgang H. Höll koordiniert. 2 Materialien und Methoden 2.1 Biologisch abbaubare Polymere (BAP) Als biologisch abbaubare Polymere wurden Poly(ε-caprolactone) (CAPA 6500, CAPA 6506, CAPA 6800, CAPA 6806) der Firma Solvay verwendet. Außerdem wurden die von der Arbeitsgruppe Schnabel (Teilprojekt-V, Martin-Luther-Universität, Halle-Wittenberg) hergestellten Polymere BC und BC (porös) eingesetzt. Diese Polymere bestehen aus Polyhydroxybuttersäure (PHB) und CAPA Dabei beträgt der Massenanteil von PHB 30% und von CAPA %. Im Gegensatz zu BC weist BC (porös) eine poröse Struktur auf. Charakteristische Kenndaten aller eingesetzten Polymere sind in 2

4 Tabelle 1 zusammengestellt. Mit Hilfe des Königswasser-Mikrowellenaufschlusses (MARS 5, CEM) wurde die Elementzusammensetzung der Polymere bestimmt. Die Bestimmung der Elementkonzentrationen erfolgte mit einem optischen Emissionsspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES, Vista-Pro CCD Simultaneous, Varian). Außerdem wurden die Polymere mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) charakterisiert. 3

5 Tabelle 1: Parameter der eingesetzten Polymere. Parameter CAPA 6500* CAPA 6506* CAPA 6800* CAPA 6806* BC 30-70**/ BC (porös)** Partikelgröße in mm 3 < 0,6 (98%) 3 < 0,6 (98%) 3 Partikelform zylindrisch pulverförmig zylindrisch pulverförmig zylindrisch Farbe weiß weiß weiß weiß hellgrau/weiß-gelb Mittlere molare Masse in g/mol keine Angaben Schmelztemperatur in C keine Angaben Wassergehalt in % < 1 < 1 < 1 < 1 keine Angaben Porosität nicht porös nicht porös nicht porös nicht porös nicht porös/porös * Herstellerangaben (Fa. Solvay) ** Angaben Arbeitsgruppe Schnabel (Teilprojekt V) 2.2 Pestizide Für die Untersuchungen wurden die folgenden Pestizide und deren Metaboliten eingesetzt: Atrazin (Fluka), (Stammlösung in Methanol mit ρ = 100 mg/l) Desethylatrazin (Fluka), (Stammlösung in Methanol mit ρ = 100 mg/l) Endosulfansulfat (Fluka), (Stammlösung in Methanol mit ρ = 1000 mg/l) Metolachlor (Fluka), (Stammlösung in Methanol mit ρ = 1000 mg/l) 2.3 Freisetzungsexperimente Die Freisetzung anorganischer und organischer Substanzen aus den Polymeren wurde im Batch in Extraktionsexperimenten untersucht. Das Vorgehen ist schematisch in Abbildung 1 dargestellt. Proben m(polymer) = 8 g * V(demineralisiertes Wasser) = 200 ml ** bzw. V(NaN 3 -Lösung) = 200 ml *** ρ(nan 3 ) = 0,5 g/l *** Schütteln T = 23 C bzw. T = 10 C ***, im Dunkeln t: 1 bis 122 d Polymere Filtration 0,4 µm Lösungen Rasterelektronenmikroskopie (REM) Metalle (ICP-OES, Vista-Pro CCD Simultaneous, Varian) DOC (TOC-V CSN, Shimadzu) Größenausschlusschromatographie (SEC) * für BC (porös): m = 4 g ** für BC (porös): V = 100 ml *** nicht für BC (porös) HPLC/MS/MS Abbildung 1: Vorgehen bei den Freisetzungsexperimenten (Angaben zur REM- SEC- und HPLC/MS/MS- Charakterisierung siehe Kapitel 2.9, 2.10 und 2.12). 4

6 2.4 Untersuchungen zum biologischen Abbau der aus den Polymeren freigesetzten organischen Substanzen Die filtrierte wässrige Lösung (V = 100 ml) aus den Freisetzungsexperimenten (m(polymer) = 8 g; T = 10 C; Schüttelzeit: t = 5 d; Polymere: CAPA 6500, CAPA 6506) wurde im Dunkeln bei T = 10 C geschüttelt. Die Probe wurde mit Nährsalzen versetzt. Als Inoculum wurde eine Mischpopulation (in Trinkwasser gezüchteter Biofilm) verwendet. Nach t = 0, 1, 5, 8, 15, 26 und 36 d wurden jeweils 2 ml Probe zur weiteren Untersuchung entnommen. Die Proben wurden gesammelt und eingefroren (T = -18 C). Nach dem Auftauen wurden die Proben mit demineralisiertem Wasser verdünnt (Volumenverhältnis 1:10), filtriert (0,2 µm, GTTP, Isopore Membrane Filters, Millipore) und mit Hilfe der Größenausschlusschromatographie (SEC) analysiert. Zum Vergleich wurden Untersuchungen mit ε-caprolacton (99%, Aldrich; ρ = 50 mg/l) durchgeführt. 2.5 Untersuchungen zum Biofilmwachstum Um das biologische Abbauverhalten der Polymere zu untersuchen, wurden Batchexperimente durchgeführt. In einer 2 L Glasflasche wurde 150 g Polymer (BC (porös)) vorgelegt, mit 1,8 L demineralisiertem Wasser und mit einer Mischpopulation von Mikroorganismen versetzt. Die Mikroorganismen wurden von der Arbeitsgruppe Obst (Teilprojekt-I, Forschungszentrum Karlsruhe, Institut für Funktionell Grenzflächen, KIT Campus Nord) zur Verfügung gestellt. Die Probe wurde bei T = 25 C geschüttelt. 2-mal pro Woche wurde jeweils 1 ml einer Spurenstoff- (SL12) und einer Nitratlösung (ρ = 150 g/l) zudosiert. In Tabelle 2 sind die Konzentrationen der Spurenstofflösung in der SL12-Lösung angegeben. Dieses Vorgehen wurde ebenfalls gewählt, um die Pestizidelimination an mit Mikroorganismen bewachsenen Polymeren zu untersuchen. Tabelle 2: Chemische Zusammensetzung der Spurenstofflösung SL12. Spurenstoff Konzentration in g/l 2.6 Adsorptionsexperimente Co(NO 3 ) 2 6H 2 O 0,2 NiSO 4 6H 2 O 0,025 CuSO 4 5H 2 O 0,05 ZnCl 2 0,042 H 3 BO 3 0,3 Na 2 MoO 4 2H 2 O 0,018 FeCl 2 4 H 2 O 1,1 EDTA 3,0 Die Adsorption der Pestizide an den Polymeren wurde in Batchexperimenten untersucht. Für die kinetischen Untersuchungen wurde 0,5 g Polymer (CAPA 6500, CAPA 6506) in 250 ml Steilbrustflaschen mit 200 ml Lösung versetzt und bei T = 10 C im Dunkeln geschüttelt. Es wurden die folgenden Pestizid-Ausgangskonzentrationen gewählt: ρ(atrazin) = 95 µg/l, ρ(desethylatrazin) = 101 µg/l, ρ(endosulfansulfat) = 11 µg/l und ρ(metolachlor) = 95 µg/l. Es wurden jeweils 5 Proben und eine Blindprobe (ohne Polymer) angesetzt. Nach t = 0, 4, 8, 24, 48 und 72 h wurden die Lösungen entnommen und mit der entsprechenden analytischen Methode (SPME/GC/ECD oder HPLC/MS/MS, nähere Angaben in Kapitel 2.11) analysiert. Um den Einfluss der Temperatur auf die Adsorption zu untersuchen, wurden zusätzlich für Endosulfansulfat Experimente bei T = 23 C durchgeführt. Für die Isothermenversuche wurden 100 ml Lösung mit ρ(endosulfansulfat) = µg/l und m(capa 6500) = 0,01-2,5 g Polymer eingesetzt. Die Schüttelzeit wurde entsprechend den Ergebnissen aus den Kinetikversuchen gewählt. Die Experimente wurden bei T = 10 C im Dunkeln 5

