Download - Hygienische Aspekte der Abwasserbehandlung

Institut für Siedlungswasser-

wirtschaft und Abfalltechnik

Hygienische Aspekte der

Abwasserbehandlung

Viren und Legionellen in biologischen Abwasserbehandlungssystemen

3. NWZ Abwasser-Dialog am 25.8.2016_Klärwerk Steinhof

Braunschweig

Prof. Dr.-Ing. K.-H. Rosenwinkel

Prof. Dr. Regina Nogueira

Prof. Dr.-Ing. K.-H. Rosenwinkel, Prof. Dr. Regina Nogueira | 3.NWZ Abwasser-Dialog 25.8.2016

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Inhalt

Einleitung und Problematik

Grundlagen und Untersuchungen

Methodik

Bilanzierung Kläranlage

Batchexperimente

Elimination

Risikominderung

Ergebnisse

Zusammenfassung


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Beschäftigung mit Viren in Kläranlagen ?

Eigenschaften der Viren im Wasser:

Bildung von Aggregaten, hohe Adsorptions-bereitschaft

(z.B. Algen, Bakterien, Schwebstoffe etc.)

Schutz vor Umwelteinflüsse (z.B. UV)

Flüsse mit hohem Abwasseranteil: (Botzenhart, 2007)

Gefahr durch mögliche Ausbrüche von wasserbürtigen

Krankheiten (Adenoviren, Noroviren)

Problematik: kein Stoffwechsel; D ca 100nm; G ca. 1 fg;

Wirte werden benötigt für Vermehrung

Verbesserte Reduktion der Virenkonzentration an der

Quelle notwendig!


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Legionellen Vorkommen 60 bekannte Legionellenarten

• Legionella pneumophila ist der Haupterreger der

Legionärskrankheit oder Legionellose, die durch

Inhalation von aerosolierten Tröpfchen ausgelöst wird

• Aerobe Bakterien, optimales Wachstum bei 35 bis 37°C

• In einer Reinkultur wachsen Legionellen auf Amino-

säuren, die als Kohlenstoff- und Energiequelle dienen

• In der Umwelt brauchen Legionellen einen Protozoen-

Wirt, welcher sie mit Aminosäuren versorgt:

• Freilebende Amöben

• Wimperntierchen


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Nachweismethoden

mikrobiologisch:

Plaquetests

Nachweis infektiöser Viruspartikel (PFU)

Modellorganismen: Phagen, nicht humanpathogen

KBE (Koloniebildende Einheiten (Legionellen)

Auszählung nach 10 Tagen?)

molekularbiologisch:

Realtime - Polymerasekettenreaktion

(qPCR)

Nachweis von viraler DNA bzw. RNA (infektiöse und inaktive

Partikel!)

Viability qPCR (aktive Partikel; Legionellen)

FISH Fluoreszens Insitu Hybridisierung (Legionellen)


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Struktur und räumliche Verteilung von Legionella spp. und

Protozoen in Belebtschlamm (Korrelation Amöben und Leg´s)

Fluorescence in situ Hibridization (FISH) mit 2 Gensonden

Legionella spp. in rot und Eukaryoten in grün

Möglichkeiten der Erkennung von Legionellen in biologischen Behandlungsstufen


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Batchtests mit somatischen Coliphagen

Adsorptionsversuche

• gespikt mit Phagen (ca. 107 PFU/l)

• TS-Konzentration 0 - 7 g/l

• Dauer 2-6 h

Inaktivierungsversuche

• 22-24 oC und 12

oC

• Dauer ca. 60 d

• tägliche Zugabe von Substrat

• pH-Kontrolle

Plaque

PFU = PlaqueFormingUnits


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Batchtests: Inaktivierung

• 22-24oC (Sommer): 2,73 log inaktiviert

• 12oC (Winter): 1,43 log inaktiviert

Inaktivierung ineffizienter bei niedrigeren Temperaturen


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Bilanzierung KA: Winter vs. Sommer

