Neue Verunreinigungen sind Chemikalien und Mikroorganismen, die in der Umwelt nicht allgemein überwacht werden, aber sie haben das Potenzial, nachteilige Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Ökosysteme zu haben. Zu dieser vielfältigen Gruppe gehören Arzneimittel, Körperpflegeprodukte, endokrin wirkende Verbindungen, Pestizide und Industriechemikalien. Ihre zunehmende Erkennung in Abwasserströmen ist für Wasseraufbereitungsanlagen weltweit ein wichtiges Problem geworden, da traditionelle Aufbereitungsmethoden möglicherweise nicht ausreichen, um sie zu entfernen. Zu verstehen, wie diese Verunreinigungen mit sekundären Abwasserbehandlungsprozessen interagieren, ist für den Schutz der Wasserqualität und der öffentlichen Gesundheit unerlässlich.

Sekundäre Abwasserbehandlung verstehen

Die sekundäre Abwasserbehandlung stellt die biologische Stufe des Behandlungsprozesses nach der primären Sedimentation dar. Sein primäres Ziel ist die Entfernung von gelösten und suspendierten organischen Stoffen, Nährstoffen wie Stickstoff und Phosphor sowie Krankheitserregern. Diese Stufe beruht auf natürlich vorkommenden Mikroorganismen, die organische Schadstoffe unter kontrollierten Bedingungen verbrauchen. Zu den gängigsten Systemen gehören Belebtschlamm, Tropffilter, biologische Kontaktoren und Biofilmreaktoren mit bewegtem Bett (MBBR).

Belebtschlammsysteme belüften Abwasser, um das Wachstum einer mikrobiellen Flocke zu fördern, die organisches Material metabolisiert. Filter mit Tropfmitteln, die mithilfe von mikrobiellen Biofilmen Schadstoffe abbauen können, werden mithilfe von Mikrobenfiltern aus einem Schüttung aus Medien wie Gestein oder Kunststoff berieselt. MBBR kombinieren Verfahren des suspendierten Wachstums und des Biofilms, indem sie kleine Kunststoffträger verwenden, die die Oberfläche für Biofilme bilden, während sie durch Belüftung in Suspension gehalten werden. Jedes System hat seine eigenen Betriebsparameter und Schwachstellen, wenn es auftauchenden Verunreinigungen ausgesetzt ist.

Die Sekundärbehandlung soll die Qualitätsstandards für Abwässer erreichen, die den biochemischen Sauerstoffbedarf (BSB) und die Gesamtmenge an suspendierten Feststoffen (TSS) auf ein Niveau reduzieren, das für die Einleitung in natürliche Gewässer oder für eine weiterführende Behandlung sicher ist.

Die Natur der aufkommenden Verunreinigungen

Aufkommende Verunreinigungen können aufgrund ihrer Herkunft und chemischen Struktur in mehrere Gruppen unterteilt werden:

  • Pharmazie und Körperpflegeprodukte (PPCP): Umfasst Antibiotika, Analgetika, Hormone, Sonnenschutzmittel und Duftstoffe. Diese werden ausgeschieden oder abgewaschen und gelangen in Abwassersysteme.
  • Endokrin-störende Chemikalien (EDCs): Wie Bisphenol A (BPA), Phthalate und Nonylphenole, die mit Hormonsystemen in der Tierwelt und Menschen stören.
  • Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS): Verwendet in Antihaftbeschichtungen, Feuerlöschschäumen und wasserfesten Textilien.
  • Pestizide und Industriechemikalien: Einschließlich Herbizide, Insektizide, Weichmacher und Flammschutzmittel.
  • Nanomaterialien und Mikroplastik: Winzige Partikel aus Konsumgütern und industriellen Prozessen, die andere Schadstoffe transportieren können.

Viele dieser Verbindungen sind nicht durch die derzeitigen Wasserqualitätsnormen geregelt, und ihre Langzeitwirkungen auf Ökosysteme und die menschliche Gesundheit werden noch untersucht, da sie häufig in Spurenkonzentrationen (ng/l bis μg/l) vorhanden sind, was sowohl die Erkennung als auch die Entfernung erschwert.

