Sonntag, Oktober 24, 2021
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Meldungen zur Spurenstoff-Elimination

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Meldungen 2020      
September 2021
Kläranlagen filtern Mikro-Verunreinigungen aus dem Wasser
Erstes persönliches Treffen im F+E-Projekt „Einbindung eines Photo-Fenton-Prozesses in die 4. Reinigungsstufe“
Kläranlagen mit einer Reinigungsstufe zur gezielten Spurenstoffelimination in Baden-Württemberg 21 Anlagen in Betrieb
Elimination von Spurenstoffen durch granulierte Aktivkohle-Filtration (GAK) – Grosstechnische Untersuchungen auf der ARA Furt, Bülach
August 2021
Hydro-Ingenieure: Mikropellets
PEAK-Kurs «Aktivkohle» für die Praxis erfolgreich durchgeführt
Die Version 2 der VSA-Empfehlung «Abklärungen Verfahrenseignung Ozonung» ist nun verfügbar
Juni 2021
PAK-Direktdosierung ins Belebungsbecken – Betriebserfahrung mit grosstechnischer Anlage
Dem Abbau von Mikroverunreinigungen durch Kleinstlebewesen auf der Spur
Mai 2021
Neues Bundeszentrum für Spurenstoffe beim UBA nimmt Arbeit auf
April 2021
Dritte Reinigungsstufe in Kläranlagen: Aktivkohleverfahren beseitigt selbst Spurenstoffe aus dem Abwasser
Februar 2021
Langzeiterfahrungen zum Einsatz von GAK-Filtern bei der Spurenstoffelimination
ARA Esslingen, Egg-Oettwil – Steckbrief
ELIMINATION VON MIKROVERUNREINIGUNGEN DURCH GRANULIERTE AKTIVKOHLE IM WIRBELBETT – BETRIEBSERFAHRUNGEN VON DER ARA PENTHAZ
Umweltverträgliches Antibiotikum: Uni sucht Pharmafirma
Ganzheitliches Aktivkohleverfahren beseitigt Spurenstoffe in Kläranlagen
Neues Aktivkohleverfahren zur Elimination von Spurenstoffe auf Kläranlagen
Gemeinsam stark: Zusammenspiel von verschiedenen Hefearten ermöglicht bio-ökonomischen Nachweis von Arzneimittel­rückständen
Januar 2021
ARA Glarnerland/CH: Pilotversuch
Mikroverunreinigungen.de im neuen Layout von Hydro-Ingenieure übernommen
Elimination von Spurenstoffen durch granulierte Aktivkohle-Filtration (GAK)
Umweltminister fordern Förderung der 4. Reinigungsstufe
Inbetriebnahme der ersten Ozonung in der Westschweiz auf der ARA Porrentruy
ARA-Ausbau Schweden
MS2field: Mikroverunreinigungen mobil messen

 


Kläranlagen filtern Mikro-Verunreinigungen aus dem Wasser

Die beiden Kläranlagen St. Gallen-Hofen und Steinach-Morgental haben am Mittwoch eine zusätzliche Reinigungsstufe in Betrieb genommen. Neu werden auch kleinste Spuren von Medikamenten, Chemikalien, Waschmitteln, Kosmetika und Farben aus dem Wasser gefiltert. Mehr:

https://www.volksblatt.li/nachrichten/Schweiz/Politik/sda/6353647/klaranlagen-filtern-mikro-verunreinigungen-aus-dem-wasser

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Erstes persönliches Treffen im F+E-Projekt „Einbindung eines Photo-Fenton-Prozesses in die 4. Reinigungsstufe“

Nach knapp einjähriger Laufzeit fand am 13.07.21 das erste Projekttreffen live und in Farbe statt – natürlich unter Beachtung der Corona-Regeln und geltenden Hygienekonzepte …

Das hinderte uns allerdings nicht daran, uns konstruktiv zum aktuellen Stand der Forschungstätigkeiten in den beteiligten Projektgruppen

dem Team von der Universität Luxembourg: Silvia Venditti, Paula Nunez Tafalla, Irene Salmerón Garcia & Joachim Hansen,
dem Team von der Wupperverbandgesellschaft für integrale Wasserwirtschaft mbH (WiW): Gerd Kolisch & Yannick Taudien sowie
dem Team der Hydro-Ingenieure aus Düsseldorf: Irene Slavik & Klaus Alt
auszutauschen.

Mit dem Ziel, die Einbindung eines Photo-Fenton-Prozesses in die Weitergehende Abwasserbehandlung zur gezielten Spurenstoffentfernung in einer Luxemburger Kläranlage bewerten zu können, sind Untersuchungen im Labormaßstab sowie im kleintechnischen Maßstab wesentlicher Bestandteil des Forschungsvorhabens. Erste Ergebnisse, die in Versuchsreihen mit einer Laborpilotanlage (siehe Foto) gewonnen worden sind, offenbaren den großen Einfluss der Bestrahlungsstärke auf die Oxidationsleistung. Diesem Sachverhalt kommt eine große Bedeutung zu, da er sich sehr stark auf die Wirtschaftlichkeit des Prozesses, vor allem bei einer Kombination mit Aktivkohleanwendungen, auswirkt.

Auf Basis der im Labormaßstab experimentell ermittelten Daten soll der Prozess modelliert und eine Übertragbarkeit in den Großmaßstab anhand weitergehender Untersuchungen mit einer kleintechnischen Pilotanlage geprüft und validiert werden. Es bleibt spannend!

Bei Rückfragen stehen Ihnen unsere Frau Dr. Slavik unter der Telefonnummer +49 (211) 44991-37 und unser Herr Dipl.-Ing. Klaus Alt unter der Telefonnummer +49 (211) 44991-55 gerne zur Verfügung.

https://www.hydro-ingenieure.de/treffen-f-e-projekt.html

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Kläranlagen mit einer Reinigungsstufe zur gezielten Spurenstoffelimination in Baden-Württemberg 21 Anlagen in Betrieb

Stand Mai 2021 unter:

https://um.baden-wuerttemberg.de/fileadmin/redaktion/m-um/intern/Dateien/Dokumente/3_Umwelt/Schutz_natuerlicher_Lebensgrundlagen/Wasser/2021-05-Karte-zu-Klaeranlagen-BW-mit-Spurenstoffelimination-mit-Link-zur-barrierefreien-Version.pdf

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Elimination von Spurenstoffen durch granulierte Aktivkohle-Filtration (GAK) – Grosstechnische Untersuchungen auf der ARA Furt, Bülach

Zielsetzung und Aufgabenstellung
Um die GAK-Filtration und die Kombination von GAK-Filtration mit vorgeschalteter Ozonung mit anderen Verfahren vergleichen zu können, wurde das Projekt auf der ARA Furt in Bülach lanciert. Durch die breite Unterstützung vieler Partner wie kantonalen Umweltämtern, verschiedener ARA-Betreiber bzw. Wasserwirtschaftsverbände wie auch der Industrie und Beratungsbüros im Bereich Abwasser wurde das Projekt organisiert und finanziert.

Der Lead zur Organisation und Durchführung dabei hatte die Eawag. Ganz bewusst wurde das Projekt bzw. dessen Verlauf anhand der Ergebnisse und Erfahrungen weiterentwickelt. Neuen Projekterkenntnissen wurden mit neuen Fragestellungen Rechnung getragen und mit einer Vielzahl von weiteren Experimenten untersucht. Ein Beispiel hierfür ist die Erkenntnis, dass die hydraulische Aufenthaltszeit des Abwassers bzw. dessen Kontaktzeit mit der Aktivkohle zentral für die Effizienz des Verfahrens ist.
Aber es wurden auch praxisorientierten Fragestellungen nachgegangen wie z.B.: Ist eine Reaktivierung von mit kommunalem Abwasser beladene GAK mit hoher Standzeit reaktivierbar und ist dies auch in der Schweiz machbar?

In der Phase 1 des Projektes wurden erste Erfahrungen im Umbau von Sandfilterzellen in GAK-Filterzellen gewonnen und erste Betriebserfahrungen mit den GAK-Filterzellen erworben. Die zeitliche Entwicklung des Rückhalts von organischem Kohlenstoff und von Mikroverunreinigungen in den GAK-Filterzellen wurde analysiert und die Einflussfaktoren auf die Elimination identifiziert.

In der Phase 2 wurde zusätzlich eine Teil-Ozonung vorgeschaltet, um diese Verfahrenskombination mit der reinen GAK-Filtration zu vergleichen. Verschiedene Ozondosierungsstrategien wurden angewandt. Auch wurde die geringstmögliche Ozondosis zum Erreichen des Qualitätsziels in einer Vollozonung durch stufenweise Erhöhung der Ozondosis identifiziert. Die MV-Elimination der reaktivierten GAK wurde ebenfalls untersucht. In Abschnitt 4 werden die einzelnen Fragestellungen und die entsprechenden Einzeluntersuchungen im Detail aufgeführt.

