Hygieneaspekte bei der Wasserwiederverwendung

Transkript

1 Hygieneaspekte bei der Wasserwiederverwendung 9. BMBF Forum für Nachhaltigkeit Berlin Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel M.Sc. Astrid Bischoff Dipl.-Geoökol. Katharina Müller Dipl.-Ing. Bernhard Düppenbecker Institut IWAR, TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel 1

2 Inhalt Einleitung Krankheitserreger im Abwasser - Mikroorgansimen Methoden der Abwasserdesinfektion Krankheitserreger im Abwasser - Helminthen Zusammenfassung Institut IWAR Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel 2

3 Einleitung Wasserwiederverwendung muss Übertragung von Infektionskrankheiten ausschließen Art und Anzahl der vorhandenen Krankheitserreger im Abwasser hängen vom allgemeinen Gesundheitszustand der Bevölkerung ab Die Art der Wiederverwendung bedingt die Anforderungen ( fit for purpose ) geringere Anforderungen an Bewässerungswasser wenn Produkte nicht für den Verzehr angeboten werden (und Infektionsgefahr für Farmer ausgeschlossen werden kann) höhere Qualitätsanforderungen bei der Bewässerung von öffentlichen Parkanlagen, sowie sonst. innerstädtische Wiederverwendung noch höhere Anforderungen bei der Wasserwiederverwendung für Trinkwasserzwecke [US EPA, 2004] Institut IWAR Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel 3

4 Einleitung - Übertragung von Krankheitserregern (die vier Fs) Fäkal - orale Übertragungspfade Host [nach Wagner & Lanoix, 1958; in: Rechenburg, 2010] Institut IWAR Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel 4

5 Einleitung - Übertragung von Krankheitserregern Fäkal - orale Übertragungspfade Fäkal - oral übertragbare Krankheitserreger, die mit menschlichen und tierischen Ausscheidungen freigesetzt werden, vermehren sich mit wenigen Ausnahmen im behandelten Abwasser nicht Sie können aber in der Umwelt unter günstigen Milieubedingungen Tage, Wochen und einige bis zu mehreren Monaten lang überleben Viele Mikroorganismen besitzen die Fähigkeit zur Bildung resistenter Stadien (oder Ruhestadien) zum Überleben extremer Umweltbedingungen über längere Zeit, aus denen sie bei günstigem Milieu wieder zur vollen Aktivität wechseln Institut IWAR Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel 5

6 Krankheitserreger im Abwasser Mikroorganismen Mikroorganismen sind ubiquitär - d.h. überall (weltweit) verbreitet bedingt durch Wind, Wasser u.v.a. Verfrachtungsformen etwa 100 Billionen Mikroorganismen leben auf und im menschlichen Körper tragen zu essentiellen Körperfunktionen wie bspw. dem Aufbau des Immunsystems und des Verdauungssystems bei kleiner Anteil der Mikroorganismen ist pathogen, d.h. diese Organismen können bei Pflanzen, Tieren oder Menschen Krankheiten verursachen Bifidobacterium bifidum z. B. gelten als freundliche Bakterien des menschlichen Darms, wo sie vermutlich eine Kolonisierung mit pathogenen Keimen verhindern. [Todar, 2011] Institut IWAR Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel 6

7 Krankheitserreger im Abwasser Mikroorganismen Kommunales Abwasser enthält auch nach biologischer Reinigung noch eine große Anzahl Mikroorganismen (Bakterien, Viren), einschließlich Krankheitserregern. E. coli Yersinia pestis Salmonella [Rocky Mountain Laboratories, 2007] Institut IWAR Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel 7

8 Welche und wie viele Krankheitserreger sind im Abwasser vorhanden? Abnahme fäkalcoliformer Keime (Indikatororganismen) [nach ATV-M 205, 1998] Organismen Vorklärung Belebtschlammverfahren Tropfkörper fäkalcoliforme Bakterien 0, ,8 2 Salmonellen <0,1 2 0,5 2 0,8 2 Wurmeier 0,3 1,7 <0,1 1 <0,1 0, ,8 Enteroviren log-reduktion von Mikroorganismen Institut IWAR Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel 8 [Asano, 2007]

9 Methoden der Abwasserdesinfektion Definition Desinfektion Die Desinfektion hat die Aufgabe, die Krankheitserreger durch Entfernen, Abtötung oder Inaktivierung soweit zu reduzieren, dass eine Gesundheitsgefährdung durch Abwassereinleitungen in ein Gewässer nicht zu befürchten ist [ATV-M 205, 1998] Definition Abwasserdesinfektion Behandlung von Abwasser zur Verminderung der Aktivität von Krankheitserregern unter einen vorgegebenen Wert [ATV-M 205, 1998] Ziel der Desinfektion ist es, Gehalte an Bakterien, Viren und Parasiten um mehrere Zehnerpotenzen zu verringern Institut IWAR Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel 9

