Elimination von Mikroschadstoffen, Mikroplastik, antibiotikaresistenten Keimen

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1 Bochumer Workshop 8. September 2016 Elimination von Mikroschadstoffen, Mikroplastik, und antibiotikaresistenten Keimen Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Pinnekamp J. Firk M.Sc. Dr.-Ing. Ch. Keysers Dipl.-Ing. D. Mousel Jan Ruppelt M.Sc. Dipl.-Ing. K. Tondera

2 Bochumer Workshop 8. September 2016 Elimination von Mikroschadstoffen, Mikroplastik, pathogenen und antibiotikaresistenten Keimen Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Pinnekamp J. Firk M.Sc. Dr.-Ing. Ch. Keysers Dipl.-Ing. D. Mousel Jan Ruppelt M.Sc. Dipl.-Ing. K. Tondera

3 Gliederung Eintragspfade Mikroschadstoffe Mikroplastik Pathogene Keime Antibiotikaresistenzen Eintragsreduzierung 3 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

4 Gliederung Eintragspfade Mikroschadstoffe Mikroplastik Pathogene Keime Antibiotikaresistenzen Eintragsreduzierung 4 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

5 Übersicht der relevanten Eintragspfade Mischsystem Misch- und Trennsystem Trennsystem Kunststoffindustrie Schlachthöfe Fäkalien Kosmetik & Körperpflege Waschmaschinen Arzneimittel Flughäfen Dächer Sportplätze Straßen Reifenabrieb Bremsstaub Katalysatoren Industrielle Indirekteinleiter Haushalte Oberflächenabfluss Außerörtliche Straßenentwässerung Entlastungsbauwerke Kanalnetz Entlastungsbauwerke Kommunale Kläranlage Straßenabwasserbehandlung Regenüberläufe Regenüberlaufbecken Regenklärbecken Regenwassereinleitungen Industrielle Direkteinleiter Industrielle Kläranlage Gewässer 5 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

6 Übersicht der relevanten Eintragspfade Industrielle Indirekteinleiter Haushalte Oberflächenabfluss Außerörtliche Straßenentwässerung Entlastungsbauwerke Kanalnetz Entlastungsbauwerke Kommunale Kläranlage Straßenabwasserbehandlung Regenüberläufe Regenüberlaufbecken Regenklärbecken Regenwassereinleitungen Industrielle Direkteinleiter Industrielle Kläranlage Gewässer Mischsystem Misch- und Trennsystem Trennsystem Außerörtliche Straßenentwässerung Industrielle Kläranlagen Kommunale Kläranlagen Regenüberläufe Regenüberlaufbecken Regenklärbecken Regenwassereinleitungen Regenwasserbehandlungsanlagen Anzahl BRD [-] Anzahl NRW [-] Emissionsvolumen NRW [Mio. m³/a] (Insg Mio m³/a) 216 (4,1 %) 733 (14,3 %) (47,6 %) 262 (5,0 %) 777 (14,7 %) 731 (13,8 %) Quellen: DESTATIS (2015), LANUV (2015), MKULNV (2016) 6 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

7 Gliederung Eintragspfade Mikroschadstoffe Mikroplastik Pathogene Keime Antibiotikaresistenzen Eintragsreduzierung 7 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

8 Spurenstoffe Beim Chemical Abstract Service (CAS) der American Chemical Society werden alle neu entwickelten chemischen Verbindungen registriert 6. September 2016; 10:00 Uhr: September 2016; 10:00 Uhr: Dies entspricht 49 neuen Stoffen min -1 oder d -1 Die OECD beziffert die Anzahl der wirtschaftlich genutzten chemischen Substanzen auf etwa Davon werden Substanzen täglich gebraucht Ca Stoffe werden in Jahresmengen von mehr als Tonnen hergestellt oder importiert dieser Substanzen gelten als potentiell umweltgefährdend (SRU) 8 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

9 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, 9 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

