KREIS

Wissenschaftliche Projektpartner:

• Bauhaus- Universität Weimar (BUW),
• Hochschule Ostwestfalen- Lippe (HSOWL),
• Institut für sozial- ökologische Forschung (ISOE),
• Solar- und Wärmetechnik Stuttgart (STW),
• Öko- Institut e.V. (Öko),
• Technische Universität Hamburg- Harburg (TUHH)

Praxispartner:

• Hamburger Stadtentwässerung AöR (HSE),
• Buhck Umweltservices GmbH & Co. KG (Buhck),
• CONSULAQUA Hamburg GmbH (CAH),
• infranova Bauentwicklungs GmbH & Co.KG Flintenbreite Lübeck (infranova),
• OtterWasser GmbH,
• Vacuum Sanitärtechnik GmbH & Co.KG (vacusatec)

Die Thematik der punktuellen und diffusen Verbreitung von eingetragenen Arzneimitteln und Arzneimittelmetaboliten in die Umwelt, zeigt stets neue Problemschwerpunkte auf. Durch ständig verbesserte, analytische Methoden können immer geringere Konzentrationen in verschiedenen Umweltkompartimenten nachgewiesen werden. Weiterhin ist die Datenlage zum Umweltverhalten und zur Umweltwirkung der verschiedenen Substanzen unzureichend, wodurch langfristige ökotoxikologische und humanpathologische Auswirkungen der xenobiotischen Verbindungen nur bedingt eingeschätzt werden können. Die Haupteintragsmengen für Arzneimittel und Arzneimittelmetabolite in die Umwelt werden über kommunale Abwässer mit menschlichen Urin und Fäzes, sowie aus Abwässern der Tierzucht und arzneimittelverarbeiteten Industrie begründet. Die derzeit, nach Stand der Technik, betriebenen kommunalen Abwasserbehandlungsanlagen können diese xenobiotischen Verbindungen nur bedingt aus dem Abwasserstrom entfernen (Scharf et al., 2002). Der Migrationspfad von Arzneimitteln und Arzneimittelmetaboliten in die Umwelt ist durch das Fehlen des benötigten Abbaus in kommunalen Kläranlagen nach Stand der Technik direkt gegeben.

Ziel der im Teilarbeitspaket 3.1 (TAP 3.1) „Entfernung von Arzneimittelrückständen aus Schwarzwasser“ durchzuführenden Arbeiten ist es festzustellen, wie sich mit Urin und Fäzes ausgeschiedene Arzneimittel bei der anaeroben Behandlung in der Schwarzwasservergärungsanlage verhalten. Hierfür sollen für zwei unterschiedliche Reaktortypen optimale Betriebsbedingungen zum Arzneimittelabbau ermittelt werden. Bei den Reaktortypen handelt es sich um CSTR- (Continuous stirred tank reactor) und UASB- (Upflow anaerobic sludge blanket) Reaktoren, welche im kommunalen Abwasserbereich zur Klärschlammbehandlung verwendet werden. Die Ergebnisse sollen im späteren Betrieb der Anlage im STADTQUARTIER JENFELDER AU genutzt werden. Für den Fall, dass sich die UASB- Reaktortechnologie als deutlich bessere Option im Hinblick der Arzneimittedegradation erweist, könnte dieses Verfahren auch im STADTQUARTIER JENFELDER AU umgesetzt werden. Die durchzuführenden Vorarbeiten und Versuche sind in drei Arbeitsblöcke unterteilt. Der Bearbeitungszeitraum beläuft sich auf drei Jahre.

Durchführung einer Literaturstudie zur Vorbereitung der Laborversuche (TAP 3.1.1)

Anhand der Literaturrecherche ist die Sichtung von spezifizierten Informationen zur Zusammensetzung, chemischen Struktur und der Mengenverhältnisse der maßgeblich in Schwarzwasser vorhandenen Arzneimittelreststoffen, sowie deren Metabolite vorgesehen.  Mittels der dabei gewonnen Daten wird eine Übersicht zu den möglichen direkten und indirekten humanpathologischen Auswirkungen der vorgefundenen Substanzen angefertigt werden, aus denen sich benötigte Bemessungs- und Betriebsparameter zu CSTR- und UASB- Reaktoren ableiten lassen. Desweiteren ist in diesem Arbeitsschritt eine Festlegung von Richtwerten zu Mengenverhältnissen von Schwarzwasser und vermuteten anfallenden, biogenen Substraten zur Ko- Vergärung zu realisieren. Daran anschließend wird eine Recherche zur bakteriziden und bakteriostatische Wirkung verschiedener Arzneimittelreststoffe durchgeführt, um die möglichen substanzspezifischen Maximalkonzentrationen von Arzneimitteln für die anaerobe Biozönose des Vergärungsprozesses aufzuzeigen. Aufbauend auf diesen Ergebnissen sollen die labortechnischen Untersuchungen zur Bestimmung von Grenzbelastungen der Fermentationssysteme hinsichtlich selektierter Arzneimittelreststoffe erfolgen. Angesichts der Vielfalt und Komplexität der zu eliminierenden Arzneimittelreststoffe wird eine Begrenzung der zu untersuchenden Substanzen, auf Grundlage der Literaturstudie und durch Voruntersuchungen stattfinden müssen. In die finale Entscheidung der eingegrenzten Substanzen werden weitere Daten zu den Mengenverhältnissen, der humanpathologischen und ökologischen Relevanz, sowie zum biochemischen Verhalten in der Umwelt einbezogen. Um einen stabilen Betrieb der CSTR- und UASB-Technologien zu gewährleisten, müssen überdies Recherchen zur Leistungsfähigkeit sowie zu den Potentialen und Limitationen der Fermentationssysteme angestellt werden. Gleichzeitig sind Fragestellungen hinsichtlich notwendiger Modifikationen und Erweiterungen der Fermentationssysteme zu erörtern, um die Grundlage für eine erfolgreiche Implementierung der getesteten Technologien für den effizienten Abbau von Arzneimitteln und deren Metabolite zu schaffen.

