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Stefan Gartiser

• The focus of this thesis is on the assessment of the degradability of indirectly discharged wastewater in municipal treatment plants and on assessing indirectly discharged effluents by coupling the Zahn-Wellens test with effect-based bioassays. With this approach persistent toxicity of an indirectly discharged effluent can be detected and attributed to the respective emission source. In the first study 8 wastewater samples from different industrial sectors were analysed according to the “Whole-Effluent Assessment“ (WEA) approach developed by OSPAR. In another study this concept has been applied with 20 wastewater samples each from paper manufacturing and metal surface treating industry. In the first study generally low to moderate ecotoxic effects of wastewater samples have been determined. One textile wastewater sample was mutagenic in the Ames test and genotoxic in the umu test. The source of these effects could not be identified. After treatment in the Zahn-Wellens test the mutagenicity in the Ames test was eliminated completely while in the umu test genotoxicity could still be observed. Another wastewater sample from chemical industry was mutagenic in the Ames test. The mutagenicity with this wastewater sample was investigated by additional chemical analysis and backtracking. A nitro-aromatic compound (2-methoxy-4-nitroaniline) used for batchwise azo dye synthesis and its transformation products are the probable cause for the mutagenic effects analysed. Testing the mother liquor from dye production confirmed that this partial wastewater stream was mutagenic in the Ames test. The wasteweater samples from paper manufacturing industry of the second study were not toxic or genotoxic in the acute Daphnia test, fish egg test and umu test. In the luminescent bacteria test, moderate toxicity was observed. Wastewater of four paper mills demonstrated elevated or high algae toxicity, which was in line with the results of the Lemna test, which mostly was less sensitive than the algae test. The colouration of the wastewater samples in the visible band did not correlate with algae toxicity and thus is not considered as its primary origin. The algae toxicity in wastewater of the respective paper factory could also not be explained with the thermomechanically produced groundwood pulp (TMP) partial stream. Presumably other raw materials such as biocides might be the source of algae toxicity. In the algae test, often flat dose–response relationships and growth promotion at higher dilution factors have been observed, indicating that several effects are overlapping. The wastewater samples from the printed circuit board and electroplating industries (all indirectly discharged) were biologically pre-treated for 7 days in the Zahn–Wellens test before ecotoxicity testing. Thus, persistent toxicity could be discriminated from non-persistent toxicity caused, e.g. by ammonium or readily biodegradable compounds. With respect to the metal concentrations, all samples were not heavily polluted. The maximum conductivity of the samples was 43,700 micro S cm -1 and indicates that salts might contribute to the overall toxicity. Half of the wastewater samples proved to be biologically well treatable in the Zahn–Wellens test with COD elimination above 80%, whilst the others were insufficiently biodegraded (COD elimination 28–74%). After the pre-treatment in the Zahn–Wellens test, wastewater samples from four companies were extremely ecotoxic especially to algae. Three wastewater samples were genotoxic in the umu test. Applying the rules for salt correction to the test results following the German Wastewater Ordinance, only a small part of toxicity could be attributed to salts. In one factory, the origin of ecotoxicity has been attributed to the organosulphide dimethyldithiocarbamate (DMDTC) used as a water treatment chemical for metal precipitation. The assumption, based on rough calculation of input of the organosulphide into the wastewater, was confirmed in practice by testing its ecotoxicity at the corresponding dilution ratio after pre-treatment in the Zahn–Wellens test. The results show that bioassays are a suitable tool for assessing the ecotoxicological relevance of these complex organic mixtures. The combination of the Zahn–Wellens test followed by the performance of ecotoxicity tests turned out to be a cost-efficient suitable instrument for the evaluation of indirect dischargers and considers the requirements of the IPPC Directive.