Inaktivierung Belebung Rest-Phagenfracht

im Ablauf KA

Winter 85 % 1 %

Sommer 95 % 0,5 %

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Vorklärung Belebung Nachklärung

so

ma

tisch

e C

olip

ha

ge

n in

lo

gP

FU

/l

Wintersaison Sommersaison

tTS, Winter/Sommer= 12d

Phagenelimination

Winter: 1,95 log

Sommer: 2,78 log

Faulbehälter: 1,61 log


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Bilanzierung kommunale Kläranlage mit somatischen Coliphagen

Somatische Coliphagen

Ablauf Vorklärung:

Mischprobe: 6.9 log PFU/l

Flüssigphase: 7.0 log PFU/l

Ablauf Belebung:



85-95% inaktiviert

Ablauf Nachklärung:


0.5-1%

Eingedickter

Überschussschlamm:

Mischprobe: 8.01 log

PFU/l

14.5%

Ablauf Faulung:



PC AS SCl

D

Elimination Adeno-

Viren mit somat.

Coliphagen

Vergleichbar!!


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Zusammenfassung Viren

Phagenelimination in Kläranlage:

Belebungsstufe; Faulung Adsorption + Inaktivierung

85 – 95% der Phagen in einem Schlammalter inaktiviert

Inaktivierung als f (T; UV…)

Phagen_Elim. übertragbar

auf Viren

Gefährdung Trinkwasser

z.B. durch Adeno-und

Noroviren


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Rahmen

• Ausbruch einer Legionellose in der Gemeinde Warstein

(Deutschland) im August 2013

• Epidemiestamm war Legionella pneumophila

Serogruppe 1

• Der Epidemiestamm wurde isoliert aus:

Industrielle

Abwässer

Kommunale

Wasseraufbe

reitungsanla

ge

Schwerpunkt der Studie:

Fluss Wäster

Kühlturm

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Strategien zur Reduktion von Legionellen in biologischen Behandlungssystemen


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Legionellenbehandlung mit Ultraschall

Einsatz Ultraschalls (10 % des Volumen 3 x pro Woche)

Zerstörung der trophozoiten Amöben, aber nicht der Zysten

Wirte weiterhin verfügbar, Legionellen nicht zerstört vor Behandlung Flockenstruktur

Schlammstruktur nach US-

Behandlung mit 2 W∙h/L

Fotos: Lorey


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Reduzierung von Legionellen durch chemische Substanzen* Behandlung von Teilstrom mit Microsil ( Nanosilber),

H2O2, ClO2 und O3, sowie pH12

Keine Behandlung hatte langfristige Reduktion

Leg´s

Schlamm teilweise negativ beeinflusst als f (c,t), (z.B.

Störung Nitrifikation)

Kurzfristige Effekte durch pH 12 (Einwirkdauer: 0,5

und 1h) und Chlordioxid (bei 16 mg ClO2/g TSS)

*Erg

ebn

isse v

on A

vecom


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Einfluss Substrat und Temperatur

L. spp. 15oC

L. pn. 15oC

L. pn. 26oC

L. pn. 35oC

LOD

Legionellen im Zulauf: 1,5 -

3 logäq/ml

proteinreiches Substrat

µmax ca. 3,85 d-1

Verdopplungszeit: 0,26 d

proteinreiches Substrat

Abwasser als Substrat


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Screening Top 5 [mg/L N]

Glu Thr Ala Val Phe Ile Leu Lys STop5 Leg. spp.

[KBEäq/ml]

a. Industrie 3,4 4,5 2,9 2,6 3,8 17,2 <400

b. Industrie mit UV 3,9 5,3 3,1 2,8 3,8 18,8 <400

c. Ablauf Kanal 1,6 1,2 0,5 0,7 2,5 6,4 <400

d. Belebtschlamm 8,3 4,2 3,1 5,1 2,7 23,4 1,08·105

Kontrolle_Belebt-schlamm

1,3 0,9 1,3 0,9 2,0 6,5 1,92·103

Erläuterung:

Glu = Glutaminsäure Ala = Alanin Phe = Phenylalanin Leu = Leucin

Thr = Threonin Val = Valin Ile = Isoleucin Lys = Lysin

Aminosäuren-Screening zur Identifikation von wachstumsfördernden Substraten


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Screening Top 5 KNoTS CSBTS oTS o. AFS KN/oTS CSB/oTS Leg. spp.