Untersuchungen zur Bestimmung geeigneten Systemkonfiguration der jeweiligen Fermentationstechnologien (CSTR-Reaktor, UASB-Reaktor)(TAP 3.1.2)

Um eine anaerobe Behandlung der prioritären Arzneimittelreststoffe gezielt durchführen zu können, bedarf es der Auswahl geeigneter Fermentationssysteme. Wechselwirkend mit der Literaturrecherche, soll das Potential zur Degradation von Arzneimittelreststoffen bei der anaeroben Schwarzwasserbehandlung mittels CSTR- und UASB- Reaktoren untersucht werden. CSTR-Reaktoren zeichnen sich durch einen einzigen, kontinuierlich gerührten Reaktorraum aus. Durch den Rührprozess ist eine Homogenisierung des Schwarzwassers, eine gleichmäßige Temperierung aber auch eine Gleichverteilung der im Material vorhandenen Bakterienkulturen, Nährsubstanzen sowie der xenobiotischen Substanzen gegeben. CSTR-Reaktoren werden zumeist als Ausschwemmreaktoren betrieben sind robust und kommen deshalb in diversen Demonstrationsvorhaben mit anaerobe Schwarzwasserbehandlung zum Einsatz. Demgegenüber sind UASB-Reaktoren, wie sie zur anaeroben Behandlung von Abwässern mit sehr hoher organischer Fracht vorzugsweise im Industriebereich zum Einsatz kommen, ein Novum innerhalb der anaeroben Schwarzwasserbehandlung. UASB-Reaktoren werden nicht vollständig durchmischt, weil ein Rückhalt der Biomasse im Reaktor stattfindet. Hierdurch wird die Aufenthaltszeit des Schlammes von der hydraulischen Verweilzeit entkoppelt, so dass hohe Schlammalter und hohe Eliminationsleistungen, sowie Gaserträge erreicht werden können. Dies könnte für die möglichst weitgehende Degradation von Arzneimitterückständen von entscheidendem Vorteil sein. Als Schlüsselkomponente in jedem Untersuchungsschritt steht die quantitative und qualitative Analyse der Eingangssubstrate, sowie der Gärreste hinsichtlich möglicher Arzneimittelreststoff- und Metabolit- Konzentrationen. Hierfür sind die Phasen der Gärreste zu separieren, um Rückschlüsse auf den Verbleib xenobiotischer Substanzen und auf mögliche Sorptionsprozesse in der Fest- und Flüssigphase zu ziehen. Nach dem Erreichen eines stabilen Systemzustandes der CSTR- und UASB-Reaktoren, soll die Untersuchung der Grenzkonzentrationen und Belastungsgrenzen hinsichtlich der priorisierten xenobiotischen Substanzgruppen für das jeweilige Fermentationssystem stattfinden. Aufbauend auf den Ergebnissen können Aussagen zur Stabilität des Vergärungsprozesses, zur angestrebten Biogasgewinnung und folglich zu den Limitationen der jeweiligen Systeme hinsichtlich einer Belastung durch Arzneimittelreststoffe getroffen werden.

Mittels der dabei gewonnenen Daten sind Rückschlüsse auf mögliche Mangelerscheinungen, inhibitorische und toxische Auswirkungen einer Veränderung einzelner oder mehrerer Systemparameter getroffen und sodann in nachfolgenden Versuchen beachtet werden.

Versuchsreihen zur Steigerung der Leistungsfähigkeit der Fermentationstechnologien durch Optimierung der Systemkonfiguration und Variation der Umweltparameter (TAP 3.1.3)

Schwerpunkt der Untersuchung in diesem Arbeitsblock ist die Fragestellung, inwieweit die Leistungsfähigkeit des UASB-Fermentationssystems bzw. der CSTR-Technologie durch Optimierung der Systemkonfiguration und Variation der Umweltparameter gesteigert werden kann. Das Verbesserungspotential soll dabei auf eine überdurchschnittliche Degradationsrate von Arzneimittelreststoffe und die damit verbundene Verminderung der Umwelt- und humanpathologischen Auswirkungen ausgerichtet werden. 

Die intensive und wiederholte Konfrontation unter Einsatz variierender Konzentrationen der ausgewählten Arzneimittel soll eine hochadaptierte Mikroorganismenkultur erzeugen. Durch Verwendung dieser gegenüber spezifischen Substanzen resilienten und gleichzeitig leistungsstarken Bakterienkulturen mit der Fähigkeit zur Spaltung und Metabolisierung der Arzneimittelreststoffe, wird ein bedeutender Schritt in Richtung einer wirkungsvollen anaeroben Degradation von Arzneimittelreststoffen getan. Im Zuge der Optimierung des Abbauverhaltens von Arzneimittelreststoffen soll durch Variation der System- und Arbeitsparameter der betrachteten Fermentationssysteme, Einfluss auf den Degradationsprozess genommen werden. Durch klar definierte Variationsmuster von Betriebsparametern kann die anaerobe Schwarzwasserfermentation auf die maximale Arzneimitteldegradation hin betrieben werden. Durch den erfolgreichen Einsatz der genutzten Technologien können Arzneimittel und deren Metabolite in Schwarzwasser entfernt werden. Dies hat positive Auswirkungen auf die Umwelt und deren Kompartimente, sowie den Menschen.