Hygienisierung
von aufbereitetem Prozesswasser
aus der Lebensmittelherstellung
Von der Fakultät für Naturwissenschaften
Department Chemie
der Universität Paderborn
zur Erlangung des Grades
eines Doktors der Naturwissenschaften
-Dr. rer. nat.-
genehmigte Dissertation
von
Martin Droll
aus
Schlangen
Paderborn, 2008
1. Referent: Prof. Dr.-Ing. H.-J. Warnecke
2. Referent: Prof. Dr. M. Grote
Eingereicht am 19.08.2008
Tag der mündlichen Prüfung: 19.09.2008
Herrn Prof. Dr.-Ing. H.-J. Warnecke danke ich für die interessante Themenstellung, das große
Vertrauen in meine Arbeit, die vielen anregenden Herausforderungen sowie die finanzielle
und personelle Unterstützung, die den Erfolg dieser Arbeit erst ermöglichte.
Herrn Prof. Dr. M. Grote danke ich für die freundliche Übernahme des Korreferats.
Bei Dr. Andrea Vockel und Dr. Mike Bobert möchte ich mich für die vielen interessanten
Anregungen, Diskussionen und die sehr hilfreichen Anmerkungen zu meiner Arbeit
bedanken.
Markus Voigt gilt mein Dank für die Unterstützung im Bereich Rechnerwesen und
Datenbearbeitung sowie für die vielen intensiven Fachgespräche am Freitagabend nach
Dienstschluss.
Marlies Daniels danke ich für die schnelle Einweisung in die Probenaufarbeitung für die
mikrobiologische- und die FT-IR-Analytik.
Ich möchte mich auch bei allen anderen Kollegen und Kolleginnen in der Technischen
Chemie und chemischen Verfahrenstechnik an der Universität Paderborn bedanken, die mich
in irgendeiner Form unterstützt haben.
Herrn Prof. Dr.-Ing. N. Räbiger und den Mitarbeitern des Institutes für Umweltverfahrens-
technik der Universität Bremen danke ich für die zuverlässige Zusammenarbeit. Ganz
besonders möchte ich mich bei Sandra Manske bedanken. Ich konnte mich immer auf ihre
Unterstützung, Freundlichkeit und ihre Probensendungen verlassen.
Meinen Eltern möchte ich abschließend für die Unterstützung und das Vertrauen den größten
Dank aussprechen.
I
INHALTSVERZEICHNIS
1 EINLEITUNG, PROBLEMSTELLUNG UND ZIELSETZUNG..............................1
2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN.............................................................................5
2.1 Mikroorganismen.......................................................................................................5
2.1.1 Definition von Mikroorganismen .......................................................................5
2.1.2 Klassifizierung und Eigenschaften von Mikroorganismen.................................6
2.1.3 Osmotischer Druck und Osmoregulation............................................................9
2.1.4 Endotoxine und Exotoxine................................................................................10
2.1.5 Biofilme ............................................................................................................10
2.2 Identifikation von biogenem Potenzial...................................................................12
2.2.1 Mikrobiologische Identifizierungsmethoden nach der TVO ............................12
2.2.2 Alternativverfahren zur Detektion von Mikroorganismen................................15
2.3 Rechtliche Aspekte - Trinkwasserverordnung (TVO)..........................................19
2.3.1 Definition von Desinfektion und Sterilisation..................................................19
2.3.2 Vorgaben der Trinkwasserverordnung..............................................................19
2.4 Chemische und physikalische Trinkwasseraufbereitungsverfahren...................21
2.4.1 Reinigung durch druckgetriebene Membranverfahren .....................................21
2.4.2 Hygienische Stabilität des aufbereiteten Wassers.............................................22
2.4.2.1 Maßnahmen zur Reduzierung des Biofilmwachstums.................................24
2.4.2.2 AOC- und DOC-Gehalt................................................................................25
2.4.3 Desinfektion durch Ozon..................................................................................26
2.4.3.1 Eigenschaften...............................................................................................26
2.4.3.2 Technische Herstellung von Ozon ...............................................................27
2.4.3.3 Lösen von Ozon in wässrigen Medien.........................................................28
2.4.3.4 Inaktivierung von Mikroorganismen mit Ozon............................................28
2.4.3.5 Inaktivierungskinetik von Mikroorganismen mit Ozon...............................29
2.4.4 Desinfektion durch UV-Licht ...........................................................................32
3 VERFAHRENSENTWICKLUNG..............................................................................34
3.1 Auswahl der Testkeime............................................................................................34
3.1.1 Risikogruppen...................................................................................................34
II
3.1.2 Micrococcus luteus............................................................................................34
3.1.3 Escherichia coli .................................................................................................34
3.1.4 Bacillus atrophaeus............................................................................................35
3.2 Detektion biogenen Potenzials in membranfiltriertem Prozesswasser................37
3.2.1 Keimidentifizierung durch FT-IR Spektroskopie..............................................37
3.2.1.1 Grundlagen und Gerätebeschreibung............................................................37
3.2.1.2 Auswahl der Wellenzahlbereiche und Messmodi.........................................38
3.2.1.3 Einflussfaktoren bei der Kultivierung ..........................................................39
3.2.1.4 Probenpräparation und Messung der FT-IR Spektren..................................40
3.2.2 Keimidentifizierung nach dem DIN-Verfahren der TVO .................................41
3.2.3 Endotoxinnachweis ...........................................................................................42
3.3 Beschreibung des gesamten Kooperationsprojektes..............................................44
3.4 Anlagenkomponenten und Betrieb der Pilotanlage...............................................46
3.5 Anlagenaufbau zur Reinigung und Desinfektion ..................................................48
3.5.1 Desinfektion durch UV-Behandlung.................................................................48
3.5.1.1 Aufbau des UV-Reaktors..............................................................................48
3.5.1.2 Berechnung der Bestrahlungsdosis...............................................................49
3.5.1.3 Dosis-Wirkungsbeziehung............................................................................52
3.5.2 Anlage zur Desinfektion durch Ozon................................................................53
3.5.2.1 Wahl eines geeigneten Reaktors für die Ozondesinfektion..........................53
3.5.2.2 5 L-Laboranlage zur Desinfektion mit Ozon und UV-Licht.........................55
3.5.2.3 100 L-Technikumsanlage zur Desinfektion mit Ozon und UV-Licht..........56
3.5.2.4 Das DWA-Modul und der Ozongenerator....................................................58
3.5.2.5 Ozonmessgerät für Ozon in der Luft ............................................................60
3.5.2.6 Flüssigphasenmessgerät für Ozon ................................................................60
3.5.3 Membranfiltrationsanlage zur Untersuchung der Modellwässer.......................62
4 ERGEBNISSE UND DISKUSSION............................................................................64
4.1 Keimidentifizierung mittels FT-IR Analytik..........................................................64
4.1.1 Qualitätsprüfung von Spektren..........................................................................64
4.1.2 Aufnahme von Referenzspektren......................................................................65
4.1.3 Identitätstest.......................................................................................................66
4.1.4 Optimierung der Kultivierungsbedingungen.....................................................67
4.1.4.1 Kulturdauer...................................................................................................68
4.1.4.2 Wahl des Nährmediums................................................................................71
4.1.4.3 Fazit..............................................................................................................73
III
4.1.5 Differenzierung Gram positiver und Gram negativer Keime ...........................74
4.1.6 Ozon-Resistenzneigung in Abhängigkeit von Grameigenschaften...................75
4.1.7 Untersuchung der Barriereeigenschaften von Membranstufen.........................76
4.2 Endotoxine ................................................................................................................78
4.3 Reinigung und Desinfektion von Realwasserproben............................................80
4.3.1 Ergebnisse der chemischen Analysen der Realwasserproben...........................80
4.3.2 Verlauf der organischen Belastung nach der Membranfiltration......................80
4.3.3 Temperatur- und pH-Wert-Verläufe der Filtrate und Permeate........................82
4.3.4 Keimbelastung von Realproben aus der UF- und UO-Stufe.............................82
4.3.5 Untersuchung von Modellwasser mit einer Umkehrosmosestufe.....................85
4.4 Zusammensetzung des Modellwassers und Versuchsplanung.............................89
4.5 UV-Desinfektion .......................................................................................................91
4.5.1 Ermittlung des Transmissionsgrades ................................................................91
4.5.2 Eisen- und Mangangehalt..................................................................................93
4.5.3 Desinfektion von Realwasserproben im UV-Reaktor.......................................93
4.5.3.1 Ermittlung der Durchsatzvolumina und der Bestrahlungsdosen..................93
4.5.3.2 UV-Reaktor ohne Rückfluss ........................................................................94
4.5.3.3 UV-Reaktor mit Rückfluss...........................................................................96
4.5.4 Störfallsimulation - Desinfektion von UF-Proben............................................97
4.5.5 UV-Desinfektionsbehandlung unterschiedlicher Keime...................................98
4.5.6 UV-Desinfektionsbehandlung von Bacillus atrophaeus-Keimen...................100
4.5.7 Zusammenfassung der Ergebnisse..................................................................102
4.6 Desinfektion durch oxidative Verfahren..............................................................102
4.6.1 Desinfektion durch Wasserstoffperoxid im Batchreaktor...............................104
4.6.2 Mischverhalten in einem Semibatch-Reaktor (Blasensäule)..........................105
4.6.3 Ozonbehandlung eines UF-Filtrates im 5 L-Semibatchreaktor ......................105
4.6.4 Ozonbehandlung von UO-Permeaten im 5 L-Semibatchreaktor....................107
4.6.5 Ozonbehandlung von Modellkeimen im 100 L-Semibatchreaktor.................108
4.6.6 Ozonungsversuche während der instationären Startphase der Blasensäule im
Semibatchbetrieb.............................................................................................113
4.6.7 Ozonungsversuche während des stationären und kontinuierlichen Betriebs der
Blasensäule .....................................................................................................116
IV
4.7 Desinfektion durch eine kombinierte Ozon- und UV-Behandlung....................122
4.8 Rückverkeimung.....................................................................................................128
4.8.1 Rückverkeimung von Realproben...................................................................129
4.8.2 Untersuchung der Resistenzbildung durch wiederholte Ozonbehandlung von
Realwasser.......................................................................................................131
4.8.3 Rückverkeimung von Modellwasserproben....................................................133
4.9 Diskussion des mehrfachen Barrierekonzeptes ...................................................138
5 KOSTENKALKULATION........................................................................................140
5.1 Ozonanlage..............................................................................................................140
5.2 UV-Anlage...............................................................................................................141
5.3 Fazit..........................................................................................................................142
6 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK .............................................................143
7 ABKÜRZUNGS - UND SYMBOLVERZEICHNIS.................................................149
7.1 Symbolverzeichnis ..................................................................................................149
7.2 Abkürzungsverzeichnis..........................................................................................149
8 LITERATUR ...............................................................................................................151
1 Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung 1
1 Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung
Die ausreichende Versorgung der Menschen mit einwandfreiem Trinkwasser stellt auch im
21. Jahrhundert eine gewaltige Herausforderung dar
1
,
2
. Trotz erheblicher Wasservorkommen
in den Meeren, an Nord- und Südpol, in Form von Grundwasser, in Bächen, Flüssen und Seen
sind nur geringe Mengen tatsächlich für die Menschen zur Nutzung als Trinkwasser geeignet.
Unterschiedliche Verteilung von Niederschlagsmengen, intensive Verwendung in industriel-
len und landwirtschaftlichen Prozessen z.B. bei der Energiegewinnung und Bewässerung so-
wie der unterschiedliche Verbrauch der Ressource Trinkwasser auf den Kontinenten führen
teilweise zur dramatischen Verknappung dieses Gutes. Ungenügendes Wassermanagement
sowie wirtschaftliche Zwänge führen trotz ausreichender Wasserangebote in einigen Regionen
zu temporären Mangelsituationen. Wasserreservoire in Form von Gletschereis, das in den letz-
ten Jahrzehnten immer stärker abgeschmolzen
3
ist und somit die Speicher- und jahreszeitliche
Verteilungsfunktion einbüßt
4
, kann zur zeitweisen Verknappung der Wassermengen auch in
europäischen Regionen führen. Doch selbst in den wasserreichen und gleichzeitig stark in-
dustrialisierten Regionen Mittel- und Nordeuropas kann durch intensive Nutzungsprozesse
„Wasserstress“ entstehen. Ein Teil der Trinkwasseraufbereitungsanlagen in Deutschland wird
direkt aus Flüssen bzw. Uferfiltraten gespeist. Daraus ergibt sich eine Mehrfachnutzung von
Flusswasser, die sowohl bei der Abwasseraufbereitung als auch bei der Trinkwasserneu-
gewinnung sorgfältig berücksichtigt werden muss. Es sind also verstärkt Konzepte erforder-
lich, die in den Bereichen hoher Wassernutzung einen produktionsintegrierten Umweltschutz
gewährleisten oder ein Recycling der gebrauchten Ressource Wasser vor Ort ermöglichen.
Solche Methoden sind für Kühlkreisläufe und andere Reinigungsprozesse
5
in der Industrie seit
Jahren Stand der Technik und tragen schon jetzt zu einer deutlichen Reduktion des Frisch-
wasserbedarfes bei. Für den Bereich der Lebensmittelherstellung und/oder –verarbeitung kon-
zentriert sich diese Anwendung auf die Getränkeindustrie. Abwasserteilströme können bereits
nach dem Stand der Technik mit Hilfe verschiedener Verfahren bis zu einer hohen Wasser-
qualität gereinigt werden. Die Wiederverwendung des Prozesswassers ist dabei beschränkt auf
Spül- und Reinigungsvorgänge, bei denen es zu keiner Produktberührung kommt
6
. Allerdings
sind in den meisten Fällen die Anforderungen an die hygienische und chemische Qualität des
Wassers nicht annähernd so hoch wie die für Trinkwasser. Auf Grundlage der momentan gül-
tigen Trinkwasserverordnung ist eine erneute Nutzung von aufbereitetem Abwasser in Pro-
zessschritten, bei welchen es zum direkten Kontakt mit dem Produkt kommen kann, nicht und
bei indirektem Kontakt (Reinigungswässer) nur unter Einhaltung hoher Qualitäts- und Sicher-
heitsstandards erlaubt.
Die IPP (Integrierte Produktpolitik)-Initiative der EU-Umweltminister sieht die nachhaltige
Entwicklung der kommenden Umweltgesetzgebung vor, so dass eine Minimierung des Res-
sourceneinsatzes bei gleichzeitig hohen Umweltstandards vorrangig verfolgt wird. Gleich-
zeitig gilt es, den weltweit ansteigenden Bedarf an Lebensmitteln und Trinkwasser sowie ab-
nehmenden Trinkwasserressourcen zu berücksichtigen. Technologien zur Wassereinsparung
1 Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung 2
bei wasserintensiven Produktionsprozessen, z.B. in der Lebensmittelverarbeitung sind daher
besonders bedeutungsvoll. Ziel dieses Vorhabens ist es, durch nachhaltige Bewirtschaftung
von Wasserressourcen eine Erhöhung der umweltrelevanten Produktbewertung und Wirt-
schaftlichkeit der Produktion in der Lebensmittelverarbeitung zu erreichen. Für diese Branche
kann die Einführung von Prozesswasserrecycling erhebliche Einsparungen an Trinkwasser
bedeuten, wobei große Mengen für Blanchier- sowie Reinigungsprozesse eingesetzt werden.
Als zentrales Kriterium steht hierbei eine sicher zu gewährleistende Wasserqualität nach neuer
EU-Verordnung
7
„Wasser für den menschlichen Gebrauch“ im Vordergrund. Somit handelt es
sich um ein Projekt mit Demonstrationscharakter der Kreislaufschließung in der Lebensmittel-
industrie.
Abbildung 1: Brauchwasserherstellung mit Trinkwasserqualität aus Blancheurabwasser der
Fertiggerichteherstellung.
Abbildung 1 zeigt das vorgesehene Recyclingkonzept. Im vorliegenden Anwendungsfall be-
steht das Interesse, eine Brauchwasserherstellung mit Trinkwasserqualität aus Blancheurab-
wasser der Fertiggerichteherstellung zu realisieren. Dieser Recyclingprozess soll durch den
Einsatz einer neu entwickelten Biomembranreaktortechnik erreicht werden, die durch eine
Kombination mit Membranmodulen zur Sicherung der notwendigen hohen Wasserqualität
beiträgt. Besondere Vorteile dieses Biomembranreaktors sind die hohe Raumzeitausbeute bei
geringem Platzbedarf und ein reduzierter Energiebedarf. Zusätzlich wird die Notwendigkeit
des Einsatzes einer Desinfektionsstufe geprüft. Der gesamte Aufbereitungsprozess dient zur
produktionsintegrierten Wasserkreislaufschließung.
Ein besonderes hohes Einsparpotential in der Nahrungsmittelindustrie kann beim Blanchier-
1 Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung 3
prozess von Gemüse und Hülsenfrüchten realisiert werden. Dieser Prozess wird zur Hygieni-
sierung des Produktes und zur Verkürzung der Garzeit benötigt.
Dabei werden häufig Erbsen sowie weiße und rote Bohnen mit einem hohen Anteil an Stärke
verarbeitet. Wenn die Stärke zu einem großen Teil in das Prozesswasser übergeht, führt sie
zur Ausbildung einer zeitabhängigen, komplexen Rheologie. Durch biochemische Prozesse
wie Hydrolyse und/oder enzymatischen Abbau bzw. Umbau kann die Stärke im Wesentlichen
nach der Blanchierung über höhermolekulare Abbauprodukte (Dextrine) bis zur Glucose ab-
gebaut werden (Stärkeverzuckerung). Das rheologische Verhalten ändert sich dadurch jeweils
stark. Hinzu kommt, dass bei diesem Blanchierprozess auch eine große Menge an feinsten
Faserstoffen entsteht. Ein Abwasseraufbereitungsprozess ist somit den komplexen Anforde-
rungen unter Berücksichtigung hoher Mengen feinster Faserstoffe, schleimiger und gelartiger
Abbauprodukte und wechselnden rheologischen Verhaltens auszulegen.
Hierbei stellen insbesondere die bei Naturprodukten der Nahrungsmittelindustrie stark
schwankenden Abwassereigenschaften (z.B. variable Fracht, Viskosität bzw. komplexe Rheo-
logie) eine Problematik dar, über deren Auswirkungen auf die Effizienz selektiver Trennver-
fahren sehr wenig bekannt ist. Während z.B. die Deckschichtbildung und Hydrodynamik so-
wohl bei Membranverfahren als auch Verdampfungsanlagen relevante Einflussfaktoren für die
Wirtschaftlichkeit sind, muss der mögliche Bruch einer Barriere gegen Krankheitserreger völ-
lig ausgeschlossen werden können. Hinzu kommt, dass noch erheblicher Forschungsbedarf
über die Membrangängigkeit von Zellbestandteilen besteht.
Die notwendigen Auslegungsparameter zum sicheren Betrieb der neuen Technologie sollen an
einer Pilotanlage erarbeitet sowie die Leistungsfähigkeit aufgezeigt werden. Darüber hinaus
wird geprüft, ob bei diesem mehrstufigem Membranbarrierekonzept weitere Schritte zur Hy-
gienisierung und Einhaltung der mikrobiologischen Hygieneparameter erforderlich sind. Dazu
ist eine Erfassung von Eintragungswegen, Verkeimungsquellen, Rückverkeimungstendenzen
als auch deren Ursachen zu untersuchen. Falls weitere Maßnahmen zur Einhaltung der hygie-
nischen Qualität erforderlich sind, gilt es zu prüfen, mit welchen zusätzlichen Desinfektions-
methoden eine ökonomisch sinnvolle Realisierung dieser Ziele erreicht werden kann. Zu be-
rücksichtigen sind dabei sowohl die Rahmenbedingungen, die durch die Trinkwasserverord-
nung vorgegeben sind als auch die Praxistauglichkeit einer solchen effektiven Anlagentechnik
innerhalb des Produktionsbetriebes. Die Funktionalität und Effektivität dieser Technik muss
für den ungünstigsten Fall erprobt werden, der mit Hilfe von hohen Modellbelastungen nach-
gestellt werden kann.
Die Erprobung neuer Methoden zur schnelleren Bestimmung hygienischer Leitparameter auf
ihre Anwendbarkeit stellt ein weiteres Ziel dieser Arbeit dar. Es stellt sich auch die Frage, ob
weitere bisher nicht untersuchte Hygieneparameter eine sinnvolle Ergänzung zur Über-
wachung der hygienischen Qualität des Recyclingwassers darstellen, die eine Aussage inner-
halb kürzerer Nachweiszeiten erlauben. Die nach der TVO beschriebenen klassischen mikro-
biologischen Untersuchungsmethoden benötigen teilweise mehrere Tage bis zur eindeutigen
Identifizierung einer hygienischen Belastung. Es sollen mehrere alternative Methoden bezüg-
1 Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung 4
lich zeitnaher Analytik bei gleichzeitiger Genauigkeit und Praktikabilität getestet werden, die
den Anforderungen eines modernen Produktionsbetriebes entsprechen. Ein Optimum stellt in
diesem Zusammenhang eine einfach zu handhabende Echtzeitdetektion dar, alternativ dazu
eine sichere Prognose, dass eine ausreichende Desinfektionssicherheit gewährleistet werden
kann.
