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Vergleich ausgewählter Verfahren der weitergehenden Abwasserbehandlung auf Grundlage ihrer Reduktion von mikrobiellen Kontaminationen

Hembach, Norman (2021):
Vergleich ausgewählter Verfahren der weitergehenden Abwasserbehandlung auf Grundlage ihrer Reduktion von mikrobiellen Kontaminationen. (Publisher's Version)
In: Schriftenreihe IWAR, 266, Darmstadt, Technische Universität, ISBN 978-3-940897-67-1,
DOI: 10.26083/tuprints-00017623,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Vergleich ausgewählter Verfahren der weitergehenden Abwasserbehandlung auf Grundlage ihrer Reduktion von mikrobiellen Kontaminationen
Language: German
Abstract:

Antibiotikaresistente und fakultativ pathogene Bakterien stellen eine wachsende Gefahr für die öffentliche Gesundheit und Umwelt dar. Als letzte gemeinsame Barriere der unterschiedlichen Emissionsquellen, wie Abwässer aus Krankenhäusern, Pflegeheimen, Schlachtbetrieben, privaten Haushalten etc., ist die Kläranlage ein geeigneter Ort, um die Ausbreitung von Antibiotikaresistenzgenen und fakultativ pathogenen Bakterien in die Umwelt zentral zu minimieren. Da, trotz bestehender gesundheitlicher Risiken durch die bisherige Gesetzgebung keine allgemeinen und übergreifenden Regelungen für die Reduktion von fakultativ pathogenen Bakterien und Antibiotikaresistenzgenen durch die Kläranlagen existieren, sind die einzelnen Prozesse sowie die Betriebsweise existierender Kläranlagen nicht auf deren Rückhalt ausgelegt. Eine Grenzwerterhebung, wie sie für Spurenstoffe als sinnvoll erachtet wird, ist allerdings für Bakterien aufgrund ihres Vermehrungspotentials nicht zielführend. Die amerikanische National Blue Ribbon Commission schlägt aus diesem Grunde eine minimal zu erreichende Reduktion von 6 Log Stufen durch den gesamten Klärprozess vor. Vor diesem Hintergrund wird in dieser Arbeit, im Ablauf von sieben Kläranlagen, die Abundanz an 6 unterschiedlichen, an die Gruppe angelehnten, fakultativ pathogenen Bakterien (Enterokokken, Enterococcus faecalis, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii und Escherichia coli) sowie einer Auswahl von 14 Antibiotikaresistenzgenen mit unterschiedlicher gesundheitlicher Relevanz ermittelt. Es werden Resistenzen gegen veterinär genutzte Antibiotika, Resistenzen gegen Breitbandantibiotika, sowie aus hygienischer Sicht kritische Resistenzen gegen Reserveantibiotika unterschiedlicher Wirkungsklassen untersucht. Hierfür wurden neben der Methode der qPCR auch kulturbasierte Experimente sowie Metagenom Analysen und Isolate Charakterisierungen durchgeführt. Die untersuchten 7 Kläranlagen mit konventioneller Klärung bestehend aus mechanischer sowie biologischer Behandlung, wie sie in Deutschland verbreitet ist, sind in der Lage, fakultativ pathogene Bakterien und Antibiotikaresistenzgene um ca. 1,8 ± 0,6 Log Stufen zu reduzieren. Weiterhin wurde untersucht inwiefern jeweils eine: Pulveraktivkohlebehandlung mit nachgeschalteter Sandfiltration, Ozonbehandlung (1-2 g Ozon/g DOC), UV Bestrahlung (400 J/m² UV), sequentiellen Ozonbehandlung mit nachgeschalteter UV Bestrahlung (1-2 g Ozon/g DOC, 400 600 J/m²), Ultrafiltration (20 und 25nm) am Standort einer Kläranlage dazu beitragen können, die erforderliche Reduktion von 6 Log-Stufen zu erreichen. Als besonders effizient erwies sich die Ultrafiltration, welche eine Reduktion der mikrobiellen Kontaminanten von bis zu 7 Log Stufen erreichte. Der weitere Verbleib oder Möglichkeiten einer zusätzlichen Behandlung des, bei der Ultrafiltration entstehenden, stark belasteten und biologisch weiterhin aktiven Retentats, ist allerdings noch nicht geklärt. Die Verfahren der Ozonbehandlung erzielten, abhängig von den eingesetzten Ozonkonzentrationen und hydraulischen Verweilzeiten im Ozonkontaktreaktor, Reduktionen zwischen 1,5 und 3,5 Log-Stufen. Allerdings konnten einzelne fakultativ pathogene Bakterien und Antibiotikaresistenzgene identifiziert werden, welche sich als besonders robust gegenüber der Ozonung erweisen (z.B. P. aeruginosa). Durch eine sequentielle Ozonbehandlung und UV-Bestrahlung konnten synergistische Effekte beobachtet werden, welche die Reduktion von fakultativ pathogenen Bakterien und Antibiotikaresistenzgenen steigern und auch eine verstärkte Reduktion dieser robusten Spezies ermöglichen. Eine alleinstehende UV-Bestrahlung erzielte lediglich geringfügige Reduktionen der mikrobiellen Kontaminationen. Die ebenfalls auf ihre mikrobiologische Reduktionsleistung untersuchte, aber für die Spurenstoffelimination konzipierte, adsorptive Reinigung mittels pulverisierter Aktivkohle erzielte ebenfalls eine geringe Reduktion der untersuchten mikrobiellen Kontaminationen. Weiterhin wird deutlich, dass eine Kombination mehrerer Verfahren synergetische Effekte für die Reduktion mikrobieller Kontaminationen mit sich bringen kann. Eine Hygienisierung des Wassers, also eine vollständige Elimination aller mikrobieller Kontaminationen, ist mit den untersuchten Verfahren nur bedingt möglich. Mehrere Verfahren und Verfahrenskombinationen waren jedoch in der Lage, die Reduktion von fakultativ pathogenen Bakterien und Antibiotikaresistenzgenen im Laufe des gesamten Klärprozesses auf die erforderlichen 6 Log-Stufen anzuheben.