Publikationsjahr:  2020

Herunterladen: https://micropoll.ch/wp-content/uploads/2020/11/GAK_B%C3%BClach_Schlussbericht_2020_11_26.pdf

https://micropoll.ch/Mediathek/elimination-von-spurenstoffen-durch-granulierte-aktivkohle-filtration-gak-grosstechnische-untersuchungen-auf-der-ara-furt-buelach/

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Hydro-Ingenieure: Mikropellets

Im Projekt „MIKROPELLETS – Untersuchungen von Verfahren zur gezielten, integrierten MIKROschadstoffelimination mit aeroben PELLETS“ sollen Verfahren zur Mikroschadstoffelimination in innovative Pellet-Verfahren zur Abwasserbehandlung integriert werden.

Bei Pellets oder aeroben Granula handelt es sich um eine besondere Form des belebten Schlamms, der leicht sedimentierbar ist. Zudem ermöglichen Pellets als „Biofilme ohne Aufwuchskörper“ durch ihre unterschiedlichen Schichten eine weitergehende simultane Nitrifikation und Denitrifikation. In MIKROPELLETS werden Pellet-Verfahren sowohl im Sequencing Batch Reactor (SBR) als auch in einem kontinuierlichen Prozess entwickelt. Anschließend soll eine Optimierung dieser Verfahren mit dem Ziel der Kosten-, Energie- und Platzeinsparung gegenüber dem konventionellen Belebungsverfahren stattfinden.

Das von Hydro-Ingenieure GmbH begleitende Forschungsvorhaben wird mit dem Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen und dem Institut für Siedlungswasserwirtschaft und Umwelttechnik der RUB Bochum, dem Ingenieurbüro atd GmbH, sowie dem Praxispartner Emschergenossenschaft durchgeführt. Das Projekt wird im Rahmen von ResA II, Förderbereich 6 durch das Ministerium für Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes NRW gefördert.

Bei Fragen stehen Ihnen in unserem Hause Frau Dr.-Ing. Sarah Zydorczyk unter der Telefonnummer +49 (211) 449911-18 und Herr Dipl. Ing. Klaus Alt (Geschäftsführer) unter der Telefonnummer +49 (211) 449911-55 zur Verfügung.

https://www.hydro-ingenieure.de/mikropellets.html

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PEAK-Kurs «Aktivkohle» für die Praxis erfolgreich durchgeführt

Am 22. und 23. Juni wurde erfolgreich der Eawag-PEAK-Kurs «Aktivkohle zur Spurenstoffelimination – Verfahrensvariante zu GAK und PAK» in Zusammenarbeit mit dem VSA durchgeführt.

Die Resonanz der Praxis war groß, was sich an der hohen Anzahl von 92 Teilnehmenden aus Ingenieurbüros, Anlagenbau, Verwaltung und Betreibern von Kläranlagen zeigte, die an zwei Tagen in die Eawag/Empa-Akademie gekommen sind.

Erfolgreicher Erfahrungsaustausch und bereichernde Diskussionen
Neben dem neuesten Wissen und Entwicklungen im Bereich der Spurenstoffelimination durch Adsorption an Aktivkohle, wurde dem Erfahrungsaustausch von ARA-Betreibern mit diesen neuen Reinigungsstufen breiter Raum gegeben. Eine Podiumsdiskussion zeigte, dass es insbesondere bei der Beprobung respektive Überwachung der Reinigungsleistung bei Regenwetterzulauf zu den Kläranlagen noch Fragen zur Repräsentativität und Aussagekraft dieser Messungen gibt.

Ein weiterer spannender Diskussionspunkt war der hohe CO2-Footprint der Anwendung vor allem von Pulveraktivkohle. Hier war man sich einhellig einig, dass biogenen Produkten gegenüber fossilen Aktivkohlen wenn möglich der Vorrang gegeben werden sollte. Klar war auch, dass es in diesem Bereich mehr Anstrengungen geben müsste, um idealer Weise «SWISS made»-Kohlen herzustellen, sowohl für die Anwendung als PAK, als auch als formstabile GAK.

Autor/Kontakt: Marc Böhler
www.eawag.ch
https://www.hydro-ingenieure.de/peak-kurs-aktivkohle.html

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Die Version 2 der VSA-Empfehlung «Abklärungen Verfahrenseignung Ozonung» ist nun verfügbar

Mehr unter: https://micropoll.ch/Mediathek/abklaerungen-verfahrenseignung-ozonung-empfehlung/

Quelle: https://micropoll.ch/

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PAK-Direktdosierung ins Belebungsbecken – Betriebserfahrung mit grosstechnischer Anlage

Zusammenfassung
Anfang 2019 wurde die grosstechnische Pulveraktivkohle-Direktdosierungsanlage auf der Abwasserreinigungsanlage (ARA) Flos in Wetzikon erfolgreich in Betrieb genommen. Mit der Anlage wurden die Spurenstoffe in den letzten zwei Jahren zuverlässig eliminiert. Gleichzeitig konnten Betriebserfahrungen gesammelt werden, womit die Stufe zur Elimination vom Mikroverunreinigungen noch weiter optimiert werden konnte.

Publikationsjahr: 2021
Fachbeitrag von Nicole Unkan (Holinger AG), Thomas Bhend (ARA Flos Wetzikon), Johanna Obrecht, Karina Liechti (Holinger AG)

https://micropoll.ch/Mediathek/pak-direktdosierung-ins-belebungsbecken-betriebserfahrung-mit-grosstechnischer-anlage/

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Dem Abbau von Mikroverunreinigungen durch Kleinstlebewesen auf der Spur

Der BfG-Wissenschaftler Dr. Arne Wick erhält den Fachgruppenpreis der Wasserchemischen Gesellschaft, gefördert von der Walter Kölle Stiftung, für seine Arbeit zur Aufklärung des mikrobiellen Abbaus organischer Mikroverunreinigungen in Gewässern.

Viele organische Mikroverunreinigungen wie z. B. Arzneimittel, Inhaltsstoffe von Kosmetika, Tenside und Biozide gelangen über das häusliche Abwasser in die Kläranlagen und von dort auch in unsere Oberflächengewässer. Sowohl in der biologischen Abwasserreinigung in Kläranlagen als auch in unseren Gewässern sind komplexe mikrobielle Gemeinschaften am Werk und können die Stoffe zumindest teilweise abbauen. Allerdings führen diese mikrobiellen Abbauprozesse oftmals nicht zu einer vollständigen Entfernung, sondern zur Bildung von teilweise sehr stabilen Abbauprodukten, die auch bis ins Grund- und Trinkwasser gelangen können.

Für eine Einschätzung inwieweit organische Mikroverunreinigungen ein potentielles Risiko für Tiere und Pflanzen unserer Gewässer und die menschliche Gesundheit darstellen können, ist es deshalb sehr wichtig, auch die Abbauprodukte zu kennen. Zudem ist bisher kaum verstanden, wie sich die taxonomische Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften auf den Abbau auswirkt und wie genau die kleinen „Putzhilfen“ arbeiten. Deshalb schaute der BfG-Wissenschaftler und Leiter des Referats für Gewässerchemie, Dr. Arne Wick, den Mikroorganismen bei ihrer Reinigungsarbeit über die sprichwörtliche Schulter.

Preis für herausragende Forschungsleistung
Für die wissenschaftliche Aufklärung des mikrobiologischen Abbaus organischer Mikroverunreinigungen in wässrigen Systemen zeichnete die Wasserchemische Gesellschaft Wick im Rahmen der Jahrestagung „Wasser 2021“ am 10. Mai 2021 mit dem von der Walter Kölle Stiftung geförderten Fachgruppenpreis des Jahres 2020 aus. Der Fachgruppenpreis wird seit 1970 jährlich zur Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses verliehen und ist mit 3.000 Euro dotiert. Die Fachjury beeindruckte insbesondere die Aufklärung der Abbauwege, die begleitenden Untersuchungen der enzymatischen Prozesse sowie die entdeckten Zusammenhänge zwischen dem Abbaupotenzial und der Zusammensetzung der mikrobiologischen Gemeinschaften.

Die Erkenntnisse erarbeiteten Wick und sein Team in mehreren, voneinander unabhängigen Forschungsprojekten. Die Studien wurden insbesondere im Rahmen der Projekte „Athene“, „CleanWater“, „OPTI“ und „TrinkWave“ durchgeführt.

