Ecotoxicological assessment of advanced wastewater treatment technologies

Wastewater treatment plants (WWTPs) do not eliminate micropollutants completely and are thus important point sources for these substances. In particular, concerns about en-docrine disrupting compounds in WWTP effluents g
Wastewater treatment plants (WWTPs) do not eliminate micropollutants completely and are thus important point sources for these substances. In particular, concerns about en-docrine disrupting compounds in WWTP effluents give rise to the implementation of advanced treatment steps for the elimination of trace organic contaminants. The present study investigated ozonation (O3) and activated carbon treatment (AC) at two WWTPs. For an ecotoxicological assessment at WWTP Regensdorf, conventionally treated wastewater, wastewater after ozonation, and ozonated wastewater after sand filtration were evaluated in parallel via the fish early life stage toxicity test (FELST) using rainbow trout (Oncorhynchus mykiss). Additionally, a comparative toxicity evalu-ation of ozonated and activated carbon treated effluents was performed at the pilot scale treatment plant in Neuss (WWTP Neuss). For this purpose, four invertebrate tests and one higher plant toxicity test were selected to assess potential biological effects on or-ganisms [Lemna minor growth inhibition test, chironomid toxicity test with Chironomus riparius, Lumbriculus variegatus toxicity test, comet assay with haemolymph of the zebra mussel (Dreissena polymorpha), reproduction test with Potamopyrgus antipo-darum]. All in vivo assays were performed on site at the treatment plants in flow-through test systems. Furthermore, the present study investigated the effects of ozona-tion and activated carbon treatment on endocrine activities [estrogenicity, anti-estrogenicity, androgenicity, anti-androgenicity, aryl-hydrocarbon receptor (AhR) agonistic activity] with yeast based bioassays using solid phase extracted water samples. To evaluate the removal of in vitro non-specific toxicity, a cytotoxicity assay using a rat cell line was applied. The FELST at WWTP Regensdorf revealed a considerable developmental retardation of test organisms exposed to ozonated WW. This was accompanied by a significant decrease in body weight and length compared to reference water, to the conventionally treated WW, and to the ozonated water after sand filtration. Hence sand filtration obvi-ously prevents from adverse ecotoxicological effects of ozonation. An additional test – starting with yolk-sac larvae – resulted in a significant reduction of vitellogenin levels in fish exposed to ozonated wastewater compared to fish reared in conventionally treat-ed wastewater. This demonstrates the effective removal of estrogenic activity by ozonation. At WWTP Neuss, the reproduction test with the mudsnail P. antipodarum exhibited a decreased reproductive output after advanced treatment compared to conventional treatment. This indicates an effective estrogenicity removal by ozonation and activated carbon treatment and is confirmed by results of the yeast estrogen screen with a reduc-tion of in vitro estrogenic activity by > 75%. The L. variegatus test revealed a signifi-cantly enhanced toxicity after ozonation compared to conventional treatment, whereas this effect was reduced following subsequent sand filtration. When ozonation was applied, a significantly increased genotoxicity was observed, detected with the comet assay using haemolymph of the zebra mussel. Again, this effect was removed by subsequent sand filtration to the level of conventional treatment. Activated carbon treatment even resulted in a significant reduction of genotoxicity. At both treatment plants, adverse effects after ozonation may have been a result of the formation of toxic oxidation by-products. However, sand filtration reduced toxication effects, indicating that these oxidation by-products are readily degradable or adsorbable. The results point out that, in any case, ozonation should not be applied without subsequent biologically active post treatment appropriate for oxidation by-products removal (e.g. sand filtration). However, only activated carbon achieved a toxicity reduction compared to the conventional treated wastewater. Thus, it cannot be excluded that po-tential beneficial effects due to ozonation might be masked by residual toxic oxidation by-products passing the sand filter or ozonation is not as effective in toxicity removal as PAC treatment. The yeast based assays with solid phase extracted samples revealed an effective endo-crine activity removal during ozonation and activated carbon filtration (estrogenicity: 77 – 99%, anti-androgenicity: 63 – 96%, AhR agonistic activity: 79 – 82%). The cyto-toxicity assay exhibited a 32% removal of non-specific toxicity after ozonation com-pared to conventional treatment. Ozonation in combination with sand filtration reduced cytotoxic effects by 49%, indicating that sand filtration contributes to the removal of toxicants. Activated carbon treatment was the most effective technology for cytotoxici-ty removal (61%). Sample evaporation reduced cytotoxic effects by 52% (after activated carbon treatment) to 73% (after ozonation), demonstrating that volatile substances contribute considerably to toxic effects, particularly after ozone treatment. These results confirm an effective removal or transformation of toxicants with receptor mediated mode of action and non-specific toxicants during both investigated treatment steps. However, due to the limited extractability, polar ozonation by-products were neglected for toxicity analysis, and hence non-specific toxicity after O3 is underestimated. In the long run, only on-site comparisons at WW receiving water bodies (e.g. communi-ty analysis of fish, macroinvertebrates, plants, microorganisms) – before and after up-grading WWTPs – allow drawing environmentally relevant conclusions regarding bene-fits and risks of advanced WW treatment methods. Conclusively, the benefits and possible negative impacts have to be carefully evaluated to prove that not more environmental impact will be induced than removed by advanced treatment technologies as each additional treatment requires considerable amounts of energy, resources, and infrastructure facilities. Accordingly, comprehensive sustainable approaches for pollution prevention and wastewater treatment (e.g. source control and source separation) are preferable compared to end-of-pipe treatment systems.
