Passive sampling for monitoring the removal of organic micropollutants by different wastewater treatment processes

• Passive Probenahme zur Überwachung der Entfernung von organischen Mikroschadstoffen durch unterschiedliche Abwasserreinigungsverfahren

Kämpfer, David; Schäffer, Andreas (Thesis advisor); Hollert, Henner (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Auch wenn Wasser fast überall gefunden werden kann, ist sauberes Süßwasser eine knappe und wertvolle Ressource. Durch die vermehrte Nutzung synthetischer organischer Chemikalien in unserem Alltag, für industrielle Zwecke, für landwirtschaftliche Nutzungen etc. sind Süßwasserressourcen oft mit solchen Substanzen kontaminiert. Um den Eintrag dieser Substanzen in die Umwelt zu verhindern, sind adäquate Abwasserreinigungsverfahren notwendig. Des Weiteren ist es notwendig, die Effizienz dieser Behandlungsschritte zu überwachen, was aufgrund variabler und oft niedriger Konzentrationen an organischen Mikroschadstoffen (OMPs) herausfordernd sein kann. In dieser Arbeit wurden analytische Methoden zur Konzentrationsbestimmung von 49 OMPs etabliert. Diese wurden anschließend in Verbindung mit Punktproben und der passiven Probenahme genutzt, um den Rückhalt dieser OMPs durch unterschiedliche Behandlungstechniken in einer modularen Pilot-Kläranlage zu untersuchen. Die passive Probenahme wurde ausgewählt, um zeitlich-integrative Informationen über die OMP-Konzentrationen zu erhalten, während die Punktproben als generelle Verifikation der beobachteten Trends der Abwasserkonzentrationen fungierten. Trotz der semi-quantitativen Natur der genutzten "polar organic chemical integrative sampler" (POCIS) für die Bestimmung gelöster Konzentrationen aufgrund der problematischen Bestimmung von akkuraten Anreicherungsraten im Feld, erwiesen sich POCIS als ein effektives Werkzeug zur Bestimmung der relativen Reduktion von OMPs zwischen dem Zulauf und Ablauf der unterschiedlichen Behandlungsverfahren, da vergleichbare hydrodynamische Bedingungen vorlagen. Insgesamt wurde über die Dauer von eineinhalb Jahren - von der Anlaufphase bis zum Normalbetrieb - die Leistung der modularen Pilot-Kläranlage in Bezug auf die Entfernung der OMPs untersucht. Die Anlage bestand aus einer primären Behandlungsstufe, bestehend aus einem anaeroben Tauchwandreaktor, einer anoxisch-aeroben Biofilmstufe und einem Schüttbettfilter, während als sekundäre Behandlungsstufen ein Retentionsbodenfilter (RBF), eine UV-Behandlung (UV), und eine Ulftrafiltration (UF) parallel betrieben wurden. Die Eignung zur Entfernung der OMPs wurde hierbei für die gesamte primäre Verfahrensstufe und die unterschiedlichen sekundären Behandlungsschritte untersucht. Zusätzlich betrachtet wurde die Behandlung des Ablaufs der UF bzw. des RBF mit einer Niederdruck-Umkehrosmose (RO). Von den 49 Zielsubstanzen konnten bis zu 21 über den Verlauf von vier Untersuchungskampagnen mittels Punktproben und der passiven Probenahme routinemäßig detektiert werden. Für leichter abbaubare Substanzen wie Acetaminophen und Metformin konnte ein durchgehend guter Rückhalt (>70%) durch die primäre Behandlungsstufe beobachtet werden. Zusätzlich hierzu zeigte sich während der späteren Untersuchungskampagnen des RBF ein guter Rückhalt für das oft problematische Röntgenkontrastmittel Iomeprol und das Antibiotikum Trimethoprim. Im Allgemeinen konnten sowohl mittels der primären Behandlungsschritte als auch durch den RBF einige OMPs effektiv aus dem Abwasser entfernt werden. Dies zeigt insbesondere das Potenzial des RBF als eine "low-tech"-Barriere gegen den Eintrag von OMPs in die Umwelt. Im Gegensatz zu den biologischen Behandlungsschritten zeigte die UF über den Untersuchungszeitraum einen variablen Rückhalt für eine breite Anzahl an OMPs. Insbesondere direkt nach der chemischen Reinigung der UF-Membran wurden erhöhte Rückhalteraten für viele OMPs beobachtet. Möglicherweise ist dies durch eine erhöhte Sorptionskapazität direkt nach der Reinigung begründet. In der dritten und vierten Untersuchungskampagne wurde nur ein geringer bis mittlerer Rückhalt für manche OMPs mit einer hohen Variabilität zwischen den Verbindungen und den beiden Kampagnen beobachtet. Dies zeigt, dass das UF-Modul nicht geeignet ist, im Standardbetrieb verlässlich für einen Rückhalt von OMPs zu sorgen. Im Gegensatz hierzu zeigte der Behandlungsschritt mit der RO einen guten Rückhalt (>80%) für fast alle gemessenen OMPs. Einzig 1H-Benzotriazol, ein kleines, hydrophiles Molekül, zeigte einen erhöhten Durchgang durch die RO-Membran mit Rückhalteraten unter 50% im Normalbetrieb. Generell war nur für die RO ein konsistenter und hoher Rückhalt der meisten detektierten OMPs über den ganzen Studienverlauf feststellbar. Der in dem Monitoring verwendete POCIS ist zunehmend populär geworden als passive Probenahmetechnik für die Untersuchung einer großen Bandbreite an OMPs in der aquatischen Umwelt. Um Artefakte durch die typischerweise verwendete Polyethersulfon(PES)-Membran in POCIS-Konfigurationen zu reduzieren und die mechanistische Beschreibung der Aufnahme von OMPs in den Passivsammler für quantitative Bestimmung gelöster Konzentrationen zu vereinfachen, wurde ein inertes Edelstahlgeflecht (m-POCIS) als Ersatz für die PES-Membran getestet. Hierbei wurden die Anreicherungsraten (RS) einer Reihe an OMPs durch die Wassergrenzschicht (WBL) des Edelstahlgeflechtes bestimmt. Die Aufnahmekinetik der m-POCIS wurde zuerst in einem Laborexperiment bestimmt. Anschließend wurden die m-POCIS im Ablauf des RBF ausgebracht und getestet. Die m-POCIS zeigten im Laborversuch RS-Werte im oberen Bereich der typischerweise für PES-POCIS berichteten Werte mit 9,502 ± 1,250 mL/(d*cm2). Ähnliche Ergebnisse wurden durch die Anwendung eines mechanistischen Ansatzes zur Beschreibung des Aufnahmeprozesses unter Verwendung einer einzigen Referenzverbindung zur Kalibrierung der WBL-Dicke erzielt. Zusätzlich konnten die RS während des Feldeinsatzes für mehrere OMPs über den gleichen Ansatz erfolgreich abgeschätzt werden. Insgesamt konnten Passivsammler erfolgreich zur Bewertung der Rückhalteleistung von OMPs für unterschiedliche Behandlungsstufen angewendet werden. Hierbei tat sich im Besonderen die RO für die Entfernung von OMPs hervor, jedoch konnte auch das Potenzial des RBF für diesen Zweck herausgestellt werden. Zusätzlich wurde eine adaptierte Version des POCIS mit einer inerten Metallmembran erfolgreich getestet, welche negative Effekte von PES-Membranen vermeidet.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehrstuhl für Umweltbiologie und -chemodynamik [162710]