Verbleib und Verhalten von Makrolid- und Sulfonamid-Antibiotika bei der künstlichen Grundwasseranreicherung mit behandeltem Kommunalabwasser

Fate and behavior of macrolide and sulfonamide antibiotics in artificial groundwater recharge of treated secondary effluents

  • Die direkte Versickerung von Kläranlagenablauf zur künstlichen Grundwasseranreicherung (engl.: soil aquifer treatment – SAT) ist eine natürliche und kostengünstige Aufbereitungstechnologie zur Wasserrückgewinnung. Mit deren Hilfe können Probleme wie Wasserknappheit, die Kontamination von Wasserressourcen durch Spurenstoffe wie Arzneimittel und der hohe Wasserbedarf in der Landwirtschaft gemildert werden. Da die Nachfrage nach aufbereitetem Abwasser vor allem in ariden sowie in bevölkerungsreicheDie direkte Versickerung von Kläranlagenablauf zur künstlichen Grundwasseranreicherung (engl.: soil aquifer treatment – SAT) ist eine natürliche und kostengünstige Aufbereitungstechnologie zur Wasserrückgewinnung. Mit deren Hilfe können Probleme wie Wasserknappheit, die Kontamination von Wasserressourcen durch Spurenstoffe wie Arzneimittel und der hohe Wasserbedarf in der Landwirtschaft gemildert werden. Da die Nachfrage nach aufbereitetem Abwasser vor allem in ariden sowie in bevölkerungsreichen Ländern steigen wird, besteht weiterer Forschungsbedarf für mindestens zwei Fragestellungen: i) Wie kann die Aufenthaltszeit des aufbereiteten Abwassers im Boden bei vergleichbarer Reinigungsleistung verkürzt werden? ii) Wie ist gleichzeitig eine effektive Entfernung von pharmazeutischen Verunreinigungen nachhaltig zu gewährleisten? Voraussetzung für derartige Optimierungen der SAT ist das Wissen über die Vorgänge in der Bodenpassage bei der Infiltration mit Kläranlagenabläufen. Untersuchungsgegenstand dieser Arbeit war es daher, den Verbleib und das Verhalten von Makrolid- und Sulfonamid-Antibiotika sowie von DOC-Fraktionen bei der künstlichen Grundwasseranreicherung mit Kläranlagenablauf zu charakterisieren. Dazu wurden zur Simulation der Bodeninfiltration im Labor Sandsäulenversuche unter verschiedenen Redox- und Temperaturbedingungen betrieben, Abbauversuche mit verschiedenem Inokuli durchgeführt sowie Felddaten in Pilotanlagen in Israel und China erhoben. Die untersuchten Antibiotika werden bevorzugt im aeroben und anoxischen Redoxmilieu entfernt. Das Temperaturoptimum liegt für die Abnahme der Antibiotika- und DOC-Konzentrationen bei 15 °C. Dabei werden die Antibiotika primär durch Bioabbau und im Fall der Makrolide zusätzlich durch Adsorption entfernt. Die Abbauversuche und auch die Felddaten aus Israel weisen nach, dass eine Verkürzung der Infiltrationszeit auf 1 - 2 Monate realisierbar ist, um einen weitgehenden Abbau zu gewährleisten. Bedingung für eine sichere Anwendung der künstlichen Grundwasseranreicherung ist indes eine ausreichend lange Adaption der Infiltrationszone an das infiltrierte Wasser. In weiteren Versuchen wurde das Potential der Ozonung als vorgeschaltete Aufbereitungstechnik untersucht. Durch die Vorozonung (Ozondosis: 12 mg/L) sind Antibiotika nur noch knapp oberhalb der Bestimmungsgrenze nachweisbar. Außerdem werden die Konzentrationen der DOC-Fraktionen gesenkt sowie deren Bioverfügbarkeit erhöht. Die Bildung von potentiell persistenten Transformationsprodukten als mögliche negative Folgen der Ozonung wurde untersucht und der Verbleib dieser Produkte in Abbau- und Sandsäulenversuchen verfolgt. Von den zehn beobachteten Transformationsprodukten konnten zwei noch nach 10 Tagen Aufenthalt im Boden detektiert werden. Die vorgelegte Arbeit soll dazu beitragen, das Verständnis über die Vorgänge bei der direkten Versickerung von behandeltem Kommunalabwasser zu vertiefen und Optimierungspotentiale zu identifizieren. Durch den Einsatz von Ozon konnte die Leistung der SAT verbessert werden. Es wurde gezeigt, dass diese Kombination eine gleichbleibende Wasserqualität bei steigender Wassernachfrage gewährleisten kann. Gedruckte Version im Verlag erschienen: PAPIERFLIEGER, www.papierflieger-verlag.deshow moreshow less