7 durchgeführt. Dabei wurde der Einfluss von anorganischen Salzen (als CaCl 2 2H 2 O, zur Analyse, Merck) und natürlichen organischen Stoffen (NOM aus Braunwasser (Hohlohsee, Nordschwarzwald)) untersucht. 2.7 Untersuchungen zur Elimination von Pestiziden in Anwesenheit von Mikroorganismen Um die Vorgänge des biologischen Abbaus bzw. der Adsorption von Pestiziden (Endosulfansulfat und Atrazin) in Anwesenheit von Mikroorganismen zu untersuchen, wurden Batchexperimente durchgeführt. Dafür wurde jeweils 250 mg Polymer (BC (porös)) aus dem Batchversuch zum Biofilmwachstum entnommen, in 250 ml Steilbrustflaschen mit 100 ml Lösung versetzt und bei T = 23 C im Dunkeln geschüttelt. Es wurden die folgenden Pestizid-Ausgangskonzentrationen eingestellt: ρ(endosulfansulfat) = 10 µg/l und ρ(atrazin) = 100 µg/l. Zu den Proben wurde 100 µl der SL12-Lösung und 50 µl Nitratlösung (ρ = 150 g/l) zudosiert. Zum Vergleich wurden Versuche mit dem Originalpolymer (ohne Mikroorganismen) und Blindproben (ohne Polymer und ohne Mikroorganismen) angesetzt. Zusätzlich wurden Experimente mit Bakteriensuspensionen, die aus dem Batchversuch zum Biofilmwachstum entnommen wurden, durchgeführt. Nach unterschiedlicher Schüttelzeit (t = 0, 8, 24 und 72 h) wurden die Lösungen filtriert und zur Bestimmung der Konzentration der Pestizide und ihrer Metabolite (Endosulfanether, Endosulfanlacton, Endosulfanalkohol, Desethylatrazin, Desisopropylatrazin, Desethyldesisopropylatrazin, 2-Hydroxiatrazin, 2-Hydroxydesethylatrazin, 2-Hydroxydesisopropylatrazin, 2- Hydroxydesethyldesisopropylatrazin) mit der entsprechenden analytischen Methode analysiert (SPME/GC/ECD oder HPLC/MS/MS, nähere Angaben in Kapitel 2.11). Die Filtration erfolgte für Endosulfansulfat 3-mal mit übereinander gelegten Glasfaserfiltern und für Atrazin mit einer 0,2 µm Membran (Celluloseacetat, Sartorius Stedim Biotech GmbH). Detaillierte experimentelle Angaben zur SPME/GC/ECD-Methode sind im Zwischenbericht-2007 aufgeführt. 2.8 Proben aus der Pilotanlage Die Pilotanlagen, wurden auf dem Gelände des Wasserwerks Rotherst der Stadtwerke Achern aufgebaut. Der Roto-Bio-Reaktor (RBR) hatte drei Kammern (Abbildung 2). Kammer-1 (K1) und Kammer-2 (K2) waren mit CAPA 6500 gefüllt. Die Füllung der Kammer-3 (K3) bestand aus Blähton. Der DynaSand-Reaktor wurde ebenfalls mit CAPA 6500 gefüllt, allerdings wurde das Material aus einer anderen Charge eingesetzt (kugelförmige Partikel mit 3 mm Durchmesser). Der RBR wurde am und der DynaSand-Reaktor am in Betrieb genommen. Einzelheiten zum Aufbau des RBR und DynaSand-Reaktors können den Zwischenberichten und dem Abschlussbericht des Teilprojektes-II (Arbeitsgruppe Kühn, Technologiezentrum Wasser, Karlsruhe) entnommen werden. Es wurden wässrige Proben und Polymermaterial, die an verschiedenen Stellen der Anlagen und nach unterschiedlichen Laufzeiten entnommen wurden, untersucht (DOC- und Element-Konzentration). 6

8 Drehrichtung K2 Grundwasser- Strömungsrichtung K1 K3 Abbildung 2: Roto-Bio-Reaktor. K1: Kammer-1, K2: Kammer-2, K3: Kammer-3 (modifiziert nach [4]). 2.9 Rasterelektronenmikroskopie (REM) Für die Oberflächencharakterisierung der Polymere wurde ein Rasterelektronenmikroskop (LEO 1530, Fa. LEO, Beschleunigungsspannung 10 KV) verwendet. Die Polymerproben wurden nach 2 Methoden aufbereitet: Methode 1: Zum Entfernen des Biofilms wurden die Proben mit Ultraschall (t = 15 min) behandelt, mit demineralisiertem Wasser 4-mal gewaschen und anschließend im Trockenschrank bei 40 C (t = 24 h) getrocknet. Methode 2: Zur Erfassung der an der Polymeroberfläche anhaftenden Mikroorganismen wurden die Polymerproben ohne Ultraschallbehandlung und ohne Waschen direkt im Trockenschrank bei 40 C (t = 24 h) getrocknet. Vor der Messung wurden alle Polymerproben mit Platin besprüht. Um die chemische Zusammensetzung der an der Oberfläche von BC (porös) beobachteten Kristalle zu bestimmen, wurden energiedispersive röntgenspektroskopische (EDX) Messungen durchgeführt. Die REM- und EDX-Messungen erfolgten im Laboratorium für Elektronenmikroskopie des KIT Größenausschlusschromatographie (SEC) Zur Auftrennung wurde eine TSK HW 50 S Gelsäule (Tosoh Bioscience) eingesetzt. Als Eluent wurde eine Lösung von Na 2 HPO 4 2H 2 O (ρ(na 2 HPO 4 2H 2 O) = 1,5 g/l) und KH 2 PO 4 (ρ(kh 2 PO 4 ) = 2,5 g/l) verwendet. Die Flussrate betrug 1 ml/min und das Injektionsvolumen 1 ml. Die Detektion von gelösten organischen Stoffen erfolgte online mit einem DOC-Detektor Pestizidanalyse Die Bestimmung von Endosulfansulfat und seiner Metabolite erfolgte mit Hilfe der Gaschromatographie gekoppelt mit einem Elektroneneinfangsdetektor (GC/ECD). Zur Anreicherung wurde die Festphasenmikroextraktion (solid phase microextraction, SPME, Polydimethylsiloxan/Divinylbenzen-Faser (PDMS/DVB, StableFlex, Supelco), Faserdicke = 65 µm) eingesetzt. Das Probenvolumen betrug dabei 16 ml. Die Extraktion erfolgte in einer NaCl- Lösung (0,19 g/ml) bei T = 50 C für t = 15 min, die Desorption bei T = 150 C und t = 3 min. Als GC-Säule wurde eine unpolare Kapillarsäule (DB-5ms, , 30 m x 0,25 mm x 0,25 µm, J&W) verwendet. Als Trägergas diente Stickstoff (N 2, 5.0, 30 ml/min). Die Trennung erfolgte mit folgendem Temperaturprogramm: 50 C (3 min), 50 C C (30 C/min), 280 C (3 min). Atrazin, Desethylatrazin und Metolachlor wurden ohne vorherige Anreicherung mittels HPLC (Agilent 1100) bestimmt. Als Detektor wurde ein Triple-Quadrupol-Massenspektrometer (API 3000, Applied Biosystems/Sciex) verwendet. Die Trennung erfolgte auf einer Synergi Polar RP80A 7