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Die Belastung von Oberflächengewässern mit Makroverunreinigungen (Salze, Nährstoffe, natürliches organisches Material in μg/L- bis mg/L-Konzentrationen) stellt, dank qualitativ hochwertiger Abwasseraufbereitung, in 
Die Belastung von Oberflächengewässern mit Makroverunreinigungen (Salze, Nährstoffe, natürliches organisches Material in μg/L- bis mg/L-Konzentrationen) stellt, dank qualitativ hochwertiger Abwasseraufbereitung, in vielen Regionen – vor allem Westeuropas – kein vorrangiges Problem mehr dar. Die Folge ist eine weit reichende Verbesse-rung der Wasserqualität in den letzten Jahrzehnten und damit einhergehend eine Erho-lung der Flora und Fauna in den Gewässern. Dennoch sind kommunale und industrielle Abwässer – insbesondere in dicht besiedelten Gebieten – weiterhin Haupteintragspfade für Schadstoffe. Vor allem so genannte Mikroverunreinigungen oder Spurenschadstoffe (organische Schadstoffe in ng/L-Konzentrationen oder darunter) erlangen zunehmende Aufmerksamkeit aufgrund ihres negativen Einflusses auf aquatische Ökosysteme. Tausende verschiedener Chemikalien werden in Spurenkonzentrationen in die Gewässer eingebracht, aber nur wenige sind bereits umfassend ökotoxikologisch charakterisiert. Darunter weisen insbesondere Arzneimittelwirkstoffe und Körperpflegeprodukte häufig eine hohe biologische Aktivität auf und einige Substanzen überdies eine hohe Persistenz oder Pseudopersistenz sowie ein beträchtliches Bioakkumulationsvermögen. Die Folge ist ein realistisches Gefährdungspotential für Nichtziel-Organismen in der Umwelt. Oxidative oder adsorptive Verfahren können – als so genannte end-of-pipe Techniken im Anschluss an die konventionelle Reinigung – eine wichtige Rolle spielen, um relativ kurzfristig die Schadstoffbelastung effektiv zu reduzieren. Aktuell gelten die Ozonierung sowie die Abwasserbehandlung mit Aktivkohle als favorisierte Lösungen, um die Gewässerbelastung mit Mikroverunreinigungen zu verringern. Beide Techniken sind bezüglich der Reduktion eines sehr breiten Spektrums von Substanzen viel versprechend. Jedoch fokussiert die chemische Analytik häufig ausschließlich bekannte Substanzen, während Transformationsprodukte oftmals unbekannt sind und daher bisher kaum berücksichtigt werden. Folglich sind ökotoxikologische Testverfahren unerlässlich für eine qualitative Beurteilung von erweiterten Abwasseraufbereitungsmethoden. In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene erweiterte Abwasseraufbereitungsmethoden hinsichtlich ihres Potentials zur Reduktion der Abwassertoxizität untersucht. An der Kläranlage Regensdorf (Schweiz) wurde der fish early life stage toxicity test (FELST) mit der Regenbogenforelle eingesetzt, um die allgemeine Toxizität bzw. vertebratenspezifische Toxizität konventionell und erweitert aufbereiteter Abwässer zu untersuchen. Die Kläranlage Regensdorf war mit einer Vollstrom-Ozonierungsanlage im Anschluss an das Nachklärbecken nach konventioneller Reinigung mittels Belebtschlammsystem ausgestattet. Im Anschluss an den Ozonierungsreaktor befand sich außerdem eine Sandfiltrationsstufe. Die Fischeier wurden direkt nach Befruchtung insgesamt 65 Tage gegenüber Abwässern nach dem Nachklärbecken, nach der Ozonierung und nach dem Sandfilter in einem Durchflusssystem vor Ort an der Kläranlage exponiert. Bei diesem Versuch wurde eine deutliche und nach Testende signifikant verzögerte Entwicklung der Forellen nach der Ozonierung beobachtet (verzögertes Aufschwimmverhalten der Fische). Außerdem waren die Biomasse sowie die