Einsatz eines Membranbioreaktors zur Vorbehandlung von Abwässern aus Einrichtungen des Gesundheitswesens

12. April 2016 Einsatz eines Membranbioreaktors zur Vorbehandlung von Abwässern aus Einrichtungen des Gesundheitswesens Danièle Mousel, Daniel Bastian, Julian Firk, Laurence Palmowski, Johannes Pinnekamp Kontakt: mousel@isa.rwth-aachen.de

Agenda Veranlassung und Vorstellung des Projektes Sauber+ Methodik Elimination von Arzneimittelrückständen aus Abwasser von Einrichtungen des Gesundheitswesens: Einsatz eines Membranbioreaktors (MBR) Diskussion der Versuchsergebnisse Zusammenfassung und Fazit 2

Einleitung Ubiquitäre Verbreitung von organischen Spurenstoffen, z. B. von Arzneimittelrückständen (AMR) in der aquatischen Umwelt Untersuchungen zur Elimination von AMR und weiteren Spurenstoffen bereits auf einigen kommunalen Kläranlagen: Forschungsprojekte Einsatz membranbasierter, oxidativer und adsorptiver Verfahren der weitergehenden Abwasserreinigung Eintragsminderung an der Quelle: Untersuchungen zur Elimination von AMR aus Krankenhausabwasser Elimination von AMR aus Abwässern sonstiger Einrichtungen des Gesundheitswesens, wie etwa Pflegeheimen und Fachkliniken: Projekt Sauber+ 3

Das Projekt Sauber+ Innovative Konzepte und Technologien für die separate Behandlung von Abwasser aus Einrichtungen des Gesundheitswesens Carbon Service & Consulting Aktivkohle für den Umweltschutz Förderkennzeichen: 02WRS1280A-J 4

Das Projekt Sauber+ Schwerpunkte des Projekts: Transdisziplinäre Bewertung des potentiellen Risikos der Emissionen Entwicklung von Kommunikations- und Bildungsmaßnahmen zur Sensibilisierung wichtiger Akteure (Pflegepersonal, Ärzte und Patienten) Untersuchung von Technologien und Strategien zur Minderung dieser Emissionen vgl. Abschlussbericht Abwasser Charakterisierung, Technologien, Kommunikation und Konzepte ISBN 978-3-938996-44-7, www.sauberplus.de 5

Veranlassung und Vorstellung des Projektes Sauber+ Methodik Elimination von Arzneimittelrückständen aus Abwasser von Einrichtungen des Gesundheitswesens: Einsatz eines Membranbioreaktors (MBR) Diskussion der Versuchsergebnisse Zusammenfassung und Fazit 6

Methodik Technologien zur Emissionsminderung Pflege- und Betreuungsheim (PBH) 3 Beprobungen je Einrichtung Transport in Containern 4 x 1.000 L Klinik mit orthopädischem Schwerpunkt (KOS) Psychiatrische Fachklinik (PFK) Bogensieb kommunales Abwasser (Ablauf Vorklärung) Versuchsgelände Aachen MBR Q= ca. 50 L/h Kühlen bei 4 C Zwischenlagerung UV- Bestrahlung & optionale Zugabe von H 2 O 2 Aktivkohlefiltration (RSSC- Tests) Ozonung Probenahmestelle 7

Methodik Analytik Ausgewählte AMR Diverse Standardparameter (SAK 254, DOC, Stickstoff ) Resistenzen: Vorbehandlung im MBR: Kulturelle Bestimmung der Bakterien-Gesamtzahl und der Anzahl der Antibiotika-resistenten Bakterien Weitergehende Verfahren: Molekularbiologische Überprüfung der Elimination von Marker- Resistenz-Genen (Tet-O, Tet-M, CTX-M) durch die Behandlung der Abwässer Toxizität Für das Abwasser aus dem Pflegeheim und der psychiatrischen Fachklinik 8