BfG stellt ihr Know-How vor
Die BfG ist bei der jährlichen Tagung der Wasserchemischen Gesellschaft immer zahlreich mit Beiträgen zu unterschiedlichen Themen vertreten – so auch in 2021. Vor allem die vielen Promovierenden an der BfG nutzten auch in diesem Jahr wieder die Gelegenheit, ihre Arbeiten einem Fachpublikum vorzustellen. Insgesamt war die BfG mit vier Vorträgen und sechs wissenschaftlichen Postern präsent. Bei den Vorträgen ging es unter anderem um den Einfluss anorganischer Matrices auf die Quantifizierung von PET-Mikroplastik in Umweltproben, antikoagulante Rodentizide in der aquatischen Umwelt und das Transformationsverhalten spezieller Moleküle bezüglich oxidativer Halogenierung und deren Bedeutung für die Antifouling-Wirkung bestimmter Nanopartikel.

Ansprechpartner: Dr. Arne Wick

https://www.bafg.de/DE/07_Nachrichten/210526_Wasser21.html?nn=169988

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Neues Bundeszentrum für Spurenstoffe beim UBA nimmt Arbeit auf

Das beim Umweltbundesamt angesiedelte neue „Spurenstoffzentrum des Bundes” mit Sitz in Leipzig nimmt in den kommenden Monaten sukzessive seine Arbeit auf und wird gemeinsam mit einem Expertengremium weitere relevante Spurenstoffe identifizieren. Unter Einbindung von Herstellern und der Wasserwirtschaft sollen an Runden Tischen weitere Maßnahmen zur Eintragsminderung entwickelt und die Länder bei der Einführung der 4. Reinigungsstufe in Kläranlagen beraten werden. Zum Aufgabenportfolio des Spurenstoffzentrums gehört auch, die Forschung im Bereich der Spurenstoffe weiter voranzutreiben und einen strukturierten Informationsaustausch zwischen Ländern, Kommunen, Kompetenzzentren und Hochschulen hinsichtlich quellenorientierter und nachgeschalteter Minderungsmaßnahmen zu entwickeln.

https://www.gfa-news.de/webcode.html?wc=20210322_001

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Dritte Reinigungsstufe in Kläranlagen: Aktivkohleverfahren beseitigt selbst Spurenstoffe aus dem Abwasser

Kläranlagen greifen zur Reinigung des Abwassers auf eine Reihe von wirksamen und etablierten Verfahren zurück, doch eine einheitlich anerkannte, ideale Methode zur Entfernung von Spurenstoffen gibt es bisher nicht. Forschende des Fraunhofer-Instituts…mehr:

https://www.process.vogel.de/aktivkohleverfahren-beseitigt-selbst-spurenstoffe-aus-dem-abwasser-a-996988/?cmp=nl-254&uuid=1DC4B9E7-1718-4A70-B3EA-0C6A17F0F654

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Langzeiterfahrungen zum Einsatz von GAK-Filtern bei der Spurenstoffelimination

Korrespondenz Abwasser, Ausgabe Nr. 11 2020
Fachbeitrag von Yannick Taudien, Gerd Kolisch, Catrin Bornemann (Wuppertal) und Andreas Nahrstedt (Mülheim an der Ruhr)

Zusammenfassung
Zwei Filter der Flockungsfiltration in Wuppertal-Buchenhofen wurden über einen Zeitraum von etwa sechs Jahren mit granulierter
Aktivkohle (GAK) betrieben, und zwar beide mit dynamischen Filtergeschwindigkeiten analog zu den konventionellen Sand/Anthrazit-Filterkammern. Einer der GAK-Filter wurde über ein Pumpwerk mit Filtrat der Flockungsfiltration beschickt, um den Einfluss einer Vorfiltration zu untersuchen. Es wurden jeweils etwa 70 000 Bettvolumina behandelt und über den gesamten Zeitraum mindestens monatlich DOC/CSB und neun unterschiedliche Spurenstoffe analysiert. Die Langzeituntersuchung liefert Durchbruchskurven im technischen Maßstab sowie Betriebserfahrungen zum Filterverhalten. Für die Übertragung der Ergebnisse der Einzelfilter auf einen theoretischen Parallelbetrieb mehrerer Filter wurde ein zeitgewichteter fortlaufender Mittelwert berechnet. Zusätzlich wurde über Massenbilanzen die stoffspezifische Beladung der Aktivkohle bestimmt.

Publikationsjahr: 2020
https://micropoll.ch/Mediathek/langzeiterfahrungen-zum-einsatz-von-gak-filtern-bei-der-spurenstoffelimination/

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ARA Esslingen, Egg-Oettwil – Steckbrief

Die ARA Esslingen, Egg-Oettwil betreibt seit 2020 eine MV-Stufe mit Dosierung von Pulveraktivkohle (PAK) vor die bestehende Sandfiltration mit möglicher Rückführung in die Biologie.

Anbei ein Steckbrief der Anlage:
https://micropoll.ch/wp-content/uploads/2021/01/2020_VSA_S_Projektsteckbrief-ARA-Esslingen-Egg-Oettwil.pdf
https://micropoll.ch/Mediathek/ara-esslingen-egg-oettwil-steckbrief/

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ELIMINATION VON MIKROVERUNREINIGUNGEN DURCH GRANULIERTE AKTIVKOHLE IM WIRBELBETT – BETRIEBSERFAHRUNGEN VON DER ARA PENTHAZ

Auf der ARA Penthaz (VD) wurde für die Elimination von Mikroverunreinigungen eine Anlage zur Behandlung mit granulierter Aktivkohle (GAK) im Wirbelbett (CarboPlus®-Verfahren) gebaut und im Herbst 2018 in Betrieb genommen. Verfahren mit GAK sind technisch und wirtschaftlich interessant: Es ist keine zusätzliche Filtrationsstufe nötig, die beladene Aktivkohle kann reaktiviert werden und der Betrieb sowie die Wartung der Anlage sind einfach. Der zweijährige Betrieb zeigt, dass mit einer Dosierung von 13 g/m3 die geforderte Reinigungsleistung von 80% erreicht werden kann. Dafür waren gewisse Optimierungen bei hohem Durchfluss nötig. Aufgrund der täglichen Dosierung von Aktivkohle in den Reaktor ist das System anpassungsfähig und flexibel. Die Implementierung einer Online-UV-Messung ermöglicht zudem die Überwachung der Reinigungsleistung in Echtzeit. Es wurden auch thermogravimetrische Analysen durchgeführt, um den Anteil der Aktivkohle an den gesamten ungelösten Stoffen (GUS) im ARA-Ablauf zu quantifizieren.
Die Ergebnisse zeigen, dass zwischen 0 und 3% (im Durchschnitt < 0,5%) der dosierten GAK in den Ablauf gelangen, was dem Stand der Technik und den gemessenen Verlusten bei anderen Aktivkohlebehandlungsverfahren entspricht.

https://micropoll.ch/Mediathek/elimination-des-micropolluants-par-cag-en-lit-fluidise/

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Umweltverträgliches Antibiotikum: Uni sucht Pharmafirma

Lüneburg. Kläranlagen filtern viele Schadstoffe aus dem Wasser, Antibiotika sind aber ein Problem. Sie gelangen über das Abwasser in die Umwelt. In Lüneburg haben Forscher Patente für zwei besser abbaubare Wirkstoffe erhalten.

https://www.noz.de/deutschland-welt/niedersachsen/artikel/2214192/umweltvertraegliches-antibiotikum-uni-sucht-pharmafirma

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Ganzheitliches Aktivkohleverfahren beseitigt Spurenstoffe in Kläranlagen

Kläranlagen greifen zur Reinigung unseres Abwassers auf eine Reihe von wirksamen und etablierten Verfahren zurück, doch eine einheitlich anerkannte, ideale Methode zur Entfernung von Spurenstoffen gibt es bisher nicht. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT wollen dies ändern. Mit »ZeroTrace« haben sie einen ganzheitlichen Ansatz mit selbstentwickelten Komposit-Aktivkohlen und einem neuen elektrischen Regenerationsverfahren geschaffen, der Effizienz, Massentauglichkeit und Nachhaltigkeit verspricht.

Öffnet man in Deutschland den Wasserhahn, hat das herausströmende Wasser in der Regel beste Trinkwasserqualität. Dies liegt nicht zuletzt an den vielen Kläranlagen, die unser Abwasser mit mechanischen, biologischen und chemischen Verfahren erfolgreich säubern und verunreinigende Bestandteile wirksam entfernen. Spurenstoffe, wie Arzneimittelrückstände, Haushaltschemikalien oder Röntgenkontrastmittel lassen sich damit bisher jedoch kaum entfernen. Doch gerade diese können Mensch und Tier bereits in sehr geringen Mengen gefährlich werden.

Um diesem Problem zu begegnen, werden Kläranlagen zunehmend mit einer weiteren Reinigungsstufe nachgerüstet, die Spurenstoffe entfernen soll. Neben chemisch-oxidativen Maßnahmen, bei denen problematische Beiprodukte entstehen können, wird hierbei vor allem auf Aktivkohlen gesetzt. Diese haben wegen ihrer porösen Grundstruktur eine enorm große innere Oberfläche – schon bei vier Gramm Aktivkohle entspricht sie in etwa der Fläche eines Fußballfeldes – und können andere Stoffe in Abhängigkeit von deren Ladung adsorbieren, also ähnlich wie ein Schwamm in sich aufsaugen.