Aufgrund der angeführten Problemstellungen stehen für den betrachteten Anwendungsfall
derzeit noch keine geeigneten Systemlösungen zur Verfügung, um einen wesentlich über die
Erfüllung der gesetzlichen Pflichtaufgaben hinausgehenden Beitrag zur Umweltentlastung
bzw. Ressourcenschonung durch Kreislaufschließung leisten zu können.
2 Theoretische Grundlagen 5
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Mikroorganismen
2.1.1 Definition von Mikroorganismen
Unter dem Begriff „Mikroorganismen“ werden außer Mikroorganismen im engeren Sinn auch
andere aktive, vermehrungsfähige oder gentransferierende biologische Agenzien zusammen-
gefasst
9
.
Tabelle 1: Übersicht unterschiedlicher Formen von pathogenen Mikroorganismen
10
Eigenschaften Verursachen u. a. folgende Krankheiten
Bakterien Zellen ohne Zellkern Bakterielle Infektionen wie Darm-Infektionen, Legi-
onärs-Krankheit, Tuberkulose, Wundinfektionen.
Einzeller Zellen mit Zellkern Malaria, Schlafkrankheit
Pilze Zellen mit Zellkern Pilzbefall
Prionen Proteine BSE, Creutzfeld-Jakob, Scrapi
Viren Hülle mit DNA oder RNA AIDS, Grippe, Hepatitis, Masern, SARS, Tollwut
Viroide Minivirus Nur Pflanzenkrankheiten
Tabelle 1 gibt einen Überblick über die unterschiedlichen Formen von Mikroorganismen, ih-
ren Eigenschaften und den Krankheiten, die durch sie verursacht werden können.
In der Norm EN 12740
8
werden zusätzlich biologische Agenzien aufgeführt, die Infektionen,
Allergien oder toxische Wirkungen hervorrufen können. Endo- und Exotoxine, Parasiten,
Plasmide, Prionen, Viren, Viroide und Zellen aus pflanzlichen und tierischen Organismen
werden danach auch als Mikroorganismen definiert
9
.
Angesichts häufiger Krankheitsausbrüche durch Mikroorganismen, ist die vollständige Elimi-
nierung von Krankheitserregern das oberste Ziel bei der Hygienisierung während des Recyc-
lingprozesses von Abwasser. Umfangreiche physikalische und chemische Maßnahmen sind
dazu geeignet, Zellen abzutrennen oder chemisch zu modifizieren, so dass keine Gefahr mehr
für den Verbraucher durch die verbleibende organische Matrix zu befürchten sein sollte.
2 Theoretische Grundlagen 6
2.1.2 Klassifizierung und Eigenschaften von Mikroorganismen
Die Unterscheidung unterschiedlicher Lebensformen kann systematisch in mehrere Reiche
erfolgen
10
. Ursprünglich bestand die Auftrennung lediglich in der Differenzierung von Pflan-
zen und Tieren. Mittlerweile wurde das Klassifizierungssystem auf fünf bis acht Reiche er-
weitert, die eine stärkere Differenzierung einzelner Teilbereiche bewirkt.
Abbildung 2: Unterschiedliche Systematiken zur Einordnung von Organismen
10
Das Modell der sechs Reiche, hier dargestellt in der Abbildung 2, sieht z.B. die Unterteilung
der vier Reiche Protista, Plantae, Fungi und Animalia vor. Diese vier Reiche stellen die Euka-
ryoten dar. Die zusätzlichen zwei Reiche Bacteria (Eubacteria) und Archaea (Archaebacteria),
im fünf Reiche System zu Monera zusammengefasst, sind Prokaryoten. Im 8 Reiche System
werden die Protista zusätzlich in drei weitere Reiche aufgetrennt. Das 3-Domänensystem stellt
ein übergeordnetes Taxon dar, das über dem der Reiche angesiedelt ist. Dabei wird in diesem
Schema der Aufspaltung von Eubakterien und Archaebakterien (beides Prokaryoten) ein grö-
ßeres Gewicht beigemessen. Alle anderen Organismen gehören zur Gruppe der Eukaryoten.
Die Bezeichnung „Bakterien“ wird in der Mikrobiologie für alle mikroskopisch kleinen, meis-
tens einzelligen Organismen gebraucht, die keinen echten Zellkern besitzen und deshalb zu
den Prokaryoten gezählt werden.
Prokaryoten können folgendermaßen eingeteilt werden:
1. Bakterien mit starrer und dünner Zellwand (Gram-negative Bakterien)
2. Bakterien mit starrer und dicker Zellwand (Gram-positive Bakterien)
3. Bakterien ohne Zellwand (Mykoplasmen)
4. Bakterien mit einer Zellwand, die nicht aus Murein besteht (Archaebakterien)
Die folgende Abbildung 3 zeigt den schematischen Aufbau einer Bakterienzelle. Bakterien
(Bacteria) vom altgriechischen Wort bakterion – Stäbchen abgeleitet, bilden somit neben
Bacteria
(Eubacteria)
Archaea
(Archae-
bacteria)
Protista Plantae Fungi Animalia
Eukaryoten 3-Domänen-
System
6-Reiche-
System
Archaea
(Archae-
bacteria)
Bacteria
(Eubacteria)
(Prokaryoten) (Eukaryoten)
2 Theoretische Grundlagen 7
Eukaryoten und Archaeen eine der drei grundlegenden Domänen, in die heute eine Untertei-
lung aller Lebewesen erfolgt
10
.
Pili
Ribosomen
Geißeln
Kapsel (außen)
Zellwand (mitte)
Plasmamembran (innen)
DNA
Pili
Ribosomen
Geißeln
Kapsel (außen)
Zellwand (mitte)
Plasmamembran (innen)
DNA
Pili
Ribosomen
Geißeln
Kapsel (außen)
Zellwand (mitte)
Plasmamembran (innen)
DNA
Abbildung 3: Schematische Darstellung einer stäbchenförmigen Bakterienzelle
11
Die meisten Bakterien sind Eubakterien. Pflanzenzellen, Bakterien und Pilze unterscheiden
sich von tierischen Zellen durch die Ummantelung der Zellwand außerhalb der Plasma-
membran. Viele Prokaryoten scheiden darüber hinaus klebrige Substanzen ab, die eine weitere
schützende Hülle (Kapsel) um die Zellwand bilden
10
.
Die Zellwände der meisten Eubakterien sind aus einem Peptidoglycan aufgebaut, dem soge-
nannten Murein. Es besteht aus einer Glyco-Protein-Schicht aus Zuckermolekülen, die mit
Aminosäuren vernetzt ist. In diesen Polysaccharidketten alternieren zwei besondere Zucker
und zwar N-Acetylglucosamin und N-Acetylmuraminsäure. Das Murein spielt auch beim
Gram-Test eine entscheidende Rolle. Der Gram-Test kann zur Unterscheidung von zwei ver-
schiedenen Zellwandtypen der Bakterien verwendet werden. Die Zellen werden dazu mit Kris-
tallviolett und Iod gefärbt und dann mit Alkohol gespült. Anschließend wird eine Gegenfär-
bung mit dem roten Farbstoff Safranin durchgeführt. Gram positive Zellen besitzen innen eine
Plasmamembran und außen eine Zellwand mit einem großen Anteil an Peptidglycan (Murein),
welches das Kristallviolett nicht durchtreten lässt. Im Gegensatz dazu enthalten Gram negati-
ve Bakterien wenig Peptidglycan zwischen den beiden Membranschichten. Diese geringe
Menge Peptidglycan befindet sich in dem periplasmatischen Gel zwischen innerer Plasma-
2 Theoretische Grundlagen 8
membran und äußerer Membran. Die äußere Membran enthält Lipopolysaccharide, die meist
toxisch sind. Sie dienen dazu, dass sie sich gegen die Abwehrmechanismen anderer Organis-
men schützen können, in die sie eingedrungen sind. Die eingesetzte violette Farbe, die zur
Färbung verwendet wird, kann aus den Gram negativen Zellen leicht ausgewaschen werden.
Zurückgehalten wird jedoch die rote Farbe des Farbstoffs Safranin. Sie erscheinen also rot und
nicht kristallviolett
10
.
Die Membran besitzt eine Struktur, die aus Lipid- und Proteinmolekülen aufgebaut ist. Die
Lipidmoleküle setzen sich aus Glycerin zusammen, das mit zwei Fettsäuren verbunden ist.
Die Länge der Fettsäuren variiert von 14 bis 24 Kohlenstoffatome. Sie besteht in der Regel
aus einer oder mehreren cis-Doppelbindungen. Die dritte Bindungsstelle des Glycerins wird
durch eine Phosphat-Gruppe besetzt, die ihrerseits wiederum mit einem hydrophilen Molekül,
wie z.B. Ethanolamin, Cholin oder Serin verbunden ist
89
. Die Lipidmoleküle haben ein
hydrophiles und ein hydrophobes Ende, so dass sie in wässriger Lösung Doppelschichten aus-
bilden. Proteinmoleküle sind „gelöst“ und frei beweglich in dieser Lipid-Doppelschicht. Die
Zellmembran ist somit ein dynamisches, fluides Gebilde
12
. Abbildung 4 zeigt das Flüssig-
Mosaikmodell zur Beschreibung der Membran, die grundsätzlich jede Bakterienzelle umhüllt.
Abbildung 4: Vereinfachte schematische Darstellung des Flüssig-Mosaikmodells
11
2 Theoretische Grundlagen 9
Insgesamt dient diese Barriere zum Erhalt der lebensnotwendigen physiologischen Unter-
schiede zwischen dem Zellinneren und der Umgebung. Die Zellwand hat darüber hinaus die
Funktion, die Zelle zu stabilisieren. Außer der Stabilisierungs- und Schutzfunktion wirkt die
Membran auch als ein Filter, der unterschiedliche Ionenkonzentrationen selektiv auf beiden
Seiten aufrecht halten kann
89
. Nährstoffe können durch die Membran in die Zelle transportiert
und Abbauprodukte können hinausgeschleust werden.
2.1.3 Osmotischer Druck und Osmoregulation
Nach der Behandlung von Wasser durch eine Umkehrosmoseanlage liegt im Permeat gegen-
über dem Feedstrom und dem Retentat eine hypotonische Lösung vor, weil im Retentat eine
große Menge der Ionen zurückgehalten wird. Das bedeutet für Mikroorganismen, die mögli-
cherweise die Membranbarriere überwinden, dass sie plötzlich unter deutlich veränderten Be-
dingungen existieren müssen. Im Gegensatz zu tierischen Zellen sind sie aber durch ihre
Zellwand erheblich unempfindlicher gegenüber Schwankungen des Salzgehaltes ihrer Umge-
bung
10
. In tierischen Zellen diffundieren Wassermoleküle in isotonischen Lösungen in beide
Richtungen mit gleicher Geschwindigkeit. Erhöht sich der Salzgehalt in der Umgebung (hy-
pertonische Lösung) schrumpfen die Zellen bis sie zerstört werden. Umgekehrt findet bei sehr
niedrigem Salzgehalt in der Umgebung (hypotonische Lösung) zum Konzentrationsausgleich
eine intensive Diffusion von Wassermolekülen in die Zelle statt bis sie aufgrund der Volu-
menerhöhung platzt (lysiert). Einige Organismen ohne Zellwand, die außerhalb isotonischer
Umgebungen existieren, besitzen ein Osmoregulationssystem durch verminderten Wasser-
durchtritt oder kontraktile Vakuolen.
Fast alle prokaryoten Zellen (Bakterien) besitzen eine Zellwand. Die Aufnahme von Wasser-
molekülen durch die Zellwand (siehe Abbildung 3, Kap. 2.1.2) in einer hypotonischen Lösung
erfolgt nur solange bis der Gegendruck der elastischen Zellwand den osmotischen Druck aus-
gleicht. Bakterien besitzen einen hohen osmotischen Druck von bis zu ca. 20 bar. Das Murein
(siehe Kap. 2.1.2) in der Zellwand dient als Stützgerüst, damit die Bakterien durch die Osmo-
se nicht platzen. Es stellt aber keine Diffusionssperre dar. Prokaryoten reagieren auf solche
Stressfaktoren der Umgebung relativ unempfindlich, da sogar in bidestilliertem Wasser ein
Mikroorganismenwachstum beobachtet werden konnte
13
. Der umgekehrte Vorgang, das
Schrumpfen der Zelle (Plasmolyse) in einer hypertonischen Lösung ist reversibel und verläuft
nicht tödlich für eine Zelle mit Zellwand
10
. Erst unter sehr extremen Bedingungen sterben die
Zellen dabei ab. Genutzt wird dieser Effekt zur Konservierung von Fleisch durch Pökeln.
2 Theoretische Grundlagen 10
2.1.4 Endotoxine und Exotoxine
Die meisten pathogenen Bakterien verursachen durch die Bildung von Toxinen auf zwei un-
terschiedliche Arten Krankheiten. In Tierversuchen konnte Richard Pfeiffer neben einem hit-
zeempfindlichen Exotoxin, verursacht durch Cholerabakterien (Vibrio cholerae), auch ein
hitzestabiles weiteres Toxin isolieren, das beim Absterben der Bakterien freigesetzt wurde
14
.
Dieses bezeichnete er als Endotoxin.
Exotoxine sind Ausscheidungsprodukte von Bakterien und biochemisch betrachtet Proteine.
Sie können Symptome auslösen, ohne dass ein Bakterium tatsächlich anwesend ist. Der in der
Trinkwasserverordnung aufgeführte Keim Clostridium perfringens bildet zum Beispiel in
schlecht konservierten Lebensmitteln unter anaeroben Bedingungen ein Toxin, das die Symp-
tome des Botulismus hervorruft. Exotoxine sind starke Gifte und rufen spezifische Symptome
hervor. Vibrio cholerae (Choleraverursacher) oder bestimmte Stämme von E. coli („Reise-
durchfall“)
15
sind weitere Beispiele für Exotoxinbildner.
Liebers
14
weist darauf hin, dass Endotoxine Bestandteile der äußeren Membran bestimmter
Gram negativer Bakterien und Blaualgen sind. Sie verursachen unabhängig von der Bakterien-
art immer die gleichen allgemeinen Symptome wie Fieber, Schmerzen bis hin zum Multior-
ganversagen. Die Begriffe Endotoxin und Lipopolysaccharid (LPS) werden häufig gleichbe-
deutend angewendet. Biochemisch setzt sich LPS aus unterschiedlichen speziesspezifischen
Polysaccharidketten und aus einem relativ ähnlichen Lipid (Lipid A) zusammen, das die Toxi-
zität bewirkt. Der Polysaccharid-Anteil bestimmt die Aktivität. Da Endotoxine thermostabil
sind, eignen sich Maßnahmen, die eine kurze Erhitzung der zu desinfizierenden Produkte bei
60-70°C vorsehen, nicht für ihre Zerstörung.
Der Nachweis von Endotoxinen kann auf unterschiedliche Weise mit hoher Empfindlichkeit
erfolgen. Mehrere Nachweismethoden werden in Kap. 3.2.3 vorgestellt. Damit können Kon-
taminationsquellen untersucht und bei Bedarf Maßnahmen zur Reduzierung der Belastung
ergriffen werden.
Ein Endotoxintest kann ergänzend zur Keimzahlbestimmung angewendet werden, da er nicht
nur lebende und frei bewegliche Keime erfasst, sondern auch Zerfallsprodukte von Keimen
anzeigt, die sich im Rohrleitungssystem oder an den Wandungen von Reaktionsbehältern in
Form von Biofilmen befinden.
2.1.5 Biofilme
Mikroorganismen bilden in Biofilmen stabile und synergetische Gemeinschaften
16
. 99 % Pro-
zent aller Mikroorganismen leben in solchen Mikrokonsortien und können dort komplexe
Nährstoffe verwerten und mit Hilfe von Plasmiden Gene austauschen. Sie übernehmen den
Abbau von organischen und anorganischen Stoffen in Gewässern und Sedimenten. Dieser
Effekt wird auch in der biologischen Abwasserreinigung genutzt, nicht nur mit immobilisier-
ten, sondern auch mit mobilisierten Biofilmen, den so genannten Flocken. Wenn sie sich zu-
2 Theoretische Grundlagen 11
sammenlagern, entsteht Schlamm. Diese mikrobiellen Agglomerate werden von Flämming
etwas unpräzise, unter dem Begriff „Biofilme“ zusammengefasst. Die Gemeinsamkeit besteht
in der Matrix aus Biopolymeren, die sie zusammenhält und an Oberflächen haften lässt. Pro-
duziert werden diese extrazellulären polymeren Substanzen (EPS), die ein hoch hydratisiertes
Gel bilden, durch die Mikroorganismen selber. Biochemisch betrachtet, besteht EPS überwie-
gend aus Polysacchariden, also Kohlenhydraten, Proteinen sowie aus geringeren Anteilen von
anderen Biopolymeren
17
.
Die Bildung von Biofilmen stellt aber häufig auch ein großes Problem dar, nämlich an solchen
Stellen, an denen sie als permanente Eintragungsquelle für Mikroorganismen fungieren.
Wärmetauscher, Membranoberflächen, Wasserfilter und Trinkwasserversorgungsleitungen
sind optimale Besiedlungsflächen. Teilweise greifen sie sogar die Oberflächen an und bewir-
ken „mikrobiell beeinflusste Korrosion” (MIC) von Metallen, mineralischen Werkstoffen oder
Kunststoffen und lösen großen wirtschaftlichen Schaden aus. Es ist darüber hinaus zu berück-
sichtigen, dass Biofilme auch nach der Abtrennung durch Membranverfahren neu entstehen
können und ausreichend Möglichkeit haben, sich auf Materialien anzusiedeln.
Innerhalb des Films sind Mikroorganismen teilweise gegen Hemmstoffe und toxische Sub-
stanzen (v. a. auch Desinfektionsmittel und Antibiotika) geschützt. Die Biofilm bildenden
Bakterien sind meistens nicht pathogen, aber es können sich dort krankheitserregende Bakte-
rien und Viren einnisten, um sich so vor Desinfektionsmitteln zu schützen. Das bewirkt dann
eine deutlich höhere Resistenz gegenüber diesen Maßnahmen. Eine erhöhte mechanische und
chemische Stabilität trägt dazu bei, dass Desinfektionsmittel nur sehr schwer bis tief in den
Film vordringen können
16
. Daher sollte im Bereich der Trinkwasseraufbereitung durch die
Wahl eines geeigneten Desinfektionsverfahrens und durch andere Maßnahmen die Biofilm-
bildung unterdrückt werden oder schon entstandene Filme z.B. auf Rohrleitungen durch aus-
reichende Desinfektionsmittelmengen wieder abgelöst werden.
2 Theoretische Grundlagen 12
2.2 Identifikation von biogenem Potenzial
2.2.1 Mikrobiologische Identifizierungsmethoden nach der TVO
Die klassischen Untersuchungsmethoden der Mikrobiologie, die auch in der novellierten TVO
(2003) Anwendung finden, beruhen auf der Kultivierung von Mikroorganismen. Allerdings
werden mit diesen Methoden für die standardmäßig zu bestimmenden Keime zum Teil bis zu
fünf Tage benötigt. Einige Nachweise (wie z.B. der Nachweis von Legionellen) beanspruchen
sogar noch deutlich mehr Zeit.
Abbildung 5: Übersicht über den Analysenablauf zum Nachweis von einigen pathogenen bzw.
TVO-Keimen
In der Abbildung 5 ist der Zeitverlauf der Nachweismethode von einigen in dieser Arbeit häu-
fig untersuchten Keimen in einer Übersicht dargestellt. Es zeigt sich bei den hier aufgeführten
Nachweisen, dass teilweise mehr als 3 Tage für einen Nachweis erforderlich sind. Die Krite-
rien für heutige Methoden sind, dass die Tests schnell, einfach und spezifisch sind. Für den
Nachweis von E. coli/coliformen Bakterien ist z.B. in der TVO (2003) eine Mem-
branfiltrationsmethode unter Verwendung von Lactose TTC-Agar (ISO 9308-1) als Refe-
renzmethode genannt. Diese Methode weist nur eine geringe Selektivität auf, so dass sie defi-
nitionsgemäß nur bei desinfizierten oder sehr keimarmen Wässern eingesetzt werden sollte.
Bei anderen Wässern sind Störungen durch die Begleitflora zu erwarten. Darüber hinaus ist
auf Grund des Verzichts auf das Kriterium „Gasbildung“ eine erhöhte Anzahl auffälliger Be-
funde mit coliformen Bakterien (anaerogene coliforme Bakterien) zu erwarten
18
.
1
3
mCP-Agar + NH
4
OH Test
(anaerob)
2 Theoretische Grundlagen 13
Für Untersuchungen mit stark keimbelastetem Ausgangsmaterial, eignen sich, abweichend
von der TVO, auch Nährboden der Firma Merck mit der Bezeichnung Chromocult® Coliform
Agar. Abbildung 6 zeigt einen solchen Nährboden.
Abbildung 6: Chromocult® Coliform Agar mit E. coli Kolonien (blau-violett)
Dieser hat den Vorteil, dass neben E. coli auch coliforme Keime durch einen eindeutigen
Farbunterschied gleichzeitig erfasst werden können. Der Nachweis mit Hilfe dieser chromo-
genen Medien basiert darauf, dass coliforme Keime das Enzym -D-Galactosidase enthalten.