Auswirkungen auf Sekundärbehandlungsprozesse

Interferenz mit biologischer Aktivität

Mikroorganismen in Sekundärbehandlungssystemen sind die Arbeitspferde des Abbaus organischer Stoffe. Viele neu auftretende Verunreinigungen sind jedoch biologisch aktiv. Antibiotika können beispielsweise empfindliche Bakterienarten selektiv hemmen oder töten, was die mikrobielle Gemeinschaftsstruktur verändert. Dies kann die Fähigkeit des Behandlungssystems, BSB und Nährstoffe zu entfernen, verringern, was zu einer schlechteren Abwasserqualität führt.

Antimikrobielle Verbindungen wie Triclosan (einmal in Seifen üblich) haben gezeigt, dass sie die Nitrifikationsraten in Belebtschlammanlagen reduzieren. Nitrifizierende Bakterien sind besonders empfindlich gegenüber toxischen Schocks durch pharmazeutische Rückstände. Eine in Environmental Science & Technology veröffentlichte Studie berichtete, dass bestimmte nicht-steroidale entzündungshemmende Medikamente (NSAIDs) die mikrobielle Atmung hemmen können, was zu langsameren Abbauraten und höheren BSB-Werten führt. Im Laufe der Zeit können sich mikrobielle Gemeinschaften zu resistenteren Arten verschieben, aber diese Anpassung kann auf Kosten der gesamten Behandlungseffizienz gehen.

Persistenz und Entfernung Herausforderungen

Viele neu auftretende Verunreinigungen sind rekalzitrant, was bedeutet, dass sie während der konventionellen Sekundärbehandlung dem biologischen Abbau widerstehen. PFAS-Verbindungen haben beispielsweise starke Kohlenstoff-Fluor-Bindungen, die durch gewöhnliche biologische Prozesse nicht leicht gebrochen werden können. Studien zeigen, dass Belebtschlammsysteme typischerweise weniger als 50% vieler PFAS-Typen entfernen, wobei kürzerkettiges PFAS oft persistenter ist als langkettiges. In ähnlicher Weise durchlaufen Carbamazepin (ein Antikonvulsivum) und Sulfamethoxazol (ein Antibiotikum) häufig eine Sekundärbehandlung, die fast intakt ist und in Abwässern und Aufnahmegewässern nachgewiesen wird.

Die Persistenz dieser Verbindungen wirft Bedenken hinsichtlich ihrer Akkumulation in der Umwelt auf. Selbst bei niedrigen Konzentrationen kann eine chronische Exposition endokrine Störungen bei Fischen und anderen Wasserorganismen verursachen. Darüber hinaus kann das Vorhandensein von Antibiotika in Abwässern die Entwicklung von antibiotikaresistenten Bakterien und Resistenzgenen fördern, eine wachsende Bedrohung der öffentlichen Gesundheit, die von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) anerkannt wird.

Einige Verunreinigungen können sich auch während der biologischen Behandlung in toxischere Metaboliten umwandeln, beispielsweise bestimmte Duftstoffe wie synthetische Moschuse können in persistentere und bioakkumulativere Formen umgewandelt werden. Dies erschwert die Risikobewertung und zeigt, dass die einfache Messung der Entfernung von Muttersubstanz möglicherweise nicht das volle Risiko erfasst.

Auswirkungen auf die Handhabung und Entsorgung von Schlamm

Hydrophobe Verbindungen wie Triclosan, BPA und einige Pestizide neigen dazu, sich an die feste Fraktion zu binden. Werden Biosolide als Dünger auf landwirtschaftliche Flächen ausgebracht, können diese Verunreinigungen in den Boden gelangen, von Kulturen aufgenommen werden oder in das Grundwasser gelangen. Vorschriften für Biosolide berücksichtigen diese entstehenden Verunreinigungen oft nicht, was einen möglichen Weg für die Exposition des Menschen und ökologische Schäden darstellt.