10 Eintragspfade von Spurenstoffen in Gewässer Chemische Industrie Fäkalien Kosmetik & Körperpflege maschinen Flughäfen Sportplätze Straßen Reifenabrieb Bremsstaub Katalysatoren Mischsystem Misch- und Trennsystem Trennsystem Krankenhäuser Wasch- Arzneimittel Dächer Industrielle Indirekteinleiter Haushalte Oberflächenabfluss Außerörtliche Straßenentwässerung Entlastungsbauwerke Kanalnetz Entlastungsbauwerke Kommunale Kläranlage Straßenabwasserbehandlung Regenüberläufe Regenüberlaufbecken Regenklärbecken Regenwassereinleitungen Industrielle Direkteinleiter Industrielle Kläranlage Gewässer Wesentlicher Eintragspfad Nicht wesentlicher Eintragspfad 10 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

11 Vorkommen von Spurenstoffen in der aquatischen Umwelt 11 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen (Beier, 2010)

12 Elimination [%] Mikroschadstoffe: Elimination in kommunalen Kläranlagen η < 30 % η < 70 % η 70 % Daten aus: MARGOT et al., 2013; SACHER et al., 2014; MIÈGE et al., 2009; JELIC et al., 2010; KÖCK-SCHULMEYER et al., Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

13 Verfahren zur Spurenstoffelimination Belebungsbecken Nachklärung O 3 Biolog. Nachbehandlung Rücklaufschlamm ÜS PAC FHM Filterstufe Rücklaufschlamm ÜS Überschusskohlekohle Rücklaufschlamm ÜS Granulierte Aktivkohle 13 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

14 Elimination Aktivkohle [%] Vergleich Ozonung und Aktivkohlebehandlung 100 Metoprolol Iomeprol Ciprofloxacin Ibuprofen Clarithromycin Carbamazepin Bezafibrat Diclofenac Sulfamethoxazol Iopamidol Amidotrizoesäure Elimination Ozonung [%] Ozonzehrung: 0,4 bis 1,8 g O3 /g DOC ; Aktivkohlezugabe: 10 bis 20 mg PAK /L ; c DOC = 4,9 mg DOC /L (verändert nach MARGOT et al., 2013) 14 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

15 Kosten der technischen Maßnahmen auf der Kläranlage Quelle: Herbst und Ante (2015) Kosten: 0,05 bis 0,15 /m³ 2,50 bis 7,50 /E a entspricht 1,75 bis 5,2 % der Abwasserausgaben 15 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

16 Filtration über GAK Ozonung Adsorption an PAK Energiebedarf: großtechnische Erfahrungen Quelle: Pinnekamp et al., 2015 Düren-Merken Obere Lutter Gütersloh-Putzhagen Schwerte Buchenhofen Böblingen-Sindelfingen Mannheim Kressbronn-Langenargen Bad Sassendorf Schwerte Duisburg-Vierlinden Diffusor Duisburg-Vierlinden Injektor 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 Energiebedarf auf der Kläranlage [kwh/m³] Energiebedarf: 0,03 bis 0,10 kwh/m³ 1,5 bis 5,0 kwh/e a erhöht den Energiebedarf der Abwasserreinigung um 4,3 bis 15 % 16 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

17 Gliederung Eintragspfade Mikroschadstoffe Mikroplastik Pathogene Keime Antibiotikaresistenzen Eintragsreduzierung 17 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

18 Mikroplastik: Definitionen, Grundlagen Kunststoffpartikel < 5 mm, Untergrenze nicht definiert: Primäres Mikroplastik: Kunststoffgranulate, Inhalte von Kosmetika, Sekundäres Mikroplastik: Kunststoffe, die durch Abrieb immer kleinere Partikelgrößen erlangen Viele Nachweise in Meeren -> mediale Aufmerksamkeit In den letzten Jahren auch Nachweise in Süßwasser Ökotoxikologische Bewertung offen Wenige Studien zum Verhalten von MP in Kläranlagen: Noch keine einheitlichen Methoden zur Probenahme, Probenaufbereitung und Analytik Zum Teil stark unterschiedliche Größenordnungen der Befunde I. d. R. hoher Rückhalt in Kläranlagen, durch die großen behandelten Wassermengen werden jedoch viele Partikel ausgetragen 18 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