Daraus entsteht in Verbindung mit dem Substrat Salmon-GAL eine lachsfarbene bis rote Fär-
bung der Kolonie. E. coli besitzt neben diesem Enzym auch noch zusätzlich das Enzym -D-
Glucuronidase. Dieses erzeugt durch die Kombination mit dem Substrat X-Glucuronid eine
zusätzliche Färbung
19
. Durch die Kombination der beiden Enzym-Substrat Komplexe entsteht
dann gemeinsam ein blau-violetter Farbton, der auf der Abbildung 6 gezeigt wird. Obwohl die
Enzymaktivität nach einer Desinfektionsmaßnahme durch UV-Licht weiterhin vorhanden ist,
kann diese Nachweismethode trotzdem erfolgreich angewendet werden. Lediglich bei hohen
2 Theoretische Grundlagen 14
Konzentrationen an nicht vermehrungsfähigen E. coli-Keimen färbt sich aufgrund der Enzym-
Substratreaktion die komplette Platte leicht violett ein. Im Gegensatz dazu sind die neu gebil-
deten Kolonien von vermehrungsfähigen E. coli-Keimen durch die typischen großen, kräfti-
gen, violetten Farbpunkte weiterhin zu erkennen. Somit stört diese leichte Farbänderung der
Platte die Auszählung von vermehrungsfähigen koloniebildenden Einheiten nicht. Dieser Ef-
fekt tritt bei anderen Desinfektionsmaßnahmen gar nicht auf.
Beispielhaft für die Identifizierung von Keimen in der TVO wird der Zeitaufwand des Nach-
weises von E. coli in Abbildung 7 detailliert beschrieben.
Abbildung 7: Dauer des Nachweises von E. coli
Durch Animpfung eines Chromocult-Nährbodens (CC) mit einer verunreinigten Wasserprobe
wird eine Primärkultur herangezüchtet. Nach ca. 24 h können dann in Frage kommende Kolo-
nien isoliert werden und als Reinkulturen überimpft werden. Die Reinkulturen werden dann
auf DEV-Nährboden kultiviert und nach weiteren 24 h Inkubationszeit durch einen biochemi-
schen Nachweis eindeutig nachgewiesen. Im Fall des Chromocult® Coliform Agar kann aber
somit schon nach 24 Stunden ein potenzieller Befund angezeigt werden und entsprechende
Vorsichtsmaßnahmen eingeleitet werden. Finney et al.
20
fand in seiner Arbeit über den Ein-
satz von Chromocult® Coliform Agar bei der Untersuchung von humanen Fäkalproben, dass
eine über 88 %ige Wahrscheinlichkeit existiert, dass die durch eine blau-violette Farbe identi-
fizierten potenziellen E. coli-Kolonien auch tatsächlich einen E. coli Befund darstellen. Für
einen eindeutigen Nachweis, muss der Befund auf einem Chromocult® Coliform Agar auf
jeden Fall durch einen biochemischen Test zusätzlich eindeutig bestätigt werden. Das gilt al-
2 Theoretische Grundlagen 15
lerdings auch für den Nachweis auf dem anfangs erwähnten TTC Agar.
2.2.2 Alternativverfahren zur Detektion von Mikroorganismen
Die folgende Übersicht über neuartige Untersuchungsverfahren für Mikroorganismen gibt
einen kurzen Überblick über sehr unterschiedliche Ansätze zur Identifizierung von MO und
der Möglichkeit der Quantifizierung. Darüber hinaus findet eine Diskussion über den sinnvol-
len Einsatz für die vorliegende Arbeit statt.
Bei enzymatischen Methoden werden den Medien synthetische Substrate zugesetzt, die von
bestimmten Enzymen eines Mikroorganismus umgesetzt werden
21
. Die Auswertung erfolgt
durch die Registrierung eines an den Enzym-Substrat-Komplex gekoppelten Farbstoffes oder
Fluorogens. Ein Beispiel ist der Nachweis von E. coli mit Hilfe der Wirkung des eigenen En-
zyms -D-Glucuronidase
22
,
23
. Die Identifizierung mit dem Colilert-Test erfolgt durch den
Nachweis der -Galactosidase, ein Enzym zur Laktoseverwertung, das üblicherweise von coli-
formen Bakterien gebildet wird. Die Bearbeitungszeit zur Testdurchführung beträgt laut Her-
steller weniger als zehn Minuten, während die gesamte Nachweiszeit max. 24 Stunden be-
trägt. Das unter dem Namen Colilert bekannte Testverfahren ist mittlerweile als Alternativ-
verfahren in der novellierten TVO zugelassen. Durch den Colilert-Test werden statt ur-
sprünglich vier (TVO 1990) bzw. neun (Iso-Verfahren), mittlerweile ca. 15 Gattungen erfasst.
Die zusätzlich erfassten Gattungen sind überwiegend solche Keime, die in der Umwelt (Bo-
den und Wasser) vorkommen und nicht aus Fäkalieneintrag entstanden sind
24
.
Immunologische Verfahren basieren auf dem Prinzip, dass sog. Antikörper meistens mit spe-
zifischen Oberflächenstrukturen eines Mikroorganismus reagieren. Beispiele dafür sind der
ELISA-Test für den Nachweis von Enterobakteriaceen mittels ECA (mikrobiologisch-
immunologischer Nachweis eines Polysaccharid-Antigens
25
) und z.B. der Nachweis eines
Hitzeschockproteins von Legionellen
26
. Bei diesem Test kann allerdings nicht zwischen le-
benden, nicht vermehrungsfähigen oder abgestorbenen Keimen unterschieden werden.
Schalch
27
weist darauf hin, dass bei den modernen molekularbiologischen Methoden das ge-
netisches Material, dass für den jeweiligen Organismus unveränderlich und spezifisch ist, zur
Reaktion gebracht wird. Der Nachweis erfolgt mit Hilfe von kurzen, synthetisch hergestellten
Erkennungssequenzen, sog. Gensonden, die an das komplementäre Genmaterial spezifisch
andocken. Diese Andock- oder Hybridisierungsreaktion wird bei Abweichung einer einzigen
Nukleotidbase verhindert. Es können zwei Verfahren zur Hybridisierung unterschieden wer-
den. Die Hybridisierung bei der sog. Polymerase Chain Reaction (PCR) findet im Anschluss
einer Vervielfältigung des genetischen Materials statt, das direkte Vereinigen in der Zelle mit
der Sonde wird als „Fluoreszenz in-situ-Hybridisierung“ (FisH) bezeichnet. Um eine erfolg-
reiche Hybridisierung kenntlich zu machen, werden die Sonden mit fluoreszierenden Farbstof-
fen markiert. Es können sowohl DNA- als auch die häufigeren RNA-Sequenzen nachgewiesen
werden. Die Detektion erfolgt dann mit unterschiedlichsten Systemen. Bei der VIT-
Gensonden-Technik
27
wird mit einem Epifluoreszenzmikroskop die Auswertung durchge-
2 Theoretische Grundlagen 16
führt, während bei der Realtime-PCR durch eine Laseranregung des Reaktionsgefäßes und
anschließender Detektion der Intensität der Fluoreszenzwellenlänge eine quantitative Aussage
über die Anzahl der schon hybridisierten Sonden gemacht werden kann
28
. Häufig eignen sich
für das sequenzspezifische Realtime-PCR-System das Zielgen 16S rRNA oder 16S rDNA zur
Detektion von Eubakterien
29
, da es in fast allen prokaryotischen Zellen vorkommt. Bei den
untersuchten TVO-Keimen handelt es sich ausschließlich um Eubakterien.
Ein System der Fa. Chemunex basiert darauf, dass auf einem verwendeten Anreicherungsfilter
mit Hilfe eines Laserscans über die gesamte Oberfläche des Filters alle mit einem speziellen
Fluoreszenzfarbstoff markierten Keime erfasst werden. Das Prinzip des Flow-Cytometers
(Chemunex) basiert ebenfalls auf fluoreszenzmarkierten Keimen, die durch eine Fließzel-
le/Durchflusszelle gepumpt werden und dabei durch Laseranregung und Detektion quantifi-
ziert werden können. Dabei kommen neben genetischen auch andere schon vorab genannte
enzymatische und Antikörper basierte Markierungssysteme je nach Bedarf zum Einsatz. Der
Vorteil liegt laut Hersteller in der Schnelligkeit der kompletten Analyse, die innerhalb von
zwei Stunden ein Ergebnis liefert. Allerdings können mit diesem System bisher erst einige
Keime untersucht werden
30
.
Alle molekularbiologischen Fluoreszenzsonden haben das gemeinsame Merkmal, dass an den
untersuchten Gensequenzen oder anderen Andockstellen nicht mehr erkennbar ist, ob der zu
ihnen gehörende Organismus noch längerfristig lebensfähig oder vermehrungsfähig ist. Bei
der in dieser Arbeit verwendeten UV-Desinfektion ist die Vitalität der Keime nach der Be-
handlung auch weiterhin vorhanden, aber sie können sich nicht weiter vermehren und sterben
erst nach Tagen ab. Dadurch sind aber auch solche PCR-Methoden (genauer Reverse
Transkriptase-PCR), die einen schnellen Vitalitätstest mit Hilfe der mRNA beinhalten, für die
hier durchgeführten Untersuchungen nicht Ziel führend. Zur Erklärung: Die m-RNA wird in
abgestorbenen Zellen deutlich schneller als rRNA durch die RNasen abgebaut und kann somit
schnell zum Nachweis der Vitalfunktionen einer Zelle dienen
31
,
32
. Für ozongeschädigte, abge-
storbene Bakterienzellen könnte diese Methode eine Alternative darstellen, um einen DNA-
oder rRNA-Positivbefund nachträglich auch als lebensfähigen Keimbefund auszuweisen. Bei
einer Untersuchung, bei der nur DNA- oder rRNA-Material mit Hilfe der PCR-Technik nach-
gewiesen wird, kann nämlich nicht ausgeschlossen werden, dass noch DNA- oder rRNA-
Material kurz nach der oxidativen Behandlung vorliegt, aber der Rest der Zelle schon durch
Oxidationsprozesse teilweise zerstört wurde. Es ist also auch die Detektion von zerstörten
oder lysierten Keimen möglich, wenn nur noch die entsprechende Gensequenz vorhanden ist.
Außerdem liegt die Nachweisgrenze des PCR-Verfahrens im Bereich von wenigen Keimen
pro Milliliter. Die nach der novellierten TVO (2003) geforderten Grenzwerte und auch die
Grenzwerte der alten TVO beziehen sich aber auf Proben, die durch Membranfiltration von
100 ml Probevolumen auf einem Filter angereichert werden. Somit sind die geforderten
Grenzwerte mehrere Logarithmus-Stufen kleiner. Biologische Anreicherungsschritte dauern
24-96 Stunden und bieten nicht die absolute Sicherheit, dass sich auch wirklich der gesuchte
Keim durchsetzt und vermehrt. Deutlich häufiger liegt rRNA in den meisten Bakterienzellen
vor
33
, dadurch kann eine höhere Sensitivität eines Nachweisverfahrens erzielt werden, aller-
2 Theoretische Grundlagen 17
dings mit der gleichen Aussageproblematik. Insgesamt sind durch diese Methoden Grenzen
gesetzt, die eine schnelle Kontrolle des Erfolges der Desinfektionsmaßnahme nicht sicher er-
möglicht.
Daher können bei diesen genetischen Methoden nur durch physikalische und mikrobiologi-
sche Anreicherungsverfahren, die mindestens 24 Stunden in Anspruch nehmen, ausreichend
genaue Daten erzeugt werden, die die Anwesenheit bzw. Abwesenheit einer Spezies belegen
aber nicht deren ursprüngliches quantitatives Vorkommen. Darüber hinaus besteht bei einer
Anreicherung durch Vermehrung der MO immer die Gefahr, dass sich möglicherweise nicht
die zu untersuchenden Keime vermehren und durchsetzen, sondern andere Keime. Aber es
kann ein Rückschluss auf die Vermehrungsfähigkeit der Keime durchgeführt werden.
Allerdings bedeutet diese erzielbare Zeitersparnis einen sehr großen Vorteil gegenüber kon-
ventionellen Verfahren. Nachteilig erweist sich aber, dass der Nachweis mit Hilfe der Real-
time-PCR-Technik relativ aufwändig ist. Im Vergleich dazu bietet z.B. der Colilert-Test bei
einfachster Handhabbarkeit einen ähnlichen Zeitbedarf und lässt darüber hinaus noch quanti-
tative Aussagen zu. Eine weitere Möglichkeit zur quantitativen Bestimmung der Keimzahl
sind Transmissionsmessungen im Bereich des sichtbaren Lichts. Dabei ist darauf zu achten,
dass durch die Eigenfärbung der Nährlösung die Transmissionsmessung nicht beeinträchtigt
wird. Diese Messungen werden meistens nur zur Überwachung der Keimzahlen in Nährlösun-
gen verwendet, um eine Abschätzung der Wachstumsphase vorzunehmen. Einschränkend
wirkt sich bei diesem Verfahren aus, dass keine Unterscheidung der MO und keine Aussage
zu deren Vermehrungsfähigkeit möglich sind. Die Methode bietet kaum Möglichkeiten zur
Beurteilung der Desinfektionsleistung chemischer oder physikalischer Verfahren.
Bei der Fourier Transformierten-Infrarotspektroskopie (FT-IR) werden Isolate von kultivierten
MO vermessen
109
, daher ist also sicher, dass die Keime tatsächlich noch vermehrungsfähig
sind. Die suspendierten Isolate werden vakuumgetrocknet und dadurch bildet sich ein Film.
Dieser wird dann auf einem Probenrad vermessen und es entstehen charakteristische Schwin-
gungsmuster von Molekülen im Bereich des mittleren Infrarotbereiches (4000 cm
-1
-500 cm
-1
).
Aufgrund der chemischen Informationen, die durch ein FT-IR-Spektrum gewonnen werden
können, ist eine Identifizierung der Keime möglich, die bis auf die Stamm-Ebene reicht. Für
die Unterscheidung von sehr pathogenen und wenig pathogenen E. coli-Stämmen reichen die
Unterscheidungsmerkmale aus. Die Kultivierung und Vermessung der Isolate muss unter
Standardbedingungen erfolgen, um die geringen Differenzen in den Spektren zu erfassen.
Daraus gewonnene Datenbanken und Spektrenbibliotheken können als Vergleichsspektren zur
Identifizierung von unbekannten Keimen herangezogen werden. Die Kultivierungszeit beträgt
je nach MO 24-48 Stunden. Zusätzlich wird ca. eine Stunde Bearbeitungszeit für die Proben-
vermessung von bis zu 15 Proben in einem Lauf aufgewendet. Tabelle 2 fasst die Eigenschaf-
ten von drei aufgeführten Methoden zusammen.
2 Theoretische Grundlagen 18
Tabelle 2: Eigenschaften von unterschiedlichen Nachweismethoden: Klassische mikrobiolog.
Kultivierungsmethoden (TVO), FT-IR Analytik und Realtime-PCR
Eigenschaften
Klassische mikrobiol.
Kultivierung (TVO)
FT-IR Analytik Realtime-PCR
Zeitaufwand [d]
ca. 3-7
ca. 1-2
ca. 0,25-1
(Originalprobe)
ca. 1-4 (nach biolog.
Anreicherung)
Durchführung Kultivierung + bio-
chemische Tests
Kultivierung + FT-IR
Spektrenauswertung
DNA- oder RNA-
Nachweis
Aussage Qualitativ/ Quantitativ Qualitativ/ Quantitativ (Qualit/Quant.)
(nur An-/Abwesenheit)
Sicherheit des quali-
tativen Ergebnisses
Hoch Hoch Hoch
Quantitative Genau-
igkeit
Hoch Hoch Gering
Aufwand für quanti-
tative Aussage
Visuelle Überprüfung
auf Selektivnährböden
Abhängig von Anzahl
d. Spektrenaufnahmen
Nur sehr eingeschränkt
möglich
Nachweisgrenze Mit Membranfiltration:
ca. 1 [KBE/1000mL]
Mit Membranfiltration:
ca. 1 [KBE/1000mL]
Originalprobe ca.
20000 Keime pro
100 mL
Vermehrungsfähig-
keit der Keime
Nachweis möglich Nachweis möglich Kein Nachweis mög-
lich
Arbeitsaufwand pro
Identifikation
Mittel Mittel-Hoch Hoch
Kosten der gesamten
Analytik
Niedrig
(Nährböden und
Analysekosten)
Mittel
(Geräteanschaffungs-
und Analysekosten)
Hoch
(Geräteanschaffungs-
und Analysekosten)
Fazit: Nur zwei der drei Untersuchungsmethoden eignen sich für die quantitative Untersu-
chung von Proben nach Desinfektionsversuchen bzw. für die Untersuchung von Proben mit
geringen Mengen vermehrungsfähiger Keime. Die Realtime-PCR stellt zwar eine hervorra-
gende Methode zur eindeutigen qualitativen Bestimmung von Keimen dar, fällt aber schon
aufgrund der zu hohen Nachweisgrenze und fehlender Aussagekraft über die Vermehrungsfä-
higkeit der Keime für die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen aus. Ist der Nach-
weis der Vermehrungsfähigkeit der Keime auf Nährböden oder in entsprechenden Nährlösun-
gen erbracht, können für die qualitative Untersuchung, also der Identifikation der Keime, so-
wohl die klassischen Untersuchungsmethoden, als auch die FT-IR Analyse und auch die Un-
2 Theoretische Grundlagen 19
tersuchung mit Hilfe der Realtime-PCR und andere biochemische Methoden angewendet wer-
den.
2.3 Rechtliche Aspekte - Trinkwasserverordnung (TVO)
2.3.1 Definition von Desinfektion und Sterilisation
Eine absichtlich herbeigeführte Verminderung der Keimzahl (Reduzierung der Keimzahl)
9
wird als Desinfektion bezeichnet.
Sterilisation ist definiert als Elimination aller Mikroorganismen durch Abtrennung bzw. Abtö-
tung. Es werden dabei alle biogenen Organismen (wie Keime, Plasmide, Viren, aktive Zell-
fragmente etc.), die sich in oder an einem Gegenstand oder Material befinden, inaktiviert
8
.
2.3.2 Vorgaben der Trinkwasserverordnung
Die TVO gibt vor: „Wasser für den menschlichen Gebrauch muss frei von Krankheitserre-
gern, genusstauglich und rein sein“. Dazu muss bei der Wassergewinnung, der Wasseraufbe-
reitung und der Verteilung die allgemein anerkannten Regeln der Technik eingehalten werden
und das Wasser für den menschlichen Gebrauch den in den folgenden Kapiteln formulierten
Anforderungen entsprechen sowie die vorgegebenen Grenzwerte einhalten. Die Novellierung
der Trinkwasserverordnung, die am 1. Januar 2003 in Kraft getreten ist, stellt in §5 Absatz 1
für mikrobiologische Parameter fest, dass im Wasser für den menschlichen Gebrauch keine
Krankheitserreger im Sinne des §2 Nr. 1 des Infektionsschutzgesetzes in Konzentrationen
enthalten sein dürfen, die eine Schädigung der menschlichen Gesundheit bewirken. Eine de-
tailliertere Darstellung der Vorgaben befindet sich im Anhang unter Punkt A.3
34
.
Die Anforderungen an die Trinkwasseraufbereitungsanlagen schreiben in §5 Absatz 4 der
TVO dem Betreiber einer Wasserversorgungs- oder Wasseraufbereitungsanlage beim Nach-
weis von mikrobiologischen Belastungen, die zum Auftreten einer übertragbaren Krankheit
führen, den Einbau einer Desinfektionsanlage bei der Wasseraufbereitung vor. Darüber hinaus
gilt für Leitungsnetze oder Teile davon, in denen die Anforderungen bezüglich der mikrobio-
logischen Parameter nicht eingehalten werden können, dass der Betreiber einer Wasserversor-
gungsanlage verpflichtet ist, eine hinreichende Desinfektionskapazität in Form von Chlor oder
Chlordioxid vorzuhalten.
Zur Aufbereitung von Wasser für den menschlichen Gebrauch dürfen nur solche Aufberei-
tungsstoffe verwendet werden, die vom Bundesministerium für Gesundheit in einer Liste im
Bundesgesundheitsblatt bekannt gemacht worden sind. Diese Liste wird von der Abteilung
„Trink- und Badebeckenwasserhygiene“ des Umweltbundesamtes erstellt und fortgeführt. In
der jeweils aktuellen Fassung der Liste sind in tabellarischer Form im Teil 1-2 Aufbereitungs-
2 Theoretische Grundlagen 20
stoffe und Desinfektionsverfahren aufgeführt
34
.
Die Teile 1a und 1b führen alle gelösten, gasförmigen und festen Stoffe auf, die Wasser zuge-
führt werden dürfen. Teil 1c listet alle Aufbereitungsstoffe auf, die zur Desinfektion des Was-
sers eingesetzt werden.
Teil 2 erfasst alle zugelassenen Desinfektionsverfahren. Zugelassen sind nach diesen Tabellen
unter anderem die Erzeugung und Dosierung von Ozon und Ozonlösungen vor Ort mit einer
definierten Maximaldosierung von 10 mg/L für die Trinkwasseraufbereitung und einer End-
konzentration von 50 µg/L, wenn es dem Verbraucher zur Verfügung gestellt wird. Für Ozon-
anlagen gelten die unter §5 Absatz 4 formulierten Anforderungen bezüglich des Verteilungs-
netzes. Dieses Desinfektionsverfahren ist allerdings nicht anwendbar für die Aufrechterhal-
tung einer Desinfektionskapazität im Verteilungsnetz, da es nur über eine geringfügige De-
potwirkung verfügt.