9 Säule (250 mm x 4,6 mm, 4 µm, Phenomenex) mit Gradientenelution. Dabei wurden 2 mmol/l Ammoniumacetat in demineralisiertem Wasser als Eluent A (in 10 min: von 90% auf 0%, weitere 5 min: bei 0%) und 2 mmol/l Ammoniumacetat in Acetonitril als Eluent B (in 10 min: von 10% auf 100%, weitere 5 min: bei 100%) eingesetzt. Die Flussrate betrug 1 ml/min und das Injektionsvolumen 20 µl Bestimmung der aus Polymeren freigesetzten organischen Substanzen mittels HPLC/MS/MS Die aus den Polymeren freigesetzten organischen Substanzen wurden mittels SEC/DOC-Messungen durch HPLC/MS/MS charakterisiert. Es wurde das in Kapitel 2.11 erwähnte HPLC/MS/MS-System eingesetzt. Die Trennung erfolgte auf einer XTerra TM MS C18 Säule. Dabei wurden 0,1% Essigsäure in demineralisiertem Wasser als Eluent A (von 0 bis 5 min: 60%) und 0,1% Essigsäure in Acetonitril als Eluent B (von 0 bis 5 min: 40%) eingesetzt. Die Flussrate betrug 0,3 ml/min und das Injektionsvolumen 20 µl. 3 Ergebnisse und Diskussion 3.1 Charakterisierung der Polymere Die REM-Untersuchungen zeigten für die Polymere CAPA 6500, CAPA 6506, CAPA 6800, CAPA 6806 und BC eine relativ glatte Oberfläche. Wie erwartet, wurde bei BC (porös) eine poröse Struktur beobachtet (Abbildung 3). Abbildung 3: REM-Aufnahmen der Oberfläche von Polymeren: (a) CAPA 6500, 100-fache Vergrößerung; (b) CAPA 6506, 500-fache Vergrößerung; (c) CAPA 6800, 100-fache Vergrößerung; (d) CAPA 6806, 500-fache Vergrößerung; (e) BC 30-70, 100-fache Vergrößerung; (f) BC (porös), 100-fache Vergrößerung. Da das Polymermaterial bei der Trinkwasseraufbereitung eingesetzt werden soll, sind die anorganischen und organischen Freisetzungsprodukte, die beim Kontakt mit wässrigen Lösungen auftreten, zu bestimmen. Die Elementzusammensetzung der Polymere wurde nach einem Königswasser-Mikrowellenaufschluss bestimmt. Die Ergebnisse sind in Abbildung 4 aufgeführt. Die Polymere CAPA 6500, CAPA 6506, CAPA 6800 und CAPA 6806 weisen mit meist < 0,0007% niedrige Gehalte auf. Die Konzentrationen der Metalle und Schwermetalle lagen unter der Bestimmungsgrenze der Methode. Die Polymere BC und BC (porös) zeigten jeweils 8

10 einen höheren Elementgehalt. Besonders auffallend war der hohe Gehalt an Ca, Fe und P bei BC (porös) Gehalt in mg/kg Probe BC BC (porös) CAPA 6500 CAPA 6506 CAPA 6800 CAPA 6806 Elementgehalt in % unter der Bestimmungsgrenze: As, Cd, Pb, Pt, Sb Al B Ba Ca Cr Cu Fe K Mg Mn Mo Na Ni P Si Zn BC BC (porös) CAPA 6500 CAPA 6506 CAPA 6800 CAPA 6806 Abbildung 4: Chemische Zusammensetzung der Polymere (Mikrowellenaufschluss, ICP-OES) Bei genauer Untersuchung der Oberfläche von BC (porös) wurden kristallartige Strukturen beobachtet (Abbildung 5 (a), Abbildung 5 (b)). Die EDX-Messungen zeigten, dass diese überwiegend aus Calcium, Phosphor, Sauerstoff und Kohlenstoff bestehen. Die Ergebnisse der EDX-Messungen stimmten mit den Elementgehalten gut überein. An der übrigen Oberfläche des Polymers wurden nur Kohlenstoff und Sauerstoff (Hauptelemente des Polymers) gemessen. Das Auftreten des Pt-Signals bei der Energie von 2,07 kev lässt sich durch die Probenvorbereitung (Aufsprühen von Pt) erklären. Auf Grund der EDX-Messungen kann man vermuten, dass es sich bei diesen Strukturen um auskristallisierte Calciumcarbonate- und phosphate handelt. Laut Hersteller wird Calciumcarbonat bei der Produktion des Polymers zugegeben. Vor der Extrusion wird das Polymer mit Phosphorsäure (40%) benetzt. Nach Reaktion der Phosphorsäure mit dem Calciumcarbonat entsteht Kohlenstoffdioxid und dadurch bekommt das Polymer eine poröse Struktur. (a) C O Kristall Polymeroberfläche (b) (c) 1500 P Intensität Ca Pt Ca kev Abbildung 5: Charakterisierung der Oberfläche von BC (porös): (a) REM-Aufnahme der Oberfläche, 2000-fache Vergrößerung; (b) REM-Aufnahme des auf der Abbildung (a) gekennzeichneten Bereichs, fache Vergrößerung (rote und blaue Punkte zeigen EDX-Messstellen am Kristall und an der Grundoberfläche); (c) EDX-Spektrum des Kristalls und der Grundoberfläche. 9