[mg/L N] [mg/L ] [mg/L ] [g/L] [g/g] [g/g] [KBEäq/ml]

a. Industrie 69 1796 0,51 0,14 3,52 <400

b. Industrie mit UV 65 1853 0,47 0,14 3,94 <400

c. Ablauf Kanal 2 26 0,02 0,14 1,63 <400

d. Belebtschlamm 213 3733,3 2,91 0,07 1,28 1,08·105

Literatur Belebtschlamm:

60-80% org. Anteil (Kohlenhydrate, Fette und Proteine)

(Mudrack & Kunst, 1994)

7-9% Fette (Koppe & Stozek,1999)

Proteine 900-1300 mg/L 0,9 – 1,3 g/L (Koppe & Stozek,1999)

d)Belebtschlamm mit proteinr. Substrat beschickt

CSB und KN von org. Stoffen zur Identifikation von wachstumsfördernden Substraten


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Schlussfolgerungen - Wachstum

Begünstigende Wachstumsfaktoren

tTS > 1d als f(T) mit Abwasser als Substrat

Temperatur ≥ 20-22 oC für L. pneumophila

µ35oC = 1,7 - 3,85 d-1, b35oC = 0,3 d-1

proteinr. Substrat, Leitparameter CSB/oTS > 2kg/kg, KN/oTS > 10% von oTS

Aminosäuren als Leitparameter?

Einfluss Verfahrenstechnik

Aerobe Systeme (+)

Biofilm Systeme (+)

Anaerobe Systeme (-) (kein Wachstum, Eliminationsrate?)

Filter, Biofilter ?


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Schlussfolgerungen - Schutzmaßnahmen

Bei positivem Befund L. pn. Aerosolvermeidung!

Mechanische Reinigung: Abdeckung, Abluftbehandlung

Biologische Reinigung: Reinsauerstoff, feinblasige

Belüftung, Abluftbehandlung, offene Tropfkörper vermeiden

Schlammentwässerung und -transport: Vermeidung von

Aerosolen, Abdeckung

Abluftbehandlung: Biofilter (?), Hygienisierung

Personal: Mundschutz (FFP3-Masken)

Gefährdete Industrien: u.a. Brauereien, holz- o.

papierverarbeitende Industrie, Ölverarbeitung, Betriebe mit

proteinreichem Abwasser und hoher Temperatur


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Bericht Expertenkommission Legionellen NRW

30 Kläranlagen in NRW 2013 amtlich beprobt.

Ergebnis : in 186 Proben waren 27 positive Befunde in 13

von 30 KA´s . Daraufhin zusätzliche Untersuchung 2014.

RISIKOANLAGEN: T > 20°C, nährstoffreiche proteinreiche

Substrate

Anhang 3 Milchverarbeitung

Anhang 4 Ölsaatenaufbereitung, Speisefett- und Speiseölraffination

Anhang 10 Fleischwirtschaft

Anhang 11 Brauereien

Anhang 12 Herstellung von Alkohol und alkoholischen Getränken

Anhang 15 Herstellung von Hautleim, Gelatine und Knochenleim

Anhang 18 Zuckerherstellung

Anhang 22 Chemische Industrie

Anhang 28 Herstellung von Papier und Pappe


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Werte und Maßnahmen für Abläufe von Kläranlagen .

Empfehlungen für technische Maßnahmenwerte im

Ablauf, wenn Flusswasser für Rückkühlzwecke oder

Bewässerung genutzt wird:

< 1000 KBE Legionellen/100 ml: Kein Handlungsbedarf

≥ 1.000 bis < 10.000KBE Legionellen/100 ml: Information

der Betreiber und Nutzer sowie Bestimmung der Spezies

und Serogruppe; weitergehende Untersuchung der

einzelnen Aufbereitungsstufen sowie der Zuflüsse zur

Kläranlage

≥ 10.000 KBE Legionellen/100 ml: Maßnahmen zur

Minderung und Überprüfung der Konzentration im

Gewässer siehe Kapitel 5.2


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Dank an

DFG

für

Förderung

der Viren-

forschung

Dank an

MKUNLV

für die

Förderung

der

Legionellen-

forschung

Dank an alle

Projektbe-

teiligten

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