Titelaufnahme

Titel
Beurteilung der Spurenstoffelimination in Pflanzenkläranlagen mittels Indikatorsubstanzen und Neubewertung der Bioabbaubarkeit von Acesulfam / vogelegt von Stefanie Kahl
VerfasserKahl, Stefanie
KörperschaftUniversität Leipzig ; Universität Leipzig / Fakultät für Chemie und Mineralogie ; Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung
ErschienenLeipzig : Helmholtz Centre for Environmental Research - UFZ, April 2019
Umfang1 Online-Ressource (VIII, 150, xxxv, 10 Seiten, 22,29 MB) : Illustrationen, Diagramme
HochschulschriftUniversität Leipzig, Dissertation, 2019
Anmerkung
"Die Dissertation basiert auf zwei veröffentlichten Fachartikeln in Peer-Review-Zeitschriften und wird durch bisher nicht veröffentlichte, entsprechend kenntlich gemachte Ergebnisse ergänzt."- (Vorwort, Seite I)
Tag der Verleihung: 05. April 2019
Sprache der Zusammenfassung: Deutsch, Englisch
Teilweise englischer Text
SpracheDeutsch ; Englisch
SerieUFZ-Dissertation ; 2019, 2
SchlagwörterLeipzig
URNurn:nbn:de:gbv:3:2-113001 
Zugriffsbeschränkung
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Beurteilung der Spurenstoffelimination in Pflanzenkläranlagen mittels Indikatorsubstanzen und Neubewertung der Bioabbaubarkeit von Acesulfam [22.29 mb]
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Keywords
Anthropogene organische Spurenstoffe können trotz geringer Konzentrationen (ng/L – µg/L) ein Risiko für die aquatische Umwelt darstellen. Sie sollten daher möglichst während der Abwasserbehandlung entfernt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Eignung verschiedener Pflanzenkläranlagen und Bodenfilter prominente Kleinkläranlagentypen hinsichtlich des Potentials zur Entfernung organischer Spurenstoffe in gemäßigten Klimazonen überprüft. Hierzu wurden zunächst sieben repräsentative Vertretersubstanzen als Prozessindikatoren für Bioabbau ausgewählt und ein spurenanalytisches Verfahren zur Quantifizierung in Abwasser entwickelt. Klassische Abwasserparameter und die Indikatoren wurden in fünf Pflanzenkläranlagen und einem Bodenfilter (Pilot-Maßstab) über ein Jahr (Publikation 1) analysiert. Dadurch konnten vorteilhafte Betriebsbedingungen zur Elimination (aerob) bioabbaubarer Spurenstoffe identifiziert werden. Außerdem hing die Reinigungsleistung stark vom dem Grad der Intensivierung ab. Anlagen mit aktiver Belüftung zeigten eine hohe Reinigungsleistung geringer Saisonalität auch für die Indikatoren. Weitergehende Untersuchungen an Anlagen dieses Typs ergänzten die Erkenntnisse bzgl. der Performance über das Jahr um Erkenntnisse zur Anlaufzeit nach Inbetriebnahme und der Reaktion auf Havarien (Resilienz). Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Bioabbaubarkeit des Süßstoffs Acesulfam näher untersucht (Publikation 2). Vor Beginn der Arbeiten wurde dieser wurde als persistent beschrieben. Die Ergebnisse zur Acesulfam-Entfernung in neun deutschen Kläranlagen sowie zum zeitlichen Verlauf der Acesulfam-Fracht in zwei deutschen Flüssen zeigten jedoch dass die Entfernung von Acesulfam während der Abwasserbehandlung inzwischen verbreitet ist. Mittels Literaturdaten und eigenen Ergebnissen gelang zum ersten Mal eine Eingrenzung des Zeitraums der Entwicklung dieser Abbaufähigkeit. Außerdem wurde erstmals festgestellt dass Acesulfam von Mikroorganismen katabolisch abgebaut wird also als Kohlenstoffquelle dient. Ebenso konnten erstmalig Mikroorganismen identifiziert werden die am Abbau beteiligt sein könnten. Weitergehende Untersuchungen ließen vermuten dass mehreren Spezies der Familie Bradyrhizobiaceae dabei die größte Bedeutung zukommt. Die Ergebnisse der Arbeit legen nahe dass sich in (bepflanzten) Bodenfiltern bei geeigneten Betriebsbedingungen mikrobielle Gemeinschaften etablieren die eine Vielzahl aerob bioabbaubarer Substanzen inkl. anthropogener Spurenstoffe abbauen können. Zudem deutet sich an dass durch Adaptationsprozesse die Anzahl entfernbarer Substanzen perspektivisch weiter steigen und die Spurenstofffracht in Kläranlagenabläufen so weiter reduziert werden könnte.
Keywords (Englisch)
Although occurring in low concentrations (ng/L – µg/L) anthropogenic trace organic compounds can pose a risk to the aquatic environment. They should therefore be removed during wastewater treatment. The present work investigated the potential of treatment wetlands commonly used decentralized treatment systems to remove anthropogenic trace organic compounds from (municipal) wastewater in temperate climates. Firstly seven representative substances acting as process indicator compounds for biodegradation were chosen and a trace-analytical method for quantitative determination in wastewater was developed. Standard water quality parameters and the indicator compounds were then analysed in influent and effluent of six steady-state treatment wetlands (pilot-scale) for one year (publication 1). Thus beneficial conditions for eliminating (aerobically) biodegradable compounds including trace organic compounds were identified and a strong link between the overall treatment efficacy and the degree of intensification was observed. Aerated treatment wetlands showed most efficient and robust removal even of the indicator compounds. Further studies on systems of this type provided insights into resilience and start-up time behaviour. In the second part of this work the biodegradability of the artificial sweetener acesulfame was investigated (publication 2). This compound was often characterized as persistent. However removal in nine German wastewater treatment plants and mass load decrease in two German rivers over the last years illustrated that acesulfame removal is now widespread in wastewater treatment. Along with literature data these results allowed narrowing down the time period during which the ability to biodegrade acesulfame likely evolved. It was proven for the first time that the pathway for acesulfame degradation is catabolic which means that microorganisms use this compound as a source of carbon. Moreover a first suggestion on which microorganism might be involved in acesulfame degradation could be made. Further studies suggested that several species of the family Bradyrhizobiaceae might be particularly important. The results of the present work indicate that treatment wetlands are capable of efficiently removing (aerobically biodegradable) anthropogenic trace organic compounds: Under appropriate operating conditions microbial communities metabolizing such compounds can establish. The research on acesulfame moreover illustrated that microbial communities can adapt to new conditions and metabolize new xenobiotics. In the long term this would increase the efficacy of treatment wetlands which would further reduce the mass load of trace compounds present in the outlet and their discharged into the environment.