11 3.2 Freisetzung von organischen und anorganischen Substanzen aus den Polymeren Freisetzung von organischen Substanzen Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Freisetzung von organischen Substanzen aus den Polymeren nach Kontakt mit Wasser sind in Abbildung 6 dargestellt. Um einen biologischen Abbau der freigesetzten organischen Substanzen während der langen Versuchszeiten auszuschließen, wurden Experimente sowohl in H 2 0, als auch in einer NaN 3 -Lösung durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass bei den gewählten Versuchsbedingungen ein biologischer Abbau der freigesetzten organischen Substanzen weitgehend ausgeschlossen werden kann. Somit wurde bei den folgenden Experimenten auf den Zusatz von NaN 3 verzichtet. Bei den pulverförmigen Polymeren (CAPA 6506 und CAPA 6806) zeigte sich eine schnellere DOC-Freisetzung, als bei den granulierten Polymeren (CAPA 6500, CAPA 6800 und BC (porös)). Bei CAPA 6506 stellte sich bereits nach t = 10 d eine DOC-Konzentration von ca. 70 mg/l ein. Das pulverförmige CAPA 6806 erreichte nach t = d eine DOC-Konzentration von ca. 110 mg/l. Die schnellere DOC-Freisetzung ist auf die größere Oberfläche der pulverförmigen Polymere zurückzuführen. Freisetzung (DOC) in mg/l Schüttelzeit in d CAPA 6500 (ohne NaN 3 ) CAPA 6500 (mit NaN 3 ) CAPA 6506 (ohne NaN 3 ) CAPA 6506 (mit NaN 3 ) CAPA 6800 (ohne NaN 3 ) CAPA 6800 (mit NaN 3 ) CAPA 6806 (ohne NaN 3 ) CAPA 6806 (mit NaN 3 ) BC porös (ohne NaN 3 ) Abbildung 6: Freisetzung von gelösten organischen Substanzen aus Polymeren bei T = 23 C in An- und Abwesenheit von NaN 3 (Polymer/Lösung: 40 g/l, ρ (NaN 3 ) = 0,5 g/l). Die DOC-Freisetzung aus den granulierten Polymeren erfolgte deutlich langsamer. Nach ca. t = 122 d Schüttelzeit wurden ungefähr die gleichen DOC-Konzentrationen erreicht, wie für die pulverförmigen Polymere mit gleicher molarer Masse. Die CAPA-Polymere mit höherer molarer Masse (CAPA 6800 und CAPA 6806) zeigten eine höhere DOC-Konzentration, als die Polymere mit kleinerer molarer Masse (CAPA 6500 und CAPA 6506). So betrug die Freisetzung nach t = 122 d 2,6 mg (C) / g (CAPA) (oder 0,4 % als C) für CAPA 6800 und CAPA 6806 und 1,7 mg (C) / g (CAPA) (oder 0,3 % als C) für CAPA 6500 und CAPA Die Freisetzungsexperimente zeigten für BC (porös) ähnliche Ergebnisse wie für die CAPA- Polymere. Die starke Streuung der DOC-Konzentration ist offensichtlich auf die poröse Struktur des Polymers und eine unvollständige Benetzung der Poren zurückzuführen. Da die Polymere auch bei der Aufbereitung von Grundwasser eingesetzt werden sollen, wurden die Untersuchungen sowohl bei T = 23 C, als auch bei T = 10 C durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass die granulierten Polymere bei T = 10 C innerhalb von t = 120 d weniger DOC freisetzten als 10

12 bei T = 23 C (Abbildung 7). Im Gegensatz dazu, war der Einfluss der Temperatur auf die DOC- Freisetzung für die pulverförmigen Polymere gering. Da die Polymere bei der Trinkwasseraufbereitung eingesetzt werden sollen, ist eine hohe DOC- Freisetzung als problematisch einzuschätzen. 80 Freisetzung (DOC) in mg/l CAPA 6500 (23 C) CAPA 6506 (23 C) CAPA 6500 (10 C) CAPA 6506 (10 C) Schüttelzeit in d Abbildung 7: Einfluss der Temperatur auf die Freisetzung von gelösten organischen Substanzen aus CAPA 6500 und CAPA 6506 Polymeren (Polymer/Lösung: 40 g/l). Die Charakterisierung von organischen Freisetzungsprodukten erfolgte durch SEC/DOC- und HPLC/MS/MS-Untersuchungen. Um die Freisetzungsprodukte zu identifizieren, wurden ebenfalls wässrige Lösungen von ε-caprolacton (frisch angesetzte Probe und Probe nach 68 Tagen) mit Hilfe beider Methoden analysiert. Das Monomor ε-caprolacton wird zur Polymerisierung von CAPA- Polymeren verwendet. In Abbildung 8 sind die Ergebnisse der SEC-Messungen für ε- Caprolactonlösungen gezeigt. ε-caprolacton eluierte bei einem Elutionsvolumen von V E = 90 ml (t = 0 d). Bei V E = 53 ml zeigte sich ein zweiter Peak, der 6-Hydroxycapronsäure zuzuordnen ist. 6-Hydroxycapronsäure ist ein Hydrolyseprodukt von ε-caprolacton. Nach t = 68 d nahm die Konzentration von ε-caprolacton ab (V E = 90 ml), während die Konzentration von 6- Hydroxycapronsäure (V E = 53 ml) zunahm. Die Hydrolyse von ε-caprolacton zu 6- Hydroxycapronsäure konnte ebenfalls mittels HPLC/MS/MS-Messungen verfolgt werden. Durch gelchromatographische Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass aus den Polymeren ε- Caprolacton freigesetzt wurde. In Abbildung 9 sind die SEC-Chromatogramme der Proben aus dem Freisetzungsexperiment für CAPA 6500 beispielhaft gezeigt. Bei diesen Proben erkennt man einen Peak bei V E = 90 ml, der ε-caprolacton, und einen Peak bei V E = 53 ml, der 6- Hydroxycapronsäure, entspricht. In Abbildung 10 ist die Produktverteilung von ε-caprolacton und 6-Hydroxycapronsäure in Abhängigkeit von der Extraktionszeit gezeigt. Während bei kurzen Extraktionszeiten ε-caprolacton überwiegt, erkennt man mit zunehmender Schüttelzeit auf Grund der fortschreitenden Hydrolyse eine Zunahme des Anteils von 6-Hydroxycapronsäure. Die Ergebnisse der HPLC/MS/MS- Messungen stimmten sehr gut mit den SEC/DOC-Messungen überein. 11

13 DOC-Signal (relative Einheiten) K D -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 ε-caprolacton (original) ε-caprolacton (nach 68 Tagen) ε-caprolacton 6-Hydroxycapronsäure Elutionsvolumen in ml Abbildung 8: SEC-Chromatogramme von ε-caprolacton vor (t = 0 d, original) und nach (t = 68 d) Teilhydrolyse. K D -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 100 DOC-Signal (relative Einheiten) d 91 d 6-Hydroxycapronsäure 24 d 10 d ε-caprolacton 91 d 66 d 17 d 24 d 17 d 10 d 5 d 1 d Elutionsvolumen in ml Abbildung 9: SEC-Chromatogramme der wasserlöslichen organischen Freisetzungsprodukte aus CAPA 6500 (T = 23 C, Polymer/Lösung: 40 g/l). Andere Polymere zeigten ähnliche Ergebnisse, wie CAPA Die Temperatur zeigte keinen signifikanten Einfluss auf die Verteilung der Freisetzungsprodukte. Die Chromatogramme waren bei T = 10 C ähnlich wie bei T = 23 C. 12