Stärkere Berücksichtigung von Nachhaltigkeitsaspekten
Doch obwohl Spurenstoffe so in der Regel wirksam aus dem Ablauf entfernt werden können, hat das Verfahren in der Praxis häufig einen Haken, erklärt Ilka Gehrke, Abteilungsleiterin Umwelt und Ressourcennutzung am Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in Oberhausen: »Bisher wird meist pulvrige Aktivkohle eingesetzt. Sobald diese voll beladen ist und keine Stoffe mehr adsorbieren kann, wird sie schlichtweg verbrannt. Unter Nachhaltigkeitsaspekten ist das sehr problematisch, zumal Aktivkohle häufig aus nicht-nachwachsenden Rohstoffen, nämlich ganz normaler Steinkohle, hergestellt wird.«

Forschende des Fraunhofer UMSICHT haben es sich daher in Zusammenarbeit mit mehreren Industriepartnern im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt »ZeroTrace« zum Ziel gesetzt, den Einsatz von Aktivkohlen zur Beseitigung von Spurenstoffen im Abwasser zu optimieren und haben hierfür einen ganzheitlichen Ansatz entwickelt. Begleitet wurde der Prozess durch Forschung im Innovations- und Ressourcenmanagement, die es ermöglichte, sozio-ökonomische sowie ökologische Innovationstreiber und -bremser von Anfang an mit zu berücksichtigen.

Als Ausgangsstoff für ihr Verfahren setzen Gehrke und ihr Team auf Aktivkohlen aus nachwachsenden Materialien wie Holz oder Kokosnuss in granulierter Form. Derartige Pellets können im Gegensatz zu Aktivkohlepulver bei sehr hohen Temperaturen reaktiviert, dadurch von den adsorbierten Stoffen befreit und wiederverwendet werden. Derzeit müssen die Aktivkohlen hierfür jedoch meist erst weit transportiert werden und weil sich die Kohlen beim Durchmischen im Wirbelbett gegenseitig abreiben, gibt es hohe Materialverluste.

Von der passenden Regenerationsmethode zum benötigten Ausgangsprodukt
Ziel der Forschenden war es daher ein Regenerationsverfahren zu entwickeln, das direkt vor Ort am jeweiligen Kläranlagengelände durchgeführt werden kann. »Hierfür nutzen wir die physikalische Wirkung von elektrischen Feldern aus«, erklärt Gehrke. »Diesen Gedanken hatten vor uns bereits andere für den Bereich der Gasreinigung und viele dieser Grundlagen konnten wir für unser Vorhaben auf den Flüssigbereich übertragen. Zu der Zeit waren elektrisch betriebene Verfahren aber sehr teuer und derartige Forschungsprojekte wurden nicht weiter verfolgt. Heute dagegen werden wir uns zunehmend den fluktuierenden Stromanfall von regenerativen Energien zunutze machen können. Hier wird in Zukunft erwartet, dass bei Stromspitzen Strom zu niedrigen Kosten verfügbar ist.«

Die Idee hinter dem neuen Verfahren, basierend auf der sogenannten Electric Field Swing Adsorption (EFSA), ist es, die Kohlen elektrisch so zu erhitzen, dass die Schadstoffe auf den Kohlen desorbieren oder schlichtweg verbrennen. Damit dies funktioniert, müssen sowohl die Aktivkohlen als auch der Reaktor bestimmte Voraussetzungen erfüllen. So müssen die verwendeten Aktivkohlen eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, damit genug Strom durch sie hindurchfließen kann. Trotzdem muss der Materialwiderstand groß genug sein, dass sie sich dabei ausreichend erhitzen. Gehrke und ihr Team entwickelten hierfür eigene Komposit-Aktivkohlen. Dem Grundmaterial Holzkohlenmehl mischten sie Grafit bei und erzielten dadurch eine elektrische Leitfähigkeit, die bei gleichbleibender Adsorptionsfähigkeit dreimal so hoch ist wie bei herkömmlichen Aktivkohlen. Bei der Reaktorkonstruktion bestand die Schwierigkeit darin, diesen so zu bauen, dass er auch hohen Temperaturen von bis zu 650 Grad standhält. In Bezug auf die Funktionsweise setzen Gehrke und ihre Kollegen auf eine kontinuierliche Regeneration: »Die Idee ist, dem Becken laufend über ein Förderband kleine Aktivkohlemengen zu entnehmen, diese zu regenerieren und wieder zurückzuführen. Dazu reicht dann ein verhältnismäßig kleiner Reaktor aus, weil sich nie alle Aktivkohlen gleichzeitig darin befinden und der Regenerationsprozess nur ein paar Minuten dauert. Da sich die Aktivkohlen im Reaktor selbst nicht bewegen, ist der Verschleiß gering und wir rechnen damit, dass wir pro Durchgang mit maximal zehn Prozent neuen Aktivkohlen auffrischen müssen.«

Vielversprechende und anschlussfähige Ergebnisse
Die selbst hergestellten Komposit-Aktivkohlen konnten bei Tests auf der Partnerkläranlage Wuppertal-Buchenhofen bereits erfolgreich mit Spurenstoffen beladen werden. Das Regenerationsverfahren führten die Forschenden an einem Protypenreaktor mit einem Fassungsvermögen von 40 bis 50 Litern außerhalb des Kläranlagengeländes durch und erzielten dabei erfreuliche Ergebnisse. Nach einer fast dreijährigen Projektphase zieht Ilka Gehrke daher ein positives Fazit: »Unsere Tests haben gezeigt, dass unser Verfahren ressourcenschonend und dabei gleichzeitig wirtschaftlich und konkurrenzfähig ist.« Aktuell diskutieren die Beteiligten über mögliche Nachfolgeprojekte mit Umsetzungen im größeren Maßstab direkt vor Ort.

Weitere Informationen:
https://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2021/februar-2021/ganzhe…

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Neues Aktivkohleverfahren zur Elimination von Spurenstoffe auf Kläranlagen

ZeroTrace, ein neues ganzheitliches Komposit-Aktivkohleverfahren mit elektrischer Regeneration soll Spurenstoffe effizient auf Kläranlagen aus dem Abwasser entfernen. Entwickelt hat das Verfahren das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT. Gefördert wird das Projekt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Als Ausgangsstoff für ihr Verfahren setzen die Wissenschaftler auf Aktivkohlen aus nachwachsenden Materialien wie Holz oder Kokosnuss in granulierter Form. Derartige Pellets können im Gegensatz zu Aktivkohlepulver bei sehr hohen Temperaturen reaktiviert, dadurch von den adsorbierten Stoffen befreit und wiederverwendet werden. Dies soll direkt vor Ort auf der Kläranlage erfolgen. Zum Einsatz kommt die physikalische Wirkung von elektrischen Feldern, wie sie beispielsweise schon für die Gasreinigung angedacht worden war, dort aber aus Kostengründen nicht weiterentwickelt wurde. Heute kann aber zunehmend der fluktuierende Stromanfall aus regenerativen Energien genutzt werden, die Forscher gehen davon aus, dass bei Stromspitzen Strom zu niedrigen Kosten verfügbar ist. Die Idee hinter dem neuen Verfahren, basierend auf der sogenannten Electric Field Swing Adsorption (EFSA), ist es, die Kohlen elektrisch so zu erhitzen, dass die Schadstoffe auf den Kohlen desorbieren oder schlichtweg verbrennen. Damit dies funktioniert, müssen sowohl die Aktivkohlen als auch der Reaktor bestimmte Voraussetzungen erfüllen. So müssen die verwendeten Aktivkohlen eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, damit genug Strom durch sie hindurchfließen kann. Trotzdem muss der Materialwiderstand groß genug sein, dass sie sich dabei ausreichend erhitzen. Die Wissenschaftler haben hierfür eigene Komposit-Aktivkohlen entwickelt. Dem Grundmaterial Holzkohlenmehl mischten sie Graphit bei und erzielten dadurch eine elektrische Leitfähigkeit, die bei gleichbleibender Adsorptionsfähigkeit dreimal so hoch ist wie bei herkömmlichen Aktivkohlen. Bei der Reaktorkonstruktion bestand die Schwierigkeit darin, diesen so zu bauen, dass er auch hohen Temperaturen von bis zu 650 °C standhält. In Bezug auf die Funktionsweise setzen die Wissenschaftler auf eine kontinuierliche Regeneration: Die Idee ist, dem Becken laufend über ein Förderband kleine Aktivkohlemengen zu entnehmen, diese zu regenerieren und wieder zurückzuführen. Dazu reicht dann ein verhältnismäßig kleiner Reaktor aus, weil sich nie alle Aktivkohlen gleichzeitig darin befinden und der Regenerationsprozess nur ein paar Minuten dauert. Da sich die Aktivkohlen im Reaktor selbst nicht bewegen, ist der Verschleiß gering. Die selbst hergestellten Komposit-Aktivkohlen konnten bei Tests auf der Partnerkläranlage Wuppertal-Buchenhofen bereits erfolgreich mit Spurenstoffen beladen werden. Das Regenerationsverfahren führten die Forschenden an einem Protypenreaktor mit einem Fassungsvermögen von 40 bis 50 Litern außerhalb des Kläranlagengeländes durch und erzielten dabei erfreuliche Ergebnisse. Nach einer fast dreijährigen Projektphase ziehen die Wissenschaftler ein positives Fazit: Die Tests haben gezeigt, dass das Verfahren ressourcenschonend und dabei gleichzeitig wirtschaftlich und konkurrenzfähig ist.