Länge der Fische im Vergleich zur konventionellen Reinigung signifikant reduziert. Nach dem Sandfilter wurden keine signifikanten Effekte beobachtet. Auf Basis dieser Befunde wird angenommen, dass toxische Oxidationsprodukte infolge der Ozonierung entstehen, die die Entwicklung der Fische beinträchtigen. Die Reduktion negativer Effekte durch den Sandfilter auf das Ausgangsniveau nach der konventionellen Reinigung bestätigt eine effektive Reduktion toxischer Nebenprodukte. Eine Vielzahl solcher Oxidationsprodukte gilt als reaktiv und relativ schnell abbaubar (u.a. Aldehyde, Ketone, Alkane, Carboxysäuren, etc.). Daher wird ein bioaktiver Nachbehandlungsschritt (z.B. Sandfiltration) für Ozonierungsanlagen empfohlen. Allerdings wurden keine positiven Effekte auf die Allgemeintoxizität im Vergleich zum Abwasser des Nachklärbeckens beobachtet, weshalb nicht auszuschließen ist, dass toxische Oxidationsprodukte den Sandfilter passieren und positive Effekte infolge der Schadstoffoxidation maskieren. Eine ebenfalls durchgeführte Vitellogeninbestimmung als Marker für die östrogene Aktivität der Abwässer ergab einen erhöhten Vitellogenin-Gehalt in den Fischen, die gegenüber konventionell gereinigtem Abwasser exponiert wurden. Infolge der Ozonierung wurde der Vitellogeningehalt auf Kontrollniveau reduziert, was eine deutlich reduzierte östrogene Aktivität der Abwässer in Folge der Ozonierung bestätigt. An der halbtechnischen Kläranlage (HTK) Neuss wurden verschiedene Invertebraten-tests eingesetzt, um Ozonierung und Aktivkohlereinigung vergleichend zu untersuchen. Die HTK behandelt einen Teilabwasserstrom der Kläranlage Neuss Süd zu Forschungs-zwecken nach dem konventionellen Belebtschlammsystem. Ein Teil des gereinigten Abwasserstroms wurde anschließend ozoniert und darauf folgend sandgefiltert. Ein paralleler Teilstrom des Abwassers wurde mit Pulveraktivkohle behandelt (20 mg/L) und anschließend ebenfalls sandgefiltert. Folgende Testsysteme wurden im Durchflusssystem eingesetzt: Lemna minor-Wachstumshemmtest, Lumbriculus variegatus-Toxizitätstest, Chironomus riparius-Toxizitätstest, Reproduktionstest mit der Zwergde-ckelschnecke Potamopyrgus antipodarum und der Comet-Assay mit Hämolymphe von 70 Tage exponierten Zebramuscheln (Dreissena polymorpha). Die Tests mit L. minor und C. riparius ergaben keine signifikanten Unterschiede zwischen den Behandlungsgruppen. L. variegatus zeigte hingegen eine signifikant verringerte Reproduktion und Gesamtbiomasse nach dem Ozonreaktor, wohingegen diese Effekte nach dem Sandfilter wieder auf das Ausgangsniveau nach konventioneller Reinigung zurückgeführt wurden. Nach Aktivkohlebehandlung wurden bei Lumbriculus keine signifikanten Effekte beobachtet. Beim Reproduktionstest mit P. antipodarum sanken die Embryonenzahlen nach Ozonierung und Aktivkohlebehandlung im Vergleich zur konventionellen Reinigung, was auf eine verringerte östrogene Aktivität der Abwässer hindeutet. Dies wurde außerdem mit dem yeast estrogen screen mit nativen Abwasserproben bestätigt, wobei die östrogene Aktivität im Schnitt zwischen 75% (Aktivkohle) bis 91% (Ozonierung nach Sandfilter) abnahm. Der Comet-Assay ergab eine signifikant erhöhte Gentoxizität nach der Ozonierung, während dieser Effekt durch den Sandfilter wieder auf das Ausgangs-niveau zurückgeführt werden konnte. Lediglich die Aktivkohlereinigung erbrachte eine signifikant verringerte Gentoxizität im Vergleich zur konventionellen Reinigung. Insgesamt wurde an der HTK Neuss, ebenso wie an der Kläranlage Regensdorf, eine erhöhte Allgemeintoxizität nach der