Weitere Verfahren sind die Dosierung von Chlorgaslösungen, Dosierung von Natrium- und
Calciumhypochloritlösungen, elektrolytische Herstellung und Dosierung von Chlor vor Ort
und eine Dosierung einer vor Ort hergestellten Chlordioxidlösung. Andere Chemikalien (z.B.
Wasserstoffperoxid) sind nicht für Desinfektionszwecke sondern nur für die reine Oxidation
von Wasserinhaltstoffen vorgesehen. Für Wasserstoffperoxid gilt eine maximale Dosierung
von 17 mg/L. Die Restkonzentration bei Abgabe in ein Leitungsnetz darf nicht höher sein als
100 µg/L. Der Einsatzzweck beschränkt sich aber auf die Oxidation von Wasserinhaltstoffen
und nicht auf eine Desinfektionswirkung.
In der Liste der Wasseraufbereitungsstoffe und Desinfektionsverfahren
35
sind nur solche UV-
Anlagen zulässig, die gemäß technischer Regel geprüft sind und eine Desinfektionswirksam-
keit entsprechend einer Bestrahlungsleistung von mindestens 400 J/m² = 40 mJ/cm² (bezogen
auf die Wellenlänge von 254 nm) einhalten. Grundsätzlich ist die Behandlung mit UV-Licht
zwischen 240 und 290 nm erlaubt. Eine maximale Dosis wird nicht vorgegeben, eine Begren-
zung ist aber aus ökonomischen Gründen sinnvoll. Darüber hinaus gilt auch für UV-Anlagen,
dass das Verfahren nicht anwendbar ist für die Erzeugung einer Depotwirkung in einem Ver-
teilungsnetz. An dieser Stelle gelten wieder die unter §5 Absatz 4 erläuterten Vorgaben.
Die für dieses Projekt relevanten Verfahren, auf die in den nachfolgenden Kapiteln eingegan-
gen wird, sind die Desinfektion durch Ozon, Wasserstoffperoxid und UV-Strahlung. Mem-
branverfahren, die zur Reinigung und zur Abtrennung von Mikroorganismen eingesetzt wer-
den, bewirken nach Definition ebenfalls eine Desinfektionswirkung.
2 Theoretische Grundlagen 21
2.4 Chemische und physikalische Trinkwasseraufbereitungsver-
fahren
2.4.1 Reinigung durch druckgetriebene Membranverfahren
Grundsätzlich kommen unterschiedliche Verfahren zur Trennung von Stoffgemischen in Fra-
ge
37
. Einerseits können thermische Verfahren angewandt werden, die eine Trennung unter-
schiedlicher Komponenten mit hohem Energieaufwand ermöglichen. Diese so genannten Ver-
dampfer trennen leichter flüchtige Komponenten von schwerer flüchtigen Komponenten.
Gleichzeitig kann bei entsprechender Prozessauslegung durch die Erhitzung des zu trennenden
Mediums eine Desinfektion stattfinden. Ein solches Verfahren ist dann sinnvoll, wenn ausrei-
chende Mengen ungenutzter Abwärme vorliegen oder das zu bearbeitende Medium schon eine
große thermische Energie beinhaltet.
10
-10
10
-9
10
-8
10
-7
10
-6
1x10
-5
1x10
-4
0,1
1
10
100
gelöste Salze
Hefezellen
Bakterien
Viren
Makromoleküle
Filtration
Mikrofiltration
Nanofiltration
Umkehrosmose
Ultrafiltration
Transmembrandruck [bar]
Partikel-bzw. Molekülgröße d
p
[m]
Abbildung 8: Einsatzbereiche druckgetriebener Membranverfahren
36
Neben dieser klassischen Alternative stellen druckgetriebene Membranverfahren eine weitere
Möglichkeit zur Stofftrennung dar. Abbildung 8 veranschaulicht die Einsatzbereiche der un-
terschiedlichen Membranverfahren. Die Ordinate zeigt die typischen Transmembrandrücke,
die für eine Trennung aufgewendet werden müssen. Die Abszisse zeigt die abtrennbaren Par-
tikelgrößen bzw. den Rückhalt des biogenen Materials des jeweiligen Filtrationsprozesses.
Membranverfahren sind rein physikalisch wirkende Trennverfahren. Für einen Stofftransport
durch eine Membran ist eine entsprechend gerichtete Triebkraft erforderlich. Im Fall einer
2 Theoretische Grundlagen 22
konvektiv durchströmten Porenmembran ist die Triebkraft eine transmembrane Druckdiffe-
renz
37
.
Bei sogenannten „dichten“ Membranen, in denen fast ausschließlich diffuse Transportprozes-
se ablaufen, stellt eine Differenz der chemischen Potentiale der einzelnen Komponenten zwi-
schen Feed- und Permeatseite die Triebkraft der Permeation dar. Diese Potentialdifferenz
kann durch einen Konzentrationsgradienten der gelösten Stoffe oder eine Druckdifferenz des
Wassers erzeugt werden. Mit Hilfe des Lösungs-Diffusions-Modells kann der Mechanismus,
der dem Stofftransport durch die Membran zu Grunde liegt, beschrieben werden. Bei diesem
Modell wirkt die Membran als dichte Trennschicht. Der Feedstrom und seine gelösten Inhalts-
stoffe lösen sich in der Membran und diffundieren durch sie hindurch. Eine Komponente mit
hoher Affinität zum Membranpolymer weist eine gute Löslichkeit in dieser auf. Die Stoffe,
die zurückgehalten werden sollen, sind in der verwendeten Membran nur schlecht löslich
und/oder besitzen eine geringe Diffusionsgeschwindigkeit, so dass in der gleichen Zeit deut-
lich mehr der gewünschten Stoffe durch die Membran hindurchtreten. Bei anderen Verfahren,
wie z.B. der Elektrodialyse (ED) oder der Elektrodeionisation (EDI), die z.B. zusätzlich für
die Reinstwasserherstellung im Pharmabereich eingesetzt werden, wirkt hingegen ein ortho-
gonal zur Membran anliegendes elektrisches Feld als Triebkraft
37
. Die rein druckgetriebenen
Membranverfahren unterscheiden sich sowohl in der Trenngrenze, d.h. der Größe der ab-
trennbaren Teilchen sowie auch bezüglich der transmembranen Druckdifferenz. Die Mikrofilt-
ration wird mit dem geringsten Transmembrandruck der hier aufgeführten Filtrationsmetho-
den betrieben. Neben der Entfernung von Schwebstoffen bzw. der Aufkonzentrierung von
Suspensionen wird dieses Verfahren auch zur Abtrennung von Bakterien verwendet. Im Ge-
gensatz zu Bakterien werden Viren aufgrund ihrer geringen Größe durch Mikrofiltrations-
membranen nicht vollständig zurückgehalten. Für eine quantitative Abtrennung viraler Kom-
ponenten wird eine Ultrafiltration benötigt. Nanofiltrationsmembranen stellen eine hohe Bar-
riere für mehrwertige, anorganische Ionen dar. Für die Entfernung von einwertigen Ionen wer-
den Umkehrosmosemembranen eingesetzt. Der Rückhalt anorganischer Salze ist gegenüber
den Nanofiltrationsmembranen unselektiv und beträgt üblicherweise über 95 %. Für den
Rückhalt von Salzen, organischen Substanzen sowie von Mikroorganismen wie sie auch in
biologisch aufbereiteten Abwässern vorkommen, können Membranverfahren daher als geeig-
netes mehrstufiges Barrierekonzept fungieren. Zu berücksichtigen ist aber, dass auch nach
diesen Behandlungsmethoden weiterhin Lebensräume für Mikroorganismen entstehen.
2.4.2 Hygienische Stabilität des aufbereiteten Wassers
Desinfektionsmittel bewirken bei Mikroorganismen in Biofilmen sehr unterschiedliche Er-
gebnisse. Es sind mindestens ein bis dreifach höhere Konzentrationen und deutlich längere
Einwirkzeiten notwendig für den gleichen Desinfektionseffekt als für frei suspendierte Kei-
me
38
. Keime in Biofilmen werden häufig unvollständig abgetötet und verbleiben im System.
Daraus entwickelt sich eine mehr oder weniger schnelle Wiederverkeimung. Die Ermittelung
der erforderlichen Desinfektionsmittelmengen für die Zerstörung von Biofilmen ist aufgrund
2 Theoretische Grundlagen 23
der komplexen und schwer reproduzierbaren Matrix nur bedingt möglich.
Chlor durchdringt Biofilme nur unvollständig
39
. Bei der Untersuchung der Zusammensetzung
von Biofilm-Populationen in Trinkwasser und in den Korrosionsprodukten in Trinkwasserlei-
tungen
40
zeigte sich, dass in gechlortem Wasser erheblich weniger positive Befunde auftraten
als in ungechlortem. Viele der Keime fanden sich aber in den Korrosionsprodukten wieder.
Die Matrix aus Biofilm und Korrosionsprodukt schützt sie offensichtlich sehr wirkungsvoll
gegen das Chlor.
Pseudomonaden-Isolate, die in Biofilmen technischer Wassersysteme gefunden wurden, wie-
sen aufgrund von EPS (Extrazelluläre Polymere Substanz) eine höhere Resistenz auf
41
. EPS
wird jedoch durch Wasserstoffperoxid oder Silber angegriffen. Die Wirksamkeit von Ozon,
Cl
2
und H
2
O
2
zur Desinfektion von Biofilmen weist gravierende Unterschiede bei den erfor-
derlichen Dosierungen auf. Ozon erzielte im Vergleich zu Cl
2
und H
2
O
2
schon mit Dosen, die
geringer als 10 % der Chlordosierung und weniger als 1 % der H
2
O
2
-Dosierung betrugen, in
kürzerer Zeit bessere Ergebnisse
42
. Ähnliche Ergebnisse konnten mit Pseudomonaden und
Enterobacter erzielt werden
43
.
Zur Entfernung von Biofilmen sind relativ hohe Chlor-Dosen notwendig. Konzentration von
ca. 4 mg/L freiem Chlor und eine Einwirkungszeit von acht Stunden konnten den Biofilm auf
der Oberfläche nur um 80 % reduzieren
44
. Biofilme konnten sogar an Innenflächen von Desin-
fektionsmittelrohrleitungen isoliert werden
45
.
Einige Pathogenkeime im Wasser sind gegen Chlorung des Wassers teilweise resistent. Als
Beispiel kann hier Cryptosporidium oocysts
46
angeführt werden. Cryptosporidium ist ein Pro-
tozoen, ein einzelliger Parasit, der manchmal in Trinkwasserverteilungsnetzen vorkommt. Er
hat keine Zellwand, aber im Gegensatz zu Bakterien einen Zellkern.
Effektiv dagegen erweist sich die Behandlung mit Ozon im Rahmen der in der TVO maximal
anwendbaren Dosis. Mit Hilfe der PCR-Analytik konnte bei Ozonanwendung sogar die Zer-
störung von DNA-Material nachgewiesen werden
47
, woraus unter anderem auch Plasmide
bestehen. In technischen Systemen wird aus diesem Grund Ozon zur Ablösung und Vermei-
dung von Biofilmen eingesetzt
48
. Ozon führt kaum zur Bildung unerwünschter Nebenproduk-
te und erweist sich meistens effektiver als Chlor. Ozon weist gegenüber chlorhaltigen Oxida-
tionsmitteln sogar eine THM-reduzierende Wirkung bei der Anwendung auf Trinkwässer
auf
49
,
50
. Ozon trägt zur Schwächung der Matrix eines Biofilms in ähnlicher Weise wie Chlor
bei und wird durch Reaktion mit den EPS gezehrt. Die Stabilität des Biofilms wird durch Zer-
störung der matrixbildenden Makromoleküle zerstört. Sie werden dann durch zunehmende
Scherkräfte besser ausgetragen
51
. In Rohrleitungssystemen kann zusätzlich noch Ozon einge-
speist werden, so dass das Biofilmwachstum unterdrückt oder gebildeter Biofilm entfernt
wird
52
. Letztlich relevant an der Wasserentnahmestelle ist aber, dass die durch Oxidationspro-
zesse und Scherkräfte remobilisierte Matrix und die darin befindlichen Mikroorganismen ef-
fektiv inaktiviert werden. Besonders geeignet für die Überprüfung der Desinfektionsleistung
sind daher Keime, die eine hohe Resistenz gegenüber Desinfektionsmaßnahmen aufweisen.
2 Theoretische Grundlagen 24
Diese Resistenz kann unter anderem aufgrund von EPS- und Sporenbildung zustande kom-
men. Mit Hilfe von mobilisiertem EPS in Form von Flocken kann dann die eigentlich relevan-
te Desinfektionsleistungsfähigkeit des verwendeten Biozids untersucht werden. Dazu wird in
der Industrie häufig der Keim Bacillus subtilis verwendet
53
.
2.4.2.1 Maßnahmen zur Reduzierung des Biofilmwachstums
Um eine Reduzierung des Biofilmwachstums in Trinkwasserversorgungssystemen zu erzielen,
wird in der Literatur auf unterschiedliche Maßnahmen verwiesen. Am Wichtigsten ist die Ent-
fernung biologisch abbaubarer Inhaltstoffe (verwertbare Substrate) aus dem in das Trinkwas-
serverteilungssystem eingeleiteten Wasser. Das Wachstum der Keimzahlen steht in direktem
Zusammenhang mit dem Substratangebot
54
,
55
. Daher sollte bei der Gewinnung des Wassers
auf einen möglichst geringen Gehalt an organischer Matrix geachtet werden. Durch die An-
wendung oxidativer Verfahren wird die Bioverfügbarkeit von organischen Substanzen ten-
denziell wieder erhöht. In jedem Fall sollte bei der Installation von Trinkwasserleitungen, Be-
hältern etc. darauf Wert gelegt werden, dass es sich um biologisch stabiles Material handelt,
damit nicht schon an dieser Stelle eine Kohlenstoffquelle zur Verfügung gestellt wird. Aller-
dings ist Biofilmwachstum auf den unterschiedlichsten Materialien bekannt.
Um
56
die Unterstützung des Biofilmwachstums durch abbaubare Substanzen zu erfassen, die
aus den verwendeten Werkstoffen herausdiffundieren können, wird in Deutschland das
DVGW-Arbeitsblatt W 270 angewendet. Die Population und die Besiedlungsdichte auf ver-
schiedenen im Trinkwasser-Bereich eingesetzter Werkstoffe wurde in zahlreichen Untersu-
chungen geprüft. Dabei wurden im Wesentlichen Edelstahl, Polyvinylchlorid, Polyethylen,
Kupfer und Vergleichsmaterialien wie Glas und Paraffin untersucht. Während bei Versuchs-
zeiten von Tagen bis Wochen signifikante Unterschiede in der Besiedlungsdichte gefunden
wurden
57
, glichen sich diese bei längerer Expositionszeit wieder aus. Nach maximal neun-
monatigem Betrieb zeigten sich flächendeckende Biofilme auf PE-Rohren sowie auf bitumen-
beschichteten Stahlrohren
58
. Selbst Kupfer, dessen frische Oberfläche zunächst signifikant
geringer besiedelt wird, zeigt nach Monaten bis Jahren ebenfalls einen Biofilmbewuchs
59
.
Darüber hinaus ist die erfolgreiche anfängliche Keimzahlreduzierung (Primärdesinfektion)
relevant für die anschließende Rückverkeimungstendenz. Eine effektive Primärdesinfektion
vermindert den Eintrag von pathogenen Keimen in das Rohrleitungsnetz. Biofouling auf
Membranoberflächen oder anderen Flächen kann z.B. durch eine schwache Ozonbehandlung
erfolgreich unterdrückt werden
60
.
Des Weiteren kann die Vermeidung von strömungsfreien- oder armen Rohrleitungsabschnit-
ten in einem Leitungssystem auch zu einer Verminderung des Wachstums beitragen. Ringlei-
tungssysteme, die einen permanenten Fluss des Wassers gewährleisten, sind vorteilhaft
140
.
2 Theoretische Grundlagen 25
2.4.2.2 AOC- und DOC-Gehalt
Der AOC-Gehalt (assimilierbare organische Verbindungen) beschreibt organische Verbindun-
gen, die biologisch leicht verfügbar sind. Während der DOC alle gelösten organischen Ver-
bindungen erfasst, werden durch den AOC nur solche Verbindungen erfasst, die von Mikroor-
ganismen leicht abgebaut werden können. Der AOC-Gehalt hat somit einen entscheidenden
Anteil bei der Wiederverkeimung von Trinkwasser
61
, da sich mit einem steigenden Substrat-
angebot ein beschleunigtes Mikroorganismenwachstum einstellt. Die Anwendung oxidieren-
der Desinfektionsmittel kann nachteilige Wirkungen erzielen. Sowohl die Einwirkung von
Chlor
62
als auch von Ozon
63
,
64
auf eine organische Matrix kann zur Freisetzung biologisch
verwertbarer Abbauprodukte auch aus refraktären Stoffen führen und damit das mikrobielle
Wachstum begünstigten
65
. Organische Moleküle mit Doppelbindungen können zu Carbonsäu-
ren und Aldehyden oxidiert werden, oder es können komplette Ringsysteme gespalten werden,
und es entstehen daraus Dicarbonsäuren. Bei der Anwendung von Ozon auf einen DOC-
Gehalt wird von Maier et al.
66
eine Menge von 0,5 g bis 1,5 g Ozon je g DOC als optimale
Dosis empfohlen, da der größte Teil der bisher untersuchten verschiedenen Wirkungen des
Ozons auf die natürlichen organischen Wasserinhaltsstoffe bereits bei diesen Konzentrationen
weitgehend abgelaufen ist.
Auch in weiteren Arbeiten von van der Kooij
67
,
68
konnte nachgewiesen werden, dass die
AOC-Konzentration linear mit der Ozondosis anstieg. Es werden unterschiedliche Maßnah-
men diskutiert, um eine möglichst geringe Menge an AOC im zu behandelnden Trinkwasser
zu erzielen. Eine Variante stellt der zusätzliche Einbau einer biologischen Aufbereitungsstufe
in Form einer Aktivkohlefiltration dar
69
. Durch die Aktivkohlefiltration kann im ersten Teil
eines solchen Filters überschüssiges Oxidationsmittel adsorbiert werden. Nach Abtrennung
des Oxidationsmittels, wird dann im zweiten Teil des Filters ein ausreichender Bewuchs mit
Mikroorganismen auf der Aktivkohle immobilisiert. Durch den dort stattfindenden biologi-
schen Abbau kann eine Verringerung des AOC-Gehaltes und des Wiederverkeimungspotenzi-
als erzielt werden. Der durch Ozonung gebildete eher polare AOC-Gehalt lässt sich durch eine
rein adsorptive Aktivkohlenachbehandlung nicht ausreichend reduzieren, da tendenziell unpo-
lare Verbindungen auf der A-Kohle adsorbiert werden. Eine nachgeschaltete Maßnahme zur
Reduzierung des AOC-Gehaltes durch mikrobiologischen Abbau (Aktivkohlebiofilter) käme
in diesem Fall allerdings nur dann in Frage, wenn anschließend durch eine UV-Behandlung
remobilisierte Mikroorganismen effektiv inaktiviert werden könnten. Im vorliegenden Anla-
genkonzept ist eine Senkung des Wiederverkeimungspotential möglicherweise auch zwischen
zwei UO-Membranstufen mit einem Aktivkohlebiofilter erfolgreich einsetzbar, so dass eine
zweite UO-Stufe zur erneuten Abtrennung der erhöhten Mikroorganismenpopulation dienen
kann.
2 Theoretische Grundlagen 26
2.4.3 Desinfektion durch Ozon
2.4.3.1 Eigenschaften
Ozon stellt eine dreiatomige, allotrope Modifikation des Sauerstoffs dar
70
. Es ist ein blaues,
thermodynamisch instabiles Gas mit einem Schmelzpunkt
von
–192,5 °C und einem Siede-
punkt von –110,5 °C
78
.
Als stark endotherme und daher thermodynamisch instabile (kinetisch metastabile) Verbin-
dung neigt Ozon dazu, unter Bildung von Sauerstoff zu zerfallen. Daher ist flüssiges Ozon
selbst bei sehr niedrigen Temperaturen von -120°C noch sehr explosiv.
Die Bildung von Ozon kann durch Bestrahlung von O
2
mit UV-Licht ( < 242 nm) erzielt
werden und wird z.B. technisch in UV-Breitbandstrahlern genutzt. Die Photolyse, also der
durch Licht hervorgerufene Zerfall von Ozon, führt bei Wellenlängen > 310 nm zu O-
Atomen im Grundzustand (
3
P), mit Strahlen der Wellenlänge < 310 nm zu O-Atomen im
angeregten Zustand (
1
D)
70
. Ozon absorbiert in der so genannten Hartley Bande und zeigt so-
mit bei λ = 220 – 320 nm starke Absorption. Die Hartley-Bande besitzt in der Nähe der Wel-
lenlänge λ = 256 nm ein Maximum
78
.
In verdünntem Zustand erfolgt der Zerfall bei gewöhnlicher Temperatur nur sehr langsam. Die
Zersetzungsgeschwindigkeit in Lösung nimmt bei zunehmender Alkalität zu. Die Zerset-
zungsgeschwindigkeit wird durch Bestrahlen mit längerwelligem Ultraviolett-Licht erhöht.
