2.5.08 Vier Wege, ein Ziel – Desinfektion von Abwasser in China

2.5.08 Vier Wege, ein Ziel – Desinfektion von Abwasser in China

Ein Vergleich von Desinfektionsverfahren in Abläufen von kommunalen Abwasserbehandlungsanlagen in China hat gezeigt, dass es Alternativen zu der üblichen Chlorung gibt. Das Institut IWAR der Technischen Universität Darmstadt hat in einem vom BMBF geförderten Kooperationsforschungsprojekt gemeinsam mit der Tongji Universität, Shanghai (Laufzeit: August 2006 – März 2011) vier Verfahren getestet.

Die Vielzahl hygienisch relevanter Mikroorganismen (Viren, Bakterien, Protozoen, Wurmeier), die im Abwasser – selbst nach einer biologischen Reinigung – vorhanden sind, erfordert eine adäquate Behandlung des Abwassers vor dessen Einleitung in sensible Oberflächengewässer (insbesondere vor einer Wasserwiederverwendung). In der Volksrepublik China ist die Desinfektion des Abwassers zwar gesetzlich vorgeschrieben, wird jedoch aus Kosten- und Betriebssicherheitsgründen häufig nicht durchgeführt (Xin, 2004).

Eine Alternative zu konventionellen Desinfektionsverfahren ist aus verschiedenen Gründen erforderlich. Bei der meist verbreiteten Methode, der Chlorung, ist mit der Bildung von unerwünschten Desinfektionsnebenprodukten zu rechnen. Weitere Nachteile bei der Nutzung von Chlor und seinen Verbindungen bestehen aufgrund von Bedenken hinsichtlich der Betriebssicherheit und der geringen Wirksamkeit gegenüber chlorresistenten Organismen. Ziele des gemeinsamen Forschungsprojektes sind deshalb die

• Verbesserung der hygienischen Wasserqualität im Ablauf kommunaler Kläranlagen zum Schutz vor Krankheiten, die durch Wasser übertragen werden;
• Erarbeitung eines wissenschaftlich abgesicherten Beitrags zur Frage des kosteneffizienten Einsatzes von wirksamen, innovativen Abwasserdesinfektionsverfahren;
• Vermeidung neuer Risiken durch Minimierung von Desinfektionsnebenprodukten.

Angewandte Methoden

Zu den Faktoren, die die Wahl der Desinfektionsmethode beeinflussen, gehören Effektivität, Betriebssicherheit, Investitions- und Betriebskosten, Praktikabilität (Transport, Lagerung, Produktion etc.) sowie Entstehung unerwünschter Nebenprodukte. Zu den, in einer dem Projekt vorausgehenden Literaturstudie, ausgewählten und während der Projektlaufzeit getesteten Verfahren gehören:

UV-Strahlung: UV-Strahlen der Wellenlänge 245-265 Nanometer verursachen Veränderungen der Nukleinsäuren im Zellkern, welche bei Überschreitung des Reparaturvermögens der Zelle zu einem irreversiblen Verlust der Vermehrungsfähigkeit und damit zur Inaktivierung der Zelle führen. Eine Zugabe von im Wasser verbleibenden Desinfizienzien entfällt bei dieser Desinfektionsmethode. Dadurch können negative Umwelt- und Gesundheitseinwirkungen aber auch eine Depotwirkung im Ablaufwasser weitgehend ausgeschlossen werden. Das UV-System beinhaltet zwei austauschbare UV-Strahler von 80 und 120 Watt. Über eine Steuerung lässt sich die gewünschte Bestrahlungsdosis (von 80-800 J/m) einstellen.

Chlorelektrolyse: Die Chlorelektrolyseanlage stellt gasförmiges Chlor (Cl) und weitere elektrochemische Oxidantien aus Kochsalz, Wasser und elektrischem Strom vor Ort her, sodass der Transport und die Lagerung von Chlor(gas) entfällt. Chlor bewirkt eine oxidative Zerstörung der Zellwand der Mikroorganismen. Die maximale Dosiermenge beträgt 20 mg Cl₂/l.

Chlordioxid: Die desinfizierende Wirkung von Chlordioxid beruht im Wesentlichen auf dessen extrem hohem Oxidationspotential (etwa 2,5-mal höher als das von Chlorgas). Bei der Abwasserdesinfektion mit Chlordioxid anstatt mit Chlor(gas) ist die Gefahr der Entstehung umweltschädlicher Verbindungen geringer, da keine Trihalogenmethane (THM), Chlorphenole und Reaktionsprodukte mit Ammonium und Aminoverbindungen entstehen. Die Chlordioxiddosierung erfolgt in einem Bereich von 1-20 mg ClO₂/l. Chlordioxid (ClO₂) wird mittels des Chlorit-/Säure-Verfahrens vor Ort aus Salzsäure und Natriumchlorit hergestellt.

