Projekt 01946/01

Biofilme bei der Wasseraufbereitung

ProjekttrÀger

UniversitĂ€t StuttgartInstitut fĂŒr Siedlungswasserbau, WassergĂŒte-u. Abfallwirtschaft
BandtÀle 1
70569 StuttgartZielsetzung und Anlass des Vorhabens Anlaß des Vorhabens waren die SchĂ€den, die durch Biofilme in technischen Systemen (Biofouling) entstehen sowie die Belastungen von Abwasser und Umwelt, welche durch die heute ĂŒblichen Gegenmaßnahmen entstehen, nĂ€mlich 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 NĂ€hrstoff-Limitierung unter einer Toleranz-Schwelle zu halten. Dies sollte durch Verwendung eines oberflĂ€chenreichen, biologisch aktiven Filtermaterials geschehen, wodurch sich in nachfolgenden Bereichen eine geringere Entwicklung von Biofilmen ergibt. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenWasser: Die Versuche wurden in einem WĂ€rmekraftwerk durchgefĂŒhrt, das OberflĂ€chenwasser nach Flockung und FĂ€llung verwendet. NĂ€hrstoff-Entnahme: Es wurden zwei in der Wasseraufbereitung gĂ€ngige Aufwuchsmaterialien verwendet: Sand und Biolit, ein modifizierter BlĂ€hton. Die Filtergeschwindigkeit betrug 2,21 m/h, die Filter-leistung wurde tĂ€glich durch TrĂŒbungsmessungen 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 flĂ€chenbezogene Zellzahl (mikroskopisch bestimmt), Vitalzellzahlen, koloniebildende Einheiten sowie der Gehalt an Protein, Kohlenhydraten und UronsĂ€uren. Biofilm-Wachstum: Die Entwicklung von Biofilmen wurde in Drehkolben-Reaktoren (Typ Rototorque) untersucht, deren Konstruktion fĂŒr dieses Projekt modifiziert wurde. Jeweils ein Reaktor wurde mit Zulauf- und Ablaufwasser der Biofilter betrieben. Die Strömungsgeschwindigkeit konnte geregelt werden und lag zwischen 0,1 und 0,9 m/s. Biofilm-Proben konnten von entnehmbaren ProbeflĂ€chen gewonnen werden. Als flĂ€chenbezogene Parameter wurde die Gesamtzellzahl sowie der Gehalt an Proteinen, Kohlenhydraten, UronsĂ€uren und Huminstoffen sowie Schwermetallen bestimmt. Biofouling: Als biofilmempfindliche Systeme wurden Umkehrosmose-Flachmembran-Testzellen gewĂ€hlt. Zwei dieser Zellen wurden mit Zu- bzw. Ablauf der Biofilter betrieben. Parameter, mit dem der Einfluß 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 dafĂŒr entwickelten Kryo-Schnitt-Verfahren aus der Mikroskopie konnte die Belagsdicke gemessen werden. Außerdem wurden die ĂŒblichen Biofilm-Parameter bestimmt. Ergebnisse und Diskussion Unter Biofouling versteht man die unerwĂŒnschte Anlagerung und Vermehrung von Mikroorganismen auf OberflĂ€chen, die in der Praxis i.d.R. durch den Einsatz von Bioziden bekĂ€mpft wird. Diese Maßnahmen sind oft nicht hinreichend ineffektiv, schĂ€digen die Anlage und fĂŒhren zu Umweltbelastungen. Bei Biofouling laufen genau die gleichen Prozesse wie in Biofilm-Reaktoren ab: gelöste NĂ€hrstoffe werden vom Biofilm in ungelöste Biomasse umgesetzt - nur am falschen Platz. Bis zu einer individuell unterschiedlichen Toleranzschwelle ist das Wachstum von Biofilmen tolerierbar. Das Ausmaß des Wachstums wird ganz wesentlich vom NĂ€hrstoff-Angebot bestimmt; die NĂ€hrstoffe stellen potentielle Biomasse dar. Naheliegender Ansatz fĂŒr eine biozidfreie Anti-Fouling-Strategie ist es daher, das NĂ€hrstoff-Angebot so zu begrenzen, daß das Biofilm-Wachstum unterhalb der Toleranzschwelle gehalten werden kann. Das kann geschehen, indem der Biofilm sozusagen am richtigen Platz gezĂŒchtet wird und dort dem Wasser die NĂ€hrstoffe entnimmt. Dadurch wird das Biofilm-Wachstum in den nachgeschalteten, zu schĂŒtzenden Bereichen limitiert. Dazu muß nur oberflĂ€chenreiches Material angeboten werden; hierfĂŒr eignen sich biologisch aktive Filter. Das Konzept wurde im KĂŒhlwassersystem eines Kraftwerks ĂŒberprĂŒft. Vor und nach einem