Diese Eigenschaft, durch die die energiereiche UV-Strahlung der Sonne in der Stratosphäre
absorbiert wird, ist lebensnotwendig für das Leben auf der Erde
70
. Diese Eigenschaft ermög-
licht es aber auch in wässrigen Systemen, einen Zerfall des Ozons (Photolyse) in besonders
reaktive Intermediate, z.B. OH-Radikale durch UV-Quecksilberniederdruckstrahler bei einer
Wellenlänge von = 254 nm, zu bewirken. Diese kurzlebigen Zwischenprodukte sind in der
Lage, auch schwer oxidierbare organische Verbindungen anzugreifen. Darüber hinaus kann
diese Eigenschaft erfolgreich bei der Restozonreduzierung mit UV-Licht eingesetzt werden,
da durch die TVO eine Maximalkonzentration an gelöstem Ozon vor Abgabe an einen
Verbraucher in Höhe von 50 g/L vorgeschrieben ist.
Aufgrund des hohen Normalpotenzials ist Ozon neben Fluor das stärkste bekannte Oxidati-
onsmittel und wird häufig für Desinfektionszwecke verwendet. Es oxidiert fast alle Metalle
und greift die meisten anderen Stoffe an
72
, daher ist auf eine geeignete Materialwahl im Reak-
tionsbereich zu achten. Gasförmiges Ozon kann in Kontakt mit organischen Materialien z.B.
Aktivkohle, Fette, Öle und Gummi zur Explosion führen
71
. Ozon selbst brennt nicht, fördert
aber die Verbrennung anderer Substanzen. Ozon ist 1,5 mal so schwer wie Luft, aber die Ge-
fahr, dass es sich am Boden oder in Vertiefungen ansammeln könnte, ist jedoch gering, da es
im technischen Anwendungsbereich nicht als reines Gas, sondern nur im Gemisch mit Luft
oder Sauerstoff vorkommt. Die Beständigkeit des Ozons in der Gasphase nimmt mit steigen-
der Temperatur und Konzentration ab. Ozon ist in Wasser gering löslich, jedoch noch erheb-
2 Theoretische Grundlagen 27
lich besser als Sauerstoff. Bei 20 °C und einem Partialdruck von 1,013 bar beträgt die Lös-
lichkeit von Sauerstoff c = 1,38 10
-3
mol dm
-3
und von Ozon c = 1,2 10
-2
mol dm
-3
, das ent-
spricht in etwa einer 8,6 fach höheren Löslichkeit
72
.
Für die Wasseraufbereitung ist Ozon das stärkste zugelassene Oxidationsmittel. Die Zerfalls-
geschwindigkeit von im Wasser gelöstem Ozon wird außer von der Temperatur, Konzentrati-
on und dem pH-Wert auch von den organischen und anorganischen Wasserinhaltsstoffen be-
einflusst. Sie ist wesentlich größer als in der Gasphase. Hierbei ist die zerfallende absolute
Ozonmenge innerhalb eines Zeitintervalls umso größer, je höher die Ozonausgangskonzentra-
tion ist. Die Zerfallsgeschwindigkeit des Ozons ist proportional der Ozonkonzentration. Für
natürliches Wasser sind Halbwertszeiten bei 13 °C von ca. 9 Minuten gemessen worden und
bei 44 °C von 0,5 Minuten
72
. In der Praxis sollte daher aus energetischen Gründen eine über-
mäßige Ozondosierung vermieden werden, um nicht unnötig große Ozonmengen zerfallen zu
lassen. Allerdings steigert eine erhöhte Ozonkonzentration die Reaktionsgeschwindigkeit von
Wasserinhaltstoffen und es kommt insgesamt zu einer besseren Raum-Zeitausbeute im Reak-
tor.
2.4.3.2 Technische Herstellung von Ozon
Die Darstellung des Ozons erfolgt im technischen Maßstab aus molekularem Disauerstoff
70
.
Im ersten Schritt wird durch eine endotherme Reaktion molekularer Sauerstoff in einzelne
Sauerstoffatome gespalten. Im zweiten Schritt reagiert ein Sauerstoffatom mit molekularem
Sauerstoff exotherm zu Ozon. Insgesamt gilt für die endotherme Reaktion:
3/2 O
2
O
3
H= +144,44 kJ mol
-1
Das kinetisch metastabile Ozon kann technisch nach dem Prinzip des Ozonisators von W. von
Siemens (1857) durch stille elektrische Entladung gewonnen werden. Dazu wird in einem
Gasraum zwischen zwei Elektroden, die durch ein Dielektrikum getrennt sind, ein Hochspan-
nungsfeld angelegt. Beim Durchleiten eines sauerstoffhaltigen Gases kommt es zur stillen
elektrischen Entladung, die zur Ozonbildung führt.
Heute verfügbare Ozonerzeuger können nach Herstellerangaben aus technischem Sauerstoff
Ozon in einer Konzentration von bis zu 16 % (Gewichtsprozent) mit einem spezifischen
Energieaufwand zwischen 6-10 kWh pro kg erzeugen
73
. Die Anlagen werden sowohl mit vor-
geschalteten Sauerstoffflaschen als auch mit Anreicherungsmethoden betrieben. Bei der An-
reicherung können Sauerstoffgehalte von 95 % erzielt werden. Durch diese Methode kann auf
einen häufigen Wechsel von Flaschen bzw. die Einrichtung einer Sauerstoffinfrastruktur ver-
zichtet werden und die Anlage kann deutlich mobiler für Versuchsanwendungen eingesetzt
werden. Unter Sicherheitsaspekten ist die Verwendung von Anreicherungsgeräten, die direkt
im Umfeld des Ozonerzeugers installiert werden können, für Versuchsanlagen vorteilhaft.
Nicht nur von Ozon, sondern auch von reinem Sauerstoff geht ein deutliches Sicherheitsrisiko
in Bezug auf eine Brandgefahr aus.
2 Theoretische Grundlagen 28
2.4.3.3 Lösen von Ozon in wässrigen Medien
Der effektive Ozoneintrag in das wässrige Medium ist die Grundvoraussetzung für eine Reak-
tion des Ozons mit Wasserinhaltsstoffen
74
. Er kann durch Injektoren, Füllkörperkolonnen,
Waschkammern, Kreislaufbelüfter oder Fritten etc. erfolgen. Der Ort der Ozoneinspeisung
kann unabhängig vom Anwendungszweck an einer Stelle oder an mehreren Stellen im Aufbe-
reitungsvorgang vorgenommen werden (z.B. auch Kaskadenartig im Gegenstrom). Auch die
Ozonung unter erhöhten Druck findet Anwendung. Vorteilhaft wirkt sich die bessere Löslich-
keit des Ozons im Wasser aus.
Der Stofftransport des Ozons in die Flüssigphase lässt sich mit Hilfe der Zweifilmtheorie nach
Lewis und Whitman beschreiben
74
. Das Lösen von Ozon in Wasser ist ein Absorptionsvor-
gang, der in folgenden Teilschritten abläuft:
- Transport der absorbierenden Komponente (in diesem Fall Ozon) an die Grenzfläche zwi-
schen Gas und Flüssigkeit
- Durchtritt durch die Grenzfläche (Gas/Flüssigkeit)
- Transport der absorbierten Komponente in die Hauptphase also dem Flüssigkeitsinneren
(bulk-Phase).
Um eine optimale Desinfektion zu gewährleisten, sind neben der Dosiervorrichtung, dem
Stoffübergang und der Reaktionszeit auch die hydrodynamischen Verhältnisse im Reaktor
relevant. Durch Mischvorgänge muss gewährleistet sein, dass keine Toträume oder Kurz-
schlussströme auftreten
75
. Im vorgesehenen Anlagenkonzept wurde eine Blasensäule verwen-
det. Hier kann durch den Aufströmkanal oberhalb der Einlassfritte und dem am Rand entste-
henden Abströmkanal eine Durchmischung des Reaktorinhaltes realisiert werden.
2.4.3.4 Inaktivierung von Mikroorganismen mit Ozon
Zellen, die Ozon ausgesetzt sind, werden zuerst an den Kapseln, Zellwänden und Membranen
angegriffen
89
. Die Stärke der Zellwand kann dabei die Geschwindigkeit der oxidativen Zerstö-
rung der kompletten Zelle beeinflussen. Die Zerstörung der in der Membran enthaltenen Pro-
teinmoleküle wird durch Oxidation der Aminosäureresten erzielt. Die Oxidationsempfindlich-
keit des Tryptophans und Cysteins ist besonders ausgeprägt. Die Ozoneinwirkung bewirkt
durch die Oxidation der Lipide in der Zellmembran eine Modifikation der gesamten Memb-
ranstruktur, die die Permeabilität erhöht und die membrangebundenen Enzyme inhibiert. Da
die Erbinformation in Bakterienzellen nicht von einer Kernmembran im Cytoplasma geschützt
wird
10
, kann nach Zerstörung der Zellwand und der Plasmamembran sehr leicht die DNA oxi-
diert werden. Auch Plasmide, also extrachromosomatisch lokalisierte ringförmige DNA-
Doppelstränge, liegen ohne eigene Membran oder Wandung vor und sind somit nach Zerstö-
rung der Zellwand leicht oxidierbar
76
. Sogar im menschlichen Körper wird zur Abwehr von
Bakterien die Zellwand der Bakterien mit Hilfe von gebildetem Wasserstoffperoxid und auch
vermutlich mit Ozon oxidativ zerstört
77
. Die Zerstörung einzelner DNA-Fragmente durch
2 Theoretische Grundlagen 29
Ozon wird in der Arbeit von Leitzke
78
diskutiert. Dabei wurde die Ozonolyse von Thymin
und Thymidin sowie die Entstehung von Abbauprodukten unter unterschiedlichen Bedingun-
gen betrachtet.
2.4.3.5 Inaktivierungskinetik von Mikroorganismen mit Ozon
Das Ziel der Inaktivierung von Mikroorganismen mit einer Desinfektionsmethode ist eine
möglichst effektive, ökonomische und weitgehende Reduzierung der vermehrungsfähigen
Mikroorganismen
89
. Im Idealfall wird sogar eine vollständige Sterilisierung des zu behandeln-
den Produktes erzielt. Eine Rückverkeimung könnte somit vermieden werden. Aber auch eine
möglichst weitgehende Primärdesinfektion und eine Unterdrückung einer Rückverkeimung
kann als Ziel definiert werden.
Die Inaktivierung von Mikroorganismen durch Ozon ist ein komplexer Vorgang und wird von
Bünning
89
in die folgenden Teilschritte untergliedert. Ozon diffundiert an die Zelloberfläche
und reagiert mit Zellmembranbestandteilen. Von dort werden Reaktionsprodukte und Ozon in
die Zelle transportiert. Neben dem Ozon reagieren im Zellinneren auch die Reaktionsprodukte
mit Zellinhaltstoffen. Am Schluss steht der Zelltod.
Nicht oxidiertes EPS und Zellagglomerate stellen somit beim Diffusionsvorgang eine zusätz-
liche Barriere dar und können die Inaktivierung behindern.
Mit Hilfe einer reaktionstechnischen Beschreibung des Inaktivierungsprozesses ist es möglich,
den Verlauf der Keimzahlen und der Ozonkonzentration zu berechnen. Daraus lässt sich dann
eine sichere verfahrenstechnische Auslegung einer Desinfektionsanlage vornehmen
89
.
Es wurden unterschiedliche Modelle für die Desinfektion von Mikroorganismen mit Ozon
entwickelt, die Einflüsse wie pH-Wert
79
, Temperatur
80
, Kontaktzeit, Ozondosis
81
, Ozonbe-
darf
82
,
83
,
84
, Entstehung von Hydroxylradikalen
85
,
86
bzw. molekularem Sauerstoff
87
berück-
sichtigen.
Ein möglichst einfaches mathematisches Modell zeichnet sich im Idealfall durch wenige Ein-
gangsparameter, wie Startkonzentration der Mikroorganismen, spezifische Resistenz der Mik-
roorganismen, Ozonkonzentration und Einwirkzeit, aus
89
. Ein solches sogenanntes CT-
Konzept, welches die durchschnittliche Konzentration eines Desinfektionsmittels (C) multi-
pliziert mit der Kontaktzeit (T) beinhaltet, wurde von Chick und Watson
88
entwickelt und gilt
als das am häufigsten verwendete Modell und kann mit dem folgende kinetische Ansatz be-
schrieben werden
89
:
CCk
dt
dC
n
n
⋅⋅−= Glg. 1
C beschreibt die Konzentration des eingesetzten Desinfektionsmittels, C
n
ist die Lebendkeim-
zahl zur Zeit t und k ist die empirisch ermittelte Reaktionsgeschwindigkeitskonstante, die die
unterschiedlichen Resistenzen verschiedener Keime aufgrund ihres zellulären Aufbaus oder
2 Theoretische Grundlagen 30
ihrer spezifischen Schutzmechanismen beinhaltet. Mit diesem Modell können die wesentli-
chen Einflussfaktoren für die Abnahme der Keimzahl erfasst werden.
Eine Reduzierung der Lebendkeimzahl, die über mehrere Zehnerpotenzen hinausgeht, kann
aber aufgrund eines von mehreren Autoren
89
,
90
,
91
beschriebenen Tailingeffektes bei der Auf-
tragung der Lebendkeimzahl in Abhängigkeit von der Einwirkzeit durch eine Inaktivierungs-
kinetik nach dem Ansatz von Chick und Watson nicht richtig dargestellt werden. Sie vermute-
ten daher, dass es sich um einen zweistufigen Inaktivierungsprozess handelt. Bünning zeigte,
dass im Bereich des Tailings die Inaktivierung mit Hilfe einer abweichenden, zweiten Inakti-
vierungsgeschwindigkeitskonstante beschrieben werden kann. Dieser Effekt bewirkt, dass
selbst bei erhöhtem Behandlungsaufwand die nicht inaktivierten Mikroorganismen die Aus-
gangsbasis für eine schnelle Rückverkeimung sein können.
Als Ursache für das Tailing wurden unterschiedliche Effekte verantwortlich gemacht:
• Ein geringer Anteil an Mikroorganismen der gleichen Spezies besitzt eine hohe Resis-
tenz gegenüber dem Desinfektionsmittel
92
• Ausbildung unterschiedlicher Wachstumsstadien, die eine unterschiedliche Resistenz
aufweisen
93
.
• Bei weitergehenden Oxidationen bilden sich Bruchstücke von Mikroorganismen, die
sich an noch nicht geschädigte Mikroorganismen anlagern und dadurch einen effekti-
ven Ozonschutz bilden
94
.
• Eine geringe Zahl von Mikroorganismen agglomerieren und bilden damit in diesem
Zellverbund einen besonders guten Schutz gegen das Desinfektionsmittel aus
95
. Dahi
96
zeigte, dass Bakteriensuspensionen , die vor der Ozonung mit Ultraschall vorbehandelt
wurden, ein deutlich vermindertes Tailing gegenüber nicht vorbehandelten Suspensio-
nen aufweisen. Dafür spricht auch die Tatsache, dass viele Prokaryoten (Bakterien)
klebrige Substanzen abscheiden, die eine weitere schützende Hülle (Kapsel) um die
Zellwand bilden. Kapseln ermöglichen den Organismen, sich an ihr Substrat anzuhef-
ten. Gelatinöse Kapseln halten auch die Zellen vieler Prokaryoten zusammen, die in
Kolonien leben. Eine andere Möglichkeit, durch die Bakterien sich aneinander oder an
ihr Substrat heften, sind fädige Oberflächen, die als „Fimbrien“ oder Pili bezeichnet
werden
10
.
• Bünning
89
vermutete, dass die für sein Modellwasser hergestellte Biomasse, die er
durch Zentrifugation einer Nährlösung und Resuspendierung im Modellwasser ge-
wonnen hatte, trotz der Scherkräfte durch den Rührer nicht wieder vollständig verein-
zelbar war.
Die Agglomeration von Mikroorganismen spielt auch bei der Ozonung von Biofilmen eine
wichtige Rolle. Nach einer Ozonung können sich größere Zellagglomerate verbunden durch
EPS frei schwebend im Wasser befinden. Die Inaktivierung dieser Zellverbünde stellt somit
eine besondere Herausforderung dar.
2 Theoretische Grundlagen 31
Auch für fluidmechanische Modellrechnungen für UV-Anlagen
97
stellen solche Assoziate
eine große Herausforderung dar, da sie als Diskontinuitäten in Form von aus Biofilmen he-
rausgerissenen Komponenten oder Schwärme mit überdurchschnittlich hoher Organismenzahl
auftreten. Damit können sie bei der Modellerstellung nicht exakt erfasst werden. Berech-
nungsansätze sind in solchen Fällen nur auf experimenteller Basis überprüfbar. Dafür müssen
spezielle Eigenschaften, wie die Viskosität und die Assoziation der Spezies in der Flüssigkeit,
berücksichtigt werden. Für praktische Anwendungen stellt sich daher die Frage, wie für den
„Tailingbereich“ eine Optimierung des Prozesses erfolgen kann. Viele der bisherigen Unter-
suchungen beschränken sich auf den Bereich der „exponentiellen Keimabtötung“ und bieten
keine Lösung für die resistenten, verbleibenden Keime. Dieses Ziel kann durch Abtrennung,
eine optimierte Reaktionsführung, Ultraschall, die Kombination zusätzlicher Desinfektions-
maßnahmen oder ein verbessertes Anlagendesign erreicht werden.
2 Theoretische Grundlagen 32
2.4.4 Desinfektion durch UV-Licht
Die Wirksamkeit der Keimreduktion im Wasser durch UV-Bestrahlung wird durch unter-
schiedliche Faktoren beeinflusst. In der folgenden Abbildung 9 werden die von P. Gelzhäu-
ser
98
aufgeführten Einflussgrößen dargestellt.
Keim reduktion
D osis
M ikroorganism us
Bestrahlungsdauer B estrahlungsstärke
Transm ission Strahlerle istung
N utzungsdau erW asser Q u arzrohrD urchflussgeschw indigkeit
Keim tötungsw irkungs-
spektrum K eim konzentration
U V-S ensibilität Verm ehrungsrate U m gebungsfaktoren
Abbildung 9: Einflussgrößen bei der UV-Desinfektion (nach Gelzhäuser
98
)
Daraus geht hervor, dass eine Reihe von Parametern überprüft werden müssen, um festzustel-
len, ob die UV-Desinfektion für eine vorgesehene Anwendung geeignet ist. Dabei können
zwei wesentliche Einflussfaktoren unterschieden werden. Einerseits die Einflussfaktoren, die
durch die abzutötenden Mikroorganismen gegeben sind und andererseits die Einflussfaktoren,
die für die UV-Bestrahlungsdosis relevant sind.
Nach Gelzhäuser bestimmen Art und physiologischer Zustand der Mikroorganismen sowie
Umgebungsfaktoren die UV-Widerstandsfähigkeit. Für die Inaktivierung von Bakterien und
Viren sind häufig geringere Bestrahlungsstärken als für Pilze und Hefen aufzuwenden. Dar-
über hinaus weisen vegetative Formen eine höhere Empfindlichkeit auf als Sporen und benö-
tigen daher ein Mehrfaches an UV-Strahlung für eine Inaktivierung. Unterschiedliche Ernäh-
2 Theoretische Grundlagen 33
rungszustände und das Wachstumsstadium sowie unterschiedliche physikalische und chemi-
sche Parameter im Bestrahlungsmilieu beeinflussen die Wirksamkeit einer UV-Behandlung.
Für die Inaktivierung der MO ist die Strahlung im Wellenlängenbereich von = 240 - 280 nm
besonders relevant. Nukleinsäuren absorbieren in diesem Wellenlängenbereich und in Folge
von photochemischen Reaktion kommt es dabei zur Bildung von Dimeren, bevorzugt an den
Thyminbasen (Bildung von S-S Brücken). Besonders geeignet für die Inaktivierung von MO
sind Quecksilberniederdruckstrahler, die ein Maximum der spektralen Wirkungskurve bei ca.
256 nm aufweisen. Niederdruckstrahler zeichnen sich im Gegensatz zu Breitbandstrahlern
durch eine erheblich kleinere Energieaufnahme aus. Breitbandstrahler eignen sich eher für die
Zerstörung toxischer organischer Verbindungen und strahlen in einem breiten Spektralbereich
UV-Licht aus.
Die UV-Bestrahlungsdosis
98
ergibt sich aus dem Produkt der Bestrahlungsstärke (Intensität)
und der Dauer der Bestrahlung (siehe dazu auch Kap. 3.5.1.2). Die Dauer der Bestrahlung
kann am einfachsten durch die Verweilzeit des Mediums im UV-Reaktor beeinflusst werden
oder durch eine entsprechende Vergrößerung der Anlage erfolgen. Eine starke Überdosierung
sollte aus wirtschaftlichen Gründen vermieden werden, für die Wasserqualität ist keine nega-
tive Wirkung bekannt. Aktuelle und komplexere Betrachtungen erweitern den Begriff der Be-
strahlungsdauer noch um fluidmechanische Aspekte
97
. Dabei wird zusätzlich noch die Be-
strahlung der Volumenelemente entlang einer Bahnkurve innerhalb von unterschiedlichen
Reaktorgeometrien betrachtet. Dadurch wird aber lediglich das ursprüngliche und übersichtli-
che Modell von Gelzhäuser, wie es hier dargestellt wird, geringfügig erweitert. Die Bestrah-
lungsstärke hängt von der Transmission des Wassers, des verwendeten Glasmaterials im Um-
feld des Strahlers und auch von der Strahlerleistung ab. Die Wirksamkeit der UV-Strahlung
wird zusätzlich maßgeblich von der Geometrie der Strahleranordnung bestimmt. Schattenzo-
nen, Trübungen, Ablagerungen auf den Schutzrohren der Strahler müssen vermieden wer-
den
98
.
