Humanarzneimittel im Abwasser Eine Präsentation von Kuno-Friedrich Konopka

Gliederung Eine Kurze Einführung: Arzneimittel im Abwasser Wie kann die Emission von Humanarzneimitteln in die Umwelt durch Kläranlagentechnik reduziert werden? Vorstellung der einzelnen Methoden Was ist es, wie kann es eingesetzt werden, welche Reduzierungsmöglichkeiten gibt es, welche Vor- und Nachteile hat die Methode? Spezielle Techniken zur Reduzierung von endokrinen Disruptoren

Arzneimittel im Abwasser Liste von Arzneimitteln Welche davon sind endokrine Disruptoren? Target EDCs Wie sieht es mit der Abbaubarkeit aus? Wie hoch sind die Einträge? Vor und hinter Kläranlagen

Wie kann die Emission von Humanarzneimitteln in die Umwelt durch Kläranlagentechnik reduziert werden? Allgemeines bla bla

Welche Techniken gibt es? Biologischer Abbau im Belebtschlamm Membran-Bioreaktoren (MBR) Adsorptionsverfahren Ozonierung / Oxidation Photooxidation Ultraschall-Bestrahlung Stoffstromseperation

1. Biologischer Abbau im Belebtschlamm Was ist das? Der biologische Abbau in Belebtschlammbecken ist ein grundlegender Bestandteil der Abwasseraufbereitung in allen Klärwerken. Leicht abbaubare (nicht persistente) organische Substanzen werden unter Sauerstoffzufuhr von Mikroorganismen abgebaut. Nicht abbaubare Verbindungen lagern sich an den Schwebstoffen an. Der biologische Abbau in Belebtschlammbecken ist ein grundlegender Bestandteil der Abwasseraufbereitung in allen Klärwerken. Leicht abbaubare (nicht persistente) organische Substanzen werden unter Sauerstoffzufuhr von Mikroorganismen abgebaut. Nicht abbaubare Verbindungen lagern sich an den Schwebstoffen an.

1. Biologischer Abbau im Belebtschlamm Wie kann diese Technik eingesetzt werden? Kläranlagen weltweit verfügen in der Regel über eine mechanische und eine biologische Reinigungsstufe Für den besseren Abbau von nicht persistenten HAMs und EDs ist lediglich eine Erhöhung des Schlammalters in den Belebtschlammbecken von 6-8 auf 8-10 Tage nötig. Außerdem sollte bei Kläranlagen aus Ballungsräumen auf die Austragung von Klärschlammen in der Landwirtschaft verzichtet werden.

Für die Reduzierung sind zwei Faktoren von besonderer Bedeutung: 1. Biologischer Abbau im Belebtschlamm Welche Reduzierungsmöglichkeiten gibt es für HAM und endokrine Disruptoren? Für die Reduzierung sind zwei Faktoren von besonderer Bedeutung: Die Adsorption an den Schwebstoffen Sowie die Persistenz und die Affinität gegenüber den bakteriellen Enzymen (=Abbaubarkeit) Die Reduzierungsmöglichkeiten für HAM und EDs schwanken dabei stark So werden Ibuprofen, Bezafibrat und Sulfamethoxazol bei einem Belebtschlammalter von zwei bis fünf Tagen bereits weitgehend entfernt Hingegen wird für Carbamazepin und Diazepam selbst bei einem Belebtschlammalter von über 20 Tagen kein Abbau verzeichnet Außerdem wird z. B. das Antibiotikum Ciprofloxacin in der Kläranlage mit einem Anteil von 67 % am sekundären Schlamm adsorbiert Während 17α-Ethinylöstradiol lediglich mit einem Anteil von 3 % sorbiert wird

1. Biologischer Abbau im Belebtschlamm Welche Reduzierungsmöglichkeiten gibt es für HAM und endokrine Disruptoren? Table 3, Removal mechanisms for endocrine disrupting compounds (EDCs) in wastewater treatment — physical means, biodegradation, and chemical advanced oxidation: A review by Ze-hua Liu⁎, Yoshinori Kanjo⁎, Satoshi Mizutani⁎

1. Biologischer Abbau im Belebtschlamm Welche Reduzierungsmöglichkeiten gibt es für HAM und endokrine Disruptoren? Table 5, Removal mechanisms for endocrine disrupting compounds (EDCs) in wastewater treatment — physical means, biodegradation, and chemical advanced oxidation: A review by Ze-hua Liu⁎, Yoshinori Kanjo⁎, Satoshi Mizutani⁎