Elimination von AMR Kombinationswirkung Metamizol (AAA + AA+ FAA) Bupropion + Hydroxy-Bupropion Carbamazepin Clarithromycin Diclofenac Ibuprofen Metformin Metoprolol Naproxen Pantoprazol Sulfamethoxazol + N-Acetyl-SMX Tramadol Valsartan Abwasser Technologie Klink mit orthodädischem Schwerpunkt (KOS) Pflege- und Betreuungsheim (PBH) Psychiatrische Fachklinik (PFK) Ausgewählte Versuchseinstellungen MBR 5 1-117 13 51 99 94 41 61 49 10 92 + Ozon 99 94 > 62 > 83 99 > 99 91 > 84 > 99 99 > 93 99 < BG + GAK 47 98 > 61 87 99 > 99 97 > 90 > 99 99 97 98 + UV+H 2 O 2 92 88 > 62 66 > 99 > 99 98 > 84 > 99 99 > 89 99 MBR -78 61 23 64 34 96 96 55 28-38 72-15 86 + Ozon > 99 90 > 99 > 64 > 99 > 95 98 91 > 85 70 94 98 95 + GAK 48 99 99 > 64 98 > 97 99 99 > 85 92 95 99 91 + UV+H 2 O 2 > 99 95 82 > 64 > 99 > 98 97 91 < BG 90 95 92 97 MBR 61-16 0 25 93 86 43 72 34 61-5 76 + Ozon 98 85 99 > 97 > 99 98 > 88 > 99 > 94 99 > 99 95 < BG + GAK 86 95 > 99 > 96 > 99 98 > 95 > 99 > 96 95 > 99 91 + UV+H 2 O 2 > 99 96 96 > 95 > 99 98 > 93 > 99 > 93 > 99 98 99 Legende Ozon: 5 mg/l O 3 bei 12,8 Minuten Verweilzeit 90 > 80 % UV+H 2 O 2 : 26 mg/l H 2 O 2 ; Energieeintrag 5,1 6,9 kwh/m³ (negative Geometrie) 50 50-80 % GAK: mittlere Elimination 0-10.000 BVT (Mittelwert aus GAK A und C) 10 < 50 % < BG: Zulauf kleiner Bestimmungsgrenze (10 ng/l) 10

Konzentration [ng/l] Metamizol (AAA+AA+FAA) Bupropion + Hydroxy- Bupropion Carbamazepin AMR im Rohabwasser Clarithromycin Diclofenac Ibuprofen Metformin Metoprolol Naproxen Pantoprazol Sulfamethoxazol + N-Acetyl-SMX Tramadol Valsartan 1,000,000 Zulauf PFK 1 Zulauf PFK 2 Zulauf PFK 3 Zulauf PBH 1 Zulauf PBH 2 Zulauf PBH 3 Zulauf KOS 2 Zulauf KOS 3 100,000 10,000 1,000 100 10 11 Zulaufkonzentration nicht bestimmbar Bestimmungsgrenze = 10 ng/l

Membranbioreaktor (MBR) Versuchsanlage Primäre Aufgabe: mechanischbiologische Vorbehandlung BIO-CEL BC10: 10 m² Plattenmembranen, Ultrafiltration 0,04 µm ca. 1 m³/d Durchsatz TS 12 g/l Vorgeschaltetes Bogensieb Normalbetrieb mit kommunalem vorgeklärtem Abwasser Umstellung bei Anlieferung von Abwasser aus Einrichtungen des Gesundheitswesens 12

Elimination [%] Metamizol (AAA+AA+FAA) -105.8-204.4 Bupropion + Hydroxy- Bupropion Carbamazepin -164.8 MBR Elimination von AMR Clarithromycin Diclofenac Ibuprofen -9670.0-12800.0 Metformin Metoprolol Naproxen -9350.0-86.6-24.1 Pantoprazol Sulfamethoxazol + N-Acetyl-SMX Tramadol -41.2-56.4-58.6 Valsartan 100 Elimination PFK 1 Elimination PFK 2 Elimination PBH 1 Elimination PBH 2 Elimination PBH 3 Elimination KOS 2 Elimination KOS 3 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0-10 -20 Elimination PFK 3 nicht bestimmbar 13

Konzentration [mg/l] MBR Ergebnisse zur Standardanalytik (1) Zulauf CSB Ablauf CSB Zulauf BSB5 Ablauf BSB5 600 500 400 300 200 100 0 1 2 3 1 2 3 1 2 3 KOS PBH PFK KOS PBH PFK Mittelwerte 14

Konzentrationen TNb, NH4-N und NO3-N [mg/l] MBR Ergebnisse zur Standardanalytik (2) NO2-N Konzentrationen [mg/l] Zulauf TNb Ablauf TNb Zulauf NH4-N Ablauf NH4-N Zulauf NO3-N Ablauf NO3-N Zulauf NO2-N Ablauf NO2-N 180 1.8 160 140 1.6 1.4 120 1.2 100 80 60 40 20 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 2 3 1 2 3 1 2 3 KOS PBH PFK KOS PBH PFK Mittelwerte 0.0 15

