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Frühwarnung bei Schadstoffwellen in Kläranlagen

Das baden-württembergische Umweltministerium hat im Juni 2012 einen Bericht über die Belastung der Gewässer mit Spurenstoffen vorgelegt. Hierbei handelt es sich um Spuren von Wirkstoffen aus Arzneimitteln oder Zusatzstoffen aus Körperpflege- oder Reinigungsmitteln, die durch Abwasser in die Gewässer gelangen. Technologien, die helfen können, Schadstoffe bei der Reinigung von Abwasser in Kläranlagen zuverlässig zu erkennen, sind somit sehr gefragt. Einen Beitrag hierzu könnte schon bald die LimCo International GmbH leisten. Das Konstanzer Unternehmen hat ein vollautomatisches Frühwarnsystem zur Überwachung der Wasser- und Sedimentqualität in Kläranlagen und Wasserwerken entwickelt. Dieser Biomonitor beruht im Vergleich zu bisherigen Methoden auf nicht-optischen Messungen. Das Projekt ist für den NEO 2012 - Innovationspreis der TechnologieRegion Karlsruhe im Bereich Umwelttechnologien zum Themenschwerpunkt „Wasser“ nominiert.

Im Rahmen der EU-Wasserrahmenrichtlinie wird gefordert, dass Gewässer bis 2015 einen guten ökologischen und chemischen Zustand erreichen sollen. Wenn toxische Stoffe in Gewässer gelangen, kann dies zu Gefahren für Gesundheit und Umwelt führen. Über nicht ausreichend behandeltes Trinkwasser, aber insbesondere die Nahrungskette, beispielsweise durch den Verzehr von Meeresfrüchten, gelangen sie auch zum Menschen. Gefahrenabwehr und Schadensbegrenzung erfordern daher immer rasches Eingreifen, was die rechtzeitige Erkennung von toxischen Substanzen voraussetzt.

Aktives biologisches Monitoring des Abwassers verfolgt das Ziel, akute Schadstoffhöchstwerte oder Schwankungen der Reinigungsleistung in Kläranlagen frühzeitig zu identifizieren. Dazu ist der von der Konstanzer Firma LimCo International GmbH entwickelte Multispecies Freshwater Biomonitor© (MFB) basierend auf der Vernetzung von biologischen und chemischen Online-Messungen in der Lage. Im Gegensatz zu den meisten Biomonitoren gründet er nicht auf optischen Methoden, zu denen zum Beispiel Videoaufzeichnungen, Fluoreszenz oder Biolumineszenz gehören. Denn diese haben einen entscheidenden Nachteil: „Sie sind nicht in trübem, partikelreichen oder gefärbten Wasser einsetzbar“, erklärt Dr. Almut Gerhardt, Geschäftsführerin von LimCo International. Genauer gesagt nicht ohne vorausgehende Filtrierung des Rohwassers, wobei jedoch partikelgebundene Schadstoffe entfernt werden und somit die potenzielle Toxizität bereits vor dem Test reduziert wird. „Die nicht-optische Methode dagegen eröffnet ein sehr breites Anwendungsgebiet in allen Medien, unter anderem auch in trüben Gewässern, Sedimenten und Böden“, erläutert Dr. Gerhardt. Ergebnisverfälschungen, die durch Abfiltrierung entstehen, und daraus resultierende Unterschätzungen der schädlichen Substanzen können dadurch vermieden werden.

Netzspinnende Filtrierer und Bachflohkrebse als Indikatoren

Die PC-Einheit dient zur Aufzeichnung und Analyse der Messdaten. © LimCo International GmbH

In der biologischen Online-Überwachung von Oberflächenwasser werden häufig wirbellose Tierarten, Bakterien und Algen als Indikatoren (Zeigerarten) verwendet. Beim Einsatz der von der LimCo International GmbH entwickelten Technologie haben die Kleinlebewesen hohe Priorität, da sie sowohl gelöste als auch partikulär gebundene Schadstoffe aufnehmen. „Mit ihnen lässt sich die gesamte Schadstoffbelastung erfassen“, verdeutlicht Dr. Almut Gerhardt. Zudem liegt besonders im Ablauf einer Kläranlage ein hoher Anteil an Partikeln vor. Diese bestehen aus Bakterienbiomasse und daran gebundene Schadstoffe und Nährstoffe. Aus diesem Grund findet man immer unterhalb von Kläranlageneinleitungen sogenannte „Partikelfresser“. Dazu gehören: Filtrierer (z.B. netzspinnende Köcherfliegen), Feinpartikelfresser (z.B. Zuckmücken) und Grobpartikelfresser/Zerkleinerer (z.B. Gammariden, jedoch nur wenn der Schadstoffgehalt nicht zu hoch ist).

Gammariden (Bachflohkrebse) ernähren sich primär von grobem organischem Material, haben aber auch andere Nahrungsquellen wie Algen und wirbellose Tiere. Sie spielen eine wichtige Rolle im Stoffkreislauf in Fließgewässern und sind wichtige Beuteorganismen für Fische und Wasservögel. Die Gattung Gammariden gilt auch als Güteklasse-II-Indikator. Güteklasse II ist dabei die Zielanforderung der EU-Wasserrahmenrichtlinie für Fließgewässer. „Die Lebenszeit dieser Lebewesen von circa einem Jahr ist lang genug, um chronische Effekte auch bei niedriger Schadstoffexposition zu entwickeln und anzuzeigen“, erläutert Dr. Gerhardt.