10 Methoden der Abwasserdesinfektion physikalische und mechanische Verfahren z. B.: Membranfiltration, Mikrosiebung, Erhitzen/Abkochen Bestrahlung z. B.: Sonnenstrahlung, UV-Strahlung, Gammastrahlung Verwendung chemischer Substanzen z. B.: Chlor- und Chlorverbindungen, Ozon, Wasserstoffperoxid, Peressigsäure [Tchobanoglous et al., 2003] Die im Abwasserbereich am häufigsten verwendeten Desinfektionsverfahren sind: Chlorung UV-Bestrahlung Ozonung Chlordioxiddosierung Membranverfahren Institut IWAR Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel 10

11 Verfahrensvergleich Criteria Cl2 NaOCl ClO2 UV Ozone Membrane Safety Bactericidal action High mod. - mod. - mod. - Protozoa removal Bacterial-regrowth mod. - Residual toxicity By-products none none Operability Full-scale experience Operating costs mod. - Investment costs Virucidal action [Bixio, Wintgens, 2006; Tchobanoglous, 2003] Institut IWAR Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel 11

12 Verfahrensvergleich Verfahren Desinfektionswirkung Betriebserfahrungen Umweltverträglichkeit Kosten1) [EUR/m3] UV-Bestrahlung ,02 0,05 Membranfiltration ++ +/ ++ 0,05 0,75(2) Ozonung + + 0,05 0,18 Chlorung3) ,04 0,06 +/++(4) + 0,03 0,05(4) +/ (5) +/ ++ 0,01 0,03 PeressigsäureAnw. naturnahe Verfahren 1) Abschreibung der Investitionen und Betrieb [Merkblatt ATV-M 205; Popp, 2002; Rosenwinkel und Lorey, 2009] 2) zusätzlich können andere wirtschaftliche Vorteile im Betrieb der Kläranlage erreicht werden 3) sollte nur im Notfall angewandt werden 4) nach Firmenangabe 5) nur mehr oder weniger starke Keimreduzierung Institut IWAR Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel 12

13 Methoden der Abwasserdesinfektion Praxisbeispiel Membran + Chlor + UV Wasserwiederverwendung zur Grundwasserinfiltration/Trinkwassernutzung, Torreele (Belgien) CCP Critical Control Point POA Point of Attention [Weemaes, 2011] Institut IWAR Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel 13

14 Methoden der Abwasserdesinfektion Praxisbeispiel Membran + Chlor + UV Aufbereitungsanlage Torreele (Belgien): Wasserwiederverwendung zur Grundwasserinfiltration/Trinkwassernutzung [Van Houtte, 2006] Institut IWAR Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel 14

15 Krankheitserreger im Abwasser - Helminthen Helminthen: vielzellige, eindeutig dem Tierreich zugeordnete parasitäre Würmer Von großer hygienischer Bedeutung sind die über den Boden bzw. durch den Verzehr von kontaminierten Feldfrüchten übertragbaren Soil-transmitted intestinal Nematodes: Ascaris lumbricoides (ca Mio.)* Trichuris trichuria (ca. 700 Mio.)* Hakenwürmer (Necator americanus, Ancylostoma duodenale) (ca. 650 Mio.)* *Infizierte weltweit Institut IWAR Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel 15

16 Entwicklungszyklus Ascaris lumbricoides 1. Adulte Würmer (25 bis 40 cm lang und ca. 6 mm dick) leben im Dünndarm 2. Eier werden mit den Fäzes ausgeschieden 3. Innerhalb von 2 bis 6 Wochen bilden sich im Ei eine infektiöse Larve aus 4. Orale Aufnahme eines infektiösen Eies: z. B. durch den Verzehr roher, kontaminierter Feldfrüchte 5. Larve schlüpft im Dünndarm 6. und wandert in die Lunge 7. Larve wandert zur Luftröhre wird verschluckt und reift im Dünndarm zum adulten Wurm heran Institut IWAR Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel 16

17 Krankheitserreger im Abwasser - Helminthen Soil-transmitted intestinal Nematodes Verbreitung: (Entwicklungs-) Länder in Ostasien, Afrika und Lateinamerika Besonders hohe Prävalenz bei Kindern und Jugendlichen (5 bis 14 Jahre) Symptome (variieren je nach Spezies): Beeinträchtigung der körperlichen und Ascaris lumbrocoides geistigen Entwicklung bei Kindern Übelkeit, Erbrechen, Bauchschmerzen Löffler`sches Infiltrat Dyspnoe, Fieber, Husten (Ascaris l.) Darmverschluss (Ascaris l.) Anämie (durch blutsaugende Haken-und Peitschenwürmer) [Despommier, 2005] Institut IWAR Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel 17