Sand- bzw. einem Biolitfilter wurde jeweils ein Biofilm-Reaktor sowie eine Umkehrosmose-Testzelle betrieben. Als Zulauf wurde OberflĂ€chenwasser nach Flockung/FĂ€llung verwendet; die Filtergeschwindigkeit lag bei 2 m/h. Es zeigte sich reproduzierbar, daß sich mit dem Ablauf der Filter signifikant dĂŒnnere Biofilme ausbildeten. Die biologische AktivitĂ€t im Sandfilter verringerte den Gehalt an biologisch abbaubaren gelösten 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 ”m dick, gegenĂŒber einer Dicke von 30 ”m vor dem Sandfilter. Dies konnte mit Hilfe einer im Projekt entwickelten DĂŒnnschnitt-Methode bestimmt werden. Die Abnahme der Permeatleistung mit der Zeit, also der Fouling-Faktor, lag vor dem Sandfilter bei 25-30 %, nach dem Sandfilter ĂŒber 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 ”m. Hier ergab sich die gleiche Abnahme der Permeatleistung wie vor dem Filter; es wurde also durch den Biofilm auf dem Biolit-Filter nicht genĂŒgend potentielle Biomasse eliminiert. Alle anderen Biofilm-Parameter - al-so die flĂ€chenbezogene Anzahl von Zellen sowie der Gehalt an Protein, Kohlenhydrat und UronsĂ€uren - spiegelten die Abnahme der Biofilm-Dicke durch die NĂ€hrstoff-Entnahme ebenfalls wider. Es wurden ca. 50 Versuche durchgefĂŒhrt, in denen sich durchweg die Ergebnisse reproduzieren ließen; die Untersuchungen in den Drehkolben-Reaktoren bestĂ€tigten dies ebenfalls. AuffĂ€llig war, daß die Biofilme hohe Gehalte an Huminstoffen und Eisen(III) aufwiesen. Es besteht demnach ein hohes Sorptionspotential fĂŒr diese Stoffe, die ihrerseits die Permeationseigenschaften der Biofilme beeinflussen dĂŒrften. Biotische und abiotische Belagsbildung spielen offensichtlich zusammen. Die Drehkolben-Reaktoren spiegelten die Biofilm-Entwicklung auf undurchlĂ€ssigen WĂ€nden wider, nicht aber jene auf den Membranen. Sie eignen sich daher nicht zum Monitoring fĂŒr Membransysteme. Dies dĂŒrfte daran liegen, daß bei ihnen der vertikale Transport-Vektor fehlt, der vermutlich den Transport von Mikroorganismen an die OberflĂ€che begĂŒnstigt. Bei der Anwendung biologisch aktiver Filter zur NĂ€hrstoff-Entnahme wird in der Praxis hĂ€ufig gefĂŒrchtet, daß dafĂŒr eine erhöhte Keimzahl im Ablauf auftritt. Die Messungen haben klar gezeigt, daß dies nicht der Fall ist; die Biofilter wirken also nicht als Keimschleudern. Die fĂŒr die Unterschreitung der Toleranzschwelle benötigte Absenkung des BDOC-Werts kann durch herkömmliche Sandfilter erreicht werden. Ein großes Optimierungspotential ist erkennbar. Auch wenn sie nicht ĂŒberall anwendbar ist, könnte die vorgeschlagene Strategie doch in vielen Bereichen zu einer besseren EffektivitĂ€t biofilmgefĂ€hrdeter Prozesse, zur Vermeidung von SchĂ€den an Anlagen durch Reinigungs- und Desinfektionsprozesse sowie zur Verringerung der Umweltbelastung durch Biozide fĂŒhren. Im hier vorgestellten Projekt wurde nachgewiesen, daß das Konzept prinzipiell gut funktioniert. Öffentlichkeitsarbeit und PrĂ€sentation Die Ergebnisse dieses Vorhabens wurden in der Buchreihe Vom Wasser veröffentlicht. 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. Fazit Die NĂ€hrstoffentnahme als Anti-Fouling-Strategie ist prinzipiell durchfĂŒhrbar und erfolglich. Der Einsatz von Bioziden zur BekĂ€mpfung von unerwĂŒnschten Biofilmen in technischen Systemen kann somit deutlich verringert werden, bzw. es kann auf Biozide vollstĂ€ndig verzichtet werden. Die vorgestellte Strategie zur Vermeidung von Bioziden leistet einen Beitrag zur Verringerung der Schadstoffemission und zeigt einen Weg fĂŒr den aktiven Umweltschutz.

Übersicht

Telefon

0711/685-

Telefon

0711/685-

Bundesland

Baden-WĂŒrttemberg

Fördersumme

100.741,37 €

Förderzeitraum

01.07.1993 - 31.12.1995