19 Mani et al. (2015): Microplastics profile along the Rhine River Mani, T. et al. Microplastics Profile along the Rhine River. Sci. Rep. 5, 17988; doi: /srep17988 (2015) 19 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

20 Mikroplastik: Relevanz der Einträge Kosmetik und Pflege (ins Abwasser) Feller 2015 (DE) Gouin et al (EU) Lassen et al (DK) Lassen et al (DK) Magnusson et al (SE) Essel et al (DE) Waschmaschinen (ins Abwasser) Lassen et al (DK) Lassen et al (DK) Magnusson et al (SE) Magnusson et al (SE) Essel et al (DE) Magnusson et al (SE) Reifenabrieb (allgemein) Lassen et al (DK) Lassen et al (DK) Hillebrand et al (DE) Liebmann et al (AT) Essel et al (DE) Emissionen während der Nutzung in g/(pers*a) 20 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

21 Eintragspfade von Kunststoffen in Gewässer Mischsystem Misch- und Trennsystem Trennsystem Kunststoffindustrie Krankenhäuser Fäkalien Kosmetik & Körperpflege Waschmaschinen Arzneimittel Flughäfen Dächer Sportplätze Straßen Reifenabrieb Bremsstaub Katalysatoren Industrielle Indirekteinleiter Haushalte Oberflächenabfluss Außerörtliche Straßenentwässerung Entlastungsbauwerke Kanalnetz Entlastungsbauwerke Kommunale Kläranlage Straßenabwasserbehandlung Regenüberläufe Regenüberlaufbecken Regenklärbecken Regenwassereinleitungen Industrielle Direkteinleiter Industrielle Kläranlage Gewässer Wesentlicher Eintragspfad Nicht wesentlicher Eintragspfad 21 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

22 Gliederung Eintragspfade Mikroschadstoffe Mikroplastik Pathogene Keime Antibiotikaresistenzen Eintragsreduzierung 22 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

23 Projektgebiet Sichere Ruhr 23 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

24 Krankheitserreger: Vergleich der Eintragspfade Badesaison Frachteinträge Escherichia coli Merkel et al. (2015): Sichere Ruhr Stand und Perspektiven einer zukünftigen Badenutzung. 48. Essener Tagung für Wasser- und Abfallwirtschaft, Aachen, Germany, 04/15/ /17/2015 Gewässerschutz, Wasser, Abwasser 236, 32/1-32/17 24 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

25 Fäkalcoliforme Bakterien [MPN] / 100 ml Krankheitserreger: Technologien Konzentrationen im Ablauf der Behandlungsstufen 1,0E+07 1,0E+06 1,0E+05 1,0E+04 1,0E+03 1,0E+02 1,0E+01 1,0E+00 Reinigungsstufen Werte hergeleitet nach: Gnirss et al. (2015): Abwasserdesinfektion. KA Abwasser, Abfall, doi: /kae DWA M 2005 (2013) 25 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

26 Eintragspfade von Krankheitserregern in Gewässer Mast- und Schlachtbetriebe Fäkalien Kosmetik & Körperpflege maschinen Flughäfen Sportplätze Straßen Reifenabrieb Bremsstaub Katalysatoren Mischsystem Misch- und Trennsystem Trennsystem Krankenhäuser Wasch- Arzneimittel Dächer Industrielle Indirekteinleiter Haushalte Oberflächenabfluss Außerörtliche Straßenentwässerung Entlastungsbauwerke Kanalnetz Entlastungsbauwerke Kommunale Kläranlage Straßenabwasserbehandlung Regenüberläufe Regenüberlaufbecken Regenklärbecken Regenwassereinleitungen Industrielle Direkteinleiter Industrielle Kläranlage Gewässer Wesentlicher Eintragspfad Nicht wesentlicher Eintragspfad 26 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

27 Gliederung Eintragspfade Mikroschadstoffe Mikroplastik Pathogene Keime Antibiotikaresistenzen Eintragsreduzierung 27 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