18 Helminthen - Beispiel Mezquital Valley Prozentsatz der Infektionen mit Ascaris lumbricoides (Spulwurm) in Abhängigkeit von Alter und Art der landwirtschaftlichen Bewässerung a [Helmer, Esphanol 1997] Institut IWAR Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel 18

19 Helminthen - Risikofaktoren bei der Wasserwiederverwendung Helminth (Spezies) Lebenszyklus Risikofaktor bei der Wasserwiederverwendung? Landwirtschaft Aquakultur Mensch-Mensch? - Hymenolepis spp. Mensch-Mensch-Insekt + - Ascaris lumbricoides (Spulwurm) Mensch-Boden-Mensch + - Necator americanus (Hakenwurm) Mensch-Boden-Mensch +? Trichuris trichiura (Peitschenwurm) Mensch-Boden-Mensch + - Mensch-Mensch +? Mensch-Schwein/Kuh-Mensch + - Enterobius vermicularis Strongyloides stercoralis Taenia spp. [WHO, 2004] Institut IWAR Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel 19

20 Helmintheneier - Größe und Form Trichuris trichiura (Peitschenwurm) Ascaris lumbricoides (Spulwurm) Necator americanus (Hakenwurm) Diphyllobothrium latum (Fischbandwurm) μm Institut IWAR Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel 20

21 Überlebensdauer von Krankheitserregern in der Umwelt [d] Organism Freshwater and Sewage Crops Soil Viruses Enteroviruses <120 and usually <50 <60 and usually <15 <100 and usually <20 Theromotolerant coliforms <60 and usually <30 <30 and usually <15 <70 and usually <20 Salmonella spp. <60 and usually <30 <30 and usually <15 <70 and usually <20 Bacteria V. cholerae NA <5 and usually <2 <20 and usually <10 <30 and usually<15 <10 and usually <2 <20 and usually <10 <180 and usually <70 <3 and usually <2 <150 and usually <75 Years <60 and usually <30 Years Many months <60 and usually <30 Many[WHO, months 2006] Protozoan cysts E. histolyca cysts Cryptosporidium oocysts Helminths Ascaris eggs Tapeworm eggs Institut IWAR Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel 21

22 Helmintheneier - Elimination und Abscheidung Desinfektionsverfahren wie Chlorung, Ozonung und UVBestrahlung: mit den üblichen Dosierungen ist eine ausreichende [Jimenez, 2007] Elimination der Helmintheneier nicht möglich: Ozon: Degenerierung von Helmitnheneiern (Ascaris spp.) ist theoretisch möglich: Mit einer Dosis von 36 mg O3/L und einer Kontaktzeit von 1h konnten im Labor 90% der Eier inaktiviert werden [Rojas-Valencia, 2004] UV: Unter Laborbedingungen konnte bei einer Dosis von 500 J/m² bzw. von J/m² 63,7 % bzw. 99,4 % der Eier (Ascaris spp.) inaktiviert werden [Brownell, 2006] [Brownell, 2006] Mechanische Abscheidung der Helmintheneier als technischökonomisch sinnvolles Verfahren, z.b. durch: Filtration (Membranverfahren, Mikrosiebung, Sandfilter) Sedimentation (Abwasserteich) Institut IWAR Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel 22

23 - UV 7 Wasserwiederverwendung und Hygienisierung Entwicklung eines Algorithmus zur Bemessung von Mikrosieben (TU Darmstadt) Abscheidung von Helmintheneiern mittels Mikrosieben (TU Darmstadt) Verfahrenstechnische Optimierung der Mikrosiebung (Huber SE) 60 x 40 μm (Despommier, 2005) Institut IWAR Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel 23 (Huber SE, 2012)

24 Zusammenfassung Wasserwiederverwendung muss die Übertragung von Infektionskrankheiten ausschließen Ziel der Desinfektion: Gehalte an Bakterien, Viren, Parasiten um mehrere Zehnerpotenzen verringern Desinfektionsprozesse sollen Mikroorganismen abscheiden oder zerstören bzw. inaktivieren Verfahren zur Desinfektion: Membran UV Ozon Chlorung Helmintheneier können durch UV, Ozon und Chlor nicht hinreichend inaktiviert werden und müssen mechanische entfernt werden Institut IWAR Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel 24

25 Hygieneaspekte bei der Wasserwiederverwendung 9. BMBF Forum für Nachhaltigkeit Berlin Das zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 02WA1252N gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor. Wir danken der Huber SE (Berching, DE) für Bereitstellung von Filtermaterialien Institut IWAR Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel 25