https://www.gfa-news.de/webcode.html?wc=20210202_002

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Gemeinsam stark: Zusammenspiel von verschiedenen Hefearten ermöglicht bio-ökonomischen Nachweis von Arzneimittel­rückständen

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Fakultät Biologie der TU Dresden und des Kurt-Schwabe-Instituts für Mess- und Sensortechnik Meinsberg e.V. wollen in dem gemeinsamen Projekt ISAr einen neuartigen biologischen Hefezellen-basierten Ganzzellsensor zum Nachweis von Arzneimittelrückständen in Böden und Abwässern entwickeln.  Das Projekt wird durch den Europäischen Fond für regionale Entwicklung (EFRE) und den Freistaat Sachsen gefördert.

Der Wirkstoff Diclofenac ist eines der weltweit am häufigsten verbreiteten Medikamente zur Entzündungshemmung. Bei oraler Gabe von Diclofenac werden 60 – 70 % des Wirkstoffes über den Urin wieder ausgeschieden. So gelangt der Wirkstoff in das Abwasser und kann bereits in geringen Konzentrationsbereichen einen negativen Einfluss auf die Umwelt haben, beispielsweise zu Schädigungen der Kiemen und Nieren bei Fischen führen.

In dem Kooperationsprojekt „Implementierung eines Hefe-Pheromon-basierten Signalverstärkersystems zum Umweltmonitoring von Arzneimittelrückständen in Wässern (Akronym: ISAr) wollen die Wissenschaftler:innen der Arbeitsgruppe „Biologische Sensor-Aktorsysteme“ der TU Dresden gemeinsam mit dem Kurt-Schwabe-Institut für Mess- und Sensortechnik Meinsberg e.V. (KSI Meinsberg) einen nachhaltigen und kostengünstigen Hefezellen-basierten Ganzzellsensor zur Detektion von Diclofenac in umweltrelevanten Konzentrationen in Oberflächen und Abwässern entwickeln. Der Detektor basiert auf immobiliserten Hefezellen in einer geeigneten technischen Ausleseeinheit und soll zukünftig als schnelle, vor Ort einsetzbare Alternative zu den bisherigen aufwendigen labordiagnostischen Verfahren zum Einsatz kommen.

Das System beruht auf Hefezellen (Saccharomyces cerevisiae, S.c.), die bei Anwesenheit von Diclofenac ein Fluoreszenzprotein bilden. Zur robusten technischen Auslesung muss das entsprechende Fluoreszenzsignal aber verstärkt werden. Hierfür arbeitet das Team der TU Dresden um Dr. Kai Ostermann an der der Implementierung eines innovativen, intrinsischen, zellbasierten Verstärkungssystems, mit dem eine deutliche Verstärkung des Fluoreszenzsignals erreicht werden soll. „Mit dem im vorherigen Projekt BioSAM entwickelten Messaufbau können wir Diclofenac in einem Bereich von 5 – 50 μM detektieren. Die Sensitivität dieses Systems ist jedoch noch zu gering, um die im Abwasser oder Oberflächenwasser nachzuweisenden Konzentrationen an Diclofenac detektieren zu können. Daher wollen wir die Sensitivität der Diclofenac-Detektion mittels Reporter-Hefen erhöhen, um den nachzuweisenden Konzentrationsbereich soweit abzusenken, dass umweltrelevante Diclofenac-Konzentrationen erkannt werden können. Dafür werden wir zunächst umfangreiche Untersuchungen zur Modulation der Zell-Zell-Kommunikation und Signalverstärkung mittels des von uns erstmalig entwickelten und patentierten Hefe-Pheromon-basierten Systems einer gesteuerten Zell-Zell-Kommunikation vornehmen. Wenn eine Reporter-Hefe vielen anderen Hefezellen verlässlich kommuniziert, dass sie Diclofenac detektiert hat und die anderen Hefezellen dadurch angeregt werden, zu fluoreszieren, können wir eine stabile Signalverstärkung erreichen“, erläutert Ostermann.

Prof. Michael Mertig und sein Team am KSI Meinsberg werden im Anschluss die dabei erreichten Ergebnisse erstmals in einen realen Demonstratoraufbau, der für Vor-Ort-Messungen geeignet ist, sensorisch-technisch umsetzen. „Durch die Erhöhung der Nachweisempfindlichkeit könnte ein solcher Detektor an verschiedenen Stellen vorteilhaft zum Einsatz kommen, unter anderem zur Überwachung der Abwässer von Krankenhäusern und Altenheimen, der Pharmaindustrie sowie in regionalen Kläranlagen“, beschreibt Prof. Mertig das Ziel des Projekts.

Quelle: https://tu-dresden.de/forschung-transfer/news/gemeinsam-stark-zusammenspiel-von-verschiedenen-hefearten-ermoeglicht-bio-oekonomischen-nachweis-von-arzneimittelrueckstaenden

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ARA Glarnerland/CH: Pilotversuch

Die knapp 4-jährigen Pilot- und volltechnischen Versuche auf der ARA Glarnerland wurden diesen Frühling beendet. Nebst Unter-suchungen zur GAK Filtration und der Verfahrenskombination GAK mit Teilozonung in einer ersten Phase, wurde in einer zweiten Phase auch die Kombination GAK mit zusätzlicher PAK-Dosierung eingehend untersucht. Der Schlussbericht ist hier verfügbar.

https://micropoll.ch/Mediathek/newsletter-n17/

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Mikroverunreinigungen.de im neuen Layout von Hydro-Ingenieure übernommen

Eine über viele Jahre gewachsene Wissensplattform des AOL verfolgte das Ziel, kurze und kompakte Informationen u.a. zu den Betriebserfahrungen des erfolgreichen Einsatz von granulierter Aktivkohle der Fachwelt zur Verfügung zu stellen.

Als Ergänzung oder Alternative zu den Schweizer- oder deutschen Infoforen zeigten die Klicks auf die Videos der Homepage, wie wichtig der Erfahrungsaustauch zu betrieblichen Fragestellungen ist (www.micropoll.ch; www.koms-bw.de). Diese Erfahrungen des AOL wurden um aktuelle Projektvorstellungen und Fachvorträge der Hydro-Ingenieure zum Thema der 4. Reinigungsstufe ergänzt und in ein neues Layout überführt. Wir freuen uns, Ihnen die Ergebnisse unter www.mikroverunreinigungen.de/ vorzustellen und wünschen viel Spaß. So gesehen ist „fast“ alles beim Alten geblieben, der Wissensaufbau und -transfer zum Thema Spurenstoffe und deren Elimination aus dem Abwasser war und bleibt das Hauptanliegen.

Bei weiteren Fragen stehen Ihnen gerne Frau Dr.-Ing. Sarah Zydorczyk und Dipl.-Ing. Klaus Alt unter 0211 4499118 / 0211 4499155 gerne zur Verfügung.

http://www.hydro-ingenieure.de/mikroverunreinigungen-de

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Elimination von Spurenstoffen durch granulierte Aktivkohle-Filtration (GAK)

Grosstechnische Untersuchungen auf der ARA Furt, Bülach

Zielsetzung und Aufgabenstellung
Um die GAK-Filtration und die Kombination von GAK-Filtration mit vorgeschalteter Ozonung mit anderen Verfahren vergleichen zu können, wurde das Projekt auf der ARA Furt in Bülach lanciert. Durch die breite Unterstützung vieler Partner wie kantonalen Umweltämtern, verschiedener ARA-Betreiber bzw. Wasserwirtschaftsverbände wie auch der Industrie und Beratungsbüros im Bereich Abwasser wurde das Projekt organisiert und finanziert.