Kontinuierliche ökotoxikologische Bewertung des Ablaufwassers

Störfall: Schadstoffplus während des Biomonitorings führt zu Minderung der Aktivität und Tod (roter Balken) der Tiere. © LimCo International GmbH
Der von LimCo entwickelte Biomonitor besteht aus Messkammern variabler Größe und verschiedenem Design, einem Messgerät und einer PC-Einheit zur Aufzeichnung und Analyse der Messdaten mit einer speziellen Software. Es werden signifikante Abweichungen im Verhalten und Überleben der Zeigertiere in den Messkammern registriert, berechnet und angezeigt. „Wir messen die Tierbewegungen in einem schwachen unschädlichen elektrischen Feld und sind daher unabhängig von optischen Sensoren“, so Gerhardt. Mit dieser Methode können alle Arten von Wassertieren (von Daphnia spp. ca. 3 mm groß bis zu Fischen, ca. 30 cm groß) überwacht werden. Es werden verschiedene Verhaltensweisen registriert, wie z.B. Flucht, Stressatmung, Inaktivität, und der Tod. Im Anschluss werden die Daten mit den chemischen Messungen (z.B. Nitrat- und Ammoniumgehalt etc.) in der Kläranlage abgeglichen. Der MFB wurde bisher vielfach für ökotoxikologische Studien sowohl im Labor als auch im Feld für die Überwachung von Oberflächengewässern, Bergbauabwasser und kommunalem bzw. industriellem Abwasser sowie Trinkwasser erfolgreich eingesetzt. „Er ist weltweit der einzige Biomonitor, welcher in allen Medien, mit allen Tierarten, mit so hoher Anzahl von Replikaten arbeitet“, erklärt die Biologin. Hierbei werden zum Beispiel drei Zeigerarten mit je 16 Organismen gleichzeitig überwacht. Dies sorgt für eine sichere Alarmgebung und optimalen Schutz des Gewässers.

Wiederkehrende Alarmfälle aufgrund toxischer Belastung

Halterung für MFB-Kammern © LimCo International GmbH

In der modernen Abwasserreinigungsanlage Limmattal bei Zürich wurde das biologische Frühwarnsystem für die biologisch-ökotoxikologische kontinuierliche Überwachung der Abwasserqualität bereits erfolgreich erprobt und installiert. Insgesamt wurden sieben Testläufe von jeweils zwei bis drei Wochen mit Abwasser der Kläranlage durchgeführt. Davon überlebten die Gammariden und Hydropsychiden jeweils zwischen einer und drei Wochen. Der anfangs geringe Sauerstoffgehalt im Abwasser wurde technisch bei der Wassserzufuhr bereits deutlich erhöht und optimiert. „Das abrupte Sterben innerhalb von wenigen Tagen in manchen Versuchen deutet auf eine akut toxische Spitzenbelastung hin“, betont Dr. Gerhardt. Es wird vermutet, dass hier Stoffe, wie etwa Polyacrylamid sowie Diclofenac eine nicht unbedeutende Rolle spielen. Weiterhin könnten Streusalze mit Leitfähigkeitsspitzen und unbekannte Schadstoffe für die beobachteten Alarmfälle verantwortlich sein. Nur mit dem detaillierten zeitlichen Abgleich mit den Online-Analytikdaten im Alarmfall kann die konkrete Ursache für das rasche Sterben der Tiere benannt werden. Deshalb soll die biologische Frühwarnung mit der diagnostischen chemischen Analytik kombiniert werden.

Optimierungsansätze in der Technologie

Die bisherigen Versuche mit dem MFB ergaben auch Ideen zur weiteren Optimierung des Verfahrens. Demnach soll ein direkter Hardwareausgang am MFB-Gerät geschaffen werden. Damit sind die Daten auch auf dem Zentralrechner in Echtzeit direkt einsehbar und können direkt und zeitgleich mit den chemischen Online-Daten verglichen werden. Weitere Tierarten, die weniger sensitiv sind und sich auch für Versuche mit Klärschlamm eignen, wie beispielsweise Zuckmücken, sollen getestet werden.

LimCo International GmbH kooperierte bereits mit dem Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft (ISWA) der Universität Stuttgart im Rahmen einer Diplomarbeit. Hier wurden verschiedene abwasserrelevante Schadstoffe mit dem MFB getestet. „Das Biomonitoring ist nicht spezialisiert auf bestimmte Kläranlagen. Es kann auch besonders zur Erfolgskontrolle weiterer tertiärer Reinigungsschritte, wie beispielsweise der Ozonierung oder Pulveraktivkohlefiltration eingesetzt werden, wie sie derzeit in der Erprobung sind. So gesehen ist das Gerät für alle Kläranlagen in Baden-Württemberg relevant“, erklärt Dr. Almut Gerhardt.

Nach dem jüngsten Bericht des baden-württembergischen Umweltministeriums sind neue Technologien und Analysesysteme für die Erkennung von Spurenstoffen während der Abwasserreinigung sehr gefragt. Wie das Ministerium mitteilt, bestünde die Schwierigkeit derzeit auch darin, dass es für viele Stoffe bisher noch nicht ausreichendes Datenmaterial über deren Wirkung auf die Umwelt gäbe. Zudem stellen Spurenstoffe ein relativ neues Feld der ökologischen und chemischen Wasserreinhaltung dar, für das passende Lösungen erarbeitet werden müssen.

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Polyacrylamid wird in der Gelektrophorese als Matrix zur Trennung verschieden großer Moleküle (DNA, RNA oder Protein) benutzt.
  • Toxizität ist ein anderes Wort für Giftigkeit.
  • Als Fluoreszenz wird die spontane Emission von Licht bestimmter Wellenlänge nach Anregung eines Moleküls mit Licht einer anderen Wellenlänge bezeichnet.
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