Ergebnisse mikrobiologischer Untersuchungen bei der Abwasserbehandlung

Bewachsene Bodenfilter und ihre seuchenhygienische Bewertung

(TL Umweltbundesamt)


Dr. Ulrich Hagendorf, Dipl.-biol. Klaus Diehl Umweltbundesamt, Dienstgebäude Langen, Paul-Ehrlich-Str. 29, 63225 Langen Dr. Irmgart Feuerpfeil, Dipl. Biol. Anette Hummel Umweltbundesamt, Dienstgebäude Bad Elster, Heinrich-Heine-Str. 12, 08645 Bad Elster Dr. Regine Szewzyk; Juan Lopéz-Pila Umweltbundesamt, Dienstgebäude Corrensplatz, Corrensplatz 1, 14195 Berlin
HIER finden Sie eine grafische Darstellung des Projektes als .pdf-Datei (88Kb).
Einleitung und Projektziele
Langjährige Untersuchungen bestätigen die grundsätzliche Eignung bestimmter naturnaher Abwasserbehandlungsanlagen im Hinblick auf die Reinigungsleistung für chemische Abwasserinhaltsstoffe. Für die umfassende Beurteilung des seuchenhygienischen Risikos fehlten für Bewachsene Bodenfilter (Pflanzenkläranlagen) Untersuchungen von im Abwasser auftretenden Krankheitserregern (fakultativ pathogene Bakterien, Viren, Parasiten) und deren Verbleib. Unter Berücksichtigung des gesundheitlichen Vorsorgegedankens sind solche Untersuchungen zwingend geboten, da die Einleitung der Abläufe häufig auch in hydraulisch leistungsschwache und ökologisch oder umwelthygienisch belastungsempfindliche Vorfluter (Bachoberläufe), in stehende Gewässer einschließlich Trinkwassertalsperren und Badegewässer oder die Versickerung in Boden und Grundwasser erfolgt. In einem von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt geförderten Verbundprojekt "Bewachsene Bodenfilter als Verfahren der Biotechnologie" wurden im Zeitraum von 1999 bis 2002 unter Praxisbedingungen mikrobiologische Untersuchungen im Zu- und Ablauf von bewachsenen Bodenfiltern in den Anlagen Wiedersberg, Ettenbüttel und See, die überwiegend mit häuslichem Abwasser beschickt werden, durchgeführt. Die Anlagen unterschieden sich hinsichtlich des Anlagenbetriebes (Standort, Vor- und Nachklärung, Bauform, Betriebsweise, - hydraulische Verhältnisse und Belastung) und variabler Einflüsse (Konzentration der Zulauf-werte, Niederschlagsverhältnisse, Abwassertemperatur). Anlage Wiedersberg: Mehrkammergrube - Vertikal- und Horizontalfilter ("Hauptreinigung") - Vorfluter Anlage Ettenbüttel: 2 hintereinander geschaltet Abwasserteiche - Vertikalfilter ("Nachreinigung") - Vorfluter Anlage See: Mehrkammergrube - 2 hintereinander geschaltete Horizontalfilter ("Hauptreinigung") - Versickerung Zur Untersuchung der Eliminationsleistung wurden die in der Trinkwasserhygiene bewährten Indikatoren Koloniezahl, E. coli, coliforme Bakterien, Enterokokken und Coliphagen und als potentiell pathogene Mikroorganismen bzw. Krankheitserreger Campylobacter/Arcobacter, Clostridium perfringens, Salmonellen, Yersinien, enteropathogene E. coli (E. coli O 157), Cryptosporidien-Oozysten und Giardien-Zysten bestimmt.