• Der Schwerpunkt der publikationsbasierten Dissertation liegt in der Bewertung der Abbaubarkeit indirekt über kommunale Abwasserreinigungsanlagen eingeleiteter industrieller Abwasserproben. Hierzu wurde der Zahn-Wellens-Test als Standardtest zur Bestimmung der Elimination in Kläranlagen mit wirkungsbasierten Biotests gekoppelt. Mit diesem Ansatz lässt sich die persistente Toxizität indirekt eingeleiteter Abwässer bestimmen. In der ersten Studie wurden 8 Abwasserproben aus verschiedenen Industriesektoren entsprechend dem von OSPAR entwickelten „Whole-Effluent Assessment“ (WEA)-Konzept untersucht. In einer weiteren Studie wurde das Konzept am Beispiel von je 20 Abwasserproben aus der Papier- und Metallindustrie (Galvanik, Leiterplattenherstellung) angewandt. In der ersten Studie wurden insgesamt geringe Ökotoxizitäten bestimmt. Eine Textilabwasserprobe war im Ames-Test mutagen und im umu-Test gentoxisch, ohne dass die Quelle zugeordnet werden konnte. Nach der Behandlung im Zahn-Wellens-Test war die Mutagenität im Ames-Test vollständig eliminiert, während im umu-Test weiterhin Gentoxizität beobachtet wurde. Eine andere direkt eingeleitete Abwasserprobe aus der chemischen Industrie war im Ames-Test mutagen. Der mutagene Effekt wurde durch zusätzliche chemische Analyse und Zurückverfolgung („backtracking“) auf eine nitroaromatische Verbindung (2-Methoxy-4-nitroanilin) zurückgeführt, die für die chargenweise Synthese von Azofarbstoffen verwendet wird. Durch Testung der Mutterlauge aus der Farbstoffherstellung wurde bestätigt, dass dieser Abwasserteilstrom Ursache der Mutagenität im Gesamtabwasser war. Die Papierabwasserproben aus der 2. Studie waren im akuten Daphnien- und im Fischeitest sowie im umu-Test nicht toxisch bzw. gentoxisch. Im Leuchtbakterientest wurden moderate Toxizitäten beobachtet. Die Abwässer von vier Papierfabriken zeigten eine erhöhte bis hohe Algentoxizität, die mit den Ergebnissen des Lemna-Tests übereinstimmte. Dieser war aber meist weniger sensitiv als der Algentest. Die Färbung der Abwasserproben im sichtbaren Wellenlängenbereich korrelierte nicht mit der gefundenen Algentoxizität und wird daher nicht als deren ursächliche Quelle angesehen. Die Algentoxizität im Abwasser einer Papierfabrik konnte auch nicht mit einem Abwasserteilstrom aus der thermomechanischen Herstellung von Zellstoff aus Holzschliff erklärt werden. Vermutlich sind andere Hilfsstoffe wie Biozide als Quelle für die Algentoxizität verantwortlich. Im Algentest wurden oftmals flache Dosis-Wirkungskurven und eine Förderung des Algenwachstums bei höheren Verdünnungsstufen beobachtet. Dies deutet darauf hin, dass sich hier verschiedene Effekte überlagern. Die Abwasserproben aus der Herstellung von Leiterplatten und aus der galvanischen Industrie (alles Indirekteinleiter), wurden biologisch für 7 Tage im Zahn–Wellens-Test vorbehandelt und anschließend die Ökotoxizität bestimmt. So konnte die persistente Toxizität von nicht-persistenter Toxizität, die beispielsweise durch Ammonium oder leicht abbaubare Inhaltsstoffe verursacht wird, unterschieden werden. Die Schwermetallbelastung war in allen Abwasserproben gering. Die maximale Leitfähigkeit der Proben lag bei 43.700 mikro S cm -1 und weist darauf hin, dass Salze zur Gesamttoxizität beitragen könnten. Die Hälfte der Abwasserproben war im Zahn-Wellens-Test mit CSB-Eliminationen über 80% gut biologisch behandelbar, während die anderen Proben nur unzureichend biologisch abgebaut wurden (CSB-Elimination 28%–74%). Nach der Vorbehandlung im Zahn–Wellens-Test wurden im Abwasser von vier Betrieben extrem hohe Ökotoxizitäten, insbesondere gegenüber Algen bestimmt. Drei Abwasserproben erwiesen sich im umu-Test auch als gentoxisch. Bei Anwendung der in der Abwasserverordnung vorgesehenen Salzkorrektur der Ergebnisse konnte nur ein kleiner Anteil der Toxizität mit einem Salzeinfluss erklärt werden. In einer Fabrik wurde das im Abwasser als Wasserbehandlungsmittel zur Metallfällung eingesetzte Organosulfid Dimethyldithiocarbamat (DMDTC) als ursächliche Quelle der Ökotoxizität erkannt. Diese Annahme wurde durch eine überschlägige Kalkulation der Organosulfideinträge in das Abwasser sowie durch direkte Testung der Ökotoxizität des Organosulfids in einer entsprechenden Verdünnung nach Behandlung im Zahn-Wellens-Test in der Praxis bestätigt. Die Ergebnisse zeigen, dass Biotests geeignete Werkzeuge sind, um die ökotoxikologische Relevanz dieser komplexen organischen Mischungen zu beurteilen. Die Kombination des Zahn–Wellens-Tests mit der nachfolgenden Bestimmung der Ökotoxizität erwies sich als geeignetes und kosteneffizientes Instrument zur Beurteilung von Indirekteinleitern und berücksichtigt die Anforderungen der IVU-Richtlinie.