Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Anla\u00df des Vorhabens waren die Sch\u00e4den, die durch Biofilme in technischen Systemen (Biofouling) entstehen sowie die Belastungen von Abwasser und Umwelt, welche durch die heute \u00fcblichen Gegenma\u00dfnahmen entstehen, n\u00e4mlich den Einsatz von Bioziden. Zielsetzung war es, eine Anti-Fouling-Strategie zu entwickeln, bei der auf die Verwendung solcher Biozide ganz oder weitgehend verzichtet werden konnte; sie beruht darauf, das Biofilm-Wachstum durch N\u00e4hrstoff-Limitierung unter einer Toleranz-Schwelle zu halten. Dies sollte durch Verwendung eines oberfl\u00e4chenreichen, biologisch aktiven Filtermaterials geschehen, wodurch sich in nachfolgenden Bereichen eine geringere Entwicklung von Biofilmen ergibt.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenWasser: Die Versuche wurden in einem W\u00e4rmekraftwerk durchgef\u00fchrt, das Oberfl\u00e4chenwasser nach Flockung und F\u00e4llung verwendet.
\nN\u00e4hrstoff-Entnahme: Es wurden zwei in der Wasseraufbereitung g\u00e4ngige Aufwuchsmaterialien verwendet: Sand und Biolit, ein modifizierter Bl\u00e4hton. Die Filtergeschwindigkeit betrug 2,21 m\/h, die Filter-leistung wurde t\u00e4glich durch Tr\u00fcbungsmessungen kontrolliert. Das Wasser wurde vor und nach dem Filter analysiert. Folgende Parameter wurden bestimmt: Kolloid-Index (KI), DOC, TOC und Schwermetall-gehalt. Als mikrobiologisch relevante Parameter wurden fl\u00e4chenbezogene Zellzahl (mikroskopisch bestimmt), Vitalzellzahlen, koloniebildende Einheiten sowie der Gehalt an Protein, Kohlenhydraten und Urons\u00e4uren.
\nBiofilm-Wachstum: Die Entwicklung von Biofilmen wurde in Drehkolben-Reaktoren (Typ Rototorque) untersucht, deren Konstruktion f\u00fcr dieses Projekt modifiziert wurde. Jeweils ein Reaktor wurde mit Zulauf- und Ablaufwasser der Biofilter betrieben. Die Str\u00f6mungsgeschwindigkeit konnte geregelt werden und lag zwischen 0,1 und 0,9 m\/s. Biofilm-Proben konnten von entnehmbaren Probefl\u00e4chen gewonnen werden. Als fl\u00e4chenbezogene Parameter wurde die Gesamtzellzahl sowie der Gehalt an Proteinen, Kohlenhydraten, Urons\u00e4uren und Huminstoffen sowie Schwermetallen bestimmt.
\nBiofouling: Als biofilmempfindliche Systeme wurden Umkehrosmose-Flachmembran-Testzellen gew\u00e4hlt. Zwei dieser Zellen wurden mit Zu- bzw. Ablauf der Biofilter betrieben. Parameter, mit dem der Einflu\u00df des Biofilms auf den Wirkungsgrad ermittelt wurde, war die Permeatleistung. Nach den Versuchsperioden, die zwischen 7 und 22 Tagen lagen, wurden die Membranen entfernt und analysiert. Mit einem eigens daf\u00fcr entwickelten Kryo-Schnitt-Verfahren aus der Mikroskopie konnte die Belagsdicke gemessen werden. Au\u00dferdem wurden die \u00fcblichen Biofilm-Parameter bestimmt.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Unter Biofouling versteht man die unerw\u00fcnschte Anlagerung und Vermehrung von Mikroorganismen auf Oberfl\u00e4chen, die in der Praxis i.d.R. durch den Einsatz von Bioziden bek\u00e4mpft wird. Diese Ma\u00dfnahmen sind oft nicht hinreichend ineffektiv, sch\u00e4digen die Anlage und f\u00fchren zu Umweltbelastungen. Bei Biofouling laufen genau die gleichen Prozesse wie in Biofilm-Reaktoren ab: gel\u00f6ste N\u00e4hrstoffe werden vom Biofilm in ungel\u00f6ste Biomasse umgesetzt – nur am falschen Platz. Bis zu einer individuell unterschiedlichen Toleranzschwelle ist das Wachstum von Biofilmen tolerierbar. Das Ausma\u00df des Wachstums wird ganz wesentlich vom N\u00e4hrstoff-Angebot bestimmt; die N\u00e4hrstoffe stellen potentielle Biomasse dar. Naheliegender Ansatz f\u00fcr eine biozidfreie Anti-Fouling-Strategie ist es daher, das N\u00e4hrstoff-Angebot so zu begrenzen, da\u00df das Biofilm-Wachstum unterhalb der Toleranzschwelle gehalten werden kann. Das kann geschehen, indem der Biofilm sozusagen am richtigen Platz gez\u00fcchtet wird und dort dem Wasser die N\u00e4hrstoffe entnimmt. Dadurch wird das Biofilm-Wachstum in den nachgeschalteten, zu sch\u00fctzenden Bereichen limitiert. Dazu mu\u00df nur oberfl\u00e4chenreiches Material angeboten werden; hierf\u00fcr eignen sich biologisch aktive Filter.