Der Lead zur Organisation und Durchführung hatte die Eawag. Ganz bewusst wurde das Projekt bzw. dessen Verlauf anhand der Ergebnisse und Erfahrungen weiterentwickelt. Neuen Projekterkenntnissen wurden mit neuen Fragestellungen Rechnung getragen und mit einer Vielzahl von weiteren Experimenten untersucht. Ein Beispiel hierfür ist die Erkenntnis, dass die hydraulische Aufenthaltszeit des Abwassers bzw. dessen Kontaktzeit mit der Aktivkohle zentral für die Effizienz des Verfahrens ist. Aber es wurden auch praxisorientierten Fragestellungen nachgegangen wie z.B.: Ist eine Reaktivierung von mit kommunalem Abwasser beladene GAK mit hoher Standzeit möglich und ist dies auch in der Schweiz machbar?

In der Phase 1 des Projektes (siehe dazu Abschnitt 4.4) wurden erste Erfahrungen im Umbau von Sandfilterzellen in GAK-Filterzellen gewonnen und erste Betriebserfahrungen mit den GAK-Filterzellen erworben. Die zeitliche Entwicklung des Rückhalts von organischem Kohlenstoff und von Mikroverunreinigungen in den GAKFilterzellen wurde analysiert und die Einflussfaktoren auf die Elimination identifiziert. In der Phase 2 wurde zusätzlich eine Teil-Ozonung vorgeschaltet, um diese Verfahrenskombination mit der reinen GAK-Filtration zu vergleichen (siehe dazu Abschnitt 5.2). Verschiedene Ozondosierungsstrategien wurden angewandt. Auch wurde die geringstmögliche Ozondosis zum Erreichen des Qualitätsziels in einer Vollozonung durch stufenweise Erhöhung der Ozondosis identifiziert. Die MVElimination der reaktivierten GAK wurde ebenfalls untersucht. In Abschnitt 4 werden die einzelnen Fragestellungen und die entsprechenden Einzeluntersuchungen im Detail aufgeführt.

https://micropoll.ch/ 

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Umweltminister fordern Förderung der 4. Reinigungsstufe

Wenn die Nachrüstung von Kläranlagen mit einer 4. Reinigungsstufe sinnvoll ist, soll diese finanziell gefördert werden. Auf diese Position haben sich die Umweltminister der Länder Mitte November auf der 95. Umweltministerkonferenz (UMK) verständigt. Die Umweltminister fordern den Bund auf, zu prüfen, mit welchen Mitteln und in welcher Form ein „Nationales Gewässerschutzprogramm” zur finanziellen Förderung durch die EU oder durch den Bund ermöglicht werden kann. Gleichzeitig betonen die Umweltminister, dass eine 4. Reinigungsstufe nicht die ausschließliche Lösung sein kann. Die UMK bittet den Bund, die im Spurenstoffdialog abgeleiteten Maßnahmen zur Vermeidung des Eintrages von Mikroschadstoffen in die Umwelt an der Quelle zu intensivieren. Beispielhaft führt die UMK die Zulassung, Herstellung, Anwendung von Arzneimitteln sowie die fachgerechte Entsorgung von Altmedikamenten an. Auch die Hersteller von Stoffen sollen gebeten werden, ihren Beitrag zu leisten. Aber auch die Wasserwirtschaft ist gefordert. Bei der Ausgestaltung eines Nationalen Gewässerschutzprogrammes soll auch berücksichtigt werden, inwieweit hydromorphologische Maßnahmen die Resilienz der Gewässer verbessern können. Eine Ausweitung auf alle Maßnahmen der Wasserrahmenrichtlinie wäre sehr zu begrüßen, heißt es dazu abschließend im UMK-Beschluss.

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Inbetriebnahme der ersten Ozonung in der Westschweiz auf der ARA Porrentruy

Die ARA des Verbands « Syndicat inter-communal pour l’épuration des eaux de Porrentruy et environs » (SEPE, 25’000 EW) hat im Juni 2020 eine neue Reinigungsstufe zur Spurenstoffelimination in Betrieb genommen. Sie ist die erste ARA in der Westschweiz mit einer Ozonung und anschliessender Filtration Die neue Reinigungsstufe ist auf einen Durchfluss von 300 l/s und eine Ozonmenge von 4 kgO3/h dimensioniert. Sie besteht aus einem Ozonreaktor mit einem Volumen von 170 m3 und 4 Filterzellen mit einer Fläche von 27 m2.

Ein ausgeklügeltes hydraulisches Konzept ermöglicht den Betrieb im Freispiegel trotz dem geringen verfügbaren Höhenunterschied. Die Ozonung konnte wie geplant und innerhalb des Budgets umgesetzt werden. Sie kann stabil betrieben werden und ein Reinigungseffekt über 80% wird erreicht. Momentan laufen diverse Tests um die Anlage zu optimieren. Eine aktuelle Übersicht zur Umsetzung der Spurenstoffelimination auf ARA finden Sie hier ARA Ausbau – VSA Micropoll

Quelle: https://micropoll.ch/Mediathek/newsletter-n17/

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ARA-Ausbau Schweden

In Schweden sind bereits mehrere Reinigungsstufen zur Spurenstoffelimination in Betrieb: Linköping (Ozonung), Simrishamn (Ozonung + GAK-Filtration) und Degeberga (GAK-Filtration für 2’000 EW). Bald wird in Kivik eine GAK-Filtration für 7’500 EW in Betrieb genommen. Auf dieser Karte sind zudem die Spurenstoff-Projekte dargestellt, die im Bau sind (blau markiert) und für welche Vorstudien erstellt wurden (rot markiert).

https://micropoll.ch/Mediathek/newsletter-n17/

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MS2field: Mikroverunreinigungen mobil messen

Konzentrationsspitzen von Pestiziden können von grosser biologischer und regulatorischer Bedeutung sein, werden aber selten und nur mit hohem Aufwand erfasst. Die neue MS2field-Plattform ist eine der ersten mobilen Messinfrastrukturen, die kontinuierliche und zeitlich hochaufgelöste Messungen von Mikroverunreinigungen in umweltrelevanten Konzentrationen im Feld erlaubt. Wie vielfältig Konzentrationsdynamiken von Pestiziden sein können und in welchem Ausmass Spitzenkonzentrationen mit konventionellen Probenahme- und Messtechniken bisher unterschätzt wurden, macht eine Messkampagne in einem landwirtschaftlich stark geprägten Bach sichtbar.

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Die Oberflächengewässer der Schweiz werden durch eine Vielzahl von organischen Spurenstoffen belastet. Diese Stoffe gelangen aus Siedlungen [1], Industrie und Gewerbe [2] oder aus der Landwirtschaft [3] durch unterschiedliche Transportpfade in die Gewässer. Die quantitative Erfassung dieser Stoffe erfordert eine grosse analytische Breite und Spezifität der Methoden sowie genügend hohe Sensitivität. Um Substanzeinträge in die Umwelt zu erfassen, müssen nicht nur arbeitsaufwendige Probenahmen- und Transporte ins Labor organisiert, sondern auch kostenintensive Labormessungen mit hochmodernen Massenspektrometern durchgeführt werden. Dies führt dazu, dass die Anzahl analysierbarer Proben und damit die zeitliche Auflösung von Messreihen begrenzt ist. Zudem vergehen oft Wochen bis Monate von der Probenahme bis zum Vorliegen der Endergebnisse.
Diese Limitierungen sind sowohl für die Praxis wie die Forschung oft unbefriedigend. Die Konzentrationen unterliegen je nach Quelle und Eintragsweg zum Teil starken zeitlichen Schwankungen. Ökologisch bedeutsame Spitzenkonzentrationen sind deshalb mit traditionellen Probenahme- und Analyseverfahren kaum erfassbar. Eine ungenügende zeitliche Auflösung macht auch eine Unterscheidung von verschiedenen Eintragspfaden oft unmöglich. Die lange Zeitspanne zwischen Probenahme und Vorliegen der Ergebnisse verhindert ausserdem eine zeitnahe Reaktion auf sich schnell ändernde Belastungssituationen.
Um solche Einschränkungen zu überwinden, wurde an der Eawag die mobile, autonome Messplattform MS2field ent­wickelt. Sie erlaubt es, zeitlich hochaufgelöste Messungen von Spurenstoffen vor Ort durchzuführen und Ergebnisse automatisch sofort zur Verfügung zu stellen. In diesem Artikel wird das System vorgestellt und die bisherigen Messkampagnen erläutert. Anhand eines Beispiels wird zudem das Potenzial von MS2field illustriert.