Für den stabilen Betrieb einer UV-Desinfektionsanlage sollten folgende Anforderungen be-
rücksichtigt werden: Trüb- bzw. Farbstoffe sollten im Wasser soweit reduziert werden, dass
die Wirksamkeit einer Desinfektion nicht beeinträchtigt wird. Daraus ergibt sich die Notwen-
digkeit, dass die UV-Anlage auf die maximal zu erwartende Schwächung durch Absorption
bei einer Wellenlänge von 254 nm ausgelegt sein muss oder die Verweilzeiten im Reaktor
flexibel angepasst werden können. Störende Ablagerungen auf den Strahlerschutzrohren kön-
nen durch erhöhte Eisen- und Manganionenkonzentrationen
127
hervorgerufen werden. Die
Bestrahlungsdosis kann durch einen UV-Sensor im Wellenlängenbereich von 240–290 nm
kontinuierlich überwacht werden. Damit kann im Dauerbetrieb gewährleistet werden, dass
defekte oder gealterte Strahler durch Verlust der Strahlerstärke nicht zu Einbußen der Desin-
fektionsleistung führen. Heutige Strahler können nach Herstellerangaben ca. 9000 Betrieb-
stunden ihre Strahlerstärke zu 80-90 % aufrecht erhalten.
Für die Auslegung einer UV-Anlage ist somit neben der Einhaltung der Mindestbestrahlungs-
dosis nach der TVO auch noch der Zustand der Mikroorganismen relevant.
3 Verfahrensentwicklung 34
3 Verfahrensentwicklung
3.1 Auswahl der Testkeime
3.1.1 Risikogruppen
In Risikogruppe 1 werden solche biologischen Arbeitsstoffe eingestuft, bei denen es unwahr-
scheinlich ist, dass sie beim Menschen Krankheiten verursachen. Entsprechend höher sind die
Gefahren und die daraus resultierenden Vorkehrungen in den Risikogruppen 2-4. Gruppe 4
stellt die höchste Risikostufe dar.
Für die Modellwasseruntersuchungen wurden in Bezug auf die Gefahrenklassifizierung mög-
lichst unproblematische Keime ausgewählt.
3.1.2 Micrococcus luteus
Micrococcus luteus
99
zählt zu den Gram positiven Kokken. Dieser MO ist aerob und fakulta-
tiv anaerob. Die pigmentierten Bakterien, deren gelbe und orangefarbene Kolonien sich häufig
auf Luftplatten finden, werden in die deutsche Risikobewertung 1 eingestuft
100
. Ihre Farb-
stoffpigmente sind wasserunlöslich und schützen den Organismus vor Sonnenstrahlung. Ob
ein solcher Schutzmechanismus (Pigmentbildung) auch Auswirkungen auf die FT-IR-
Spektren besitzt bzw. eine Identifikation stört, ist eine interessante Fragestellung und zeigt
sich anhand der Qualität der vermessenen Spektren.
3.1.3 Escherichia coli
Escherichia coli sind Gram negative, nicht sporenbildende, stäbchenförmige Bakterien, die zu
aeroben und fakultativ anaeroben Wachstum in der Lage sindFehler! Textmarke nicht defi-
niert.. Gram negative MO zeichnen sich durch eine dünnere Zellwand aus.
In der DSMZ
100
ist dieser MO unter der DSM Nr. 498 aufgelistet. Speziell dieser E. coli Keim
wird nach deutscher Klassifizierung in die Risikogruppe 1 eingestuft.
Die routinemäßige Untersuchung von E. coli und coliformen Bakterien in Trinkwasser ist Teil
der EN ISO 9308-1:2000 für die Trinkwasserüberwachung. Dieser Keim dient als Indiz für
fäkale Eintragungsquellen. (Die Europäische Norm EN ISO 9308-1:2000 hat den Status einer
Deutschen DIN Norm). Der Nachweis erfolgte bei den Modellwässern, die vor der Animp-
fung des Modellwassers keimfrei gehalten wurden, abweichend von der EN ISO 9308-1:2000
mit einem nach der TVO zugelassenen Alternativverfahren auf Chromocult-Nährboden. Das
aufwändigere Identifizierungsverfahren durch das Normverfahren ist bei diesen Untersuchun-
3 Verfahrensentwicklung 35
gen nicht zweckmäßig, da es sich im Reaktor um eine Monokultur handelt und somit die ver-
wendeten Kulturen schon bekannt sind.
3.1.4 Bacillus atrophaeus
Bacillus atrophaeus ist ein Gram positiver sporenbildender Keim. Er wird bei der DSMZ in
der Risikoklasse 1 nach deutscher Klassifizierung eingestuft und wird unter der Nummer 2277
geführt. Phenotypisch unterscheidet sich Bacillus atrophaeus nicht von Bacillus subtilis. Er
besitzt aber die Fähigkeit auf bestimmten Nährmedien Pigmente zu bilden
101
. Früher wurden
deshalb Bacillus atrophaeus Stämme als Bacillus subtilis var. Niger klassifiziert. Mittlerweile
wurde eine Umklassifizierung einiger Pigment bildender Bacillus subtilis-Stämme in Bacillus
atrophaeus vorgenommen. Diese Eigenschaft lässt sich besonders gut für die visuelle Unter-
scheidung auf Kulturnährmedien gegenüber anderen Keimen heranziehen (siehe dazu
Abbildung 10).
Abbildung 10: Bacillus atrophaeus auf einem Hefeextrakt-Nährboden
3 Verfahrensentwicklung 36
Bacillus atrophaeus wird daher in der Industrie häufig zur Desinfektionskontrolle von Pro-
duktionsanlagen verwendet. Grundsätzlich ist Bacillus subtilis ein ubiquitär verbreiteter Spo-
renbildner und kann aus Wasser, Luft und Boden und in besonders großer Menge aus Kom-
posterde (bis 10
7
cfu/g)
102
, isoliert werden. Damit stellt er in diesem Projekt einen realisti-
schen Modellkeim dar. Außerdem wird Bacillus subtilis im ökologischen Pflanzenanbau als
Pflanzenstärkungsmittel gegen verschiedene, vorwiegend bodenbürtige Pathogene sowie zur
Förderung des Pflanzenwuchses verwendet.
Die Gram positive Zellwand kann einem Zellinnendruck von ca. 20 bar standhalten
103
und ist
dadurch besonders stabil. Hohe Innendrücke können durch Osmoregulation bei geringen Salz-
gehalten außerhalb der Zelle entstehen. B. subtilis erweist sich gegen unterschiedlichste ex-
treme Umwelteinflüsse wie z.B. Sonnenstrahlung, pH-Wert-Schwankungen, Hitze, hyperos-
motischen oder hypoosmotischen Stress als besonders widerstandsfähig
104
,
105
. Bei Einwir-
kung von Stress muss die Zelle darauf sehr schnell mit einer entsprechenden Anpassung durch
Umstellung ihres Genexpressionsprogrammes reagieren. Dazu werden Gene aktiviert, die eine
offensive Abwehrstrategie gegen den Stressor entwickeln, dessen Beseitigung ermöglichen
oder für defensive Strategien wie Reparatur und Schutz von Zellstrukturen verantwortlich
sind. Gleichzeitig werden diejenigen Gene unterdrückt, deren Produkte nicht überlebenswich-
tig oder eine Verschwendung knapper Ressourcen bedeuten. Der komplexeste Regulations-
mechanismus der Genexpression bei Prokaryoten stellt der Sporulationsablauf dar. Die daraus
entstehende stoffwechselinaktive, dormante Endospore weist eine hohe Resistenz gegenüber
Austrocknung, Bestrahlung und hohe Temperaturen sowie andere mögliche Stressoren auf
und stellt somit einen hervorragenden Schutz gegen widrige Umwelteinflüsse dar
106
. 60 bis
100 % der im natürlichen Habitat nachgewiesenen Bakterien liegen als Sporen vor
102
.
Nachteilig wirken sich bei diesem Sporulationsprozess aber mehrere Faktoren aus. Zum einen
werden besiedelte Lebensräume aufgegeben und zum anderen finden keine Vermehrungs- und
Evolutionsprozesse mehr statt. Darum kommt die Sporenbildung als letzte Reaktion auf kriti-
sche Umweltbedingungen nur für Teile der B. subtilis-Population oder als letzter Ausweg in
Betracht. Bevor es zur Sporulation kommt, verfolgt B. subtilis daher alternative Strategien,
sich mit Stress bzw. Nährstoffmangel auseinanderzusetzen. Dazu gehören beispielsweise die
Ausbildung von Flagellen und die Chemotaxis (Bewegung in Richtung höherer Nahrungsmit-
telkonzentrationen), die Bildung von Osmoprotektiva in Reaktion auf osmotischen Stress
107
,
Regulation des Kohlenstoff- und Stickstoffhaushalts, die Bildung extrazellulärer Enzyme zur
Erschließung neuer Nahrungsquellen, die Ausscheidung von Antibiotika zur Hemmung von
Konkurrenten oder die generelle Stressantwort
108
. Dadurch wird ein Überleben unter Nähr-
stoffmangel- oder anderen widrigen Umweltbedingungen über längere Zeiträume bei gleich-
zeitiger Präsenz im Ökosystem ermöglicht. Es ist daher nicht zu erwarten, dass in einem hy-
poosmotischen Umfeld, wie es in entsalztem Wasser nach einer Umkehrosmosestufe auftritt,
mit ausreichender organischer Matrix eine Sporulation als erster Überlebensmechanismus
aktiviert wird. Wahrscheinlicher ist die Ausschüttung von EPS, die dadurch einen Schutz vor
oxidativen Prozessen darstellt. Die Eigenschaft der EPS-Bildung stellt bei der Behandlung der
Modellwässer eine besondere Herausforderung dar.
3 Verfahrensentwicklung 37
3.2 Detektion biogenen Potenzials in membranfiltriertem Pro-
zesswasser
3.2.1 Keimidentifizierung durch FT-IR Spektroskopie
3.2.1.1 Grundlagen und Gerätebeschreibung
Abbildung 11: Das Prinzip der FT-IR-Spektroskopie a) Optik (V: Verstärker; D: Detektor; S:
Strahlungsquelle; P: Probe; S1: fester Spiegel; S2: beweglicher Spiegel; ST:
Strahlteiler). b) Interferogramm. c ) Ergebnisspektrum
109
Abbildung 11 zeigt die Funktionsweise eines FT-IR Spektrometers mit allen Funktionsteilen
und ihrer Anordnung. Der Einsatz der Schwingungsspektroskopie zur Aufnahme von
Mikroorganismenspektren begann schon in den fünfziger Jahren
109
. Es konnte gezeigt wer-
den, dass unter standardisierten Präparationsbedingungen reproduzierbare Infrarotspektren zur
Bewertung von MO erhalten werden können. Durch die Weiterentwicklung der Fourier-
Transformations-Infrarot (FT-IR) Spektroskopie in den Achtziger Jahren und die Nutzung
leistungsfähiger Computer, war es möglich, Spektren von Mikroorganismen mit der für ver-
gleichende Untersuchungen notwendigen Genauigkeit aufzunehmen und mit Hilfe von um-
fangreichen Datenbanken zu speichern, auszuwerten und zu vergleichen.
Das Interferometer ist grundsätzlich aus drei Bestandteilen aufgebaut, dem Strahlteiler, einem
festen und einem beweglichen Spiegel. Aus der IR-Quelle gelangt ein gebündelter Strahl auf
den Strahlteiler, der 50 % des Lichts zum festen Spiegel durchlässt und den Rest zum beweg-
ten Spiegel reflektiert. Die jeweiligen Strahlanteile werden von den Spiegeln wieder zurückre-
flektiert und rekombinieren an dem Strahlteiler. In Abhängigkeit von der Position des beweg-
ten Spiegels, d.h. je nach Gangunterschied der rekombinierten Strahlung, werden sie zur ver-
3 Verfahrensentwicklung 38
stärkenden oder auslöschenden Interferenz gebracht und erzeugen damit einen veränderten
resultierenden Strahl. Dieser durchdringt die Probe, wird selektiv absorbiert und gelangt zum
Detektor. Am Detektor wird ein Signal erzeugt, dass aus der Summe aller modulierten Einzel-
frequenzen besteht abzüglich der absorbierten Strahlung. Eine elektronische Steuerung regelt
den Vorschub des beweglichen Spiegels und markiert an den maximalen Auslenkungspunkten
einen Scan.
Für die Mittelwertbildung werden mehrere Scans gesammelt, insbesondere für die Aufnahme
von Mikroorganismenspektren werden bis zu 64 Scans vom Gerätehersteller empfohlen, um
so das Signal/Rausch-Verhältnis zu verbessern. Ein Interferogramm wird durch die Aufzeich-
nung der Intensität der IR-Strahlung gegen die Spiegelposition erhalten. Es ist aber zur Aus-
wertung noch nicht geeignet. Es entsteht durch Überlagerung von reinen Sinusschwingungen.
Mit Hilfe der Fourier Transformation können diese Sinusschwingungen in ein Spektrum um-
gerechnet werden. Erst dadurch wird eine Darstellung der Intensität in Abhängigkeit von Wel-
lenlänge oder Frequenz möglich
109
.
In der folgenden Aufzählung sind die Vorteile von FT-IR Spektrometern gegenüber dispersi-
ven Geräten aufgeführt:
a) Mit heutigen FT-IR Spektrometern ist die Erfassung mehrere Scans/s möglich, dass
bedeutet einen höheren Probendurchsatz und Erhöhung der Scanrate pro Probe mit der
Folge einer Verbesserung des Mittelwertspektrums und des Signal/Rausch-
Verhältnisses. Daraus resultiert ein Zeitvorteil.
b) Der gesamte gebündelte Lichtstrahl trifft auf die Probe. Bei Wellenlängendispersiven
IR-Spektrometern wird nur ein kleiner Teil auf die Probe gelenkt. Das führt zur Redu-
zierung der Energieausbeute.
c) Durch einen Laser und eine Regelung wird die Position des beweglichen Spiegels im
Interferometer bestimmt, dadurch kann eine exakte Kalibrierung der Wellenzahlen
durch diesen internen Standard erfolgen. Für die extrem geringen Unterschiede der
MO-Spektren bedeutet das einen wichtigen Vorteil.
d) Es werden digitalisierte Spektren erzeugt
3.2.1.2 Auswahl der Wellenzahlbereiche und Messmodi
Die in einem Spektrum enthaltenen Informationen sind über den gesamten Spektralbereich
ungleichmäßig verteilt. Einzelne Bereiche haben sich als geeigneter für eine Auswertung er-
wiesen als andere
109
. Diese spektralen Abschnitte oder Fenster können näherungsweise be-
stimmten Stoffklassen oder Zellkomponenten zugeordnet werden. Die Auswahl dieser Fre-
quenzbereiche beruht auf Empirie mit ausgewählten Organismengruppen. Gegebenenfalls
können auch mehrere Wellenzahlbereiche herangezogen werden, um alle relevanten spektro-
skopischen Daten bei der Auswertung zu berücksichtigen. Tabelle 3 zeigt die sechs wichtigs-
ten Wellenzahlbereiche für die mikrobiologische Diagnostik.
3 Verfahrensentwicklung 39
Tabelle 3: Zuordnung der Wellenzahlbereiche zu typischen Verbindungen, die bei Mikroorga-
nismen zu einem Signal führen
109
Wellenzahlbereich [cm
1
]
Bezeichnung
3000-2800 1. Fettsäurebereich
Fettsäuren der Membran
1800-1500 Amidbereich
Ester
1500-1200 Gemischter Bereich
1500-1400 2. Fettsäurebereich
Fettsäuren der Membran
1200-900 Polysaccharidbereich
Polysaccharide der Zellwand
900-700 Fingerabdruckbereich
Für die Untersuchung der Grameigenschaften ist die Zusammensetzung der Zellmembran
bzw. Zellwand von besonderer Bedeutung, daher sind die drei Bereiche 3000-2800 cm
-1
,
1500-1400 cm
-1
und 1200-900 cm
-1
besonders relevant. Eine Zuordnung zur Gruppe Gram
positiv oder Gram negativ kann durch Wahl nur dieser drei Bereiche sehr gut durchgeführt
werden. Auch hier gilt wieder, dass die Gewichtung der drei Teilbereiche empirisch erfolgen
muss. Begonnen wird bei der Optimierung der Gewichtungsfaktoren mit einer Gleichgewich-
tung aller drei Teilbereiche (1:1:1).
Für die mikrobiologischen Diagnostik eignen sich besonders die Methoden „Scaling to 1st
Range“ und „Normal to Reprolevel“. Sie bewirken eine unterschiedliche Skalierung der Dis-
tanzwerte der einzelnen Wellenzahlbereiche. Beim „Scaling to 1st Range“ wird eine Skalie-
rung der Distanzwerte unterschiedlicher gewählter Wellenzahlbereiche auf den zuerst ausge-
wählten Wellenzahlbereich durchgeführt. Der erste Wertebereich bestimmt somit die Zahlen-
werte im Dendrogramm. Im Gegensatz dazu werden beim Modus „Normal to Reprolevel“ die
Distanzwerte aller Wellenzahlbereiche entsprechend der Reproduzierbarkeit der FT-IR Spekt-
ren normiert. Das erfolgt durch Bildung des Quotienten aus den Distanzwerten eines Wellen-
zahlbereiches und des spezifischen Reproduktionsniveaus dieses Wellenzahlbereiches.
3.2.1.3 Einflussfaktoren bei der Kultivierung
Die FT-IR Technik kann nur dann erfolgreich in der mikrobiologischen Diagnostik eingesetzt
werden, wenn reproduzierbare Kultivierungsbedingungen eingehalten werden. Die Untersu-
chung erfolgt dabei auf Agarplatten, auf denen im Drei-Quadrantenverfahren die zu messen-
den Organismen ausgestrichen und inkubiert werden, wobei die Dauer abhängig vom Orga-
3 Verfahrensentwicklung 40
nismus ist, aber bei den meisten Stämmen ungefähr 24 h +\- 1 h beträgt. In einigen Fällen ist
aber auch eine höhere Inkubationsdauer notwendig. Für die meisten TVO-relevanten Stämme
beträgt die Inkubationstemperatur 36 +\- 1 °C. Nur bei gleichen Bedingungen können Unter-
schiede in den Spektren eindeutig auf die Organismen zurückgeführt werden. Tabelle 4 zeigt
die wichtigsten Faktoren wie Zusammensetzung und Vorbehandlung des Nährmediums, Kul-
tivierungstemperatur, Kultivierungsdauer und der Trocknungsgrad der vermessenen Filme, die
standardisiert gehalten werden müssen.
Tabelle 4: Einfluss unterschiedlicher Parameter auf die FT-IR-Messung
109
Parameter Einflussstärke
Nährmedium +++
Trocknung der Filme +++
Temperatur der Kultivierung ++
Kultivierungsdauer ++
Ausstreich- und Erntemodus +
Spektrometer (bzw. Spektrometertyp) +
+++ sehr starker Einfluss, ++ deutlicher Einfluss, + relativ geringer Einfluss
Die hohe Selektivität der FT-IR-Technik ermöglicht auch Differenzierungen sehr nah ver-
wandter Gruppen von Bakterien. Häufig können sogar Unterscheidungen zwischen verschie-
denen Stämmen ein und derselben Spezies
109
vorgenommen werden. Diese hohe Spezifität
sowie die standardisierten experimentellen Abläufe als auch die kurzen Messzeiten (innerhalb
kurzer Zeit nach Fertigstellung der Probenpräparate können Spektren erstellt werden) machen
die FT-IR-Analytik für unterschiedlichste mikrobiologische Anwendungsfelder zu einer effek-
tive Methode.
3.2.1.4 Probenpräparation und Messung der FT-IR Spektren
Die Spektren wurden mit dem FT-IR Spektrometer IFS 28/B der Firma Bruker aufgenommen.
Die Kultivierung der Bakterien erfolgte auf unterschiedlichen Nährmedien zwischen 24 und
48 Stunden. Anschließend wurden die Kolonien von der Oberfläche der Nährmedien vorsich-
tig mit einer Platinöse aufgenommen. Dabei muss sehr genau darauf geachtet werden, dass
kein Nährmedium auf die Platinöse verschleppt wird. Diese geringe Menge an Mikroorganis-
men wird dann in 75 µL Wasser suspendiert. Idealerweise lässt sich die Suspendierung mit
einer Platinöse durchführen, die auf einem Elektromotor aufgesteckt ist. Durch die Vibratio-
nen mit hoher Frequenz können die Mikroorganismen nach ca. 15 s homogen suspendiert
werden. Des Weiteren wird zusätzlich ca. 20 s mit einem Vortexer homogenisiert. Danach
wird jeweils 35 µL der Probe auf das 15 Proben fassende Probenrad mit einer Eppendorf-
Pipette aufgetragen. Es wird somit aus einer angefertigten Probe jeweils eine Doppelbestim-
mung durchgeführt. Dabei ist darauf zu achten, dass keine Luftblasen auf dem Probentropfen
3 Verfahrensentwicklung 41
entstehen. Der Probentropfen wird auf dem ZnSe-Probenrad durch einen hydrophoben Ring
auf eine kreisförmige Ebene mit einem Durchmesser von ca. 0,5 cm fixiert.