\nDas Konzept wurde im K\u00fchlwassersystem eines Kraftwerks \u00fcberpr\u00fcft. Vor und nach einem Sand- bzw. einem Biolitfilter wurde jeweils ein Biofilm-Reaktor sowie eine Umkehrosmose-Testzelle betrieben. Als Zulauf wurde Oberfl\u00e4chenwasser nach Flockung\/F\u00e4llung verwendet; die Filtergeschwindigkeit lag bei 2 m\/h. Es zeigte sich reproduzierbar, da\u00df sich mit dem Ablauf der Filter signifikant d\u00fcnnere Biofilme ausbildeten. Die biologische Aktivit\u00e4t im Sandfilter verringerte den Gehalt an biologisch abbaubaren gel\u00f6sten organischen Stoffen (BDOC) von 1,25 auf 0,32 mg\/l. Zwar entwickelten sich auch hier noch Biofilme auf den Umkehrosmose-Membranen, diese waren aber nur noch weniger als 5 \u00b5m dick, gegen\u00fcber einer Dicke von 30 \u00b5m vor dem Sandfilter. Dies konnte mit Hilfe einer im Projekt entwickelten D\u00fcnnschnitt-Methode bestimmt werden. Die Abnahme der Permeatleistung mit der Zeit, also der Fouling-Faktor, lag vor dem Sandfilter bei 25-30 %, nach dem Sandfilter \u00fcber einen Zeitraum von 14 Tagen unter 5 %. Die Entnahme des BDOC reichte also aus, um unter der Toleranzschwelle zu bleiben. Solche Leistungen sind mit Sandfiltern ohne weiteres zu erreichen. Im Auslauf des Biolitfilters lag der BDOC bei 0,84 mg\/l, und die Biofilmdicke auf der Membran, die mit Biolit-Filter-Ablauf betrieben wurde, betrug ca.15 \u00b5m. Hier ergab sich die gleiche Abnahme der Permeatleistung wie vor dem Filter; es wurde also durch den Biofilm auf dem Biolit-Filter nicht gen\u00fcgend potentielle Biomasse eliminiert. Alle anderen Biofilm-Parameter – al-so die fl\u00e4chenbezogene Anzahl von Zellen sowie der Gehalt an Protein, Kohlenhydrat und Urons\u00e4uren – spiegelten die Abnahme der Biofilm-Dicke durch die N\u00e4hrstoff-Entnahme ebenfalls wider. Es wurden ca. 50 Versuche durchgef\u00fchrt, in denen sich durchweg die Ergebnisse reproduzieren lie\u00dfen; die Untersuchungen in den Drehkolben-Reaktoren best\u00e4tigten dies ebenfalls. Auff\u00e4llig war, da\u00df die Biofilme hohe Gehalte an Huminstoffen und Eisen(III) aufwiesen. Es besteht demnach ein hohes Sorptionspotential f\u00fcr diese Stoffe, die ihrerseits die Permeationseigenschaften der Biofilme beeinflussen d\u00fcrften. Biotische und abiotische Belagsbildung spielen offensichtlich zusammen.
\nDie Drehkolben-Reaktoren spiegelten die Biofilm-Entwicklung auf undurchl\u00e4ssigen W\u00e4nden wider, nicht aber jene auf den Membranen. Sie eignen sich daher nicht zum Monitoring f\u00fcr Membransysteme. Dies d\u00fcrfte daran liegen, da\u00df bei ihnen der vertikale Transport-Vektor fehlt, der vermutlich den Transport von Mikroorganismen an die Oberfl\u00e4che beg\u00fcnstigt.
\nBei der Anwendung biologisch aktiver Filter zur N\u00e4hrstoff-Entnahme wird in der Praxis h\u00e4ufig gef\u00fcrchtet, da\u00df daf\u00fcr eine erh\u00f6hte Keimzahl im Ablauf auftritt. Die Messungen haben klar gezeigt, da\u00df dies nicht der Fall ist; die Biofilter wirken also nicht als Keimschleudern.
\nDie f\u00fcr die Unterschreitung der Toleranzschwelle ben\u00f6tigte Absenkung des BDOC-Werts kann durch herk\u00f6mmliche Sandfilter erreicht werden. Ein gro\u00dfes Optimierungspotential ist erkennbar. Auch wenn sie nicht \u00fcberall anwendbar ist, k\u00f6nnte die vorgeschlagene Strategie doch in vielen Bereichen zu einer besseren Effektivit\u00e4t biofilmgef\u00e4hrdeter Prozesse, zur Vermeidung von Sch\u00e4den an Anlagen durch Reinigungs- und Desinfektionsprozesse sowie zur Verringerung der Umweltbelastung durch Biozide f\u00fchren. Im hier vorgestellten Projekt wurde nachgewiesen, da\u00df das Konzept prinzipiell gut funktioniert.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Ergebnisse dieses Vorhabens wurden in der Buchreihe Vom Wasser ver\u00f6ffentlicht. Ferner wurden sie auf der Jahrestagung der Fachgruppe Wasserchemie in der GDCH 1995, auf der IAWQ-Konferenz in Singapur. dem International Symposium on Biodeterioration and Biodegradation in Hamburg sowie auf der International Membrane Science and Technology Conference in Sydney (alle 1996) vorgetragen.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die N\u00e4hrstoffentnahme als Anti-Fouling-Strategie ist prinzipiell durchf\u00fchrbar und erfolglich.
\nDer Einsatz von Bioziden zur Bek\u00e4mpfung von unerw\u00fcnschten Biofilmen in technischen Systemen kann somit deutlich verringert werden, bzw. es kann auf Biozide vollst\u00e4ndig verzichtet werden. Die vorgestellte Strategie zur Vermeidung von Bioziden leistet einen Beitrag zur Verringerung der Schadstoffemission und zeigt einen Weg f\u00fcr den aktiven Umweltschutz.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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