Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

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1 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser BWK-Landeskongress , Schwerte Prof. Dr.-Ing. Johannes Pinnekamp Dipl.-Ing. Danièle Mousel Dr.-Ing. Laurence Palmowski RWTH Aachen University Dr.-Ing. Silvio Beier PFI Planungsgesellschaft GbR, Hamburg

2 Spurenstoffe Beim Chemical Abstract Service (CAS) der American Chemical Society werden alle neu entwickelten chemischen Verbindungen registriert 22. April 2015; 10:55 Uhr: April 2015; 11:00 Uhr: Dies entspricht 75 neuen Stoffen pro Minute Die OECD beziffert die Anzahl der wirtschaftlich genutzten chemischen Substanzen auf etwa Davon werden Substanzen täglich verbraucht Ca Stoffe werden in Jahresmengen von mehr als Tonnen hergestellt oder importiert 2 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

3 Spurenstoffe Industriechemikalien Arzneimittel Biozide Produkte des täglichen Gebrauchs Flammschutzmittel Antiepileptika Herbizide Körperpflegemittel TCEP, TCPP Komplexbildner Carbamazepin, Antibiotika Atrazin, Diazin, Mecoprop Fungizide Moschusstoffe, Konservierungsmittel, Tenside, Enzyme, Kosmetika EDTA, DTPA, 1-H-Benzotriazol, Weichmacher Phthalate, Korrosionsschutz Nonylphenol, Ciprofloxazin, Sulfamethoxazol, Antirheumatika Diclofenac, Lipidsenker Bezafibrat, Carbendazim, Metconazol, Insektizide Disulfoton, Metconazol, Moschusstoffe, Konservierungsmittel, UV-Filter, Haushaltschemikalien Moschusstoffe, Konservierungsmittel, Desinfektionsmittel, Tenside, optische Aufheller, u. v. a. Oestrogene PFT, Parabene, Bisphenol A 17-β-Estradiol (E2), Estron 17-α-Ethinylestradiol (EE2), Betablocker Metoprolol, Sotalol, Diagnostika Amidotrizoesäure, Iopamidol, Iopromid, 3

4 Arzneimittelrückstände zugelassene Präparate und ca Arzneimittelwirkstoffe in BRD (2011) Jahresverbrauch an Humanarzneimitteln Mg/a in BRD Antiepileptikum Carbamazepin ca. 88 Mg/a Schmerzmittel Diclofenac ca. 86 Mg/a Antibiotikum Sulfamethoxazol ca. 58 Mg/a Betablocker Sotalol ca. 27 Mg/a Viele Medikamente werden im Körper nicht vollständig abgebaut Beispiel Diclofenac (Voltaren ) 4 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

5 Humanarzneimittelverbrauch in Deutschland Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser BWK Titel Landeskongress der Vorlesung2015

6 Einleitung Möglicher Ansatz: Minderung der Arzneistoffemissionen durch separate Behandlung an der Eintragsquelle (Beier, 2010) 6 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

7 Rahmenbedingungen: Demographie 50 Bevölkerungsanteil [%] 45 Bevölkerung unter 20 Jahren 40 Bevölkerung ab 65 Jahren 35 Bevölkerung ab 80 Jahren Der Anteil der Senioren steigt... Datenquelle: Statistisches Bundesamt 7 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

8 ...und damit die Abwasserzusammensetzung 8 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser BWK Titel Landeskongress der Vorlesung2015 Quelle: Arzneimittelverordnungsreport 2010 (Schwabe & Paffrath (Hrsg.)) > 90 Rahmenbedingungen: Demographie DDD (Definierte Tagesdosen) Altersgruppe

9 Agenda Elimination von Arzneimitteln aus Abwasser von Krankenhäusern: Pilotprojekt Kreiskrankenhaus Waldbröl: Projektbeschreibung Ergebnisse Fazit Elimination von Arzneimitteln aus anderen Einrichtungen des Gesundheitswesens Projekt Sauber+: Projektbeschreibung Ergebnisse Ausblick 9 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

10 Das Pilotprojekt am Kreiskrankenhaus Waldbröl Fördermittelgeber: Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen 10 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

11 Projekthintergrund Realisierungsprojekt: - Separate Erfassung des Krankenhausabwassers (Entkopplung Schmutzwasser/ Niederschlagwasser) - Bau eines Regenrückhaltebeckens - Bau eines Membranbioreaktors Forschungsprojekt: - Untersuchungen zum MBR - Bewertung weitergehender Verfahren zur Elimination relevanter Spurenstoffe und Empfehlung für die großtechnische Umsetzung 11 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