  • Soil aquifer treatment (SAT) is a natural and inexpensive water reclamation technology to cope with water shortage, the contamination of water resources by trace organic compounds such as pharmaceuticals and the high demand for water in agriculture. Especially in arid and in populous countries the need for treated wastewater will increase. Consequently, there are at least two questions the research on the field of artificial groundwater recharge with secondary effluent has to concentrate on: i) Soil aquifer treatment (SAT) is a natural and inexpensive water reclamation technology to cope with water shortage, the contamination of water resources by trace organic compounds such as pharmaceuticals and the high demand for water in agriculture. Especially in arid and in populous countries the need for treated wastewater will increase. Consequently, there are at least two questions the research on the field of artificial groundwater recharge with secondary effluent has to concentrate on: i) How can the retention time of treated wastewater in the soil body be shortened by comparable cleaning capacity? ii) How can simultaneously an effective and sustainable removal of pharmaceutical pollution be guaranteed? The knowledge of the processes in soil passage during the infiltration of secondary effluent is an essential precondition for such an improvement of SAT. For that reason it was the subject of this study to characterize the fate and the behaviour of macrolide and sulfonamide antibiotics and DOC fractions during SAT. For this purpose sand column experiments under varying redox and temperature conditions were performed in the laboratory to stimulate soil infiltration and degradation experiments were conducted with different inoculums. Furthermore field data were collected from pilot projects in Israel and China. The tested antibiotics are preferably removed under aerobic and anoxic redox conditions. In addition, the antibiotics and DOC concentrations decrease best at a temperature of 15° C. As a result the antibiotics are primarily removed by biodegradation and in the case of macrolides also by adsorption. Degradation experiments and field data from Israel demonstrate that a shortening of the infiltration time by 1 - 2 month can be realized to ensure extensive degradation. However, a sufficiently long adaptation time of the infiltration zone to the infiltrated water is a requirement for a safe application of artificial groundwater enrichment. In further experiments the potential of ozonation as an upstream processing technology was investigated. By the use of pre-ozonation (ozone dosage: 12 mg/L) antibiotics are only slightly detectable above the detection limit. The concentrations of DOC fractions are lowered as well as their bioavailability is increasing. Besides, the formation of potentially persistent transformation products as a possible negative effect of ozonation was investigated and the fate of these products was studied in sand column and degradation experiments. Two in ten observed transformation products are still detectable after 10 days of retention in soil. The presented study will contribute to the understanding of the processes which occur during direct infiltration of treated municipal wastewater and to identify optimization potentials. By the use of ozone the performance of the SAT could be improved. It has been shown that this combination can ensure a constant water quality with the increasing demand of water. Printed version available: Verlag PAPIERFLIEGER, www.papierflieger-verlag.deshow moreshow less

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Metadaten
Author: Arne Hein
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-31711
ISBN:978-3-89720-562-8
Series (Serial Number):ITU-Schriftenreihe. Schriftenreihe des Instituts für Technischen Umweltschutz (16)
Publisher:Papierflieger
Place of publication:Clausthal-Zellerfeld
Advisor:Prof. Dr.-Ing. Martin Jekel
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2011/08/19
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Date of final exam:2011/01/24
Release Date:2011/08/19
Tag:Antibiotika; Makrolide; Ozonung; Sulfonamide; Wasserrückgewinnung
antibiotics; macrlides; ozonation; sulfonamides; water reclamation
Institutes:Institut für Technischen Umweltschutz
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)