Ergebnisse
Im Folgenden werden einige Ergebnisse des Projektes vorgestellt. Eine ausführliche Darstellung kann im Abschlussbericht, der in der Reihe WaBoLu-Hefte des Umweltbundesamtes veröffentlicht wurde, nachgelesen werden (Bezugsquelle siehe unten). Probenahmen und Probenuntersuchung Die mikrobiologische Fragestellung umfasste Abwasseruntersuchungen der Verbundanlagen Wiedersberg (1701 Einzeluntersuchungen), Ettenbüttel (915 Einzeluntersuchungen) und See (982 Einzeluntersuchungen). Vielfältige in der Literatur erhobene Forderungen zu einem einheitlichen Studiendesign, das auch statistisch verwertbare Aussagen ermöglicht, wurden mit der untersuchten Probenanzahl weitgehend erfüllt. Mikrobiologische Befunde und Eliminationen Die Konzentrationen der Indikatororganismen und Krankheitserreger streuten an den einzelnen Probenahmestellen der Anlagen um 2 bis 3 Zehnerpotenzen um den Mittelwert. Die Schwankungen im Tagesgang betrugen dagegen 1 bis 2 Zehnerpotenzen. In den Zuläufen der untersuchten Bodenfilter lagen die Konzentrationen im Mittel für E. coli /coliforme Bakterien zwischen 10⁶/100 ml und 10⁷/100 ml, für die Enterokokken und Coliphagen zwischen 10⁵/100 ml und 10⁶/100 ml. Die Mittelwerte für Campylobacter/Arcobacter entsprachen denen der Enterokokken, für Clostridium perfringens betrugen sie 10³/100 ml bis 10⁴/100 ml (Beispiel Anlage Wiedersberg Abb. 1, Abb. 2). Parasitendauerformen kamen in geringeren Konzentrationen vor. Sporadisch traten Salmonellen und pathogene Biovare von Yersinia enterocolitica auf, pathogene E. coli ( E. coli O157) wurden dagegen nicht nachgewiesen. Abb. 1: Anlage Wiedersberg:, Konzentrationen von Indikatororganismen (Mittelwerte) nach verschiedenen Behandlungsstufen, Abb. 2: Anlage Wiedersberg: Konzentrationen von pathogene Mikroorganismen (Mittelwerte) nach verschiedenen Behandlungsstufen Hohe Zulaufkonzentrationen von 10⁵/100 ml - 10⁶/100 ml im ersten Bodenfilter führten für E. coli, coliforme Bakterien, Enterokokken und Campylobacter/Arcobacter bei gleichmäßigen Betriebsverhältnissen zu hohen Eliminationsraten. Eliminationen konnten bei Zulaufkonzentrationen < 3 Zehnerpotenzen nicht mehr festgestellt werden. Die Konzentrationen der Indikatororganismen und Krankheitserreger streuten in den einzelnen Probenahmestellen der Anlagen um 2 - 3 Zehnerpotenzen um die Mittelwerte. Die Schwankungen im Tagesgang betrugen dagegen nur 1 - 2 Zehnerpotenzen. Die Elimination für die Parameter E. coli, coliforme Bakterien, Enterokokken und Campylobacter/Arcobacter betrug im Mittel 1,5 bis 2,5 Zehnerpotenzen pro Bodenfilter, sie erreichte im Einzelfall auch bis zu 5 Zehnerpotenzen. Für Giardien-Zysten, Cryptosporidien-Oozysten und Clostridium perfringens ergaben sich bezüglich der Elimination gleiche Tendenzen. Coliphagen und Parasitendauerformen wurden in den Abläufen der Anlagen nur in geringen Konzentrationen, Salmonellen und pathogene Yersinien wurden nicht nachgewiesen. Insgesamt ist festzustellen, dass die mikrobiologischen Eliminationsleistungen Bewachsener Bodenfilter die aus klassischen Belebungsanlagen deutlich übertreffen. Mikrobiologische Auswertungen zum Anlagenbetrieb 3.1 Meteorologische (variable) Faktoren Bei starken Niederschlagsereignissen bzw. Fremdwasserzuflüssen wurde die Konzentration der Mikroorganismen stark verdünnt. Dies führt zu geringeren Eliminationswerten und damit Leistungseinbußen bei Bewachsenen Bodenfiltern. Die Abwassertemperaturen beeinflussten im Vergleich Sommer-Winter-Betrieb die Eliminationsleistung um ca. 1 Zehnerpotenz, sofern nicht andere Bedingungen (z.B. Mikroorganismenkonzentrationen, hydraulische Be(Über)lastung) den Jahresgang überprägen. 