12 Entwässerungssituation + KKH RRB MBR WB Kreiskrankenhaus Weitergehende Kläranlage Waldbröl-Brenzingen: Behandlung Waldbröl: (WB): Nanofiltration/ Betten EW Konv. Eigene Umkehrosmose mech.-biol. Küche und KA mit Wäscherei nachgeschaltetem Adsorptive bis Verfahren Sandfilter m³/a bzw. ca. Oxidative Mo. L/(Bett d) m³/a) Verfahren Stadtgebiet Waldbröl KA Brenzingen Waldbrölbach 12 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

13 Ergebnisse des Forschungsprojektes in Waldbröl Ablauf KKH Ablauf MBR Ablauf Ozonung Ablauf RO Darstellung der Medianwerte (Ozondosis 5 g/m³) Bezafibrat Bisoprolol Carbamazepin Clarithromycin Ciprofloxacin Diclofenac Ibuprofen Metronidazol Moxifloxacin Telmisartan Tramadol 13 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser BWK Titel Landeskongress der Vorlesung2015 Konzentration in ng/l

14 Ergebnisse des Forschungsprojektes in Waldbröl 14 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser nach Beier, 2010 und Schröder et al., 2010

15 Ergebnisse des Forschungsprojektes in Waldbröl Die Membrantechnik stellt eine gute Grundlage für die Elimination von Arzneimitteleinträgen aus Abwasser dar. Weitergehende Behandlungsstufen wie z.b. Aktivkohleadsorption, Ozonung oder Nanofiltration sind erforderlich, um eine toxische Wirkung des gereinigten Abwassers auszuschließen. Sämtliche getestete Verfahren bewirken eine signifikante Elimination von Arzneimitteln. Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen zeigen Ozonung als wirtschaftlichste Option auf. Großtechnische Umsetzung der Ozonung 15 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

16 Pilotprojekt KKH Waldbröl Verfahrenskonzept KKH Waldbröl Regenwasser Schmutzwasser RRB Waldbrölbach SW + RW Feinsieb Vorklärung Belebung Membranfiltration Ozonung Regenwetterabschlag (Maschenweite 1x10 mm, inkl. Waschpresse) Entsorgung Stadt Waldbröl (V = 21 m³, t R = 1 h) (V = 56 m³, TS = g/l) Kläranlage Brenzingen Rezirkulation (V = 102 m³, 5 Module, max. Flux: 20 L/(m²h)) (max. 12,5 mg/l, t R = 15 min) Ozonung Waldbrölbach 16 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser Auslegung auf Basis Beier (2010) und Pinnekamp et al. (2009)

17 Pilotprojekt KKH Waldbröl Ergebnisse 17 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser Mauer, 2011 BWK Titel Landeskongress der Vorlesung2015

18 Kosten und Wirtschaftlichkeit 18 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser BWK Titel Landeskongress der Vorlesung2015

19 Fazit des Pilotprojektes am Kreiskrankenhaus in Waldbröl Der Beitrag des KKH zur Gesamtemission im Einzugsgebiet Waldbröl erreicht für Antibiotika Werte von 20% bis 90% und liegt für andere Arzneistoffe unter 10%. Der MBR am KKH liefert bei hohem Schlammalter und höheren Eingangskonzentrationen für Antibiotika eine deutlich bessere Eliminationsleistung als die biologische Behandlung auf der kommunalen Kläranlage. Die Kombination von MBR und nachgeschalteter Ozonung benötigt nach der Optimierung ca. 5,0 kwh el /m³ Energie (ca. 80% MBR und 20% Ozonung inkl. O 2 -Erzeugung, weitere Optimierung möglich) kostet zwischen 3 /m³ bei mehr als Betten und ca. 8 /m³ bei weniger als 100 Betten ist bei ca. 40fach höheren Konzentrationen im Krankenhausabwasser für einzelne Arzneistoffe wirtschaftlicher als eine zentrale weitergehende Abwasserreinigung 19 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

20 Das Projekt SAUBER+ Innovative Konzepte und Technologien für die separate Behandlung von Abwasser aus Einrichtungen des Gesundheitswesens Fördermittelgeber: Carbon Service & Consulting Aktivkohle für den Umweltschutz 20 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