Ozonierung festgestellt. Insbesondere die erhöhte Gentoxizität ist vermutlich ein Resultat der Bildung von reaktiven Oxidationsnebenprodukten. Der Sandfilter konnte die erhöhte Toxizität erneut auf das Ausgangsniveau zurückfüh-ren, womit eine effektive Entgiftung von toxischen Oxidationsnebenprodukten bestätigt wird. Allerdings wurde nur mit Aktivkohlereinigung eine verringerte unspezifische Toxizität erreicht, was vermuten lässt, dass die bioaktive Sandfiltration Oxidationsprodukte nicht vollständig entfernt bzw. entgiftet. Die verringerten Embryonenzahlen im Re-produktionstest sowie der yeast estrogen screen bestätigten abermals die verringerte östrogene Aktivität der Abwässer sowohl nach Ozonierung als auch nach Aktivkoh-lereinigung. In Regensdorf und an der HTK Neuss wurden zudem Abwasserproben entnommen und festphasenextrahiert. Anschließend wurde die endokrine Aktivität der Extrakte bestimmt, um das Entgiftungspotential von Ozonierung und Aktivkohlebehandlung abzuschätzen. Mittels rekombinanter Hefetests wurden die Östrogenität und Androgenität sowie die entsprechend antagonistischen Wirkungen bestimmt. Außerdem wurde die agonistische Aktivität am Aryl-Hydrocarbon-Rezeptor (AhR) als Marker für die Belastung mit dioxionartigen Stoffen sowie polycyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen ermittelt. Zur Abschätzung der unspezifischen Toxizität wurde außerdem ein Test auf Zytotoxizität mit Rattenzellen etabliert und eingesetzt. Die Östrogenität wurde während der konventionellen Reinigung um 78 – 91% reduziert. Nach Aktivkohlebehandlung und Ozonierung sank die östrogene Aktivität weiterhin um 77 – 95% im Vergleich zur konventionellen Reinigung. Bei der Anti-Östrogenität wurden keine eindeutigen Effekte festgestellt. Die Androgenität wurde während der konventionellen Reinigung bereits von ca. 200 – 400 ng/L Testosteronäquivalenten im Abwasserzulauf um mehr als 99% reduziert. Nach der erweiterten Abwasserreinigung ergaben sich keine eindeutigen Effekte. Eine anti-androgene Aktivität war im ungereinigten Abwasser vermutlich aufgrund von Maskierungseffekten durch die Androgenität nicht feststellbar. Nach konventioneller Reinigung lag die Anti-Androgenität bei durchschnittlichen 302 – 614 μg/L Flutamidäquivalenten. Nach Ozonierung und Aktivkohlereinigung sank diese um 63 – 90%, wobei Aktivkohle etwas weniger effektiv war als die Ozonierung. Die AhR agonistische Aktivität konnte mittels erweiterter Aufbereitung um ca. 80% reduziert werden. Der Zytotoxizitätstest ergab, ebenso wie der Comet-Assay, dass Aktivkohle die unspezifische Toxizität am effektivsten reduziert. Außerdem ist ein Großteil der Zytotoxizität – insbesondere nach der Ozonierung – auf volatile Substanzen zurückzuführen. Insgesamt wurde bei diesen In-vitro-Versuchen gezeigt, dass beide Aufbereitungsmethoden die rezeptorvermittelte Toxizität sehr effektiv verringern können. Ozonierung und Aktivkohlebehandlung ermöglichen eine effektive Reduktion der Schadstoffbelastung von Abwässern. Beide Techniken erreichen außerdem eine deutlich reduzierte Toxizität im Vergleich zur konventionellen Abwasserreinigung, wobei die Ozonierung bislang als kosteneffektiveres Verfahren gilt. Unmittelbar nach der Ozonierung auftretende adverse Effekte sind vermutlich auf schnell abbaubare, toxische Oxidationsprodukte zurückzuführen. Ein nachgeschalteter biologisch aktiver Sandfilter entgiftet bzw. entfernt die ursächlichen Substanzen effektiv, wobei hier weiterer Forschungsbedarf besteht, um eventuelle Risiken für aquatische Organismen auszuschließen. Vor diesem