Abbildung 12: Probenrad mit Suspension vor der Vakuumtrocknung
Anschließend wird das Probenrad in einem Exsikkator durch Anlegen eines Vakuums von
0,6-0,8 bar Unterdruck zu einem trockenen Bakterienfilm eingedampft
109
. Nach ca. 60-80
Minuten Trocknungszeit kann das Probenrad dann senkrecht in den Probenschacht des FT-IR
Strahlenganges eingelegt und durch einen vollautomatischen Probenwechselmechanismus
vermessen werden. Als Software zur Messung und Auswertung der Spektren diente die OPUS
4.0 (optics user software) Version der Fa. Bruker. Als Messmethode wurde das Programm
Mikro.XPM mit einer Scanrate von 64 Scans pro Probe verwendet.
3.2.2 Keimidentifizierung nach dem DIN-Verfahren der TVO
Mit Hilfe des Membranfilterverfahrens
110
wird die Koloniezahl in 100 mL Proben bestimmt.
Das Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlammuntersuchung nach DIN 38411-
5: 1983-02 wird zur Bestimmung der Zahl bestimmter vermehrungsfähiger Keime (Kolonie-
3 Verfahrensentwicklung 42
zahl) bezogen auf ein Volumen mit Hilfe eines Membranfilters herangezogen. Als Filter wur-
den Cellulosenitrat-Filter der Fa. Satorius mit der Porenweite 0,45 µm und 0,2 µm eingesetzt.
Für die Erfassung von Keimsporen, z.B. beim Nachweis von Clostridiensporen, sind die Filter
mit einer Porenweite von 0,2 µm erforderlich. Ansonsten können die Filter mit der Porenweite
0,45µm verwendet werden.
3.2.3 Endotoxinnachweis
Die Bestimmung von Endotoxinen wurde zur Vermeidung von pyrogenen (Temperatur erhö-
hende) Nebenwirkungen durch Parenteralia entwickelt. Es handelt sich dabei um Medikamen-
te, die direkt z.B. durch Infusion in die Blutbahn injiziert werden, im Gegensatz zu vielen z.B.
oral verabreichten Präparaten. In den 40er Jahren wurde für diese Untersuchungen der Kanin-
chen-Pyrogentest und in den 70er Jahren der Amöbozyten-Lysat-Test entwickelt
14
.
Mit dem Kaninchen-Pyrogentest konnte die Pyrogenfreiheit von Arzneimitteln mit einem ho-
hen Standard etabliert werden. Der Test ist zwar ein aufwändiger Tierversuch, weist aber den
Vorteil auf, bekannte und noch unbekannte Pyrogene zu erfassen. Allerdings ist die Übertrag-
barkeit der Ergebnisse vom Tier auf den Menschen nicht vollständig gegeben. Im Gegensatz
dazu erlaubt der Limulus-Amöbozyten-Lysat-Test (LAL-Test) auch quantitative Aussagen. Er
ist insgesamt sensitiver und besser standardisierbar. Aber auch dieser Test ist störanfällig und
ein Tierversuch
14
.
Der LAL-Test nutzt den Effekt, dass die Hämolymphe des Limulus polyphemus (Pfeil-
schwanzkrebs) bei Anwesenheit von Endotoxinen koaguliert. Als Referenztest wird ein che-
misch reines Standard-Lipopolysaccharid verwendet. Als Hämolymphe wird die Körperhöh-
lenflüssigkeit der Insekten bezeichnet. Sie enthält Plasma und die Blutzellen
10
.
Nachgewiesen werden mit dem LAL-Test ungebundene Lipopolysaccharid-Moleküle. Aktive
Moleküle bewirken die Freisetzung von Botenstoffen aus den Zellen. Außerhalb des Körpers
liegen sie nur teilweise frei vor und werden erst nach Aufnahme von eingeatmeten Partikeln
durch den Körper und eine biochemische Umsetzung freigesetzt
14
.
Es zeigte sich bei Rylander
111
, dass der LAL-Test (Aktivitätstest) bis zu 30-50 fach niedrigere
Werte aufwies im Vergleich zu einem Nachweis, der nur die chemische Verbindung anzeigt.
Liebers et al.
14
weist auch auf neue Nachweismethoden mit Hilfe von Gaschromatographie/
Massenspektrometrie-Kopplung hin, die charakteristische 3-Hydroxy-Fettsäuren der Lipopo-
lysaccharide zur Endotoxinquantifizierung nutzen.
Das Europäisches Pharmakopöe (Ph.Eur /Europäisches Arzneibuch) weist auf fünf Verfahren
zur Durchführung der Prüfung auf Endotoxine hin: Gelbildungs-Grenzwert-Methode, halb-
quantitative-Gelbildungs-Methode, kinetisch-turbimetrische Methode, kinetische Methode mit
chromogenem Peptid und die Endpunktmethode mit chromogenem Peptid. Die erste Methode
kann immer dann verwendet werden, wenn keine andere Methode gefordert wird und das gilt
auch für den Fall der Wassermonographien der Ph. Eu
112
.
3 Verfahrensentwicklung 43
Als standardisierte Methode im Bereich des Arbeitsschutzes wurde allerdings der chromogen-
kinetische Limulustest im Jahr 1997 durch das BIA-Merkblatt 9450 (Berufsgenossenschaftli-
cher Arbeitsschutz) allgemein eingeführt
14
.
Der in diesen Untersuchungen verwendete Test der Fa. Pyroquant Diagnostik GmbH (Kap.
4.2), bietet einen optimierten, einfach zu bedienenden Endotoxinnachweis an, der schon nach
27-28 Minuten das Testergebnis liefert. Die Validierung für jede Testcharge befindet sich als
Positiv-Kontrollröhrchen in jedem Testkit. Das „Testkit Pyrosate TM für Endotoxinbestim-
mung in Wasser und Dialysaten“ weist eine Empfindlichkeit von 0,25 EU/mL auf. Es handelt
sich dabei um die vorab beschriebene Gelbildungs-Grenzprüfung.
Jeder dieser Tests beinhaltet zwei Probenröhrchen. Das erste Teströhrchen ist das Probentest-
röhrchen und das zweite das „Positiv-Produkt-Kontrollröhrchen“. Im Kontrollröhrchen befin-
det sich eine definierte Menge an Endotoxinen, die für einen Positivbefund sorgt und zur Va-
lidierung des Testergebnisses jeder Charge dient
113
. Bei der Untersuchung wird zuerst eine
definierte Menge Probe (0,5 mL) in das Probenröhrchen gegeben und anschließend die Hälfte
der geschüttelten und gut gelösten Probenmischung in das Positiv-Produkt-Kontrollröhrchen
überführt und wiederum bis zur vollständigen Auflösung der Trockensubstanz geschüttelt.
Anschließend werden die beiden Probenröhrchen in einem Badinkubator bei 37°C +/-1°C für
27-28 Minuten aufbewahrt. Nach dieser Zeit werden die Probenröhrchen aus dem Wasserbad
entfernt und um 180° gedreht. Bildet sich ein fließfähiges Gel, ist der Test negativ. Verbleibt
das Gel am Boden des gedrehten Röhrchens, ist der Test positiv. Nur wenn beide Röhrchen
ein stabiles Gel bilden, gilt der Test als positiv. Bildet sich im Positiv-Produkt-
Kontrollröhrchen ein fließfähiges Gel, befinden sich Störsubstanzen in der wässrigen Probe
und der Test ist nicht mehr aussagefähig.
Um einen Vergleich zwischen der Konzentrationsangabe in EU und ng anzugeben, wird hier
die folgende Umrechnung vollzogen, allerdings ist auch diese präparationsabhängig:
10 EU/mL = 1 ng Endotoxin pro mL.
Bisher wurden für die Ableitung von Dosis-Wirkungsbeziehungen Daten der Endotoxin-
bestimmung mittels LAL-Tests herangezogen, die aber mit Einschränkungen zu betrachten
sind
112
.
3 Verfahrensentwicklung 44
3.3 Beschreibung des gesamten Kooperationsprojektes
Das Ziel des Projektes ist, ein neues biotechnologisches Verfahren zur Brauchwasser-
gewinnung mit Trinkwasserqualität aus Abwässern der Lebensmittelverarbeitung zu erpro-
ben
6
. Es besteht aus einer mechanischen Vorreinigung, einer biologischen Hochleistungsreak-
tionsstufe mit Biomasserückhalt durch Ultrafiltration und Hygienestufen. Die Hygienestufen
umfassen den Rückhalt organischer und anorganischer Inhaltstoffe durch eine UF und zwei
UO-Membranstufen als auch durch optionale Desinfektionsstufen.
Für die hygienischen Untersuchungen und Desinfektionsversuche wurden Probennahmestellen
nach der Ultrafiltration sowie nach den Umkehrosmosestufen eingerichtet.
Um zu gewährleisten, dass für eine innerbetriebliche Wiederverwendung mit variablen
Verbrauchsmengen des aufbereiteten Prozesswassers eine ausreichende Speicherkapazität
vorgehalten wird, muss in diesem System nach der Umkehrosmosestufe ein Lager- bzw. Puf-
fertank vorgesehen werden. Dieser Puffertank kann optional als zusätzliche Desinfektions-
stufe ausgelegt werden. Abbildung 13 zeigt das gesamte vorgesehene mehrfache Barrierekon-
zept.
Abwasser
vom
Blancheur
Vor-
reinigung Reaktions-
stufe
CSB- und
Keimrückhalt
(Membranen)
Desinfektions-
Stufe
(Chem. u./o. physikal.)
Hygienestufe/
Desinfektionsstufe
Mechanisch Biologisch
(Hochleistungs-
biologie)
Schalen,
Spelzen,
Hülsen
Biologie
Bogen-
sieb
Rücklauf-
schlamm Überschuß-
schlamm
UF UO
UO
Desinfektion
Brauchwasser mit Trinkwasserqualität
für die Produktion
(optional)
(optional)
Abbildung 13: Mehrfachbarrierekonzept zur Reinigung des Brauchwassers
Belastetes bzw. potenziell belastetes Wasser muss so aufbereitet werden, dass eine Übertra-
gung von Krankheitserregern ausgeschlossen werden kann. Die im Wasser enthaltenen
Krankheitserreger müssen entweder durch Filtration aus dem Wasser entfernt oder durch Des-
infektion mit Oxidationsmitteln abgetötet werden. Beide Verfahren sind jedoch in ihrer Desin-
fektionsleistung nicht gleichwertig.
Auf Grund des Aufenthaltes in der biologischen Aufbereitungsstufe und der damit einherge-
henden hohen organischen Fracht können die in Partikeln eingeschlossenen bakteriellen und
viralen Krankheitserreger und die gegen äußere Einflüsse einschließlich Desinfektion beson-
ders widerstandfähigen Parasiten nur mit Hilfe von Filtration entfernt werden. Bei der Desin-
fektion durch Ozon oder UV-Strahlung können nur einzelne, frei suspendierte bakterielle und
3 Verfahrensentwicklung 45
virale Krankheitserreger sicher abgetötet werden. Ohne vorherige Filtration kann also keine
ausreichende Sicherheit in diesem Prozess gewährleistet werden. Außerdem limitiert die TVO
den Einsatz einiger Desinfektionsmittel, so dass eine ausreichende Desinfektionsleistung nur
dann möglich ist, wenn schon der größte Teil der organischen Fracht abgetrennt wurde. Dar-
über hinaus schreibt die TVO Höchstgrenzen für organische und anorganische Frachten vor,
die erst durch den Einsatz von Membranfiltrationsverfahren unterschritten werden können.
Jede Filterstufe stellt für sich somit auch eine Barriere für Mikroorganismen, organische und
anorganische Substanzen dar. Auch daraus ergibt sich schon eine weitreichende Desinfekti-
onsleistung. Durch die unterschiedlichen Membranfiltrationsmethoden können die Wasserin-
haltstoffe aber nur bis zu einem gewissen Grad zurückgehalten werden. Es soll in dieser Un-
tersuchung überprüft werden, mit welchem Aufwand eine weitreichende Reduzierung der In-
haltsstoffe verbunden ist. Die genaue Bestimmung der chemischen Belastung nach den Filtra-
tionsstufen und die Zuverlässigkeit der jeweiligen Stufen ist auch Teil der Untersuchung in
diesem Projekt. Eine Desinfektion z.B. mit Ozon als letzte Prozessstufe kann also nur zur Mi-
nimierung des Restrisikos und einer Unterdrückung der Wiederverkeimung eingesetzt werden
und nicht zur Beseitigung der aus der Hochleistungsbiologie stammenden Biomasse.
Es gilt darüber hinaus die Frage zu klären, ob eine ausreichende Durchbruchsicherheit von
Keimen und chemischen Substanzen in Störfallsituationen durch das Mehrfachbarrierekon-
zept gewährleistet ist. Solche Störfälle können z.B. durch Risse in den Membranen entstehen.
Trotz des mehrstufigen Barrieresystems kann durch unterschiedlichste Mechanismen eine
Rück- bzw. Wiederverkeimung sowohl im Leitungs- als auch im Lagersystem auftreten. Ein
geringes Nährstoffangebot für die Mikroorganismen gilt dabei als erstes wichtiges Ziel. In
Abhängigkeit der zurückgebliebenen organischen Matrix im aufbereiteten Wasser, den Tem-
peraturverhältnissen, der Existenz von sich schnell ausbildenden Biofilmen und der Desinfek-
tionsmethode ist mit einer unterschiedlich schnellen und intensiven Wiederverkeimung des
aufbereiteten Wassers zu rechnen. Dabei muss es sich nicht zwangsläufig um die ursprüngli-
che Biozönose handeln, die in den einzelnen Filtrationsstufen auftritt. Es sind dort vielmehr
solche Keime in größerem Umfang zu erwarten, die unter den vorgegebenen Bedingungen
hohe Vermehrungsraten aufweisen. Daher ist zu prüfen, ob diese Vorbehandlungen einen aus-
reichenden chemischen und hygienischen Zustand gewährleisten oder ob darüber hinaus eine
weitere Behandlung durch Desinfektionsmaßnahmen mit einer Depotwirkung erforderlich ist
bzw. in die weitere Planung mit einbezogen werden muss. Die Desinfektionsstufe als letzte
Barrierestufe muss mehrere Anforderungen erfüllen. Es muss gewährleistet sein, dass eine
Wiederverkeimung des aufbereiteten Wassers durch schnelles Wachstum von wassertypischen
Mikroorganismen und Biofilmen mit Hilfe einer Desinfektionsstufe unterdrückt oder schon
durch die chemische und physikalische Beschaffenheit des Wassers weitgehend vermieden
werden kann. Die Auswahl der geeigneten Desinfektionsmethode erfolgt also nach unter-
schiedlichen Kriterien. Diese ergeben sich aus dem Zustand des Wassers und der Inhaltstoffe
sowie der Vermeidung von unerwünschten Folgeprodukten. Es müssen dabei einerseits die
Kriterien der TVO, also eine weitreichende Eliminierung von Keimen erfüllt werden, anderer-
seits müssen bei der Behandlung die chemischen Parameter der TVO eingehalten werden.
3 Verfahrensentwicklung 46
Dies gilt sowohl für das verwendete Desinfektionsmittel als auch für die Folgeprodukte, die
durch die Behandlung entstehen können. Zu berücksichtigen ist auch, dass durch die zusätzli-
che chemische oder physikalische Desinfektion Wasser mit geringem Wiederverkeimungspo-
tential mit einem geringen Nährstoffangebot produziert wird, so dass eine längerfristige Keim-
freiheit in den Vorlagetanks und Rohrleitungen gewährleistet wird. In diesem Zusammenhang
ist auch zu prüfen, ob neben aktiven Desinfektionsmaßnahmen weitere Einflussparameter
soweit optimiert werden können, dass eine größtmögliche Stabilität des Wassers erzeugt wer-
den kann, z. B. durch Temperatureinflüsse und Vermeidung von Totzonen mit hohen Ver-
weilzeiten.
Die in der TVO vorgeschriebenen mikrobiologischen Untersuchungsmethoden erstrecken sich
über mehrere Tage, bis ein eindeutiges Ergebnis erzielt werden kann. Daraus ergibt sich die
Notwendigkeit eines schnellen Detektions- oder Frühwarnsystems, um den Reinigungsprozess
sicher zu steuern.
Vorgesehen ist daher, dieses mehrstufige Barrierekonzept mit effektiven, schnellen Überwa-
chungssystemen auszustatten, die jederzeit einen sicheren Betrieb der Brauchwasseraufberei-
tungsanlage gewährleisten.
3.4 Anlagenkomponenten und Betrieb der Pilotanlage
Das Verbundprojekt mit dem Institut für Umweltverfahrenstechnik (IUV) der Universität
Bremen wurde so angelegt, dass der Betrieb der Grobfiltration, der Hochleistungsbiologie und
der Membranstufen mit realen Abwässern bei einem Lebensmittelproduzenten direkt vor Ort
durchgeführt wurde.
Die Untersuchung der Hygieneparameter und der chemischen Parameter sowie die Versuche
zur nachgeschalteten Desinfektionsstufe wurden anschließend im Technikum und in den La-
boren des Fachgebietes Technische Chemie und Chemische Verfahrenstechnik der Universität
Paderborn durchgeführt. Dazu wurden Proben der Realwässer für die Desinfektion in einer 5
L-Desinfektionsanlage bearbeitet und in einem weiteren Schritt Modellwässer in einer 100 L-
Desinfektionsanlage getestet. Darüber hinaus wurden noch weitere Untersuchungen zum
Durchbruchverhalten von Modellkeimen in hohen Konzentrationen in einer einstufigen
Membrananlage in Paderborn durchgeführt.
Abbildung 14 zeigt einen Ausschnitt aus der Anlagentechnik, die in einem Container auf dem
Firmengelände des Lebensmittelproduzenten untergebracht ist. In der Mitte der Abbildung
befindet sich der Strahlzonenbioreaktor und auf der linken Bildhälfte die Membranstufen. Die
Abbildung wurde freundlicherweise vom Projektpartner der IUV der Universität Bremen zur
Verfügung gestellt.
3 Verfahrensentwicklung 47
Abbildung 14: Darstellung des Hochleistungsbioreaktors und der Membranstufen in einem
Container auf dem Gelände des Lebensmittelproduzenten.
3 Verfahrensentwicklung 48
3.5 Anlagenaufbau zur Reinigung und Desinfektion
3.5.1 Desinfektion durch UV-Behandlung
3.5.1.1 Aufbau des UV-Reaktors
Für die UV-Versuche wurde der Durchflussreaktor Uvilab-F der Fa. Vitatec UV-Systeme
GmbH verwendet
114
. Die Abbildungen 15a und 15b zeigen den UV-Durchflussreaktor.
Kühlwasser-
zulauf
Zuleitung
Vorschaltgerät
Gasanschluss
(optional)
Ablauf
Kühlwasser-
ablauf
Fritte
(optional)
UV-Niederdruckstrahler
UV-Durchflussreaktor Uvilab-F
Abbildungen 15a und 15b: UV-Durchflussreaktor zur Entkeimung
Die Alupapierummantelung um den Reaktor in der Abbildungen 15b dient zur Erhöhung der
Strahlensicherheit außerhalb des Reaktors. Bei der Installation einer UV-Anlage muss darauf
geachtet werden, dass entsprechende Vorkehrungen bezüglich der austretenden Strahlung ge-
währleistet sind. Neben Hautrötungen (Erythem) können auch Bindehautentzündungen des
Auges (Konjunktivitis) bei leichtfertiger Handhabung des UV-Reaktors auftreten
115
.
Beim Betrieb des Durchflussreaktors wird das Reaktionsmedium durch den unteren tangentia-
len Einlass in den Reaktor gepumpt und umströmt bei ausreichendem Volumenstrom rotie-
rend das Quarztauchrohr
114
. Für UV-Lampen mit hoher Wärmeentwicklung, die das Medium
beim Kreislaufbetrieb erwärmen, ist ein Außenkühlmantel angebracht, der im Gegenstrom-
prinzip das im Kreis geführte Medium innerhalb der Betriebstemperaturen hält. Das System
ist für eine Arbeitstemperatur zwischen 5-50 °C ausgelegt.
3 Verfahrensentwicklung 49
Das Bestrahlungsvolumen beträgt max. 0,2 L und das Kühlvolumen max. 0,4 L. Der Durch-
fluss kann bei der gegebenen Konstruktion zwischen 0-250 L/h variiert werden. Untere Gren-
ze der Variation stellt eine ausreichende Tangentialströmung im Durchflussreaktor dar. Die
obere Grenze wird durch die Stabilität der Tauchrohrabdichtung limitiert.