Ozon: Ozon (O₃) ist eines der effektivsten Desinfektionsmittel. Das Ozon greift die Zellmembran direkt an oder permeiert in das Zellinnere, wo es die DNA, RNA oder andere Zellbestandteile angreift und somit die Zelle inaktiviert. Zusätzlich kann mit einer Abwasserozonung die Entfernung von Arzneimittelrückständen, endokrin wirksamen Stoffen sowie von Geruchs- und Farbstoffen erreicht werden (Schuhmacher, 2006). Ozon wird vor Ort durch einen Ozongenerator mittels elektrischer Entladungen aus industriell hergestelltem Sauerstoff erzeugt. Die übertragene Ozondosis variiert von 2-20 mg O₃/l.

Alle beschriebenen Verfahren (bis auf die Ozonung, die nur in Deutschland untersucht wurde) wurden mittels identischer halbtechnischer Versuchsanlagen auf einer kommunalen Kläranlage in Darmstadt-Eberstadt und in Shanghai über den Zeitraum der Projektlaufzeit betrieben und untersucht.

Neben der Wahl des Desinfektionsverfahrens ist die Art der Vorbehandlung des Abwassers entscheidend – sowohl für den Desinfektionserfolg als auch für das Potenzial der Bildung von Nebenprodukten. Die Abschattung und der Einschluss von Mikroorganismen in Abwasserpartikeln bestimmen oft maßgeblich die Gesamtleistung eines Desinfektionssystems und die eventuell daraus entstehenden Gesundheitsrisiken. Die Desinfektionsleistung wurde in diesem Projekt bewertet, indem Standardmethoden mikrobiologischer Kultivierungsverfahren zur Quantifizierung der Indikatororganismen E.coli, Gesamtcoliforme, Enterokokken und somatische Coliphagen angewendet wurden.

Erzielte Ergebnisse

Sowohl durch die Mikrosiebung als auch Sandfiltration lässt sich die CSB Der chemische Sauerstoffbedarf (CSB) ist ein Maß für die Summe der im Wasser vorhandenen, unter bestimmten Bedingungen oxidierbaren Stoffe. Er gibt die Menge an Sauerstoff (in mg/l) an, die zu ihrer Oxidation benötigt würde. -Konzentration um rund 30 Prozent, die UV-Absorption (bei 254 nm) um rund zehn, die Trübung um rund 80 Prozent reduzieren. Alle vier Desinfektionsverfahren waren während der Versuchsphasen I bis III (siehe Abbildung) in der Lage, die Indikatororganismen bis unter die Nachweisgrenze beziehungsweise um bis zu vier Zehnerpotenzen zu reduzieren (Bischoff, 2009). Eine erhöhte ToxizitätGiftigkeit einer Substanz. des Abwassers, gemessen als hemmender Effekt auf die Lumineszenz der Organismen Vibrio fischeri, war hier nicht signifikant (Reihenfolge des Toxizitätsanstiegs: Cl₂>O₃>ClO₂; UV-Strahlung: keine Erhöhung).

Neben der Dosierung der Desinfektionsmittel und den organischen Abwasserinhaltsstoffen zeigte auch die Wassertemperatur einen deutlichen Einfluss auf den Desinfektionserfolg. Phase IV wurde nach vier Wochen abgebrochen, da nach zwei Wochen der zunehmende Biofilmbewuchs Schicht von lebenden und abgestorbenen Mikroorganismen. Biofilme entstehen, wenn Mikroorganismen (z. B. Bakterien, Algen, Protozoen) sich an Grenzflächen zwischen Gas- und Flüssigphasen (z. B. bei freiem Wasserspiegel), Flüssig- und Festphasen (z. B. Kies an der Gewässersohle) oder an Flüssig-/Flüssigphasen (z. B. Öltröpfchen im Wasser) ansiedeln. Es bildet sich auf der Grenzfläche eine dünne, meist geschlossene Schleimschicht (Film), in die Mikroorganismen eingebettet sind. keinen stabilen Betrieb der Desinfektionsanlagen mehr zuließ. Eine Desinfektion von Abwasser, welches keinem biologischen Behandlungsprozess unterzogen wurde, wird daher kritisch beurteilt. Die untersuchten Desinfektionsverfahren mit vorhergehender biologischer Abwasserbehandlung erzeugten – je nach Dosierung der Desinfektionsmittel – ein Abwasser, das unbedenklich auch in sensible Oberflächengewässer eingeleitet werden kann beziehungsweise für verschiedene Wiederverwendungszwecke sehr gut geeignet ist. Eine weiterführende detaillierte Bewertung der Versuchsergebnisse ist dem Projektabschlussbericht zu entnehmen.