1. Biologischer Abbau im Belebtschlamm Vor- und Nachteile Vorteile: Die Technik wird bereits in nahezu allen Klärwerken angewandt, d.h. keine großen Investitionskosten nötig Viele HAMs und fast alle EDs werden weitestgehend biologisch abgebaut Nachteile: Persistente HAMs werden kaum oder gar nicht abgebaut Adsorbierte HAWs und EDs können über den Klärschlamm wieder in die Umwelt gelangen

2. Membran-Bioreaktoren (MBR) Was ist das? Definition: Ein MBR ist ein System, das die biologische Umwandlung von Bestandteilen des Abwassers mit der Membranfiltration kombiniert. MBR sind in der Lange eine Vielzahl von organischen und anorganischen Kontaminationen und biologische Inhaltsstoffe aus dem Abwasser zu entfernen. Dabei können verschiedene Filtrationsmembranen eingesetzt werden: Mikrofiltration, Ultrafiltration, Nanofiltration oder Umkehrosmose

Einsatz als Tertiärsystem in Kombination mit Sekundärsystem 2. Membran-Bioreaktoren (MBR) Wie kann diese Technik eingesetzt werden? Einsatz als Tertiärsystem in Kombination mit Sekundärsystem http://www.haustechnikdialog.de/shkwissen/Images/Flie%C3%9Fbild_GWA2_lq.jpg

Für Ibuprofen und Bezafibrat Eliminierungsraten von über 90 % 2. Membran-Bioreaktoren (MBR) Welche Reduzierungsmöglichkeiten gibt es für HAM und endokrine Disruptoren? Entscheidend für die Reduzierung ist hier die Adsorption an der Filtermembran, sowie der Filtermembrantyp Bei Konzentrationen in den Zuläufen der Kläranlagen von Diclofenac 905– 4.114 ng/l, Ibuprofen 1.200 –2.679 ng/l, Bezafibrat 1.960 –7.600 ng/l, Carbamazepin 325–1.850 ng/l, Iopromid 26-3.840 ng/l, Roxithromycin 25–117 ng/l, Sulfamethoxazol 24 –145 μg/l und einer nicht näher spezifizierten Ultrafiltrationsmembran, zeigte sich, dass MBR und konventionelle Kläranlagen vergleichbare Abbauraten erzielen. Für Ibuprofen und Bezafibrat Eliminierungsraten von über 90 % Während Carbamazepin nicht und Diclofenac nur zum Teil aus dem Abwasser entfernt wurden

2. Membran-Bioreaktoren (MBR) Welche Reduzierungsmöglichkeiten gibt es für HAM und endokrine Disruptoren? Table 1, Removal mechanisms for endocrine disrupting compounds (EDCs) in wastewater treatment — physical means, biodegradation, and chemical advanced oxidation: A review by Ze-hua Liu⁎, Yoshinori Kanjo⁎, Satoshi Mizutani⁎

2. Membran-Bioreaktoren (MBR) Vor- und Nachteile Vorteile: Geringe Anlagengröße Vollständiger Rückhalt von Schwebstoffen Eliminierung auch von anderen Stoffklassen Nachteile: Hohe Investitions- und Betriebskosten Fouling auf den Membranen können diese schädigen

3. Adsorptionsverfahren Was ist das? Das typische Adsorptionsverfahren an Aktivkohle ist die Überführung des Abwassers über einen Aktivkohlefilter Dies ist beim Abwasser aus ökonomischer Sicht nicht zu realisieren. Ein neuer Ansatz befasst sich mit dem Eintrag von Pulveraktivkohle (oder einem Aktivkohlegranulat), welche in den Abwasserstrom eingeleitet wird. Dabei werden die organischen Verbindungen von der Aktivkohle adsorbiert.

3. Adsorptionsverfahren Wie kann diese Technik eingesetzt werden? Einsatz als Tertiärsystem in Kombination mit einem Sekundärsystem (biologische Reinigungsstufe) Für den Einsatz sind außerdem ein Flockungsreaktor, sowie eine nachgeschaltete Sedimentationsanlage und Filtration nötig.