14 Anteile von Freisetzungsprodukten in % Schüttelzeit in d e-caprolacton (SEC/DOC) 6-Hydroxycapronsäure (SEC/DOC) e-caprolacton (HPLC/MS/MS) 6-Hydroxycapronsäure (HPLC/MS/MS) Abbildung 10: Verteilung von ε-caprolacton und 6-Hydroxycapronsäure mit zunehmender Schüttelzeit (CAPA 6500, T = 23 C, Polymer/Lösung: 40 g/l) Freisetzung von anorganischen Substanzen Die Konzentrationen von Metallen, die in wässriger Lösung aus CAPA 6500 und CAPA 6506 freigesetzt wurden, sind in Abbildung 11 dargestellt. Al, Ca, K, Mg, Na, Si und Zn lagen im Konzentrationsbereich von 10 µg/l bis 1000 µg/l. Die in der Trinkwasserverordnung [5] aufgeführten Schwermetalle Cd, Cu, Fe, Pb, und auch Co, Pd und Pt konnten unter den gewählten Versuchsbedingungen (Polymer/Lösung = 40 g/l) nicht nachgewiesen werden (die Werte lagen unter der Bestimmungsgrenze des Analysenverfahrens ICP-OES: Cd < 1 µg/l, Cu < 5 µg/l, Fe < 3 µg/l, Pb < 15 µg/l, Co < 5 µg/l, Pd < 20 µg/l, Pt < 20 µg/l). CAPA 6800 und CAPA 6806 zeigten ähnliche Werte. Die Freisetzung von anorganischen Substanzen aus BC (porös) war höher als aus den CAPA-Polymeren. Für BC (porös) wurden ca. 10-fach höhere Konzentrationen der Elemente bestimmt als bei CAPA Besonders auffallend waren hier auch Calcium und Phosphor. So lagen die Konzentrationen dieser Elemente bei BC (porös) zwischen 2000 µg/l und 8000 µg/l. Die Freisetzung von Calcium und Phosphor ist auf die Herstellungstechnologie des Polymers zurückzuführen. Die Schwermetalle lagen bei BC (porös) wie auch bei den CAPA-Polymeren unter der Bestimmungsgrenze des Analysenverfahrens und unter dem jeweiligen Trinkwassergrenzwert Konzentration in µg/l d 5 d 17 d 24 d 91 d (a) Konzentration in µg/l d 5 d 10 d 17 d 24 d 93 d (b) 1 Al Ca K Mg Na Si Zn 1 Al Ca K Mg Na Si Zn Abbildung 11: Freisetzung von verschiedenen Elementen aus CAPA 6500 (a) und CAPA 6506 (b) Polymeren bei T = 23 C (Polymer/Lösung: 40 g/l). 13

15 3.2.3 Charakterisierung der Polymere nach der Behandlung mit Wasser Abbildung 12 zeigt REM-Aufnahmen der Polymere CAPA 6500 und CAPA 6800 nach der Behandlung mit Wasser (t = 122 d, T = 23 C, Polymer/Lösung: 40 g/l). Die Oberflächenstruktur von CAPA 6500 veränderte sich nach Kontakt mit Wasser (t = 122 d) nicht wesentlich (Abbildung 12 (a, c)), während bei CAPA 6800 (t = 122 d) faserartige Strukturen sichtbar wurden (Abbildung 12 (b, d)). Die starke Veränderung der Oberfläche von CAPA 6800 ist offensichtlich auf Hydrolyse von amorphen Regionen des Polymers zurückzuführen. Dadurch werden kristalline faserförmige Strukturen frei gelegt. Aus der Literatur ist bekannt, dass die gesamte Kristallinität des Polymers durch den bevorzugten Abbau von amorphen Bereichen während der hydrolytischen Behandlung zunehmen kann [6]. Ähnlich wie CAPA 6500 zeigten die anderen Polymere keine signifikante Veränderung der Oberfläche nach der Behandlung mit Wasser. (a) (b) (c) (d) Abbildung 12: REM-Aufnahmen der Oberfläche von Polymeren nach Kontakt mit Wasser: (a) CAPA 6500, fache Vergrößerung; (b) CAPA 6800, 2000-fache Vergrößerung; (c) CAPA 6500, fache Vergrößerung; (d) CAPA 6800, fache Vergrößerung. Experimentelle Bedingungen: t = 122 d, T = 23 C, Polymer/Lösung: 40 g/l. Der rote Rahmen entspricht der Ausschnittsvergrößerung in (c) bzw. (d). 3.3 Biologische Abbaubarkeit von Freisetzungsprodukten aus den Polymeren Die biologische Abbaubarkeit der extrahierbaren wasserlöslichen organischen Substanzen wurde in Batchversuchen in Abhängigkeit von der Zeit (t = 1, 5, 8, 15, 26 und 36 d) getestet. Für die Untersuchungen wurden Lösungen eingesetzt, die aus CAPA 6500 und CAPA 6506 extrahierten wasserlöslichen organischen Substanzen enthielten (Originalproben nach Wasserkontakt nach t = 5 d). In Abbildung 13 sind die Ergebnisse der SEC-Messungen für CAPA 6500 dargestellt. Es zeigte sich, dass sich die DOC-Konzentration nach 15 Tagen deutlich verringert wurde. Bis Tag 8 blieb die DOC-Konzentration annähernd konstant. Die Chromatogramme weisen Peaks für das Monomer ε-caprolacton (V E = 91 ml) und für das Hydrolyseprodukt 6-Hydroxycapronsäure (V E = 53 ml) auf. Nach 15 Tagen konnten ε-caprolacton und 6-Hydroxycapronsäure nur noch in sehr geringen Konzentrationen nachgewiesen werden. Dies zeigt, dass die freigesetzten Substanzen weitgehend biologisch abbaubar sind. Die Freisetzungsproben von CAPA 6506 und die frisch angesetzten wässrigen Lösungen von ε-caprolacton zeigten ähnliche Ergebnisse, wie die Proben von CAPA

16 K D DOC-Signal (relative Einheiten) Originalprobe (23,8 mg/l) 7 0 d (23,9 mg/l) 1 d (23,4 mg/l) 5 d (24,4 mg/l) 6 8 d (23,9 mg/l) 6-Hydroxycapronsäure 15 d (2,4 mg/l) 5 26 d (2,0 mg/l) 36 d (2,0 mg/l) ε-caprolacton Elutionsvolumen in ml Abbildung 13: SEC-Chromatogramme der wasserlöslichen organischen Substanzen vor und nach biologischem Abbau. (Verhältnis Polymer/Wasser: 40 g/l; Polymer: CAPA 6500; t = 5 d; Originalprobe: Probe ohne Mikroorganismen). 3.4 Biofilmwachstum an der Polymeroberfläche Die Oberflächenstruktur des Polymers verändert sich mit zunehmendem Biofilmwachstum (BC (porös), Abbildung 14). An der Oberfläche des Polymers sind kraterartige Vertiefungen zu erkennen. Die Entstehung dieser Vertiefungen ist auf die mikrobiologischen Abbauvorgänge an der Polymeroberfläche zurückzuführen. (a) (b) Abbildung 14: REM-Aufnahmen der Oberfläche von BC (porös) aus Experiment zum Biofilmwachstum: (a) 81 d Schüttelzeit; (b) 197 d Schüttelzeit. Proben wurden nach Methode 1 (Ultraschallbehandlung) aufbereitet. Aufnahmen 2000-fache Vergrößerung. 3.5 Adsorption der Pestizide an Polymeren Adsorptionsuntersuchungen wurden sowohl mit den pulverförmigen, als auch mit den granulierten Polymeren bei T = 10 C durchgeführt. Während Endosulfansulfat an CAPA 6506 schon nach einigen Stunden vollständig adsorbierte, wurde für CAPA 6500 das Adsorptionsgleichgewicht erst nach 72 Stunden erreicht (Abbildung 15). Die stärkere Adsorption von Endosulfansulfat an CAPA 6506 ist auf die deutlich größere Oberfläche des pulverförmigen Polymers und entsprechend auf die höhere Zahl an Sorptionsplätzen zurückzuführen. Metolachlor zeigte eine geringere Adsorption als 15