Hintergrund ist vor allem zu berücksichtigen, dass ein Großteil (> 50%) der bei der Ozonierung entstehenden assimilierbaren organischen Kohlenstoffe bisher noch nicht identifiziert sind. Des Weiteren wird die Bildung von Oxidationsprodukten – neben Ozondosis und Kontaktzeit – im Wesentlichen von der Ausgangszusammensetzung des Abwassers bestimmt. So führen beispielsweise hohe Bromid-Konzentrationen während der Ozonierung zu hohen Konzentrationen des karzinogenen Bromats, und ähnlich kann die Bildung des mutagenen N-Nitrosodimethylamins (NDMA) durch die ausgangskonzentration chemischer Vorstufen beeinflusst werden. Deshalb und aufgrund der Unsicherheiten bezüglich unbekannter Oxidationsprodukte sind toxikologische Routineuntersuchungen notwendig, um mögliche Risiken zu erfassen und zu bewerten. Für eine abschließende Beurteilung der erweiterten Aufbereitung ist allerdings eine Langzeitbeobachtung vor Ort an abwasserreichen Fließgewässern unumgänglich. Populationsbeobachtungen von sensitiven Arten verschiedener taxonomischer Gruppen (z.B. Makrozoobenthos, Fische, Wasserpflanzen, Mikroorganismen) im Freiland vor und nach der Etablierung erweiterter Abwasserbehandlungsschritte sowie Biomarkeruntersuchungen und die Einbeziehung histopathologischer Endpunkte würden helfen, eine tatsächlich umweltrelevante ökotoxikologische Bewertung solcher Techniken zu erreichen. Dadurch ließe sich feststellen, ob sich Arten, die negativ durch Abwasserschadstoffe beeinflusst werden, nach der Installation einer erweiterten Aufbereitung erholen und ob Biomarkerantworten (beispielsweise für östrogene Aktivität oder Gentoxizität) sowie das Auftreten von Intersex (Verweiblichung männlicher Fische oder anderer Organismen) reduziert werden. Außerdem könnten potentiell negative Auswirkungen durch toxische Oxidationsprodukte untersucht werden. Zu berücksichtigen bleibt allerdings, dass jeder erweiterte Reinigungsschritt durch einen erhöhten Ressourceneinsatz sowie Schadstoffemissionen an anderer Stelle (durch Infrastrukturmaßnahmen, Material- und Energieproduktion, thermische Beseitigung belasteten Materials) negative Umwelteinflüsse zur Folge hat. Die Abwägung solcher Umweltkosten gegenüber möglichen Vorteilen der erweiterten Aufbereitung ist daher zwingend erforderlich, um zusätzliche Maßnahmen unter ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten zu rechtfertigen. Aufgrund dessen sind auf lange Sicht source control Strategien zur nachhaltigen, res-sourcenschonenden und kosteneffektiven Abwasserreinigung gegenüber end-of-pipe Techniken zu bevorzugen, um den Eintrag von Schadstoffen bereits an der Quelle zu minimieren.
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Metadaten
Author:Daniel Stalter
URN:urn:nbn:de:hebis:30-95029
Referee:Jörg Oehlmann, Henner Hollert
Advisor:Jörg Oehlmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2011/08/10
Year of first Publication:2010
Publishing Institution:Univ.-Bibliothek Frankfurt am Main
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Univ.
Release Date:2011/08/10
Note:
Diese Dissertation steht außerhalb der Universitätsbibliothek leider (aus urheberrechtlichen Gründen) nicht im Volltext zur Verfügung, die CD-ROM kann (auch über Fernleihe) bei der UB Frankfurt am Main ausgeliehen werden.
Institutes:Biowissenschaften
Dewey Decimal Classification:570 Biowissenschaften; Biologie
Sammlungen:Universitätspublikationen
Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität; nur lokal zugänglich)
Licence (German):License LogoArchivex. zur Lesesaalplatznutzung § 52b UrhG

$Rev: 11761 $