Darüber hinaus kann das Vorhandensein antimikrobieller Wirkstoffe im Schlamm die anaeroben Vergärungsprozesse zur Schlammstabilisierung hemmen, wodurch die Biogasproduktion verringert und die Betriebskosten erhöht werden.

Fallstudien und Forschungsergebnisse

Mehrere Studien haben die realen Auswirkungen von aufkommenden Verunreinigungen auf die Sekundärbehandlung dokumentiert. Eine umfassende Überprüfung in Water Research analysierte Daten von über 100 Abwasserbehandlungsanlagen (WWTPs) in Europa und Nordamerika. Es wurde festgestellt, dass herkömmliche Belebtschlamm zwar mehr als 80% einiger Verbindungen wie Acetaminophen und Koffein entfernen konnte, die Entfernungsraten für Diclofenac und Carbamazepin jedoch unter 30% lagen. Trickling-Filter zeigten im Allgemeinen geringere Entfernungseffizienzen für viele Pharmazeutika im Vergleich zu Belebtschlammsystemen.

Eine weitere Studie, die an einem WWTP in Schweden durchgeführt wurde, untersuchte die Wirkung von Antibiotika auf die Nitrifikation. Die Forscher beobachteten, dass Spitzen der Ciprofloxacin-Konzentration mit vorübergehenden Absinken der Ammoniakentfernungseffizienz korrelierten, was eine chemische Supplementierung zur Aufrechterhaltung der Compliance erforderte. Solche Ereignisse können die Betriebskosten erhöhen und es zu Verstößen führen.

Die Mikroplastikentfernung während der Sekundärbehandlung ist ebenfalls ein wachsendes Forschungsgebiet. Eine Studie der Universität Toronto ergab, dass Belebtschlammprozesse etwa 90% des Mikroplastiks aus dem Zulauf entfernen, die restlichen 10% (die Milliarden von Partikeln pro Tag sein können) jedoch in Vorkommen eingeleitet werden. Darüber hinaus können Mikroplastik andere Schadstoffe adsorbieren, die als Vektoren für toxische Verbindungen fungieren.

Die Persistenz von PFAS hat zu einer zunehmenden regulatorischen Kontrolle geführt. Die US-Umweltschutzbehörde (EPA) hat Gesundheitsempfehlungen für bestimmte PFAS im Trinkwasser festgelegt und erwägt strengere Abwasserableitungsgrenzen. Jüngste Untersuchungen zeigen, dass die konventionelle Sekundärbehandlung eine minimale PFAS-Entfernung erreicht, wobei Massenbilanzen oft keinen signifikanten Abbau zeigen, sondern nur zwischen flüssigen und festen Phasen verteilt werden.

Minderungsstrategien

Fortgeschrittene Oxidationsprozesse (AOPs)

Um die Grenzen der biologischen Behandlung zu überwinden, integrieren viele Einrichtungen fortschrittliche Oxidationsprozesse entweder als tertiäre Stufe oder direkt innerhalb des Sekundärbehandlungszuges. AOPs wie Ozon (O3) in Kombination mit Wasserstoffperoxid (H2O2), UV-Photolyse und Fenton-Reaktionen erzeugen hochreaktive Hydroxylradikale, die selbst die persistentesten organischen Schadstoffe abbauen können. Ozonierung hat sich als wirksam erwiesen, um viele Arzneimittel und endokrine Disruptoren zu entfernen, kann aber Nebenprodukte produzieren, die eine weitere Behandlung erfordern. Kosten und Energiebedarf bleiben Hindernisse für eine weit verbreitete Annahme, aber die jüngsten Fortschritte in der UV-LED-Technologie reduzieren die Betriebskosten.