17 Endosulfansulfat. Dabei war die Adsorption von Metolachlor an CAPA 6506 ebenfalls höher als an CAPA Für Atrazin wurde eine sehr geringe Adsorption an CAPA 6506 festgestellt. Eine Adsorption von Atrazin an CAPA 6500 und von Desethylatrazin an CAPA 6500 und CAPA 6506 war nicht zu beobachten. Für Endosulfansulfat wurden zusätzlich Experimente bei T = 23 C durchgeführt. Die Temperatur zeigte keinen signifikanten Einfluss auf die Adsorption. 1,0 1,0 ρ/ρ 0 0,8 0,6 0,4 0,2 Desethylatrazin Atrazin Metolachlor Endosulfansulfat (a) ρ/ρ 0 0,8 0,6 0,4 0,2 Desethylatrazin Atrazin Metolachlor Endosulfansulfat (b) 0,0 0, Schüttelzeit in h Schüttelzeit in h Abbildung 15: Adsorptionskinetik der Pestizide an CAPA 6500 (a) und CAPA 6506 (b) bei T = 10 C (Polymer/Lösung: 2,5 g/l). Für Endosulfansulfat wurden ebenfalls die Adsorptionsisothermen aufgenommen. Dabei wurde ebenfalls der Einfluss von CaCl 2 und natürlichen organischen Substanzen (NOM) auf die Adsorption untersucht. Das pulverförmige Polymer (CAPA 6506) zeigte, ähnlich wie in den kinetischen Experimenten, eine höhere Adsorptionskapazität als das granulierte Polymer (CAPA 6500) (Abbildung 16). Für das pulverförmige Polymer (CAPA 6506) wurde festgestellt, dass in Anwesenheit von CaCl 2 und NOM die Adsorption von Endosulfansulfat abnimmt. Im Gegensatz dazu zeigten CaCl 2 und NOM keinen signifikanten Einfluss auf die Adsorption von Endosulfansulfat an das granulierte Polymer (CAPA 6500) Beladung in µg/g CAPA 6500 (0 mmol/l CaCl 2, 0 mg/l DOC) CAPA 6506 (0 mmol/l CaCl 2, 0 mg/l DOC) CAPA 6500 (10 mmol/l CaCl 2, 0 mg/l DOC) CAPA 6506 (10 mmol/l CaCl 2, 0 mg/l DOC) CAPA 6500 (0 mmol/l CaCl 2, 5 mg/l DOC) CAPA 6506 (0 mmol/l CaCl 2, 5 mg/l DOC) 1 10 Konzentration in µg/l Abbildung 16: Adsorptionsisotherme von Endosulfansulfat an CAPA 6500 und CAPA 6506 bei T = 10 C. Einfluss von CaCl 2 und NOM. 3.6 Elimination der Pestizide in An- und Abwesenheit von Mikroorganismen Die Ergebnisse der Batchexperimente zur Elimination von Endosulfansulfat und Atrazin in An- und Abwesenheit von Mikroorganismen sind in Abbildung 17 dargestellt. Endosulfansulfat und Atrazin 16

18 zeigten nur eine geringe Elimination in Anwesenheit von Mikroorganismen (Bakteriensuspension). Offensichtlich adsorbierten beide Pestizide wenig an der Oberfläche der Mikroorganismen. BC (porös) zeigte sowohl mit als auch ohne Mikroorganismen eine starke Elimination von Endosulfansulfat. Nach t = 72 d ergab sich eine Restkonzentration zwischen 0,04% und 4 %. Im Gegensatz dazu wurde für Atrazin eine starke Elimination nur in Anwesenheit der mit Mikroorganismen bewachsenen Polymere festgestellt (Atrazin-Restkonzentration nach t = 72 d: 14 %). Während die Abnahme der Restkonzentration von Endosulfansulfat und Atrazin in Abwesenheit von Mikroorganismen auf die Adsorption an die Polymeroberfläche zurückzuführen ist, können für die Elimination von Pestiziden in Anwesenheit von Mikroorganismen sowohl Adsorptions- als auch Abbauprozesse bedeutend sein. Die Ergebnisse der SPME/GC/ECD- und HPLC/MS/MS- Messungen zeigten im untersuchten Konzentrationsbereichen (für Endosulfansulfat: 0,1 µg/l - 10 µg/l; für Atrazin: 1 µg/l µg/l) keine Hinweise für die Entstehung möglicher Metabolite (für Endosulfansulfat: Endosulfanether, Endosulfanlacton und Endosulfanalkohol; für Atrazin: Desethylatrazin, Desisopropylatrazin, Desethyldesisopropylatrazin, 2-Hydroxyatrazin, 2-Hydroxydesethylatrazin, 2-Hydroxydesisopropylatrazin und 2-Hydroxydesethyldesisopropylatrazin). Weitergehende Untersuchungen zur möglichen Adsorption der entstehenden Metabolite am Biofilm wurden jedoch nicht durchgeführt. Eine Bilanzierung von gebildetem CO 2 mit markierten Pestiziden sollte in weiteren Untersuchungen einbezogen werden. 1,0 1,0 ρ/ρ 0 (Endosulfansulfat) 0,8 0,6 0,4 0,2 Blank BC (porös) Bakteriensuspension BC (porös) mit Mikroorganismen ρ/ρ 0 (Atrazin) 0,8 0,6 0,4 0,2 Blank BC (porös) Bakteriensuspension BC (porös) mit Mikroorganismen 0,0 (a) 0,0 (b) Schüttelzeit in h Schüttelzeit in h Abbildung 17: Kinetik der Elimination von Endosulfansulfat (a) und Atrazin (b) in An- und Abwesenheit von Polymeren (BC (porös)) und Mikroorganismen. 3.7 Charakterisierung der Proben aus den Pilotanlagen Aus der Pilotanlage wurden wässrige Proben nach unterschiedlichen Betriebszeiten entnommen. Die Untersuchungen zeigten eine hohe DOC-Konzentration von 70 mg/l im Ablauf des Roto-Bio- Reaktors (RBR-Ablauf) unmittelbar nach dem Start des Versuchs am (Abbildung 18 (a)). Diese hohe DOC-Konzentration ist auf die starke Freisetzung von organischen Substanzen aus den Polymerpartikeln zurückzuführen. Mit zunehmender Betriebszeit des Reaktors nahm die DOC- Konzentration im RBR-Ablauf ab und näherte sich der DOC-Konzentration des Grundwassers (Rohwasser). Die Grundwasserproben zeigten eine DOC-Konzentration von 0,7 mg/l bis 1,2 mg/l. Nach 320 d Betriebszeit lag die DOC-Konzentration im RBR-Ablauf bei 0,7 mg/l und somit wurde im Vergleich zum Rohwasser kein Unterschied festgestellt. Die DOC-Konzentration ändert sich im Verlauf der Aufbereitung nur unwesentlich (Abbildung 18 (b)). 17