21 Schwerpunkte des Projektes Transdisziplinäre Bewertung des potentiellen Risikos, das aus der Emission von Arzneimittelrückständen und Krankheitserregern aus weiteren Gesundheitseinrichtungen resultiert Untersuchung von Technologien und Strategien zur Minderung dieser Emissionen als Handlungsoptionen sowie Abschätzung ihrer (kombinierten) Wirkung Entwicklung von Kommunikations- und Bildungsmaßnahmen zur Sensibilisierung wichtiger Akteure (Pflegepersonal, Ärzte und Patienten) 21 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

22 Schwerpunkte des Projektes Transdisziplinäre Bewertung des potentiellen Risikos, das aus der Emission von Arzneimittelrückständen und Krankheitserregern aus weiteren Gesundheitseinrichtungen resultiert Ermittlung der Schutzzielfelder Toxizität im Rohabwasser Antibiotika-resistente Bakterien und Gene Emission von Arzneimitteln aus Gesundheitseinrichtungen 22 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

23 Emission von Arzneimitteln Methodik Bilanzierung der Arzneimittelverbräuche in 6 Einrichtungen für 2010, 2011, 2012 und 2013 Für die 52 relevantesten Wirkstoffe: Berechnung des Eintragspotentials I EP Beispiel Pflege- und Betreuungsheim Jahr 2011 Neurologika 59% Laxantien 28% Anteil der Wirkstoffe 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% I = EP M Einrichtung des Gesundheitswesens M Haushalte M: Verbrauchsmenge eines Wirkstoffs [kg] Frachtbetrachtung 2,0<IEP 1,0<IEP<2,0 0,5<IEP<1,0 0,1<IEP<0,5 IEP<0,1 KH PFK PBH KH PFK KOS PBH National Einzugsgebiet 1 Einzugsgebiet 2 Herrmann et al., Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

24 Emission von Arzneimitteln Ergebnisse Nationaler Vergleich auf Basis der untersuchten Einrichtungen: Emissionen aus den Einrichtungen i.d.r. niedriger oder gleich hoch wie aus Haushalten Emissionen einrichtungsspezifischer Substanzen aus den Einrichtungen können aber höher sein als aus Haushalten Regionaler Vergleich: Bei bestimmten Substanzen höhere Emissionen aus den untersuchten Einrichtungen als aus Haushalten Höhere Schwankungen je nach Einzugsgebiet, Substanz und Einrichtungstyp 24 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

25 Toxizität der Rohabwässer Aus den Projektergebnissen für die psychiatrische Fachklinik und das Pflege- und Betreuungsheim: Toxizität (im modifizierten Leuchtbakterientest) Psychiatrische Fachklinik: leichte chronische Leuchthemmung feststellbar Pflege- und Betreuungsheim: leichte akute Leuchthemmung feststellbar Keine Gentoxizität feststellbar (Umu-Test) Keine Mutagenität feststellbar (Ames-Fluktuationstest) 25 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

26 Antibiotikaresistenzen Keine wesentlich höheren Einträge an resistenten Bakterien durch die 3 untersuchten Einrichtungen im Vergleich zum untersuchten kommunalen Abwasser Keine wesentlich höheren Einträge an resistenten Genen durch die 3 untersuchten Einrichtungen im Vergleich zum kommunalen Abwasser Tetracyclin-, Breitspektrum beta-laktamase- und Carbapenemase- Resistenzgene in allen untersuchten Rohabwasserproben nachweisbar Jedoch im Allgemeinen keine offenkundige Häufung an Resistenzgenen im Vergleich zum kommunalen Abwasser Trend zu häufigerem Nachweis von ß-Laktamase kodierenden DNA- Sequenzen im Abwasser aus der Einrichtung mit höherem Antibiotika-Verbrauch (jedoch keine statistische Signifikanz!) Bäumlisberger et al., Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

27 Schlussfolgerungen aus Risikocharakterisierung Aus den Projektergebnissen konnte für die untersuchten Einrichtungen des Gesundheitswesens kein höherer Eintrag von Arzneimittelrückständen, toxisch wirkenden Substanzen sowie resistenten Bakterien oder Genen als aus Kommunen festgestellt werden Abweichungen sind bei weiteren Einrichtungen des Gesundheitswesens nicht auszuschließen Einzelfallbetrachtungen notwendig Emissions-Check wird empfohlen, ggfs. gezielte Untersuchungen erforderlich Handlungsstrategien und -maßnahmen basieren auf Vorsorgeprinzip anstelle von Risikomanagement 27 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