MS2Field: Komponenten und Funktionsweise
MS2field ist eine mobile Messplattform, installiert in einem Autoanhänger und aufstellbar an jedem Messstandort mit Anfahrtsmöglichkeit und Stromnetzanschluss. Im Anhänger sind ein Wasserentnahme- mit integriertem Filtrationssystem sowie ein hochauflösendes Massenspektrometer mit einem vorgeschalteten Flüssigchromatografen inklusive eines Probenanreicherungsmoduls eingebaut (Fig. 1).
Das Probenahmesystem pumpt kontinuierlich ca. 10 l/min Wasser aus dem Gewässer. Alle 20 Minuten wird die Filtration durch ein Ventil aktiviert, und 0,75 ml Probenfiltrat werden nach Zugabe der isotopenmarkierten internen Standards in die Dosiereinheit transportiert. Die Anreicherung geschieht nach Dosierung der Probe auf ein Festphasenextraktionssystem. Die angereicherten Stoffe werden anschliessend chromatografisch getrennt, bevor sie mit dem hochauflösenden Massenspektrometer (Orbitrap-Technologie) gemessen werden. Nach Abschluss der Messung werden die Daten automatisch in wenigen Minuten ausgewertet und verschlüsselt via Mobilfunknetz auf einen Datenserver übermittelt. Die Substanzkonzentrationen können per Browser in Echtzeit verfolgt werden [4].
Mit einer Klimaanlage und Sensoren werden Temperatur und Luftfeuchtigkeit kontrolliert und eingestellt. Webkameras mit Bewegungssensoren melden unvorhergesehene Eingriffe ins System und lassen eine visuelle Kontrolle per Remoteverbindung zu. Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) überwacht und kontrolliert die Geräte. Im Fall von Rauch, Wasser auf dem Boden oder Überhitzen des Filtersystems werden die Geräte automatisch abgestellt und eine Warnmeldung via SMS verschickt [4].
Die manuelle Probenahme, Aufbereitung und Messung im Labor werden mit MS2field überflüssig. Die Installation vor Ort dauert etwa zwei Tage, danach sind lediglich einmal pro Woche Kontrolle und Wartung des Systems notwendig [4].

Vor-Ort-Messung– Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten
Zeitlich hochfrequente Messungen organischer Mikroverunreinigungen in Gewässern waren bisher wegen des extrem hohen Probenahme- und Analysenaufwands nur über kurze Zeitspannen möglich. Mit dem vollständig automatisierten Mess- und Auswerteablauf von MS2field wird diese Limitierung aufgehoben. Auch weitere Nachteile konventioneller Probenahmestrategien können mit den Vor-Ort-Messungen umgangen werden.
Bisher war zur Erfassung von organischen Mikroverunreinigungen eine manuelle Entnahme oder eine automatisierte Sammlung durch Autosampler nötig. Bei einer manuellen Probenahme ist nicht nur der Kosten- und Zeitaufwand für Anfahrt, Entnahme und Transport zu beachten, sondern auch die Schwierigkeit, Feldkampagnen ausserhalb der regulären Arbeitszeit zu realisieren. Autosampler sind dagegen hinsichtlich der Probenanzahl limitiert.
Der vermutlich gravierendste Nachteil liegt jedoch darin, dass häufig mehrere Tage von der Entnahme bis zur Analyse im Labor vergehen und die Proben zudem teilweise für Wochen oder Monate zwischengelagert werden. Während dieser Zeit besteht insbesondere für leicht abbaubare Substanzen die Gefahr, dass es aufgrund von Abbauprozessen zu Minderbefunden in den Proben kommt, was wiederum Fehlinterpretationen zur Folge hat. Der zeitliche Versatz zwischen Probenahme und Vorliegen des Analysenwertes verhindert ausserdem eine zeitnahe Reaktion auf eventuell kritische Substanzbefunde im Gewässer.
Vorort-Messungen zur Gewässerüberwachung werden deshalb zwar bereits seit langem durchgeführt, dies allerdings nur mit einfachen Sensorsystemen. Aufwendigere Analysengeräte wie Massenspektrometer sind bisher für den mobilen Feldeinsatz kaum verfügbar.
Im MS2field wird ein hochauflösendes Massenspektrometer verwendet. Dieses ermöglicht die Detektion und Quantifizierung einer nahezu unbeschränkten Anzahl Substanzen und erlaubt zudem eine retrospektive Analyse von bekannten sowie unbekannten Substanzsignalen aus dem digitalen Messdatenarchiv [5]. Da die Analyse direkt nach der Probenahme erfolgt, werden auch potenzielle Fehler wie Verwechslung oder Kontamination der Proben eliminiert.
Um die Leistungsfähigkeit des Systems im Feld bei verschiedenen Anwendungen zu evaluieren, wurde MS2field 2019 in drei Messkampagnen an folgenden Standorten getestet: fünf Wochen im Zu- und Ablauf der Kläranlage Fehraltorf-Russikon, fünf Wochen in einem kleinen Fliessgewässer in einem landwirtschaftlich stark genutzten Gebiet und sieben Wochen im Grenzfluss Doubs.

Abwasser – Abbild der Gesellschaft
Von Mitte Februar bis Anfang April wurden an der Kläranlage Fehraltorf-Russikon zuerst Messungen im Rohabwasserzulauf direkt nach dem Sandfilter (zwei Wochen) und anschliessend für drei Wochen im Ablauf des Nachklärbeckens durchgeführt.
Durch die 20-minütigen Messintervalle konnten erstmals Dynamiken von Mikroverunreinigungen im Abwasser sichtbar gemacht werden, die bisher nur teilweise erahnt werden konnten. Obwohl es sich um ein relativ kleines Einzugsgebiet handelt und man darum grosse kurzfristige Schwankungen erwarten würde, konnten für häufig eingenommene Arzneimittel überraschend systematische Tagesgänge beobachtet werden. Der Blutdrucksenker Candesartan ist ein gutes Beispiel dafür (Fig. 2). Die berechneten Frachten entsprechen rund 100 typischen täglichen Dosen. Im Gegensatz dazu traten bei dem Antibiotikum Clarithromycin in einer Woche nur wenige einzelne Peaks auf. Diese könnten einzelnen WC-Spülungen von wenigen Patienten entsprechen und wären in Sammelproben wegen Verdünnung nicht nachweisbar gewesen (nicht abgebildet).
Zwei weitere interessante Beispiele sind das Herbizid Mecoprop und das Biozid Diuron. Beide werden ihrer Verwendung wegen vor allem bei Regenwetter erwartet. Dies trifft für Mecoprop zu, das in Bitumenbahnen auf Flachdächern als Durchwurzelungsschutz eingesetzt wird [6] (Fig. 2): Ein wesentlicher Peak trat kurz nach dem Beginn des einzigen Regenereignisses in der Messperiode auf. Erhöhte Diuronkonzentrationen wurden hingegen ausschliesslich an Werktagen beobachtet, was eher auf eine industrielle Verwendung hindeutet.

Fluss – Einfluss des Karstes?
Von Ende August bis Anfang Oktober 2019 wurden organische Mikroverunreinigungen im Doubs bei Saint-Ursanne gemessen. Der Fluss fliesst im Jura durch Karstgebiet. Inwieweit das komplexe karsthydrologische Abflussregime die Gewässerqualität des Doubs beeinflusst, ist bisher wenig bekannt [7, 8]. Starkregenereignisse, Gewitter und Schneeschmelze können im Karst zu einem schnellen Abtrag von Nährstoffen und Pflanzenschutzmitteln von den landwirtschaftlichen Nutzflächen ins Gewässer führen. Daneben gelangen auch mit dem gereinigten Abwasser aus Kläranlagen Schadstoffe in den Doubs. Bei bisherigen Untersuchungen wurden keine erhöhten Konzentrationen von Mikroverunreinigungen festgestellt. Allerdings basierten alle bisherigen Messkampagnen auf Wochenmischproben und waren damit nicht geeignet, kurzzeitige Konzentrationsspitzen zu erfassen.
Mit MS2field wurden 17 gebietsspezifische Pflanzenschutzmittel sowie typische abwasserstämmige Substanzen kontinuierlich über Wochen hinweg gemessen. Figur 3 demonstriert die Zuverlässigkeit der Daten über eine solche längere Messperiode: Die Wiederfindungsrate des Blutdrucksenkers Candesartan lag in allen aufdotierten Doubs-Proben über sieben Wochen hinweg zwischen 80 und 120%.
Während der Messperiode traten keine kurzzeitigen Konzentrationsspitzen der untersuchten Stoffe im Doubs auf [9]. Abwasserstämmige Mikroverunreinigungen wiesen stabile Konzentrationsverläufe auf, wie die Messungen von Candesartan demonstrieren (Fig. 3): Die Konzentration lag über den gesamten Messzeitraum zwischen 15 und 30 ng/l. Dagegen wurden selbst während Regen­ereignissen keine der untersuchten Pflanzenschutzmittel nachgewiesen. Folglich schien im Untersuchungszeitraum der Einfluss von schnellen Oberflächeneinträgen aus landwirtschaftlichen Flächen auf die Gewässerqualität gering zu sein.