19 100 10,0 (a) (b) DOC-Konzentration in mg/l 10 1 DOC-Konzentration in mg/l 1,0 0 Rohwasser Rohwasser Rohwasser Rohwasser Ablauf RBR Ablauf RBR Ablauf RBR Ablauf RBR Ablauf RBR Ablauf RBR ,1 Rohwasser K1 K2 K3 Ablauf RBR vor Filter nach Filter Abbildung 18: (a) DOC-Konzentration im Rohwasser und im Ablauf des Roto-Bio-Reaktors nach unterschiedlichen Betriebszeiten. (b) DOC-Konzentration im Rohwasser und in Proben aus verschiedenen Stellen der Pilotanlage (Probenahme am und ). Die Proben aus unterschiedlichen Stellen der Anlage zeigten eine ähnliche Elementzusammensetzung wie das Rohwasser (Abbildung 19). Die Konzentrationen der in der Trinkwasserverordnung aufgeführten Elemente lagen unter der Bestimmungsgrenze des Analysenverfahrens und unter dem jeweiligen Trinkwassergrenzwert. Konzentration in µg/l Rohwasser K1 K2 K3 RBR-Ablauf vor Filter nach Filter Grenzwert (TVO) 10 1 B Ba Ca Fe K Mg Mn Na P Si Zn Abbildung 19: Element-Konzentrationen im Rohwasser und in Proben aus verschiedenen Stellen der Pilotanlage (Probenahme am ). Unter der Bestimmungsgrenze: As, Cd, Cr, Cu, Mo, Ni, Pb, Pt. Es erfolgte zusätzlich eine Untersuchung der Polymere aus dem Roto-Bio-Reaktor. Die Polymere aus Kammer 1 (K1) waren stärker gelblich verfärbt, als die Polymere aus Kammer 2 (K2) (Abbildung 20). Das könnte ein Hinweis auf die stärkere mikrobiologische Aktivität in erster Kammer sein. Die REM-Aufnahmen von Polymerproben aus dem RBR sind in Abbildung 21 dargestellt. Die Aufbereitung der Proben erfolgte nach der Methode 1 (Ultraschallbehandlung). Diese Aufnahmen bestätigten die Vermutung über eine stärkere mikrobiologische Aktivität in Kammer 1. Die Polymerproben aus Kammer 1 zeigten mehr kraterförmige Vertiefungen als die Proben aus Kammer 2. Diese Vertiefungen können als Folge der mikrobiologischen Aktivität gedeutet werden. Bei starken Vergrößerungen konnten in den kraterförmigen Vertiefungen geordnete Strukturen beobachtet werden (Abbildung 21 (c) und (e)). Die sogenannten Sphärolithe bestehen aus kristallinen und amorphen Bereichen, dabei sind diese Bereiche radialsymmetrisch um das Zentrum angeordnet. Die einzelnen Sphärolithe können durch weitere amorphe Bereiche miteinander verbunden werden. Die Anwesenheit von Sphärolith-Strukturen in verschiedenen Polymeren ist aus 18

20 der Literatur bekannt [7], [8], [9]. Da amorphe Bereiche Schwachstellen ihn der Polymerstruktur darstellen sind diese Bereiche durch Mikroorganismen besser angreifbar [9]. Mit zunehmendem biologischem Abbau der amorphen Strukturen werden die Sphärolith-Strukturen offengelegt. CAPA 6500 (original) CAPA 6500 aus K1 CAPA 6500 aus K2 Abbildung 20: Originalpolymer und Polymerproben aus dem RBR (Probenahme am ). (a) (b) (c) (d) (e) (f) Abbildung 21: REM-Aufnahmen der Oberfläche von CAPA 6500 aus dem Roto-Bio-Reaktor (Probenahme am ): (a) aus K1, 100-fache Vergrößerung; (b) aus K2, 100-fache Vergrößerung; (c) aus K1, 500-fache Vergrößerung; (d) aus K2, 500-fache Vergrößerung; (e) aus K1, 2000-fache Vergrößerung; (f) aus K2, 2000-fache Vergrößerung. Proben wurden nach Methode 1 (Ultraschallbehandlung) aufbereitet. Die roten Rahmen entsprechen dem jeweiligen Bereich der Vergrößerung in (c) und (e) bzw. in (d) und (f). 19

21 Um die Mikroorganismen an der Polymeroberfläche zu erfassen, wurden die Polymerproben aus dem RBR nach Methode 2 (ohne Ultraschall) aufbereitet und mittels REM untersucht. Die REM- Aufnahmen zeigten eine starke Besiedlung der Polymeroberfläche durch Mikroorganismen (Abbildung 22). Die Oberfläche war vollständig besiedelt. In den Vertiefungen war die Sphärolith- Morphologie ebenfalls erkennbar. (a) (b) (c) (d) Abbildung 22: REM-Aufnahmen der Oberfläche von CAPA 6500 aus K1 des Roto-Bio-Reaktors: (a) Probenahme am , 4000-fache Vergrößerung; (b) Probenahme am , 2000-fache Vergrößerung; (c) Probenahme am , fache Vergrößerung; (d) Probenahme am , 5000-fache Vergrößerung. Proben wurden nach Methode 2 (ohne Ultraschall) aufbereitet. Die roten Rahmen entsprechen dem jeweiligen Bereich der Vergrößerung in (c) bzw. (d). Die Polymerproben aus dem DynaSand-Reaktor wurden ebenfalls mittels REM untersucht. Bereits nach 2 Wochen Betriebszeit konnte an der Polymeroberfläche eine mikrobiologische Besiedelung beobachtet werden (Abbildung 23). Ähnlich wie bei Polymeren aus dem RBR, konnten auch bei Proben aus dem DynaSand-Reaktor Sphärolith-Strukturen beobachtet werden. Obwohl die Polymere nach Methode 1 (Ultraschallbehandlung) aufbereitet wurden, konnte man bei starker Vergrößerung auf einigen Stellen ebenfalls Mikroorganismen erkennen. Das weist darauf hin, dass schon nach sehr kurzer Betriebszeit (2 Wochen) die Polymere im DynaSand-Reaktor durch Mikroorganismen besiedelt werden und die mikrobiologischen Abbauvorgänge ablaufen können. 20