28 Emissions-Check Relevanzprüfung (1) Kriterium 1 Größe der Gesundheitseinrichtung (GE) in Bezug auf Einzugsgebiet Kläranlage: Starke Abweichung vom nationalen Mittelwert Kriterium 2 LokaleUmwelt: Zw. Einleitstelle der GE u. Kläranlage befindet sich eine Mischwasserentlastung; überdurchschnittlicher Antibiotikaverbrauch Abschätzung Emissionssituation (2) Falls eines oder mehrere der Kriterien zutreffen: Arzneimittelverbrauch: Vergleich GE mit Haushalten im Einzugsgebiet der Kläranlage Auf Basis der Ergebnisse aus Bewertung Emissionssituation (3) Maßnahmen erforderlich? Vorfluter: ökologische Empfindlichkeit und wasserwirtschaftliche Funktion Auf Basis der Ergebnisse aus 3 Stakeholder/Bevölkerung: manifeste Besorgnisse (Schutzgüter)? ggf. Emissionsmanagement (4) 28 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

29 Technologien zur Emissionsminderung Pflege- und Betreuungsheim (PBH) Drei Transporte je Einrichtung Transport in Containern 4 x l Klinik mit orthopädischem Schwerpunkt (KOS) Psychiatrische Fachklinik (PFK) Bogensieb kommunales Abwasser (KOM) Ablauf Vorklärung Versuchsgelände Aachen MBR Q= ca. 50 l/h Probenahmestelle Zusätzliche Versuche mit kommunalem Abwasser c Kühlen bei 4 C Zwischenlagerung UV- Bestrahlung & optionale Zugabe von H 2 O 2 Aktivkohlefiltration (RSSC- Tests) Ozonung 29 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

30 Technologien zur Emissionsminderung Pflege- und Betreuungsheim (PBH) Drei Transporte je Einrichtung Transport in Containern 4 x l Klinik mit orthopädischem Schwerpunkt (KOS) Psychiatrische Fachklinik (PFK) Bogensieb kommunales Abwasser (KOM) Ablauf Vorklärung Versuchsgelände Aachen Ozonung Probenahmestelle Zusätzliche Versuche mit kommunalem Abwasser Kühlen bei 4 C + Ozoneintrag MBR im ersten Reaktor, evtl. Zwischenlagerung im zweiten Nachreaktionen Q= ca. 50 l/h Reaktor UV- Bestrahlung & optionale Zugabe von H 2 O 2 Aktivkohlefiltration + Gegenstrombetrieb gewählt, da effizienter c (RSSC- Eintrag Tests) + Versuchseinstellungen: Ozonung Gesamte Verweilzeiten: 12,8 und 25 min Dosiermengen: 2,5 / 5,0 / 10,0 / 15,0 mgo 3 /L 30 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

31 Technologien zur Emissionsminderung Pflege- und Betreuungsheim (PBH) Drei Transporte je Einrichtung Transport in Containern 4 x l Klinik mit orthopädischem Schwerpunkt (KOS) Psychiatrische Fachklinik (PFK) Bogensieb kommunales Abwasser (KOM) Ablauf Vorklärung Versuchsgelände Aachen MBR Q= ca. 50 l/h Probenahmestelle Zusätzliche Versuche mit kommunalem Abwasser c UV-Bestrahlung + Batch Reaktor (60 L) Kühlen bei 4 C Zwischenlagerung UV- Bestrahlung & optionale Zugabe von H 2 O 2 + Optionale Zugabe von H 2 O 2 (13 51 mg/l) Aktivkohlefiltration (RSSC- Tests) + Vergleich von positiver und negativer Bestrahlungsgeometrie Ozonung + Variable Bestrahlungszeit (3s bis 60s) 31 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

32 Technologien zur Emissionsminderung Pflege- und Betreuungsheim (PBH) Drei Transporte je Einrichtung Transport in Containern 4 x l Klinik mit orthopädischem Schwerpunkt (KOS) Psychiatrische Fachklinik (PFK) Bogensieb kommunales Abwasser (KOM) Ablauf Vorklärung Versuchsgelände Aachen Probenahmestelle Zusätzliche Versuche mit kommunalem Abwasser Adsorption an granulierte Aktivkohle (GAK) + Charakterisierung MBR verschiedener GAK Zwischenlagerung hinsichtlich Q= ca. 50 l/hder Elimination von Arzneimitteln (Kennzahlen) c UV- Bestrahlung & optionale Zugabe von H 2 O 2 Aktivkohlefiltration (RSSC- Tests) + Maßstabsverkleinerung Kühlen bei mit dem Ansatz des 4 C RSSCT-Modells (Rapid Small-Scale Column Test) Ozonung + Ziel: Filterlaufzeit = Bettvolumina 32 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