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Antibiotic resistance genes and facultative pathogenic bacteria pose a growing threat to public health and the environment. As the last common barrier of the different emission sources, such as wastewater from hospitals, slaughterhouses, private households etc., the wastewater treatment plant is a suitable place to centrally minimize the spread of antibiotic resistance genes and facultative pathogenic bacteria into the environment. Despite existing health risks, there is no general and comprehensive regulation for the reduction of facultative pathogenic bacteria and antibiotic resistance genes by the wastewater treatment plants. Therefore, the individual processes as well as the mode of operation of existing sewage treatment plants are not designed for their retention. However, a threshold value, as it is considered useful for trace compounds, is not appropriate for bacteria due to their proliferation potential. For this reason, the American National Blue Ribbon Commission proposes a minimum reduction of 6 log levels to be achieved throughout the entire treatment process. Against this background, in this work, the abundance of 6 different facultative pathogenic bacteria (Enterococci, Enterococcus faecalis, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae, A. baumannii and E. coli), which are similar to the ESKAPE group, as well as a selection of 14 antibiotic resistance genes with different health care relevance are determined in the effluent of seven wastewater treatment plants. Resistances to antibiotics used in veterinary medicine, resistances to broad-spectrum antibiotics, as well as resistances to reserve antibiotics, which are critical from a hygienic point of view, are investigated. For this purpose, in addition to the qPCR method, culture-based experiments as well as metagenome analyses and isolate characterisations were carried out. Seven analysed wastewater treatment plants with conventional treatment consisting of mechanical and biological treatment, as it is common in Germany, are able to reduce facultative pathogenic bacteria and antibiotic resistance genes by about 1.8 ± 0.6 log levels. Furthermore, it was analysed to what extent each of the following advanced treatment processes at the site of a wastewater treatment plant can contribute to achieve the required 6 log level reduction: Activated carbon treatment with downstream sand filtration, Ozone treatment (1 2 g ozone/g DOC), UV irradiation (400 J/m² UV), sequential ozone treatment with subsequent UV irradiation (1-2 g ozone/g DOC, 400 600 J/m²), Ultrafiltration (20 and 25nm). Ultrafiltration proved to be particularly efficient, achieving a reduction in microbial contaminants of up to 7 log levels. However, the further fate or necessary of additional treatment of the contaminated and biologically still active retentate resulting from the ultrafiltration is not yet clear. Depending on the ozone concentrations used and the hydraulic residence time in the ozone contact reactor, the ozone treatment process achieved reductions of between 1.5 and 3.5 log stages. However, individual facultative pathogenic bacteria and antibiotic resistance genes could be identified, which prove to be particularly robust against ozonation (e.g. P. aeruginosa). By sequential ozone treatment and UV-irradiation synergistic effects could be observed, which increase the reduction of facultative pathogenic bacteria and antibiotic resistance genes and also allow an increased reduction of these robust species. A stand-alone UV-irradiation achieved only slight reductions of microbial contamination. An adsorptive cleaning process using pulverized activated carbon, which was designed for the elimination of trace compounds, was also tested for its microbiological reduction capacity and achieved a small reduction of the microbial contaminations. It becomes clear that when considering the overall process of wastewater treatment, which is intended to continuously reduce nutrients, trace substances and hygienically relevant bacteria, a combination of several processes is advantageous and can bring synergetic effects. Hygienisation of the water, i.e. complete elimination of all microbial contamination, is not possible with the processes investigated. However, several processes and process combinations were able to increase the reduction of facultative pathogenic bacteria and antibiotic resistance genes to the required 6 log levels during the entire clarification process.

English
Series Name: Schriftenreihe IWAR
Volume: 266
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XI, 180 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute IWAR
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute IWAR > Wastewater Engineering
Date Deposited: 27 Apr 2021 10:38
Last Modified: 27 Apr 2021 10:38
DOI: 10.26083/tuprints-00017623
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-176235
Referees: Lackner, Prof. Dr. Susanne and Schwartz, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 5 February 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17623
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