Rückhalt Antibiotika-resistenter Keime und Gene in Kombination mit Spurenstoffadsorption mittels einer neuen PAK/UF Kombination

Die Gewässerbelastung mit anthropogenen Spurenstoffen und Antibiotika resistenten Krankheitserregern hat in den letzten Jahren stetig zugenommen. Kläranlagen stellen für diese wassergängige Schadstoffe einen möglichen Eintragspfad dar. Ziel dieses Projektes war es daher, vertiefte Kenntnisse über den Rückhalt Antibiotika-resistenter Bakterien (ARB) und Resistenzgenen (ARG) mit einer Kombination aus Ultrafiltration (UF) und Pulveraktivkohle (PAK)-Dosierung auch für die Spurenstoffreduktion zu generieren. Das Projekt verfolgte einen integrierten Ansatz, bei dem die vierte Reinigungsstufe zur Spurenstoffelimination direkt mit einer fünften Stufe für die Reduktion von ARB/ARG kombiniert wurde. Das Projekt verfolgte dazu drei Forschungsfragen:
1. Abtrennung von ARB und ARG mit Ultrafiltration – was kann die Technologie leisten?
2. Verfahrenstechnische Entwicklung
3. Wirtschaftlichkeit und Abwasserabgabe
Für das Projektes wurde in Zusammenarbeit mit den Entsorgungsbetrieben der Landeshauptstadt Wiesbaden (ELW) auf dem Hauptklärwerk (HWK) Wiesbaden (ca. 300.000 EW) eine von der Firma MANN+HUMMEL Water & Fluid Solutions (M+H) bereitgestellte Pilotanlage betrieben. Die Pilotanlage wurde mit Ablauf der Nachklärung beschickt und bestand aus PAK-Dosierung und Membranfiltration. Für eine bessere Übertragbarkeit wurde ein großtechnisches Modul verwendet.
In zusätzlichen Laborversuchen wurden 13 verschiedene Pulveraktivkohlen auf ihre Adsorptionsleistung und mögliche Auswirkungen auf die Membran getestet. Eine PAK wurde basierend auf Kriterien wie Spurenstoffreduktion und CO2-Fußabdruck ausgewählt. Lufteintrag und chemische Reinigung der Membran wurden ebenfalls optimiert.
Um die Effizienz der ARG- und Spurenstoffreduktion zu bewerten, wurden Referenzmessungen an der Kläranlage durchgeführt. Etwa 50% der Spurenstoffe im Ablauf lagen oberhalb der Bestimmungsgrenzen, und die Konzentration im Ablauf lag in Summe bei 118 μg/l. Die ARG-Reduktion betrug insgesamt 1 Log-Stufe in der Kläranlage und ca. 3 Log-Stufen in der Pilotanlage.
Langzeitdaten zeigten eine verbesserte Entfernung von ARG und Spurenstoffen durch die Pilotanlage. Die vorherrschende Antibiotikaklasse war die der multiresistenten ARG. Die PAK hatte jedoch keinen Einfluss auf die ARG-Reduktion. Die Reduktion der Spurenstoffe mittels PAK betrug über 80%. Unterschiede wurden bei der PAK-Dosierung und dem PAK-Typ festgestellt. PAK 12 benötigte 30% weniger Aktivkohle, um 80% der Spurenstoffe zu entfernen. Als Überwachungsparameter wurde der SAK254 untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass Benzotriazol zu über 90% und Amidotrizoesäure nur maximal zu 30% entfernt wurden. Die Betriebsbedingungen der Pilotanlage hatten keinen wesentlichen Einfluss auf die ARG- und Spurenstoffentfernung.
Für die Bewertung der ARG-Reduktionsleistung wurden die Probennahme und die Auswahl der ARG detailliert betrachtet. Dazu wurden auch Tages- und Wochengänge der ARG-Konzentrationen ermittelt und ausgewertet. Der Anteil Plasmid-basierter ARG variierte zwischen den Probenahmestellen. Insgesamt wurden 45 Plasmid-basierte ARG detektiert, die nicht vollständig entfernt wurden. Die ARG-Konzentration im Retentat betrug 4x10^4 Reads/ml, im Zulauf 7x10^6 Reads/ml und im Ablauf 1x10^5 Reads/ml. Von den 37 untersuchten klinisch relevanten ARG wurden maximal 10 in allen Proben detektiert. Das Auftreten von riskanten ARG nahm mit dem Klärprozess ab und das Expositionsrisiko reduzierte sich deutlich.
Die Ergebnisse des Projekts zeigten, dass die Implementierung eines weitergehenden mit PAK und UF-Membran dazu beiträgt, ARG und Spurenstoffe deutlich zu reduzieren und gleichzeitig auch hohe Eliminationsleistungen bei den Abwasser-Standardparametern (insbesondere CSB und Phosphor) zu erreichen, die sogar eine Befreiung von der Abwasserabgabe ermöglichen. Das Verfahren wurde energetisch optimiert, weist aber mit dem Wiesbadener Abwasser einen geringen Betriebsfluss auf (Energiebedarf eher hoch mit 0,1 kWh/m³ für die UF). Die Reinigungen der Membran wurden optimiert, um den Chemikalienbedarf zu reduzieren.
Insgesamt ist dieses Verfahren bei den Investitionskosten vergleichbar oder günstiger als andere Verfahren (Ozonung, PAK und GAK-Anwendungen) und bietet eine höhere Reinigungsleistung hinsichtlich der ARG. Bei den Betriebskosten schlagen die Kosten für Energie und PAK zu buche. Mit Bruttobetriebskosten von < 0,1 €/m³ sind dieser aber auch in einem vergleichbaren Rahmen mit anderen Verfahrenstechniken.