Spitzenkonzentrationen im landwirtschaftlichen Bach 
Der untersuchte Bach entwässert ein kleines, landwirtschaftlich stark genutztes Einzugsgebiet. Frühere Messkampagnen hatten hier bereits eine hohe Pestizidbelastung dokumentiert [3, 10]. Da der Bach zudem im Rahmen des NAWA-Trend-
Programms untersucht wurde, bot sich eine gleichzeitige Messkampagne mit MS2field an. Diese Konstellation erlaubte einerseits einen direkten Vergleich mit dem etablierten Probe- und Analysevorgehen, andererseits konnten die Messwerte auch mit früheren Daten in Bezug gesetzt und das Verständnis für Quellen und Eintragspfade im Gebiet weiter verbessert werden.
Die Messkampagne wurde von Ende Mai bis Anfang Juli 2019 durchgeführt. Dabei wurden circa 3000 Proben gemessen und der Konzentrationsverlauf von etwa 30 Pflanzenschutzmitteln in Echtzeit auf dem Dashboard visualisiert (Fig. 1, rechts).
Anschliessend an die automatisierte Auswertung wurden aus den Analysedaten 60 weitere Substanzen vertieft untersucht. Von diesen wurden 32 während des Messzeitraums in dem Bach nachgewiesen. Die Wiederfindungsrate aller detektierten Substanzen lag in 75% der Fälle zwischen 70 und 130% (80% bei Substanzen mit eigenem isotopenmarkiertem Standard), was die hohe Genauigkeit und Präzision der MS2field-Messungen bestätigt. Da im Rahmen von NAWA Trend parallel zu den MS2field-Messungen vom Kanton 3,5-Tages-Mischproben gesammelt und untersucht wurden, konnte ein direkter Vergleich der beiden Messdatenreihen durchgeführt werden. Trotz unterschiedlicher Probenahmestrategie und Messtechnik stimmten die Konzentrationen für alle untersuchten Substanzen in beiden Datensätzen sehr gut überein, was die Zuverlässigkeit der mit MS2field erzeugten Daten ein weiteres Mal bestätigte.

Veränderte ökotoxikologische Bewertung von Konzentrationsspitzen 
Im April 2020 wurden für 19 Pestizide und 3 Arzneimittel substanzspezifische chronische und akute numerische Anforderungen in der Gewässerschutzverordnung (GSchV) verankert. Die akuten Anforderungswerte (AQK) dürfen zu keinem Zeitpunkt im Gewässer überschritten werden, um so aquatische Organismen vor akut toxischen Schädigungen zu schützen. Diese Vorgaben werden im Rahmen von NAWA Trend mit 3,5-Tages-Mischproben überprüft.
Inwieweit sich die Bewertung der Gewässerqualität nach den Kriterien der GSchV für akut toxische Schädigungen verändert, wenn statt dieser 3,5-Tages-Mischproben zeitlich hochaufgelöste Messungen herangezogen werden, kann an den Konzentrationsmessungen des Insektizids Thiacloprid im untersuchten Bach gezeigt werden. Thiacloprid schwankte über den gesamten Messzeitraum sehr stark (Fig. 4). Die Konzentration veränderte sich innerhalb weniger Stunden und Tage um mehrere Grössenordnungen, und das AQK von 80 ng/l wurde häufig um ein Vielfaches (bis zu 30-fach) überschritten. Demgegenüber wird das AQK kaum oder nicht überschritten, wenn für die Beurteilung 3,5-Tages-Mischproben genutzt werden. Kurzzeitige Maximalkonzentrationen werden in den Mischproben während des Sammelzeitraums verdünnt, womit es zu einer deutlichen Unterschätzung des akuten Risikos kommt.
Auch bei anderen Pestiziden kam es zu einer Unterschätzung dieses Risikos durch 3,5-Tages-Mischproben. In Figur 5 sind Unterschätzungsfaktoren für mehrere Substanzen, die während des Untersuchungszeitraums im Bach detektiert wurden, dargestellt (s. Box). Abhängig vom Pestizid und der damit verbundenen Konzentrationsdynamik sowie der Detektionsfrequenz übertrafen im Extremfall die maximalen Höchstkonzentrationen der 20-minütigen Messung den Konzentrationsmittelwert in einer 3,5-Tages-Mischprobe bis um das 170-Fache.
Das Erfassen von Spitzenkonzentrationen ist für eine ökotoxikologische Bewertung relevant. Untersuchungen haben gezeigt, dass bei einigen Pestiziden kurze Expositionsspitzen von weniger als einer Stunde schon negative Auswirkungen auf aquatische Organismen haben können [11]. Weiterhin kann bei wiederholtem Auftreten von Spitzenkonzentrationen eine zweite, gleich hohe Konzentration grössere Auswirkungen haben als die erste, da sich die Organismen in der Zwischenzeit noch nicht erholen konnten [12]. Dieses Risiko wird in Mischproben übersehen, kann mit den zeitlich hochaufgelösten MS2field-Messungen aber abgedeckt werden.

Identifikation von Stoffquellen und Eintragspfaden
Die zeitlich hochaufgelösten Messreihen im untersuchten Bach zeigen unterschiedliche Dynamiken der detektierten Pestizide. Zusammen mit Informationen zu Niederschlag, Wasserstand und Windstärke kann zurückverfolgt werden, durch welche Prozesse die Substanzen in den Bach gelangt sind.
Pestizide können durch Regenereignisse von den Feldern in Oberflächengewässer ausgewaschen werden. Dieser Prozess ist für die meisten Pflanzenschutzmittel der Haupteintragsweg in den hier untersuchten Bach. Figur 6 zeigt, dass die Konzentrationsspitzen von Dimethenamid mit erhöhtem Wasserstand zusammenfallen. Allerdings wurden auch in Trockenzeiten zwei Konzentrationsspitzen des Herbizids erfasst (26. Juni und 6. Juli). Diese könnten darauf hinweisen, dass hochkonzentrierte Spritzmittelreste durch unsachgemässe Handhabung oder beim Waschen der Spritzgeräte in den Bach gelangt sind. Möglicherweise wurde die Substanz aber auch während der Applikation durch Abdrift von Spritzlösung in das Gewässer eingetragen.

Ausblick
Mit den Fähigkeiten der MS2field-Messplattform eröffnen sich mannigfaltige Einsatzmöglichkeiten im Bereich des Abwassermanagements und des Gewässermonitorings. So können neue Informationen zum Eintrag und zur Elimination von Haushalts- und Industriechemikalien bei der Abwasserreinigung gewonnen werden. Ebenso eignet sich MS2field für die Erfassung von Konzentrations- und Eintragsdynamiken von Pflanzenschutzmitteln und Abbauprodukten in Flüssen und Bächen. Dieses Wissen verschafft ein vertieftes Verständnis zu Transportprozessen und Eintragspfaden. Daraus können zielgerichtet wirksame Vermeidungsmassnahmen abgeleitet werden.
Weitere mögliche Anwendungsmöglichkeiten sind Kontrolle und Optimierung der Reinigungsleistung der vierten Reinigungsstufe (Ozon, Aktivkohle) in Kläranlagen. Das plötzliche Auftreten von toxischen Substanzen in Gewässern, welche zur Trinkwassergewinnung verwendet werden, könnte in Echtzeit verfolgt und zur Alarmierung herangezogen werden. Auch eine Langzeitüberwachung von Gewässern hinsichtlich gesetzlicher Anforderungen bei variierenden hydrologischen Verhältnissen ist machbar.
Darüber hinaus erlaubt die kontinuierliche Erfassung der Konzentrationsverläufe für eine sehr breite Pflanzenschutzmittelpalette eine realistischere Beurteilung der toxikologischen Belastung von aquatischen Organismen. In Zusammenarbeit mit Toxikologen könnten daher Modelle ausgearbeitet werden, welche die aquatische Toxizität realitätsnaher darstellen.
Die neuen Möglichkeiten, die MS2field bietet, werden demnächst verschiedene praxisorientierte Projekte ermöglichen. So wird die Plattform eingesetzt, um die Pestizidbelastung in dynamischen Karstgebieten zu untersuchen, die Spurenstoffdynamik von Mischabwasserentlastungen besser zu verstehen und die Einleitung von Industrieabwässern zu analysieren.
Potenzial, um die Leistungsfähigkeit und den Einsatzbereich von MS2field weiter auszubauen, ist vorhanden. So bestehen Möglichkeiten, die Messfrequenz zu erhöhen oder mittels parallel arbeitender Probenaufbereitungsmodule mehrere Stellen – zum Beispiel den Zu- und Ablauf einer Kläranlage – gleichzeitig zu messen. Zudem könnten Energieverbrauch und Grösse der Plattform reduziert werden, um den Einsatz des Geräts noch flexibler zu gestalten.

https://www.aquaetgas.ch/wasser/gew%C3%A4sser/20201012_ag12_ms2field-mikroverunreinigungen-mobil-messen/

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