Projekt 22469/01

Entwicklung eines Verfahrens zur Zerstörung von Röntgenkontrastmitteln und Antibiotika in Abwässern durch UV-Oxidation

Projektträger

a.c.k. aqua concept GmbH
Wikinger Str. 9 a
76189 Karlsruhe
Telefon: 0721/59721-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Rahmen des Entwicklungsprojektes sollte ein Verfahren entwickelt werden, bei dem durch UV-Licht Antibiotika und Röntgenkontrastmittel in Abwässern in unschädliche Bestandteile zersetzt werden. Dieses Verfahren sollte in Anlagen realisiert werden, die vor Ort zur Aufreinigung des anfallenden Abwassers eingesetzt werden. So können diese Abwässer bereits vor der Einleitung in die Kanalisation von Antibiotika- und Röntgenkontrastmittel-Rückständen gereinigt werden.
Die Zielstellung hierbei lag in einer nahezu vollständigen Mineralisierung dieser Stoffe bzw. in einer Umsetzung in unschädliche Substanzen, so dass ein weiterer Abbau in einer nachgeschalteten biologischen Kläranlage, bzw. im Aquifer möglich ist.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Rahmen dieses Vorhabens sollten zwei unterschiedliche Aggregate entwickelt werden. Zunächst wurde ein System für die Pharmaindustrie entwickelt, das es ihr ermöglicht, die Antibiotika oder Röntgenkontrastmittel enthaltenden industriellen Abwässer wirkungsvoll zu behandeln. Derzeit bestehen Probleme, die vorliegenden Richtlinien einzuhalten.
Basierend auf diesem Aggregat für die Pharmaindustrie sollte auch ein vereinfachtes und günstigeres Gerät entwickelt werden, dass den Einsatz vor Ort in Krankenhäusern und gegebenenfalls auch in Arztpraxen ermöglicht. Da hier der Kostendruck jedoch sehr hoch ist und die Abwassermengen deutlich geringer sind, muss dieses System kleiner und einfacher gestaltet sein.
Der Analytik-Arbeitsplan sah vor, neben wenigen Untersuchungen mit selbst hergestellten Musterabwässern einen Großteil der Untersuchungen mit realen Abwässern und möglichst oft direkt an der Quelle, d. h. in der Industrie und ggf. auch in Krankenhäusern durchzuführen. Als Analysenmethode zum zuverlässigen Nachweis von Röntgenkontrastmitteln sollte eine weiterentwickelte Methode des TZW eingesetzt werden, wobei die Röntgenkontrastmittel nach einer Festphasenanreicherung über die Kombination der Hochdruckflüssigkeits-Chromatographie (HPLC) und der Massenspektrometrie analysiert werden. Mit dieser bisher in der Forschung noch nicht eingesetzten Methode ist es möglich, verschiedene Röntgenkontrastmittel im Bereich von Spurenkonzentrationen zu analysieren.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Projektes wurde nach einer detaillierten Konzeption eine Versuchsapparatur entwickelt und aufgebaut, an welcher der Abbau des Röntgenkontrastmittels Iodpromid und des Antibiotikums Sulfamethoxazol mit speziellem Blickfeld auf die Analytik dieser Stoffe untersucht wurde. Die Analytikmethoden wurden auf die Gegebenheiten bei der UV-Oxidation angepasst und weiterentwickelt.
Untersuchungen wurden mit reiner UV-Bestrahlung, einer Kombination aus UV/H2O2 sowie einer Kombination aus UV/Ozon durchgeführt. Variiert wurden hierbei für Röntgenkontrastmittel (RKM) und Antibiotika Konzentration, Zusammensetzung, Bestrahlungs-Dauer und Bestrahlungs-Intensität, räumliche und zeitliche Emissionsparameter des Strahlers, Verweilzeitverteilung des Reaktors, Temperaturverteilung und Temperaturverlauf.
Mit einer Kombination aus UV/H2O2 konnte in Krankenhausabwässern mit einer RKM-Summenkonzentration von 326 ?g/l gezeigt werden, dass nach spätestens 3 Stunden jede Einzelsubstanz zersetzt ist. Ohne zusätzliche Zugabe von H2O2 haben sich die DOC-Werte bei diesem Versuch allerdings nicht verringert. Bei der Bestrahlung entstanden iodhaltige Metaboliten und Iodid. Insgesamt nimmt nach der Bestrahlung im modifizierten Leuchtbakterientest die Hemmwirkung des Abwassers zu.
Der Nachweis der RKM erfolgte über eine anreicherungsfreie Methode, die auf der Kombination der HPLC-Technik und der Massenspektrometrie beruht. Damit war es möglich, neben der Einzelsubstanzanalytik auch Aussagen über bei der Bestrahlung entstehende iodhaltige Metaboliten zu machen, ohne allerdings deren Struktur zu identifizieren. Ebenso kam ein modifizierter Leuchtbakterientest zur Anwendung. Mit diesem war es möglich, in den bestrahlten Wasserproben die Hemmwirkung zuvor dünn-schichtchromatographisch getrennter Reaktionsprodukte auf die Biolumineszenz der Leuchtbakterien zu bestimmen.
Im Prozessabwasser konnten die RKM Iopamidol und Iopromid durch die Bestrahlung mit einem Niederdruckstrahler durch eine 22 h dauernde Bestrahlung auch ohne Zusatz von Wasserstoffperoxid um bis zu 93 % und 96 % erniedrigt werden.
Ein deutlich schnellerer Abbau wurde bei der Bestrahlung des Prozessabwassers mit einem Mitteldruckstrahler und gleichzeitigem Zusatz von Wasserstoffperoxid beobachtet. Nach einer Bestrahlungszeit von 9 h waren in diesem Fall 96 % des organischen gebundenen Kohlenstoffs mineralisiert. Bereits nach 2 h Bestrahlungszeit konnte von den beiden RKM jeweils eine 99 %-ige Verringerung der Anfangskonzentration festgestellt werden.
Die durchgeführten Untersuchungen mit Modellabwässern sowie Abwässern aus der Industrie und aus Krankenhäusern an den Laborapparaturen bei der Fa. a.c.k. und am HSL sowie die Prototypenversuche belegen die Möglichkeit des Abbaus der Stoffe durch UV-Oxidation. Alle Untersuchungen zeigten, dass durch die Anwendung der UV-Oxidation eine deutliche Reduzierung der RKM und der Antibiotika erreicht werden konnte. Hierbei erwiesen sich die Prototypenversuche effektiver als die Laborversuche.
Für die spätere Anwendung ist im Rahmen von Vorversuchen zu klären, wie lange eine Bestrahlung erfolgen sollte und ob diese mit H2O2 oder Ozon optimiert vonstatten geht. Auch ist im Rahmen dieser Vorversuche zu klären, welche Stoffe bei der Zersetzung entstehen, um anwenderspezifisch zu klären, ob ein Einsatz des Verfahrens zum umweltentlastenden Schadstoffabbau im Abwasser möglich ist.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das entwickelte Verfahren der UV-Oxidation von RKM und Antibiotika soll auf der IFAT 2008 in München präsentiert werden. Des Weiteren ist geplant, die Erkenntnisse in diversen Fachzeitschriften zu publizieren und auf der Homepage der Fa. a.c.k. vorzustellen. Ein aktives Marketing in der chemischen Industrie wurde bereits begonnen. Mit Fertigstellung der marktreifen Verfahrensversion für Krankenhäuser sollen auch diese kontaktiert werden.


Fazit

Durch das entwickelte Verfahren der UV-Oxidation steht erstmals ein Verfahren zur Verfügung, mit dem sowohl RKM als auch Antibiotika wirksam zerstört werden können. Speziell im Hinblick auf die bei der Zersetzung entstehenden Stoffe bleibt jedoch noch ein weiterer Forschungsbedarf. Es gilt deshalb, zunächst für jede Anwendung durch Vorversuche zu klären, welche Stoffe bei der Zersetzung entstehen und ob diese durch intensivere UV-Oxidation oder in nachgeschalteten Kläranlagen abbaubar sind. Durch den Verfahrenseinsatz kann z. B. eine energieaufwändige externe Abwasserverbrennung vermieden werden, damit werden deutliche Kosteneinsparungen und Umweltentlastungen erreicht.