28 Problematik der Antibiotika-Resistenzen Kurzer Abstand zwischen Inverkehrbringen und Resistenzbildung Quelle: EAWAG, 2014 Entwicklung neuer Antibiotika langsamer als Antibiotika- Resistenzbildung 28 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

29 Antibiotika-Resistenzen in der aquatischen Umwelt Erfassung von Belastungssituationen in der aquatischen Umwelt Molekularbiologie Identifizierung und Quantifizierung von Antibiotika-Resistenzen und Genträger Kultivierung Identifizierung spezifischer Antibiotikaresistenter Bakterien Biologische Bewertung Charakterisierung von Messstellen und Belastungspotentialen 30 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

30 Aktuelle Forschungen zu Antibiotika-Resistenzen im Wasserkreislauf Abgeschlossene Projekte der BMBF-Fördermaßnahme RiSKWa mit Bezug zu Antibiotika-Resistenzen Sauber+ TransRisk Anti-Resist Anfang des Jahres RiSKWa Verbundprojekt HyReKA gestartet 31 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

31 Antibiotikaresistenzen Sauber+ Keine wesentlich höheren Einträge an resistenten Bakterien durch Einrichtungen des Gesundheitswesens im Vergleich zum untersuchten kommunalen Abwasser Keine wesentlich höheren Einträge an resistenten Genen durch Einrichtungen des Gesundheitswesens im Vergleich zum kommunalen Abwasser Trend zu häufigerem Nachweis von ß-Laktamase kodierenden DNA-Sequenzen im Abwasser aus Einrichtungen mit höherem Antibiotika-Verbrauch (jedoch keine statistische Signifikanz!) Bäumlisberger et al., Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

32 Einfluss der Ozonung auf Keimzahl und Antibiotika-Resitenzen Antibiotikaresistenzträger zeigen erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber Ozon Relativer Anstieg der Resistenzgene nach Ozonbehandlung Alexander et al. (2015): Ozone treatment of conditioned wastewater selects antibiotic resistance genes, opportunistic bacteria, and induce strong population shifts; SCIENCE OF THE TOTAL ENVIRONMENT; DOI: /j.scitotenv Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

33 Eintragspfade von Antibiotikaresistenzen in Gewässer Mast- und Schlachtbetriebe Fäkalien Kosmetik & Körperpflege maschinen Flughäfen Sportplätze Straßen Reifenabrieb Bremsstaub Katalysatoren Mischsystem Misch- und Trennsystem Trennsystem Krankenhäuser Wasch- Arzneimittel Dächer Industrielle Indirekteinleiter Haushalte Oberflächenabfluss Außerörtliche Straßenentwässerung Entlastungsbauwerke Kanalnetz Entlastungsbauwerke Kommunale Kläranlage Straßenabwasserbehandlung Regenüberläufe Regenüberlaufbecken Regenklärbecken Regenwassereinleitungen Industrielle Direkteinleiter Industrielle Kläranlage Gewässer Wesentlicher Eintragspfad Nicht wesentlicher Eintragspfad 34 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

34 Gliederung Eintragspfade Mikroschadstoffe Mikroplastik Pathogene Keime Antibiotikaresistenzen Eintragsreduzierung 35 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

35 Möglichkeiten der Eintragsreduzierung Mischsystem Misch- und Trennsystem Trennsystem Kunststoffindustrie Schlachthöfe Kosmetik & Körperpflege Waschmaschinen Arzneimittel Flughäfen Maßnahmen an der Quelle Fäkalien Dächer Sportplätze Straßen Reifenabrieb Bremsstaub Katalysatoren Industrielle Indirekteinleiter Haushalte Oberflächenabfluss Außerörtliche Straßenentwässerung Entlastungsbauwerke Kanalnetz Entlastungsbauwerke Kommunale Kläranlage Straßenabwasserbehandlung Regenüberläufe Regenüberlaufbecken Regenklärbecken Regenwassereinleitungen Industrielle Direkteinleiter Industrielle Kläranlage 4. Reinigungsstufe Desinfektion Gewässer 36 Mikroschadstoffe, Mikroplastik, pathogene Keime, Antibiotikaresistenzen

36 Bochumer Workshop 8. September 2016 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!