Bei 20mg/l Pulveraktivkohle sogar um 90% 3. Adsorptionsverfahren Welche Reduzierungsmöglichkeiten gibt es für HAM und endokrine Disruptoren? Entscheidend für die Reduzierung ist hier die Adsorption an der Aktivkohle Die Reduzierungsmöglichkeiten sind dabei in ersten Versuchsanlagen viel versprechend Bei einer Versuchsanlage in Ulm zeigte sich eine Reduzierung um ca. 80% aller HAMs bei einem Zusatz von 10mg/l Pulveraktivkohle in der Nachklärung Darunter auch sonst schwer abbaubare Röntgenkontrastmittel Bei 20mg/l Pulveraktivkohle sogar um 90%

Oktanol-Wasser-Verteilungskoeffizient 3. Adsorptionsverfahren Welche Reduzierungsmöglichkeiten gibt es für HAM und endokrine Disruptoren? Oktanol-Wasser-Verteilungskoeffizient Table 2, Removal mechanisms for endocrine disrupting compounds (EDCs) in wastewater treatment — physical means, biodegradation, and chemical advanced oxidation: A review by Ze-hua Liu⁎, Yoshinori Kanjo⁎, Satoshi Mizutani⁎

3. Adsorptionsverfahren Vor- und Nachteile Vorteile: Hohe Reduzierungen möglich Nachteile: Hohe Investitionskosten Nicht sehr kompakt 5-15% mehr Klärschlamm Kann nicht dort eingesetzt werden, wo der Klärschlamm landwirtschaftlich genutzt wird.

4. Ozonierung / Oxidation Was ist das? Oxidation von organischen Verbindungen mittels verschiedener Oxidationsmittel Z.B.: FeO42- O3 S2O42- Table 6, Removal mechanisms for endocrine disrupting compounds (EDCs) in wastewater treatment — physical means, biodegradation, and chemical advanced oxidation: A review by Ze-hua Liu⁎, Yoshinori Kanjo⁎, Satoshi Mizutani⁎

4. Ozonierung / Oxidation Wie kann diese Technik eingesetzt werden? Einsatz als Tertiärsystem in Kombination mit einem Sekundärsystem (biologische Reinigungsstufe) Eine Kopplung mit der Photooxidation ist auch möglich

Eine vollständige Oxidation zu CO2 ist nicht möglich 4. Ozonierung / Oxidation Welche Reduzierungsmöglichkeiten gibt es für HAM und endokrine Disruptoren? Entscheidend für die Reduzierung ist hier die oxidierbarkeit, gegeben durch die reaktiven funktionellen Gruppen Eine vollständige Oxidation zu CO2 ist nicht möglich Durch Oxidation lässt sich jedoch eine gute Reduzierung der HAMs und EDs erzielen. Carbamazepin, Diclofenac, 17α-Ethinylöstradiol, Sulfamethoxazol und Roxithromycin konnten vollständig während der Ozonierung Transformation werden Ibuprofen und Iopromid lieferten niedrigere Reaktionskonstanten, weil diese Substanzen nicht über entsprechend reaktive funktionelle Gruppen Verfügen. Bezafibrat wurde in allen Ozonierungsexperimenten zu mehr als 95 % oxidiert, während die Oxidation von Diazepam, Iopromid und Ibuprofen in der Größenordnung von 24 % (Diazepam und Iopromid) bis 77 % (Ibuprofen) lag. Die Oxidation dieser Substanzen wird weitgehend kontrolliert durch die Reaktion mit OH-Radikalen.

4. Ozonierung / Oxidation Vor- und Nachteile Vorteile: Neben der Reduktion von HAMs und EDs wird das Abwasser zusätzlich desinfiziert Nachteile: Das Verhalten der Oxidationsprodukte ist weitestgehend ungeklärt O3 und andere Oxidationsmittel sind sehr toxisch

5. Photooxidation Was ist das?

5. Photooxidation Wie kann diese Technik eingesetzt werden?

5. Photooxidation Welche Reduzierungsmöglichkeiten gibt es für HAM und endokrine Disruptoren?

5. Photooxidation Vor- und Nachteile Vorteile: Nachteile:

6. Ultraschall-Bestrahlung Was ist das?

6. Ultraschall-Bestrahlung Wie kann diese Technik eingesetzt werden?

6. Ultraschall-Bestrahlung Welche Reduzierungsmöglichkeiten gibt es für HAM und endokrine Disruptoren?

6. Ultraschall-Bestrahlung Vor- und Nachteile Vorteile: Nachteile:

7. Stoffstromseperation Was ist das?

7. Stoffstromseperation Wie kann diese Technik eingesetzt werden?

7. Stoffstromseperation Welche Reduzierungsmöglichkeiten gibt es für HAM und endokrine Disruptoren?

7. Stoffstromseperation Vor- und Nachteile Vorteile: Nachteile:

Diskussion / Ausblick