33 Elimination von Arzneimittelrückständen Abwasser Technologie Metamizol (AAA + AA+ FAA) Bupropion + Hydroxy-Bupropion Carbamazepin Clarithromycin Diclofenac Ibuprofen Metformin Metoprolol Naproxen Pantoprazol Sulfamethoxazol + N-Acetyl-SMX Tramadol Valsartan Klinik mit orthopädischem Schwerpunkt (KOS) Pflege- und Betreuungsheim (PBH) Psychiatrische Fachklinik MBR Ozon > 62 > > > 84 > > GAK > > > 90 > < BG UV+H 2 O > > 99 > > 84 > > MBR Ozon > > 99 > 64 > 99 > > GAK > > > UV+H 2 O 2 > > 64 > 99 > < BG MBR Ozon > 97 > > 88 > 99 > > GAK > 99 < BG > 96 > > 95 > 99 > > UV+H 2 O 2 > > 95 > > 93 > 99 > 93 > Ausgewählte Versuchseinstellungen Legende Ozon: 5 mg O 3 /L bei 12,8 Minuten Verweilzeit 90 > 80 % UV+H 2 O 2 : 26 mg H 2 O 2 /l; Bestrahlungszeit: s (2000 W) (negative Geometrie) % GAK: Bettvolumina (Mittelwert aus GAK A und C) 10 < 50 % < BG: Zulauf kleiner Bestimmungsgrenze (10 ng/l) 33 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

34 Elimination von Arzneimittelrückständen Alle untersuchten Verfahrenskombinationen sind generell zur Elimination von Arzneimittelrückständen geeignet Keine Verfahrenskombination eliminiert (bei vertretbarem Aufwand) alle Arzneimittelrückstände vollständig Konkrete Dosiermengen für die Verfahren sind von der jeweiligen Abwassermatrix abhängig Kombination von MBR + einer weiteren Technologie kumuliert die Vorteile der einzelnen Verfahren z. B. Rückhalt von Bakterien und Arzneimittelrückständen Reduktion der Toxizität und Resistenzen qualitativ erkennbar 34 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

35 Strategien und Handlungsmaßnahmen Vielfalt der Handlungsoptionen zur Emissionsminderung in Handlungsfeldern wie Arzneimittelentwicklung Umgang mit Arzneimitteln Kommunikation und Bildung Emissionsmanagement durch separate Behandlung oder Ertüchtigung kommunaler Kläranlagen Abschätzung der Wirkung ausgewählter Maßnahmen für einige Arzneimitteln mit Bayes schen Netzen ISOE, Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

36 Abschätzung der Wirkung der Maßnahmen Brandmayr et al., Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser BWK Titel Landeskongress der Vorlesung2015

37 Abschätzung der Wirkung der Maßnahmen Reduktion der PEC im Vergleich zum Status Quo im Nachhaltigkeitsszenario durch verschiedene Maßnahmen: PEC-Reduktion [%] Metoprolol Metformin Gesundheitsmarkt Umweltpolitik Arzneimittelinnovation Kombination Brandmayr et al., Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

38 Ausblick Allgemein ist eine separate Behandlung der Abwässer aus Einrichtungen des Gesundheitswesens nur im Einzelfall technisch und wirtschaftlich sinnvoll, Einfallbetrachtung jedoch notwendig Arzneimittelrückstände, Krankheitserreger und toxisch wirkende Substanzen können dezentral in medizinischen Einrichtungen mit allen untersuchten Verfahrenskombinationen effizient eliminiert werden Zur vorsorglichen Minderung dieser Schadstoffe im Wasserkreislauf ist eine Integration von Technologien, Gesundheitspolitik (Prävention, Arzt-Patient-Kommunikation) und Arzneimittelinnovation notwendig Zentrale Botschaften bei der Kommunikation und Bildung Handelt es zuallererst um Vorsorge und nicht um den Schutz vor konkreten Gefährdungen Erfolgreiche Vorsorge mit dem Erhalt und Verbesserung des hohen (und hoch geschätzten) Schutzniveaus einhergeht. 38 Elimination von Arzneimitteln aus Krankenhausabwasser

39 Vielen Dank! 23. April 2015 den Co-Autoren den Projektpartnern den Mittelgebern Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit