Entfernung von Krankheitserregern aus Wasser

Die Notwendigkeit, Krankheitserreger aus der Trinkwasserversorgung zu entfernen, ist seit langem bekannt. In diesem Artikel werden die Eigenschaften von Krankheitserregergruppen beschrieben und gleichzeitig ein Überblick über die Ansätze gegeben, mit denen Krankheitserreger aus Wasser entfernt oder anderweitig deaktiviert werden. Die Wirksamkeit dieser Ansätze und etwaige erhebliche Nachteile werden ebenfalls berücksichtigt.

In diesem Artikel skizzieren wir die Merkmale von Krankheitserregergruppen und geben einen Überblick über die Ansätze zur Entfernung oder anderweitigen Inaktivierung von Krankheitserregern aus Wasser. Dabei fassen wir die Wirksamkeit dieser Ansätze zusammen und heben ihre erheblichen Nachteile hervor. Wir konzentrieren uns insbesondere auf die Wirksamkeit verbesserter moderner Technologien zur Entfernung von Krankheitserregern, einschließlich Membranfiltration, die mittlerweile aus verschiedenen Gründen weltweit eingesetzt werden. Wir untersuchen die Wirksamkeit der Filtration zur Entfernung von Krankheitserregern aus Abwasser und zur Trinkwasserversorgung.

Zu den Krankheitserregern, mikroskopisch kleinen biologischen Organismen, die Krankheiten verursachen können, gehören Viren (bestehend aus DNA oder RNA mit einer Proteinhülle), Bakterien (einzellige Organismen), Protozoen (ebenfalls einzellig, aber mit einem ausgeprägten membrangebundenen Zellkern) und freigesetzte Toxine durch Algen (aquatische photosynthetische einzellige oder mehrzellige Arten).

Die schädlichen Auswirkungen von Krankheitserregern reichen von leichten akuten Erkrankungen über chronisch schwere Erkrankungen bis hin zum Tod. Wichtige wasserbasierte (Übertragung durch Konsum von kontaminiertem Wasser), wasserbasierte (wobei die Qualität des verwendeten Reinigungswassers weniger wichtig ist) und wasserbasierte (der Pathogen oder ein Zwischenwirt verbringt einen Teil seines Lebens) Kreislauf im Wasser) Krankheiten töten jedes Jahr Millionen von Menschen. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) gibt an, dass im Jahr 2004 weltweit 2,16 Millionen Menschen an Durchfallerkrankungen starben, mehr als 80 % davon stammten aus Ländern mit niedrigem Einkommen. Cholera, Giardiasis, infektiöse Hepatitis, Typhus, Amöben- und Bakterienruhr sowie Bilharziose sind einige der häufigsten dafür verantwortlichen Krankheiten.

Der bei weitem häufigste Übertragungsweg ist der orale Verzehr von Krankheitserregern, die aus menschlichen Fäkalien oder Urin stammen, die sich in kontaminiertem Wasser, einschließlich Reinigungs-/Waschwasser, befinden. Obwohl viele Krankheitserreger nur für kurze Zeit außerhalb des menschlichen Körpers leben können, ist die Übertragung widerstandsfähiger Bakterienzysten und Oozysten über das Wasser zusammen mit dem direkten Krankheitserregertransport ein wichtiger Infektionsmechanismus. Auch tierischer Kot und Urin enthalten wichtige Krankheitserreger (z. B. Leptospirose), während weitere Risiken, insbesondere für Nutztiere, durch die Ausscheidung von Giftstoffen ins Wasser durch Algen und andere Mikroben (z. B. Cyanobakterien) entstehen. In den letzten Jahren erforderte die potenzielle Kontamination mit Krankheitserregern durch die zunehmende Verbreitung von Klärschlamm auf dem Land eine größere Aufmerksamkeit bei der Schlammbehandlung, um das Risiko zu mindern.

Eine Reihe von Wasseraufbereitungsansätzen kann die Sicherheit von Trinkwasser im Hinblick auf eine Kontamination mit Krankheitserregern verbessern. Die Wirksamkeit der Behandlung wird weitgehend anhand des Log Removal Value (LRV) gemessen:

LRV=log10(Cin/Cout)

Dabei ist Cin die Pathogenkonzentration im Zufluss und Cout die Pathogenkonzentration im Ausfluss.

Daher spiegelt LRV 2 für einen bestimmten Krankheitserreger eine Entfernung von 99 % wider, während LRV 4 eine Entfernung von 99,99 % widerspiegelt.

Die Bedeutung einer wirksamen Krankheitserregerbehandlung, insbesondere bei bestimmten Indikatorerregern mit geringer Infektionsdosis, spiegelt sich in den hohen Qualitätsstandards der industrialisierten Welt wider. Die britischen Wasserversorgungsvorschriften (Wasserqualität) (2000), selbst eine nationale Umsetzung der europäischen Trinkwasserrichtlinie, verlangen eine Nullkonzentration von E. Coli und Enterokokken und keine abnormalen Veränderungen mikrobieller kultivierbarer Kolonien im Wasser aus den Wasserhähnen der Benutzer, während sie in den USA national sind In den primären Trinkwasserverordnungen werden Höchstkonzentrationen von Null für Cryptosporidium, Giardia lamblia und Gesamtcoliforme festgelegt.

Die Behandlung von Krankheitserregern erfolgt auf zwei Arten: Entfernungsprozesse und/oder Inaktivierungs- (Desinfektions-) Prozesse. Diese Prozesse sind idealerweise Teil einer übergreifenden Behandlungsstrategie mit mehreren Barrieren, die den Schutz der Wasserquelle gewährleistet (unter Verwendung von Wasser der höchstmöglichen Anfangsqualität), gefolgt von einer geeigneten Entfernung von Krankheitserregern, einer anschließenden Desinfektion und abschließenden Strategien zum Schutz vor Kontamination des Wassers Vertriebssystem.

Bei den Entfernungsprozessen kommen altbewährte Technologien und modernere Behandlungsmethoden zum Einsatz. Herkömmlicherweise reduziert eine Vorbehandlung mit Grobfiltern (z. B. Kies, Sand) oder anderen Mitteln die grobe Trübung (Krankheitserregerpopulationen sind in der Regel reich an Partikeln) und ist besonders wirksam bei der Reduzierung der Algen- und Protozoenkonzentrationen (LRV 2–3 ist leicht erreichbar). Auch eine einfache Ansiedlung in Speicherbecken oder durch Uferfiltration kann zur primären Entfernung von Krankheitserregern führen. Die Lagerung ermöglicht nicht nur die Ansiedlung, sondern gibt auch Zeit für das Absterben von Bakterien und Viren außerhalb ihrer Wirtsumgebung. Allerdings reichen solche einfachen Behandlungssysteme allein selten aus, um die hohen Standards der Krankheitserregerentfernung zu erfüllen, die für einen wirksamen Gesundheitsschutz erforderlich sind.

Die Vorbehandlung wird häufig durch eine verstärkte Klärbehandlung mittels Flockung oder Koagulation und anschließender Sedimentation ergänzt. Optimierte Systeme können einen LRV von 1 bis 2 für Viren, Bakterien und Protozoen erreichen. Erfahrungen auf der ganzen Welt haben jedoch gezeigt, dass die Aufrechterhaltung optimierter Bedingungen schwierig ist und dies zu sehr unterschiedlichen Effizienzen bei der Entfernung von Krankheitserregern führen kann. Eine wirksame Koagulation beruht beispielsweise auf der genauen Dosierung und Durchmischung der oft stark schwankenden Zuflussfrachten und einer effektiven, gut kontrollierten Schlammentfernung. Darüber hinaus kann die Virusentfernung je nach Art erheblich variieren, und der Grad der Variation (um bis zu LRV 2) wird auch vom Gerinnungsmitteltyp beeinflusst. Höhere LRV-Werte für die wichtigsten Krankheitserregergruppen werden im Allgemeinen durch den Einsatz von Hochgeschwindigkeitsklärern erreicht, allerdings ist in Problembereichen bei der Algenentfernung die gebotene Sorgfalt erforderlich, um die Algenzellen nicht zu stören und die Freisetzung von Toxinen zu ermöglichen. Flotation mit gelöster Luft ist eine geeignete Alternative zur Algenentfernung (LRV 1 bis 2 für viele Arten) und ist auch ein wirksamer Ansatz zur Entfernung von Cryptosporidium-Oozysten (LRV 2 bis 2,6). Die Entfernung von Krankheitserregern durch Filtration wird im Folgenden ausführlich besprochen.

Die Desinfektion (Inaktivierung) von Krankheitserregern ist der zweite wichtige Ansatz. Im Prinzip kommen oxidative, Hitze- oder UV-Behandlungen zum Einsatz; Oxidation reagiert mit der organischen Struktur des Krankheitserregers, Hitze tötet Krankheitserreger durch Überschreiten der thermischen Toleranzen ab, während UV das genetische Material der Zelle durch einen Mechanismus zerstört, der letztendlich die Replikation einschränkt.

Die Wirksamkeit der oxidativen Desinfektion ist artspezifisch und folgt im Allgemeinen einer Beziehung zwischen Kontaktzeit und Dosis unter festgelegten Bedingungen. Viele Oxidationsmittel basieren auf Chlor (z. B. Chlorgas, Monochloramin, Natriumhypochlorit, Chlordioxid), während Ozon eine von mehreren Alternativen ist. Obwohl eine ausführliche Diskussion den Rahmen dieses Artikels sprengen würde, kann die Desinfektionseffizienz (normalerweise ausgedrückt als erforderliche Zeitdosis von Produkten, um einen bestimmten LRV zu beeinflussen) zwischen den Oxidationsmitteln erheblich variieren und wird von der Wassertrübung, dem pH-Wert und der Temperatur beeinflusst. Weitere Überlegungen für Betreiber bei der Auswahl geeigneter Oxidationsmittel umfassen die Beständigkeit der Anlage und die Sicherheit des Personals, das diesen gefährlichen korrosiven Stoffen ausgesetzt ist, die erforderlichen Mengen und die damit verbundenen Lager- und Stabilitätseigenschaften der Oxidationsmittel.

Bisher konzentrierte sich die Diskussion auf den Trinkwasserbedarf, bei dem eine sehr hohe Wirksamkeit bei der Behandlung von Krankheitserregern erforderlich ist. Unter anderen Umständen kann eine geringere Entfernung von Krankheitserregern ausreichen, beispielsweise wenn das Ziel darin besteht, empfindliche Umgebungen vor einer Kontamination mit Krankheitserregern zu schützen, wobei zur Vervollständigung des Prozesses eine anschließende Selbstreinigung der Umgebung erforderlich ist. Wenn beispielsweise Abwasser in Gebiete eingeleitet werden soll, die durch die europäische Badegewässerrichtlinie (2006/07/EG) ausgewiesen sind, und die Klassifizierung von gemessenen E. Coli- und Enterokokken-Konzentrationen in der Umwelt abhängt, müssen Abwasseraufbereitungsbetreiber möglicherweise die Einleitung von Krankheitserregern auf Oberflächengewässer. Die Anforderungen können je nach Freisetzung in Binnen- oder Küstengewässer unterschiedlich sein. In ähnlicher Weise legt die neue kodifizierte Richtlinie über Schalentiergewässer (Anbau) (2006/113/EG) Richtlinien für akzeptable Kolibakterienkonzentrationen in Schalentieren fest, die in ausgewiesenen Gebieten geerntet werden. An anderer Stelle hat die USEPA Richtlinien für die Regeln zur verbesserten Oberflächenwasseraufbereitung aktualisiert, deren Hauptziel der Schutz der Grundwasserversorgung vor pathogener Kontamination durch versickernde Oberflächengewässer ist. In diesen Fällen müssen Betreiber ihre Behandlungssysteme im Hinblick auf die Effizienz der Krankheitserregerentfernung bewerten, falls ihr Zufluss kontaminiert sein sollte.

Unter bestimmten Umständen sind Kies- und langsame Sandfiltration möglicherweise die einzigen kostengünstigen Technologien zur Entfernung von Krankheitserregern. Abhängig von den Durchflussraten, der Mediengröße und -gleichmäßigkeit sowie der Filterbetttiefe können diese Systeme sehr effektiv sein (Abbildung 1). In Tests wurden weitreichende LRV-Werte von bis zu 5 gemeldet, während Betriebserfahrungen in den USA Gesamt-LRV-Werte für coliforme Bakterien von bis zu 2,3 ​​und eine sehr effektive Entfernung von Giardien (LRV ca. 4) durch Sandfilter, insbesondere nach der Etablierung mikrobiologischer Filme, zeigen die Medien. Allerdings können die Behandlungskapazitäten gering sein und die Effizienz der Krankheitserregerentfernung kann sehr unterschiedlich sein; Insbesondere die Entfernung von Kryptosporidien hat sich im Allgemeinen als relativ schlecht erwiesen (LRV oft < 0,5).

Kostengünstige Behandlungssysteme sind bei richtiger Konstruktion in der Lage, Krankheitserreger effektiv zu entfernen. Studien an mehreren kleinen Kläranlagen in Spanien und auf den Kanarischen Inseln (Improving Coastal & Recreational Waters project, ICREW) zeigen, dass solche Anlagen in der Lage sind, die mikrobiologischen Anforderungen von Badegewässern und die städtischen Abwasserrichtlinien (71/271/EWG) zu erfüllen verschiedene konventionelle (z. B. erweiterte Belüftung, rotierender biologischer Kontaktor, Tropfkörper) und nichtkonventionelle (Stabilisierungsteiche, Torffilter, anaerobe Teiche plus Tropfkörper) Technologien.

In den USA nutzen schätzungsweise 25 % der Bevölkerung irgendeine Art von Wasseraufbereitungssystem vor Ort, eine Kontamination mit Krankheitserregern kann jedoch problematisch sein. Herkömmliche Vor-Ort-Aufbereitungssysteme arbeiten im Allgemeinen durch Schwerkraftverdrängung mit Pfropfenströmung durch das Aufbereitungssystem. Unter Spitzenabflussbedingungen können Probleme auftreten, die zu einer schlechten Behandlungseffizienz führen und möglicherweise durch einen Ausfall der Tank- oder Rohrleitungsintegrität verschlimmert werden, insbesondere wenn der Standort auf einem unbegrenzten Grundwasserleiter liegt. Verbesserte Vor-Ort-Behandlungstechnologien umfassen Zeitdosierungssysteme, die die hydraulische Verweilzeit stabilisieren und anschließend eine Reihe von Filtermedien (z. B. Sand, Torf, Textil) einsetzen. Wo kleine fortschrittliche Behandlungssysteme installiert wurden, stehen auch kleine UV-Desinfektionsgeräte zur Verfügung, um eine qualitativ hochwertige Behandlung zu erreichen.

Die Membranfiltration ist sowohl in neu gebauten Wasseraufbereitungsanlagen als auch bei der Nachrüstung bestehender Anlagen weit verbreitet. Die Membranfiltration hat im letzten Jahrzehnt als praktikabler Ansatz zur Abwasseraufbereitung an Bedeutung gewonnen, da technologische Entwicklungen die Robustheit der Membran, die Systemzuverlässigkeit und die Kosteneffizienz verbessert haben. In vielen Fällen besteht das Hauptziel eines Membranfiltrationssystems darin, suspendierte Feststoffe und den chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) zu entfernen, um strenge Einleitungsgenehmigungen einzuhalten. Die Größenausschlussfähigkeit von Mikrofiltrations- (MF) und Ultrafiltrationsmembranen (UF) zeigt das Potenzial für die gleichzeitige Entfernung von Krankheitserregern (Abbildung 2).

MF entfernt Algen, Protozoen und viele Bakterien effektiv (z. B. LRV zwischen 4 und 7 für Giardia und Cryptosporidium unter Verwendung einer 0,1-μm-Membran), insbesondere unter Testbedingungen, ist jedoch unter Betriebsbedingungen im Allgemeinen weniger gut, wenn die Membranen nicht effizient von Bakterienwachstum gereinigt werden. Die Virusentfernung durch MF ist schlecht, kann jedoch aufgrund einfacher Überlegungen zur Porengröße besser sein als erwartet, wenn Virusspezies stark mit Partikeln assoziiert sind. Dementsprechend ist für eine wirksame Virenentfernung normalerweise UF erforderlich. Die Virusentfernung durch UF ist mit Cut-Off-Membranen mit niedrigerem Molekulargewicht effizienter, da der wichtigste Entfernungsmechanismus der physikalische Ausschluss ist (der Einfluss der Mikrofilmzusammensetzung ist zweitrangig). Wichtig ist, dass die Effizienz der Pathogenentfernung unabhängig von der Qualität des Zuflusses und anderen Betriebsparametern ist und für die wichtigsten Pathogene leicht im Bereich von LRV 4 bis 7 liegt.

Durch die Membranfiltration mittels UF können Krankheitserreger in einem sehr hohen Maße wirksam entfernt werden, wie dies bei der chemischen oxidativen Desinfektion der Fall ist, ohne dass die damit verbundenen Probleme und Kosten für die Lagerung und Verwendung korrosiver Wirkstoffe anfallen. Sollte jedoch die Membranintegrität versagen (Fasern reißen, Membran wird zerkratzt usw.), entstehen erhebliche Probleme, da sich die Effizienz der Pathogenentfernung dramatisch verschlechtern kann. Die Entwicklung robuster Membranmaterialien überwindet dieses Problem, eine wirksame Abwasserüberwachung zur Identifizierung von Integritätsproblemen bleibt jedoch ein wesentlicher Bestandteil eines MF/UF-Behandlungssystems. Direkte (z. B. Drucktests) oder indirekte (z. B. Partikelüberwachung) Integritätstestansätze wurden erfolgreich eingesetzt. Für die Trinkwasserversorgung bleibt eine Nachdesinfektion nach der Membran erforderlich, um eine Sekundärdesinfektion zu erreichen.

In hochwertigen Versorgungsanwendungen haben sich Nanofiltration (NF) oder Umkehrosmose (RO) zusammen mit UV-Desinfektion bewährt. Normalerweise wird eine MF/UF-Vorbehandlung verwendet, wobei üblicherweise eine oxidative Desinfektion eingesetzt wird, um die Bildung von Biofilmen auf der NF/RO-Membran einzuschränken. UV-B- oder UV-C-Licht eignet sich am besten für die Inaktivierung von Krankheitserregern (200–310 nm), wobei Dosen von etwa 30 mWscm-2 für alle bis auf die widerstandsfähigsten Viren geeignet sind.

Bei der Aufbereitung von Wasser gegen Krankheitserreger werden Verfahren zur Entfernung und Inaktivierung von Krankheitserregern eingesetzt. Eine Reihe von Technologien, von denen viele gut etabliert sind, können eine umfassende Strategie zur Entfernung von Krankheitserregern erzielen, die ihren Zweck erfüllt. Für Trinkwasseranwendungen werden die höchsten Entfernungseffizienzen im Allgemeinen durch einen Ansatz mit mehreren Barrieren angestrebt. Eine einfache Medienfiltration kann bei ordnungsgemäßer Implementierung und Wartung ein erfolgreicher Teil dieser Strategie sein, obwohl moderne UF- oder RO-Technologien eine robuste Alternative bieten; Zur Etablierung und Aufrechterhaltung der Desinfektion ist weiterhin eine Inaktivierung erforderlich. Für allgemeinere Abwasserentsorgungsanwendungen sind MF oder UF praktikable Ansätze zur wirksamen Entfernung von Krankheitserregern in Verbindung mit anderen Zielen der Wasseraufbereitung.