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
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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:
Mischprobe: 7.2 log PFU/l
Flüssigphase: 5.2 log PFU/l
85-95% inaktiviert
Ablauf Nachklärung:
Flüssigphase: 5.1 log PFU/l
0.5-1%
Eingedickter
Überschussschlamm:
Mischprobe: 8.01 log
PFU/l
14.5%
Ablauf Faulung:
Mischprobe: 6.4 log PFU/l
Flüssigphase: 5.6 log PFU/l
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
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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