3.2 Anlagenbedingte/technische (steuerbare) Faktoren Die hydraulische Belastung beeinflusste die Elimination der Mikroorganismen nach-weislich. Bei mittleren Zulaufkonzentrationen (10⁵/100 ml - 10⁶/100 ml) nahmen die Eliminationswerte deutlich ab, wenn die durchschnittlichen Beschickungshöhen von 80 mm/d (Hauptreinigungsstufe) und 120 mm/d (Nachreinigung) mehrtägig deutlich über-schritten wurden. Kurztägiger Intervallbetrieb mit hydraulischen Spitzen bis zu 250 mm/d hatte dagegen keinen Einfluss auf das mikrobiologische Leistungsbild. Bei sehr hohen Zulaufkonzentrationen (> 10⁷/100 ml) wurden trotz hoher Beschickungsmengen (290 mm/d) auch hohe Eliminationswerte erreicht (10⁴/100 ml) (Abb. 3). Ein Einfluss der Rückführung von im Vertikalfilter behandeltem Abwasser in die Vorklä-rung (Verbesserung der Denitrifikation) auf die mikrobiologische Eliminationsleistung konnte nicht belegt werden. Mehrstufige Bodenfilter führten insgesamt zu hohen Eliminationen (3 - 5 Zehner-potenzen). Dagegen erreichen einstufige Bodenfilter mit 1,5 - 2,5 Zehnerpotenzen nur ca. 50 % der zuvor genannten Eliminationsraten. Die mittleren Eliminationsleistungen für Vertikal- und Horizontalfilter lagen überwiegend bei 1,5 - 2 Zehnerpotenzen und entsprachen den Ergebnissen bisheriger Untersuchungen. Geringere Elimination (0,5 - 1 Zehnerpotenzen) und höhere Elimination (2,5 Zehnerpotenzen) sind abhängig von der Höhe der Zulaufkonzentration. Unterschiede zur Eliminationsleistung zwischen Vertikal- und Horizontalfilter wurden nicht festgestellt. Abb. 3: Anlage Ettenbüttel, Vertikalfilter 1:Elimination von E. coli im Vergleich zur hydraulischen Belastung (opake Felder: Kolmation, hohe Zulaufkonzentration) Störungen in der Betriebsführung (Verstopfung, Einfrieren von Zulaufeinrichtungen) führen durch hydraulische Kurzschlüsse unter Umgehung der Bodenfiltration bis zum Zusammenbruch der Eliminationsleistung. Im Regelbetrieb (bei relativ gleichmässigen, sogenannten normalen Betriebsverhältnissen) wurden bei mehrstufigen Anlagen die Anforderungen der Bewässerungswasser-, Beregnungswasser- und EU-Badegewässerrichtlinie eingehalten, einstufigen Anlagen gelingt dies nur teilweise. Anforderungen an die mikrobiologische Überwachung Für mikrobiologische Untersuchungen im Regelbetrieb empfiehlt sich zur Feststellung der mikrobiologischen Belastung eine Mehrfachbeprobung an 1 bis 2 Tagen, die für ausgewählte Sommer- und Wintertage repräsentativ sind. Dabei sind im wesentlichen die Zu- und Abläufe der einzelnen Bodenfilter zu untersuchen, um die Gesamtanlage in Hinblick auf das mikrobiologische Eliminationspotential beurteilen zu können. Mikrobiologische Untersuchungen bei differenzierten Betriebsverhältnissen (u.a. Forschungsanlagen, modellhafte Untersuchungen) erfordern einen wesentlich höheren, auf Messkampagnen ausgerichteten Probenahmerhythmus. Es wird empfohlen, Mehrfachbeprobungen innerhalb eines 14tägigen Untersuchungszyklus' vorzunehmen. Auf Grund des ähnlichen Verhaltens der untersuchten Spezies im Hinblick auf die Eliminationen können weitere mikrobiologische Untersuchungen auf wenige Parameter (Indikatoren) ausgerichtet werden. Zur Leistungsbeurteilung verschiedener Anlagenstufen kann ein Einzelparameter herangezogen werden. Der Anlagenablauf ist mit den Parametern zu untersuchen, die für eine nutzungsorientierte bakteriologisch-hygienische Einstufung erforderlich sind. Zum seuchenhygienischen Unbedenklichkeitsnachweis besonders in Badegewässern oder Trinkwassereinzugsgebieten sollten zusätzlich die Anlagenabläufe auch auf Krankheitserreger untersucht werden. Als Überwachungsparameter zur Beurteilung der mikrobiologischen Elimination der einzelnen Anlagenbauteile wird der Parameter E. coli vorgeschlagen. Dies ist aus arbeitstechnischen und finanziellen Erwägungen sinnvoll.
Das Forschungsvorhaben ist Teil des durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt geförderten Verbundprojektes "Bewachsene Bodenfilter als Verfahren der Biotechnologie" (Förderkennzeichen: AZ. 14178-07)