22 (a) (b) (c) Abbildung 23: REM-Aufnahmen der Oberfläche von CAPA 6500 aus dem DynaSand-Reaktor (Probenahme am ). (a) 500-fache Vergrößerung; (b) 2000-fache Vergrößerung; (c) fache Vergrößerung. Die Proben wurden nach Methode 1 (Ultraschallbehandlung) aufbereitet, die roten Rahmen entsprechen dem jeweiligen Bereich der Vergrößerung in (b) bzw. (c). 4 Zusammenfassung Die Polymere CAPA 6500, CAPA 6506, CAPA 6800 und CAPA 6806 wiesen mit 0,0003% - 0,0007% (w:w) sehr niedrige Gehalte anorganischer Bestandteile auf. Bei BC (porös) konnten höhere Anteile von Ca, Fe und P bestimmt werden. Die Restgehalte dieser Elemente sind auf den Produktionsprozess zurück zu führen. Aus REM/EDX-Messungen konnten an der Oberfläche von BC (porös) kristallartige calciumcarbonat- und phosphathaltige Strukturen nachgewiesen werden. Diese Strukturen sind bedingt durch die Herstellungstechnologie des Polymers. Es ist jedoch nicht zu erwarten, dass beim Einsatz der Polymere in der Trinkwasseraufbereitung erhöhte Metall-, bzw. Schwermetall-Freisetzungen aus den Polymeren auftreten. Die Oberflächenstruktur von CAPA 6500 veränderte sich nach Kontakt mit Wasser (t = 122 d) nicht wesentlich, während bei CAPA 6800 (t = 122 d) faserartige Strukturen sichtbar wurden. Die starke Veränderung der Oberfläche von CAPA 6800 ist offensichtlich auf Hydrolyse von amorphen Regionen des Polymers zurückzuführen. Dadurch werden kristalline faserförmige Strukturen frei gelegt. Aus der Literatur ist bekannt, dass die gesamte Kristallinität des Polymers durch den bevorzugten Abbau von amorphen Bereichen während der hydrolytischen Behandlung zunehmen kann. Ähnlich wie CAPA 6500 zeigten die anderen Polymere keine signifikante Veränderung der Oberfläche nach der Behandlung mit Wasser. Die Oberflächenstruktur des Polymers verändert sich mit zunehmendem Biofilmwachstum, an der Oberfläche des Polymers bilden sich kraterartige Vertiefungen aus. Beim Kontakt der Polymere mit Wasser wurde eine DOC-Freisetzung beobachtet. Die pulverförmigen Polymere CAPA 6506 und CAPA 6806 zeigten eine schnellere DOC-Freisetzung als die granulierten Polymere CAPA 6500 und CAPA Die schnellere DOC-Freisetzung ist auf die größere Oberfläche der pulverförmigen Polymere zurückzuführen. Außerdem wurden bei den Polymeren mit größerer molarer Masse (CAPA 6800 und CAPA 6806) nach Gleichgewichtseinstellung höhere DOC-Konzentrationen erreicht als bei den Polymeren mit kleinerer molarer Masse (CAPA 6500 und CAPA 6506). Die Kinetik der DOC-Freisetzung aus BC (porös) war ähnlich wie bei den CAPA-Polymeren. Mittels SEC/DOC- und HPLC/MS/MS- Messungen konnte gezeigt werden, dass aus den Polymeren ε-caprolacton und 6- Hydroxycapronsäure (das Hydrolyseprodukt von ε-caprolacton) freigesetzt wurden. Beide Substanzen sind biologisch abbaubar. Die Freisetzung von anorganischen Substanzen aus BC (porös) war stärker als aus den CAPA-Polymeren. Besonders hohe Konzentrationen konnten hier für Calcium und Phosphor gefunden werden. Die Schwermetalle lagen bei allen Polymeren unter der Bestimmungsgrenze des Analysenverfahrens. 21

23 Endosulfansulfat zeigte eine stärkere Adsorption an der Polymeroberfläche als Metolachlor. Dabei war die Adsorption an pulverförmigen Polymeren auf Grund der größeren Oberfläche deutlich höher als an granulierten Polymeren. Im Gegensatz dazu konnte für Atrazin und Desethylatrazin keine nennenswerte Adsorption festgestellt werden. Die Adsorption von Endosulfansulfat und Atrazin an Mikroorganismen (Bakteriensuspension) ist gering. Bei BC (porös) zeigte sich sowohl mit als auch ohne Mikroorganismen eine starke Elimination von Endosulfansulfat. Im Gegensatz dazu wurde für Atrazin eine starke Elimination nur in Anwesenheit der mit Mikroorganismen bewachsenen Polymere festgestellt. Obwohl SPME/GC/ECD- und HPLC/MS/MS-Messungen keine Hinweise für die Entstehung möglicher Metabolite ergaben, kann man mikrobiologische Abbauprozesse trotzdem nicht ausschließen. Die Untersuchungen der wässrigen Proben aus der Pilotanlage zeigten im Ablauf des Roto-Bio- Reaktors unmittelbar nach Inbetriebnahme eine hohe DOC-Konzentration, die mit zunehmender Betriebszeit abnahm und sich der DOC-Konzentration des Grundwassers näherte. Die Proben, die aus verschiedenen Stellen der Anlage nach langen Betriebszeiten entnommen wurden, zeigten nahezu gleiche DOC- und Element-Konzentrationen wie die Grundwasserproben. Die Konzentrationen der in der Trinkwasserverordnung aufgeführten Elemente lagen weit unter dem jeweiligen Trinkwassergrenzwert. Die REM-Untersuchungen der Polymerproben, die aus zwei Kammern des Roto-Bio-Reaktors (RBR) entnommen wurden, zeigten eine stärkere Veränderung der Oberfläche in der ersten Kammer als in der zweiten Kammer. Diese Veränderung konnte als Folge der mikrobiologischen Aktivität gedeutet werden. Durch schnellere Abbauvorgänge in amorphen Bereichen konnte dabei die Sphärolith-Morphologie des Polymers sichtbar werden. Durch die REM-Aufnahmen konnte eine starke Besiedlung der Polymeroberfläche durch Mikroorganismen beobachtet werden. Die Polymerproben aus dem DynaSand-Reaktor zeigten schon nach 2 Wochen Betriebszeit erste Spuren der mikrobiologischen Aktivität. Ähnlich wie bei Polymeren aus dem RBR, konnten auch bei Proben aus dem DynaSand-Reaktor Sphärolith-Strukturen beobachtet werden. 5 Literatur [1] Rial-Otero, R., Cancho-Grande, B., Arias-Estévez, M., López-Periago, E., Simal-Gándara, J. (2003): Procedure for the measurement of soil inputs of plant-protection agents washed off through vineyard canopy by rainfall. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 51, 17, [2] Pflanzenschutzmittel in Böden, Grund- und Oberflächenwasser - Vorkommen, Abbau und Zulassung. Veröffentlichungen aus dem Technologiezentrum Wasser Karlsruhe, Band 31, [3] Arias-Estévez, M., López-Periago, E., Martínez-Carballo, E., Simal-Gándara, J., Mejuto, J.-C., García-Río, L. (2008): The mobility and degradation of pesticides in soils and the pollution of groundwater resources. Agriculture, Ecosystems and Environment, 123, [4] Rödelsperger, M.: Vortrag beim 3. Projekttreffen am im TZW. [5] Verordnung über die Qualität von Wasser für den menschlichen Gebrauch (Trinkwasserverordnung - TrinkwV 2001). [6] Malin, M., Hiljanen-Vainio, M., Karjalainen, T., Seppälä, J. (1996): Biodegradable lactone copolymers. II. Hydrolytic study of ε-caprolactone and lactide copolymers. Journal of Applied Polymer Science, 59, [7] Ehrenstein, G. W. (1999): Polymer-Werkstoffe: Struktur - Eigenschaften - Anwendung. 2. überarbeitete Auflage, Carl Hanser Verlag. [8] Menges, G., Haberstroh, E., Michaeli, W., Schmachtenberg, E. (2002): Werkstoffkunde Kunststoffe. 5. überarbeitete Auflage, Carl Hanser Verlag. [9] Xie, W., Jiang, N., Gan, Z. (2008): Effects of multi-arm structure on crystallization and biodegradation of starshaped poly(e-caprolactone). Macromol. Biosci. 8,