Adsorptionstechnologien

Aktivkohle, sowohl in Pulverform (PAC) als auch in Granulatform (GAC), wird häufig zur Adsorption organischer Verunreinigungen verwendet. PAC kann direkt in das Belebtschlammbecken dosiert werden, was mit der bestehenden biologischen Behandlung einhergeht. GAC-Filter, die oft nach einer sekundären Klärung platziert werden, stellen einen Polierschritt dar, der Restspurenverbindungen auffängt. Studien zeigen, dass Aktivkohle über 90% vieler Pharmazeutika und Pestizide entfernen kann, obwohl Sättigungs- und Regenerationskosten bewältigt werden müssen. Alternative Adsorbentien wie Biokohle und Ionenaustauscherharze werden auch für bestimmte Schadstoffklassen wie PFAS untersucht.

Membranbioreaktoren (MBR)

Membranbioreaktoren kombinieren biologische Behandlung mit Membranfiltration (Mikrofiltration oder Ultrafiltration). Die Membran behält Biomasse und Partikel zurück, was höhere Biomassekonzentrationen und längere Schlammrückhaltezeiten ermöglicht - Bedingungen, die das Wachstum langsam wachsender Bakterien begünstigen, die rekalzitierende Verbindungen abbauen können. MBRs haben eine verbesserte Entfernung vieler Arzneimittel im Vergleich zu herkömmlichen Belebtschlamm gezeigt. Membranverschmutzung und Energieverbrauch bleiben jedoch Herausforderungen. Laufende Forschung zu neuartigen Membranmaterialien und Strategien zur Kontrolle von Verschmutzungen verbessert die Machbarkeit von MBRs für die Entfernung von Schadstoffen.

Prozessoptimierung und Bioaugmentierung

Die Anpassung der Betriebsparameter kann die Widerstandsfähigkeit biologischer Prozesse verbessern. Eine Erhöhung der Schlammverweilzeit (SRT) ermöglicht Mikroorganismen mehr Zeit, sich an langsam biologisch abbaubare Verbindungen anzupassen und diese abzubauen. Die Aufrechterhaltung höherer Gehalte an gelöstem Sauerstoff und die Optimierung der Nährstoffverhältnisse unterstützen auch die mikrobielle Gesundheit. Die Bioaugmentation - die Zugabe spezifischer mikrobieller Stämme mit bekannten Abbaufähigkeiten - hat sich in Laborstudien für Verbindungen wie chlorierte Lösungsmittel und einige Pestizide als vielversprechend erwiesen. Feldanwendungen stehen jedoch vor Herausforderungen bei der Etablierung und Aufrechterhaltung der eingeführten Stämme in einem Wettbewerbsumfeld.

Source Control und Vorbehandlung

Die Vermeidung von Schadstoffen, die in Abwassersysteme gelangen, ist eine kostengünstige Strategie. Dazu gehören pharmazeutische Rücknahmeprogramme, Beschränkungen für die Verwendung bestimmter Chemikalien in Verbraucherprodukten (z. B. Verbot von Mikroperlen in Kosmetika) und industrielle Vorbehandlungsanforderungen. Krankenhäuser und Industrien, die hohe Mengen an Arzneimitteln oder Chemikalien entladen, können verpflichtet sein, vor Ort Behandlungssysteme zu installieren.

Eine Kombination dieser Ansätze ist oft notwendig.Die Behandlungsanlagen müssen möglicherweise ein Multi-Barriere-System implementieren, das biologische Behandlung, AOPs und Adsorption umfasst, um die vielfältigen neu auftretenden Verunreinigungen effektiv zu managen.

Regelungs- und Überwachungsrahmen

Aktuelle Standards

Die meisten Länder regulieren konventionelle Schadstoffe in Abwasserabwässern wie BSB, TSS und Nährstoffe, aber nur wenige haben spezifische Grenzwerte für neu auftretende Schadstoffe. Die Europäische Union hat durch ihre Wasserrahmenrichtlinie bestimmte prioritäre Substanzen auf ihre Beobachtungsliste aufgenommen, wie Diclofenac und einige Hormone, die von den Mitgliedstaaten eine Überwachung verlangen. Die Vereinigten Staaten haben keine föderalen Vorschriften für Arzneimittel in Abwasser, obwohl einige Staaten beginnen, sich mit PFAS zu befassen. Die Unregulierte Schadstoffüberwachungsregel der EPA (UCMR) untersucht regelmäßig Trinkwassersysteme auf neu auftretende Schadstoffe, aber dies regelt nicht direkt die Einleitung.

