Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGBAls Spurenkontaminationen oder »Micropollutants« geraten Chemikalien, die in sehr geringen Konzentrationen in die aquatische Umwelt gelangen, zunehmend ins Blickfeld. Anzahl, Häufigkeit und Konzentrationen solcher Spurenkontaminationen nehmen kontinuierlich zu. Arzneimittel und deren Stoffwechselprodukte sowie endokrin wirksame Gebrauchschemikalien (»Pseudoöstrogene«) werden als besonders kritisch angesehen. Sie entfalten ihre pharmakologische oder endokrine Wirkung in Oberflächengewässern, können sich in der Nahrungskette anreichern und wurden bereits in Trinkwasserproben nachgewiesen. Chemisch handelt es sich um eine Vielzahl unterschiedlichster Substanzen, die in kommunalen Kläranlagen nach dem derzeitigen Stand der Technik u. a. aufgrund der extrem niedrigen Konzentrationen, in denen sie vorkommen, nicht abgebaut werden.
Eliminierung von Spurenstoffen aus Krankenhausabwasser
Versuchsanlage direkt an der Quelle
Technische Lösungen für die Eliminierung von Spurenkontaminationen werden am sinnvollsten dort eingesetzt, wo sie ins kommunale Abwasser gelangen. Mit Unterstützung der Willy-Hager- und der Robert-Bosch-Stiftung untersuchte das Fraunhofer IGB die biologische Abwasserreinigung in einem Membran-Bioreaktor direkt am Abwasser eines Patiententrakts am Robert-Bosch-Krankenhaus in Stuttgart. Die Versuchsanlage basiert auf einer am Fraunhofer IGB entwickelten Bio-Membranreaktor-Technologie (Bild 1) mit einem Rotationsscheibenfilter zur Zellrückhaltung, der in einer ersten Versuchsstufe anaerob betrieben wurde. Die Reaktorleistung wurde durch die Kontrolle der Biogasproduktion und verschiedener Betriebsparameter (CSB, pH, Trockensubstanz, Gesamtstickstoff, Ammonium, Gehalt an flüchtigen Fettsäuren) überprüft. Die Spurenstoff-Analytik wurde vom Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft ISWA der Universität Stuttgart durchgeführt.
Ergebnisse
Über eine Versuchsdauer von einem Jahr wurden etwa 200 verschiedene Spurenstoffe in stark schwankenden Konzentrationen nachgewiesen. Bei über 50 Substanzen handelte es sich um Arzneistoffe oder deren Metabolite. Daneben wurden Reinigungsmittel und Aromastoffe gefunden, aber auch Weichmacher. Reinigungsmittel, Aromastoffe und Weichmacher wurden sehr effizient abgebaut. Das gleiche gilt für leichter verwertbare pharmakologische Wirkstoffe wie Koffein, das in vielen Formulierungen als Wirkstoff enthalten ist, in Kläranlagen vielfach aber nicht eliminiert wird und in Oberflächengewässern als Insektizid wirkt (Bild 2). Andere Substanzen (z. B. das Psychopharmakon Clomethiazol, das Analgetikum Metamizol) wurden zu pharmakologisch inaktiven Metaboliten umgesetzt (Bild 3). Als problematisch bekannte Wirkstoffe wie das Antiepilektikum Carbamazepin wurden nicht signifikant abgebaut.
Ausblick
Eine ganze Reihe von Spurenstoffen kann durch die Behandlung eliminiert oder zu pharmakologisch inaktiven Metaboliten umgesetzt werden. Sehr schwer abbaubare Stoffe, die üblicherweise in Kläranlagenabläufen nachweisbar und mittlerweile als Umweltschadstoffe ubiquitär vorhanden sind, konnten teilweise nicht abgebaut werden. Um eine Technologie zur effizienten und vollständigen Eliminierung auch kritischer Substanzen zu entwickeln, besteht weiterhin Forschungsbedarf. In einem Folgeprojekt soll die Versuchsanlage durch einen zweiten, aerob betriebenen Bioreaktor ergänzt werden, um den Arzneimittelabbau in einem zweistufigen Anaerob-/Aerob-Prozess zu testen. Darüber hinaus sollen auf der Basis der am Fraunhofer IGB entwickelten NanoMIP-Technologie selektive Adsorber für die nicht abbaubaren Arzneistoffe entwickelt werden.