Entfernung von Microcystin-LR und ausgewählten Arzneimitteln mit biologisch aktiven Filtern
Zusammenfassung
Neue Schadstoffe und Schadstoffgruppen, die sogenannten "emerging pollutants", gelten seit einiger Zeit als eines der wichtigsten Themen in der Wasserwirtschaft. Zu diesen Stoffgruppen gehören Microcystin-LR ebenso wie Arzneimittelrückstände. Beide Stoffgruppen stellen für die menschliche Gesundheit und die aquatischen Lebewesen bereits eine nachweisbare Gefahr dar.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entfernung von Microcystin-LR und vier ausgewählten Arzneimitteln, Diclofenac, Ibuprofen, Carbamazepin und Sulfamethoxazol mit dem Verfahren der Biofiltration. Untersucht wurden Biofilter mit drei verschiedenen Trägermaterialien, Aktivkohle, Braunkohle und Basalt. Die Reinigungsleistung der Biofilter mit Aktivkohle und Braunkohle als Trägermaterial hat sich bezüglich beider Stoffgruppen als sehr hoch erwiesen. Der Braunkohlefilter konnte bei beiden Stoffgruppen Entfernungsraten von > 90% erzielen. Beim Aktivkohlefilter wurde für Microcystin-LR eine Entfernungsrate von > 70% für Zulaufkonzentrationen bis zu 30 µg/L bzw. einer Raumbelastung von 30 µg/L∙h erzielt, während bei den Arzneimitteln Entfernungsraten von stets über 80% erreicht wurden. Der Basaltfilter zeigte sich im Vergleich leistungsschwächer. Für Microcystin-LR lag die mittlere Entfernungsrate bei ca. 40%. Die Arzneimittel konnten teilweise nicht entfernt werden.
Bei der Entfernung von Microcystin-LR konnte festgestellt werden, dass sich die Entfernungsgeschwindigkeit bei steigender Zulaufkonzentration oder Raumbelastung erhöht, welches auf eine Abhängigkeit der Umsatzgeschwindigkeit von der Substratkonzentration hindeutet. Basierend auf der Annahme der Reaktionskinetik zwischen nullter und erster Ordnung in den Aktivkohle- und Braunkohlefiltern wurden zwei Modelle zur Beschreibung der Entfernung von Microcystin-LR ermittelt. Aus den Modellen ging hervor, dass die Entfernungsrate von Microcystin-LR nicht allein von dem summarischen Parameter Raumbelastung, sondern jeweils separat von der Zulaufkonzentration und der Kontaktzeit beeinflusst wird.
Weiterhin wurden die beiden Mechanismen, der biologische Abbau und die Adsorption, im Biofilter mit adsorptiven Trägermaterialien untersucht. Die CSB-Entfernung konnte zu 75% dem biologischen Abbau und zu 25% der noch vorhandenen oder durch Biomasse regenerieten Adsorptionskapazität zugeschrieben werden. Der biologische Abbau spielt daher beim Aktivkohle- und Braunkohlefilter eine der Adsorption deutlich übergeordnete Rolle. Eine weitere Aufschlüsselung der Filtermechanismen konnte im Rahmen der vorliegenden Arbeit allerdings nicht vorgenommen werden.
In der Untersuchung der Wirtschaftlichkeit des Biofiltrationsverfahrens zeigte es sich, dass die Filterkontaktzeit die Kosten des Biofiltrationsverfahrens erheblich beeinflussen. Bei einer Filterkontaktzeit von weniger als 75 Minuten stellt sich das Biofiltrationsverfahren als ein wirtschaftlich konkurrenzfähiges Verfahren zu Adsorptionsverfahren mit Pulveraktivkohle oder granulierter Aktivkohle dar. Als Grund lässt sich anführen, dass das Verfahren auf biologischem Abbau basiert und daher mit niedrigem Materialverbrauch, im Vergleich zu Adsorptionsverfahren, verbunden ist.