MBR Mikrobiologie und Toxizität Toxizität: deutliche Hemmung der bakteriellen Lichtemission im Leuchtbakterientest der Rohabwässer aus PFK und PBH In beiden Fällen: vollständige Elimination der anfänglich beobachteten Toxizität keine Hinweise für eine Entstehung von toxischen Abbauprodukten im Zusammenhang mit der Behandlung im MBR Mikrobiologie: Entfernung des größten Teils der Bakterien im MBR Heterotrophe Bakterien werden nicht komplett aus dem Abwasser entfernt, die KBE-Konzentrationen im MBR wird jedoch stark verringert. Die Anzahl der Laktose-positiven und -negativen gramnegativen Bakterien konnte in drei Versuchen unter die Nachweisgrenze gesenkt werden. Mögliche Gefahr einer Re-Kontamination durch Schläuche und Lagertanks 16

Diskussion der Versuchsergebnisse Herausforderungen beim Einsatz im Forschungsprojekt Begrenzte Anzahl an Versuchsergebnissen Kein Dauerbetrieb mit Abwasser aus den Einrichtungen Aufrechterhalten des TS-Gehaltes im Belebungsbecken Maßstab der Versuchsanlagen Mögliche Rekontamination in den Leitungen Dennoch: Gute mechanisch-biologische Vorreinigung Teilweise Elimination von AMR (höheres Schlammalter als konventionelles Belebungsverfahren) Entkeimung Verbesserte Ergebnisse durch Dauerbetrieb zu erwarten! 18

Vergleich mit anderen MBR MBR zur Vorbehandlung in Krankenhäusern Verlicchi et al. (2015): Auswertung von 48 Veröffentlichungen zur Behandlung von Krankenhausabwasser (doi:10.1016/j.scitotenv.2015.02.020) Gute mechanisch-biologische Vorreinigung von Krankenhausabwasser im MBR: i. d. R.: DOC: 6-11 mg/l, CSB: 20-30 mg/l, N ges: 3-17 mg/l im Ablauf Beispiele in der BRD: Waldbröl (Beier et al. 2012), Gelsenkirchen (PILLS 2012) Höhere Elimination von AMR durch höheres Schlammalter als konventionelles Belebungsverfahren Verstopfungen durch vorgeschaltete Feststoffentfernung vermeiden Einfluss von Reinigungsmitteln, Desinfektionsmitteln und Wäschereien: Mögliche Störungen der Biologie Mögliche Bildung von AOX 19

Zusammenfassung und Fazit MBR neben der Vorbehandlung von Krankenhausabwasser auch zur Vorbehandlung von Abwasser aus anderen Einrichtungen des Gesundheitswesens geeignet: Mechanisch-biologische Vorreinigung im MBR optimale Vorbereitung auf weitergehende Verfahren zur Elimination von AMR Entfernung von Feststoffen Entfernung von Mikroorganismen Kompaktes Verfahren Aber: Arzneimittelfrachten in den im Projekt betrachteten Einrichtungen nicht höher als Eintrag aus kommunalem Bereich: MBR zur Vorbehandlung geeignet, über die Anwendung muss jedoch im Einzelfall entschieden werden! 21

Vielen Dank an die Mitautoren und die Projektpartner an das Bundesministerium für Bildung und Forschung für die Finanzierung Ihnen für die Aufmerksamkeit!

Literatur Beier, S.; Cramer, C.; Mauer, C.; Köster, S.; Schröder, H. Fr.; Pinnekamp, J. (2012): MBR technology. A promising approach for the (pre-)treatment of hospital wastewater. In: Water Science & Technology 65 (9), S. 1648. DOI: 10.2166/wst.2012.880 PILLS Report, 2012. Pharmaceutical residues in the aquatic system: a challenge for the future. Final Report of the European Cooperation Project PILLS (www.pills-project.eu (Gelsenkirchen September 2012) Verlicchi, P.; Al Aukidy, M.; Zambello, E. (2015): What have we learned from worldwide experiences on the management and treatment of hospital effluent? An overview and a discussion on perspectives. In: Science of The Total Environment 514, S. 467 491. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2015.02.020. 23