Ohne regulatorische Treiber fehlt es den Versorgungsunternehmen möglicherweise an der Finanzierung und dem Anreiz, die Aufbereitungsverfahren zu verbessern. Doch die zunehmenden Anzeichen für ökologische Schäden in Verbindung mit dem öffentlichen Druck drängen die Regulierungsbehörden, neue Standards in Betracht zu ziehen. 2021 schlug die Europäische Kommission eine Überarbeitung der Richtlinie zur Behandlung von kommunalem Abwasser vor, die Anforderungen zur Entfernung von Mikroschadstoffen und zur Verbesserung der Energieeffizienz enthält.

Zukünftige Richtungen

Fortschritte in der analytischen Chemie, wie die Flüssigkeitschromatographie-Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS), ermöglichen nun den Nachweis von Verunreinigungen in extrem niedrigen Konzentrationen. Dies ermöglicht eine umfassendere Überwachung und Risikobewertung. Das Screening auf alle möglichen Verunreinigungen ist jedoch unpraktisch. Ein führender Ansatz ist die effektbasierte Überwachung, die Messung der biologischen Aktivität des Abwassers (z. B. Östrogenität), anstatt jede einzelne Verbindung zu quantifizieren. Dies kann toxikologisch relevante Mischungen identifizieren und Behandlungsverbesserungen leiten.

Die regulatorischen Rahmenbedingungen werden sich wahrscheinlich zu ganzheitlicheren risikobasierten Ansätzen entwickeln, die die kumulativen Auswirkungen von Schadstoffgemischen berücksichtigen.

Blick nach vorn

Neue Verunreinigungen stellen eine komplexe und sich entwickelnde Herausforderung für Sekundärabwasserbehandlungsprozesse dar. Ihre Fähigkeit, die biologische Behandlung zu stören, durch konventionelle Prozesse fortbestehen und sich in der Umwelt anzusammeln, erfordert eine proaktive Reaktion. Die effektivsten Strategien kombinieren Quellenkontrolle, Prozessoptimierung und fortschrittliche Technologien wie AOP, Aktivkohle und Membranbioreaktoren. Die weitere Erforschung des Schicksals und der Auswirkungen dieser Verbindungen wird in Verbindung mit adaptiven Vorschriften von wesentlicher Bedeutung sein, um die Wasserqualität und die öffentliche Gesundheit zu gewährleisten.

Die Versorgungsunternehmen müssen auch wirtschaftliche und energetische Kompromisse berücksichtigen. Nachrüstungen für eine fortschrittliche Behandlung können kostspielig sein, und der Energiebedarf von Technologien wie Ozonierung und UV kann mit den Zielen zur Kohlenstoffreduzierung in Konflikt stehen. Aufkommende Lösungen wie solarbetriebene AOPs, die biologische Entfernung von PFAS unter Verwendung spezifischer Enzympfade und intelligente Überwachungssysteme, die Schadstoffbelastungen vorhersagen, bieten vielversprechende Wege nach vorne.

Die Zusammenarbeit zwischen Forschern, Ingenieuren, Regulierungsbehörden und der Öffentlichkeit ist von entscheidender Bedeutung. Indem der Wassersektor über die neuesten Erkenntnisse informiert bleibt und in eine widerstandsfähige Infrastruktur für die Aufbereitung investiert, kann er der aufkommenden Flut der Schadstoffe einen Schritt voraus sein und sicherstellen, dass behandeltes Abwasser für die Umwelt und für Wiederverwendungsanwendungen sicher ist.

Für weitere Informationen zu diesem Thema stellt die EPA Ressourcen zu Contaminants of Emerging Concern zur Verfügung, und die WHO hat Berichte zu Antimikrobielle Resistenz in Abwasser veröffentlicht. Darüber hinaus veröffentlichen wissenschaftliche Zeitschriften wie Water Research regelmäßig Peer-Review-Studien zu Minderungstechnologien und Umweltverläufen.