Als Strahlungsquelle wurde das Niederdruckstrahlersystem Uvilab VTN 40 zur Entkeimung
verwendet. Dabei handelt es sich um einen UV-Niederdruck-Amalgam-Strahler mit einer
Nennleistung von 40 W. Die Strahler dieses Types emittieren im UV-C Bereich von 253,7 nm
bis zu 30 % der Strahlungsleistung und haben dabei eine wesentlich niedrigere spezifische
Leistungsaufnahme gegenüber einem UV-Mitteldruckstrahler (1,6 W/cm gegenüber 100
W/cm). Damit erzeugen sie also weniger Wärme
114
. Mittlerweile besitzen UV-Lampen eine
Lebensdauer von bis zu 10000 Stunden. Der verwendete Strahler produziert kein Ozon, aller-
dings können auch unterschiedliche Ausführungen verwendet werden, die zusätzlich schwach
bis stark ozonbildend wirken. Die Ozonbildung wird durch die Quarzglasummantelung des
Strahlers beeinflusst. Diese kann so modifiziert werden, dass auch Strahlung emittiert wird,
die zur Ozonbildung im wässrigen Medien geeignet ist ( < 200 nm). Eine entsprechende Do-
tierung des Quarzglases kann diese Wellenlängen unterdrücken, wenn keine Ozonbildung
erforderlich ist. Da bei den durchgeführten Versuchen die Reduzierung der Restozonmenge
und die Keimabtötung im Vordergrund standen, wurden Wellenlängen unterhalb von 200 nm
nicht angestrebt. Auch durch die TVO ist die Verwendung von Strahlern, die Wellenlängen
von 240-290 nm produzieren, vorgegeben.
3.5.1.2 Berechnung der Bestrahlungsdosis
Die Strahlungsleistung P, die zur Entkeimung in das zu behandelnde Wasser eingetragen
wird, ist definiert als Quotient aus der Strahlungsenergie Q und der einwirkenden Zeit t
116
.
Strahlungsleistung:
t
Q
dt
dQ
P==
Glg. 2
Die Dimensionsbetrachtung liefert für die Strahlungsenergie die Einheit [1 Ws = 1 J] und für
die Leistung [1 Watt = 1 J/s]. Die Bestrahlungsstärke E kann aus der Strahlerleistung P abge-
leitet werden. E ist bezogen auf die Fläche, die von der UV-Strahlung erfasst wird.
Bestrahlungsstärke:
A
P
dA
dP
E
==
Glg. 3
Hieraus ergibt sich bei der Dimensionsbetrachtung für die Bestrahlungsstärke [W/cm²]. Aus
dieser Gleichung geht hervor, dass die Keimabtötungswirkung bei gleicher Strahlerleistung P
mit kleiner werdender Fläche zunimmt. Trotz der Verwendung eines Rohrmoduls wird nähe-
rungsweise davon ausgegangen, dass sich die Fläche kaum vom Innenradius zum Außenradius
verändert, so dass keine Integration der Bestrahlungsfläche im Bereich vom Innen- zum Au-
3 Verfahrensentwicklung 50
ßenradius vorgenommen werden muss, zumal die Schichtdicke 1 cm nicht überschreitet. Das
Maß zur Beschreibung der effektiv auf Mikroorganismen einwirkenden Bestrahlungsmenge
wird als Bestrahlungsdosis D definiert. Es ist das Produkt aus Bestrahlungsstärke E und der
Bestrahlungszeit t
116
.
Dosis:
x
xt
tEEdtD ⋅==
∫
=
0
Glg. 4
Die UV-Dosis berechnet sich also aus der Bestrahlungsstärke multipliziert mit der Zeit. Für
die Dosis gilt dann bei der Dimensionsbetrachtung [1 Ws/cm² = 1 mJ/cm² = 10 J/m²]. Die
genaue Dimensionsbetrachtung wurde an dieser Stelle durchgeführt, da in der Literatur bei der
Angabe der Mindestdosen häufig unterschiedliche Einheiten verwendet werden, die sich aber
bei genauerer Betrachtung der Umrechnungsfaktoren nicht unterscheiden.
Die mittlere hydraulische Verweilzeit
t
ergibt sich aus dem Reaktorvolumen
R
V
und dem
Wasservolumenstrom V
&zu:
Verweilzeit:
V
V
t
R
&
= Glg. 5
Damit ergibt sich bei einem Reaktorvolumen von 0,2 L und z.B. einem Volumenstrom von V
&
= 200 L/h eine mittlere Verweilzeit t von 3,6 s. In Tabelle 2 sind die mittleren Verweilzeiten
t für fünf unterschiedliche Volumenströme V
& exemplarisch aufgeführt.
Tabelle 5: Mittlere Verweilzeiten im UV-Reaktor
Volumen-
strom
V
&[L/h]
200 150 100 66,67 50
Verweilzeit
t [s]
3,6 4,8 7,2 10,8 14,4
Für die Kalkulation der Strahlungsdosis des UV-Reaktors werden somit folgende Daten ver-
wendet: Die Leistung des UV-Strahlers beträgt 40 W. Nach Angaben des Herstellers (Fa. Vi-
taTec UV-Systeme GmbH
114
) liegen bis zu 30 % der Strahlerleistung im UV-C Bereich bei
254 nm. Daraus ergibt sich ein maximal anzuwendender Faktor F = 0,3 der gesamten Strah-
lerleistung, der zur Desinfektion angewendet werden kann. Der Reaktorinhalt wird vom Her-
steller mit einem Volumen von 0,2 L angegeben. Die Schichtdicke der bestrahlten Fläche ist 1
cm. Daraus ergibt sich eine bestrahlte Fläche von 200 cm². Für die Volumenströme 200 L/h,
150 L/h, 100 L/h, 50 L/h, 25 L/h mit den entsprechenden Verweilzeiten ergeben sich bei den
vorgegeben Daten die in Tabelle 6 aufgeführten Bestrahlungsdosen.
3 Verfahrensentwicklung 51
Berechnungsbeispiel für die Dosis bei einen Volumenstrom V
& = 200 L/h.
Dosis:
²/2160²/216²/216,0
²200
6,3)3,040()(
6,3
0
mJcmmJcmWs
cm
sW
A
tFP
tEEdtD
st
===
⋅⋅
=
⋅⋅
=⋅==
∫
=
Glg. 6
Tabelle 6: Bestrahlungsdosis für fünf unterschiedliche Volumenströme
Volumenstrom
[L/h]
200 150 100 66,7 50
Bestrahlungsdosis
[mJ/cm²]
216 288 432 648 864
Für die ausreichende Entkeimung von Trinkwasser schreibt die TVO eine Mindestdosis von
40 mJ/cm² vor. Damit liegt die Bestrahlungsdosis selbst bei den großen Volumenströmen mit
diesem Lampentyp und den Verweilzeiten deutlich oberhalb der geforderten Mindestdosis.
Bei dieser Kalkulation der Bestrahlungsdosis wird davon ausgegangen, dass eine vollständige
Transmission der Strahlung erfolgt. Bei der Durchdringung von Materie ist aber mit Strah-
lungsverlusten durch Absorption zu rechnen. Bezeichnet
0
I die vom Strahler emittierte Strah-
lungsmenge, so gilt
116
:
Absorption:
0
1I
I
A−= Glg. 7
Im Gegensatz zur Absorption bezeichnet die Transmission den Strahlungsanteil, der das Me-
dium durchdringen konnte. Der Transmissionsgrad beschreibt das Verhältnis von durchgelas-
sener zu aufgetroffener Strahlung.
Transmission:
0
I
I
T= Glg. 8
Der Transmissionsgrad bezieht sich ebenso wie der Absorptionsgrad auf eine durchstrahlte
Schichtdicke d. Auch hier gibt es eine Empfehlung vom DVGW für den Transmissionsgrad
bezogen auf eine Schichtdicke von 1 cm. Der Transmissionsgrad sollte für eine erfolgreiche
UV-Entkeimungsbehandlung den Wert von 70 % bei 254 nm nicht unterschreiten. Die Auf-
nahme von Absorptionsspektren zwischen 200-400 nm gibt Aufschluss über das Absorptions-
verhalten der organischen Matrix im Wasser.
3 Verfahrensentwicklung 52
3.5.1.3 Dosis-Wirkungsbeziehung
Die Wirkung einer Entkeimung durch eine UV-Behandlung hängt von der Dosis ab. Es wird
das Verhältnis von Bestrahlungsdosis zu Wirkung betrachtet. Als Wirkung wird in diesem
Zusammenhang die Inaktivierung von Mikroorganismen untersucht. Von der Fa. Lenntech
128
wird folgender exponentieller Zusammenhang angegeben und für die Berechnung verwendet.
KD
e
N
N−
=
0
Glg. 9
Bei dieser Gleichung, die einer Reaktionsgeschwindigkeit 1. Ordnung entspricht, sind:
N
= Zahl der Mikroorganismen nach der Behandlung
0
N
= Anfangszahl der Zielorganismen
K
= Konstante, die spezifisch für jeden Mikroorganismus ist
D
= Bestrahlungsdosis
Aus dieser Gleichung ergibt sich, dass bei einer Verdopplung der angewendeten Bestrah-
lungsdosis eine Reduzierung der Keimzahl um 90 % erreicht wird. Theoretisch lässt sich mit
Hilfe dieser Formel bei einem vorgegebenem Behandlungsziel und bekannter Anfangszahl der
MO sowie Kenntnis der spezifischen Konstante für im Medium vorhandenen MO eine exakte
Prognose der anzuwendenden Bestrahlungsdosis erstellen. Wird die Dosis, die für eine 90
%ige Inaktivierung aller Mikroorganismen benötigt wird, verdoppelt, kann eine 99 %ige
(Verdreifachung / 99,9 %) Inaktivierung aller Organismen erzielt werden. An dieser Stelle
wird noch einmal darauf verwiesen, dass lediglich die Vermehrungsfähigkeit der Keime und
nicht die Keime an sich zerstört werden. Einige von der Firma Lenntech angeführte Werte zur
90 %igen Inaktivierung werden in der Tabelle 7 gezeigt.
Tabelle 7: Erforderliche Bestrahlungsdosen der jeweiligen MO für 90 %ige Inaktivierung
128
Spezies Bestrahlungsdosis [mJ/cm
2
]
Bacillus subtilis
(Spore) 12.0
Clostridium tetani
4.9
E. coli
5.4
Hepatitis A 11.0
Infektiöse pancreatic necrosis 60.0
Legionella Pneumophilla
2.04
Pseudomonas aeruginosa
5.5
Streptococcus faecalis
4.5
3 Verfahrensentwicklung 53
3.5.2 Anlage zur Desinfektion durch Ozon
3.5.2.1 Wahl eines geeigneten Reaktors für die Ozondesinfektion
Grundsätzlich kommt bei einer Ozondesinfektion eine Behandlung im Batchbetrieb oder ein
kontinuierliches Verfahren in Frage. Als Reaktoren können Blasensäulen, kontinuierlich ge-
rührte Reaktoren und Strömungsrohre mit einem Injektorsystem eingesetzt werden. In vielen
Fällen wird die Verwendung eines Rohrreaktors mit Injektorsystem gegenüber einem Blasen-
säulenreaktor zur Desinfektion mit Ozon präferiert. Dafür werden von Bünning die folgenden
Argumente angeführt
89
:
• Rohrreaktoren erreichen bei gleicher Verweilzeit gegenüber anderen Reaktoren einen
höheren Umsatz.
• Bestehende Prozesse können einfach mit einer Desinfektionsstufe nachgerüstet wer-
den. Vorhandene Rohrleitungen, mit entsprechender Materialeignung, können somit
als Rohrreaktor verwendet werden und müssen lediglich mit einem Ozongenerator und
einer Injektoreinheit ergänzt werden. Daraus entstehen gegenüber einer Blasensäule
oder einem kontinuierlich betriebenen Rührreaktor auf der Investitionsseite Vorteile.
• Häufig eignen sich PFR-Reaktoren (Plug-Flow-Reaktoren) sehr gut für die Desinfekti-
on. Reaktionen im Rohrreaktor mit turbulenter Strömung weisen aufgrund der Reakti-
onsführung eine höhere Selektivität der Inaktivierungsreaktion auf, die gegenüber ei-
ner Konkurrenzreaktion des Ozons mit Reaktionsprodukten begünstigt wird.
• Mit Hilfe von Modellrechnungen
89
konnte gezeigt werden, dass zur Erreichung eines
Desinfektionszieles weniger Ozon notwendig ist im Vergleich zu Blasensäulenreakto-
ren.
Der Einsatz eines solchen PFR-Reaktorsystems kam aus mehreren Gründen bei diesem Pro-
jekt nicht in Betracht. Stattdessen wurde aus folgenden Gründen eine Blasensäule verwendet:
• Der Betrieb einer biologischen Aufbereitungsstufe und der nachgeschalteten Memb-
ranstufen wird im Normalbetrieb kontinuierlich betrieben. Die Entnahme aufbereiteten
Wassers für betriebliche Zwecke erfolgt aber sowohl im Tag/Nachtbetrieb als auch im
Arbeitstag/Wochenendbetrieb diskontinuierlich. Daraus entsteht die Notwendigkeit ei-
nes entsprechend ausgelegten Pufferspeicherbetriebs.
• Wiederverkeimungen in diesem Pufferspeicher sind zwangsläufig dann zu erwarten,
wenn keine Permanent- oder Intervalldesinfektion vorgenommen wird. Verstärkt wird
die Rückverkeimung durch Totzonen, also nicht durchströmten Volumenteilen des
Speichersystems. Eine Blasensäule bietet in jedem Füllzustand ein permanent gut
durchmischtes und bewegtes System.
• Wiederverkeimungen sind möglichst zu vermeiden, um die zusätzliche Entstehung
von Keimzellen zu unterdrücken. Neu entstandene Keime können außerdem bei ihrem
3 Verfahrensentwicklung 54
Zerfall Endotoxine freisetzen bzw. in einigen Fällen auch Exotoxine produzieren.
Daraus folgt, dass es sinnvoller ist, den Pufferspeicher selbst zu desinfizieren als einen vor-
oder nachgeschalteten PFR-Reaktor.
Allerdings kann die Versorgung des Pufferspeichers im Kreislaufbetrieb durch einen Außen-
schlaufenozoninjektor durchgeführt werden. Wird so ein System angewendet, ist es sinnvoll,
auch die Primärdesinfektion des Zuflussstromes über diese Außenschlaufe zu vollziehen. Die
zusätzlich benötigte Energie für diesen Umpumpvorgang erhöht allerdings die Energieauf-
nahme des Systems. Sinnvollerweise sollte der Einströmkanal am Reaktorboden platziert
werden. Eine ausreichende Durchmischung des Pufferbehälters muss zusätzlich gewährleistet
werden. Einfacher erscheint daher die Versorgung der Blasensäule mit Ozon direkt durch das
Einperlen am Boden durch eine Fritte. Der Energieaufwand für den Außenschlaufenbetrieb
dürfte deutlich höher sein als der zusätzliche Ozonbedarf im Blasensäulenbetrieb, zumal die
Ozondosis im Trinkwasserbereich mit max. 10 mg/L nur einen geringen Anteil der Gesamt-
kosten ausmacht, selbst wenn eine etwas höhere Dosierung einkalkuliert werden muss.
Auf komplexe Steuerungs- und Regelmechanismen z.B. mit Hilfe einer Fuzzy-Logik kann
weitestgehend verzichtet werden. Kurzfristig auftretende Schwankungen der organischen Mat-
rix im Zufluss, die eine höhere Ozonzehrung verursachen, können vom Puffersystem besser
ausgeglichen werden als bei einem PFR-Reaktor. Das kann selbst mit einem trägen Regelsys-
tem, basierend auf der aktuellen Flüssigphasen-Ozonkonzentration in der Blasensäule, ent-
sprechend schnell ausgeglichen werden. Für Produktionszeiträume, in denen keine Entnahme
von Wasser vorgesehen ist oder der Zufluss aus der Membranstufe unterbrochen ist, wird le-
diglich eine geringe Ozonkonzentration zur Unterdrückung der Rückverkeimung eingespeist.
Der Aufbau einer Ringleitung zur permanenten Desinfektion des vorhandenen Rohrleitungs-
systems während der Zeiten, in denen keine Entnahme stattfindet, lässt sich mit einem Puffer-
speicher mit Rücklaufmöglichkeit optimal realisieren.
Aufgrund des Speichervolumens in einem Blasensäulenreaktor und der damit verbundenen
Pufferung der leicht schwankenden organischen Matrix kann die Ozondosierung und die
Restozonvernichtung zur Unterschreitung der Ozongrenzwerte in einer Entnahmeleitung
durch ein UV-System stabiler als in einem PFR-Reaktor geregelt werden. Der Blasensäulenre-
aktor kann näherungsweise als kontinuierlich betriebener Rührreaktor (CSTR) mit vollständi-
ger Durchmischung betrachtet werden, der im Idealfall den Wert Null für die Bodensteinzahl
annimmt. Die Ozonkonzentration bleibt dadurch im Gegensatz zum Rohrreaktor zeitlich und
örtlich konstant. Bei Kenntnis der maximal zu erwartenden Anfangskeimzahl am Reaktorein-
tritt, kann die Ozonkonzentration auf die jeweilige Problemstellung optimal eingestellt wer-
den. Für eine Primärdesinfektion im Durchlaufbetrieb oder die Unterdrückung einer Rückver-
keimung im Batchbetrieb kann somit bei diesem System eine einfache und optimale Ozondo-
sierung erfolgen. Es ist nicht zu erwarten, dass bei einer geringen Menge organischer Matrix,
wie sie nach einer UO-Filtration noch im Wasser zu finden ist, eine deutlich erhöhte Ozon-
zehrung durch den Betrieb einer Blasensäule gegenüber einem PFR-Betrieb erfolgt. Die zu-
sätzlich aufzuwendenden Ozonmengen werden sich in diesem Fall wirtschaftlich nicht so gra-
3 Verfahrensentwicklung 55
vierend auswirken. Lediglich bei sehr hohen Organikkonzentrationen ist der Effekt einer er-
höhten Ozonzehrung als Parallelreaktion zur Desinfektion bei der Anlagenplanung zu berück-
sichtigen. Nur in diesem Fall kann die Verwendung eines PFR-Reaktors mit Injektorsystem
günstiger sein für Desinfektionszwecke. Für diesen Einsatzfall (geringe organische Matrix) ist
aber aus den angeführten Gründen ein Blasensäulenreaktor die einfachste und effektivste Al-
ternative.
3.5.2.2 5 L-Laboranlage zur Desinfektion mit Ozon und UV-Licht
Für die Desinfektionsversuche mit den Realwasserproben wurde aufgrund der Probenmengen
eine 5 L-Laboranlage verwendet, die in Abbildung 16 vereinfacht dargestellt ist.
Ozongenerator
UV Reaktor
5 L-Blasensäulen-Reaktor
Sauerstoff-
anreicherung
Restozonvernichter
Ozonanalysator
Entnahmestelle
Temperierbad
Ozongenerator
UV Reaktor
5 L-Blasensäulen-Reaktor
Sauerstoff-
anreicherung
Restozonvernichter
Ozonanalysator
Entnahmestelle
Temperierbad
Abbildung 16: Schema der 5 L-Laboranlage zur Desinfektion
Die folgenden Anlagenteile wurden verwendet: Sauerstoffanreicherung, Ozongenerator, 5 L-
Blasensäulenreaktor mit Temperiermantel, Ozonanalysator, Restozonvernichter und UV-
Reaktor. Die verwendeten Bauteile werden in den Kapiteln 3.5.1.1, 3.5.2.5 im Detail be-
schrieben.
3 Verfahrensentwicklung 56
3.5.2.3 100 L-Technikumsanlage zur Desinfektion mit Ozon und UV-Licht
Für weitere Untersuchungen mit Modellwässern im Technikumsmaßstab wurde eine Anlage
mit einem 100 L-Volumen konzipiert. Abbildung 17 zeigt den mobilen Ozongenerator mit
Sauerstoffanreicherung und die verwendete Blasensäule.
Abbildung 17: Blasensäule zur Ozonung (links), Ozongenerator mit Sauerstoffanreicherung
(rechts)
3 Verfahrensentwicklung 57
Abbildung 18: Anlagenskizze der Behandlungsanlage
Abbildung 18 zeigt eine Skizze der gesamten Behandlungsanlage inklusive der UV-Anlage
zur Restozonreduzierung. Um das gesamte Anlagenkonzept möglichst sinnvoll zu gestalten,
sollte spätestens nach den Membranstufen eine Speicherung der Permeatflüsse erfolgen, um
ein ausreichendes Depot für Volllastzeiten vorzuhalten. Aus diesem Speicher kann dann bei
3 Verfahrensentwicklung 58
entsprechender Größe diskontinuierlich die benötigte Wassermenge entnommen werden oder
zusätzlich kontinuierlich eine geringe Einspeisung mit Rücklauf in ein Ringleitungsnetz erfol-
gen. Für die Versuchszwecke wurde eine zylindrische Blasensäule benutzt. Diese hat die Ab-
messungen Höhe H = 2 m, Durchmesser D = 0,3 m und ist mit einer feinen Keramikfritte am
Boden ausgestattet, durch die das Ozongas einperlt. Die Ozonkonzentration wird am Zulauf
und Ablauf mit Ozonanalysatoren der Fa. Breitmeier Messtechnik (BMT) gemessen. Zusätz-
lich ist noch ein Flüssigphasenozonmessgerät der Fa. Ansynco zur Kontrolle der aktuell gelös-
ten Flüssigphasenozonkonzentration angeschlossen. Die Gasphasenmessgeräte erfassen durch
direkte Messung der UV-Absorption im Vent-Modus die aktuelle Konzentration im On- und
Offgas. Die „Online-Datenerfassung“ wird über analoge Ausgänge und eine AD-Wandlerkarte
durchgeführt. Mit Hilfe der Software „Realview“ können in Echtzeit die Daten visualisiert
und gespeichert werden, so dass eine Veränderung der Anlagenparameter während des Betrie-
bes möglich ist. Für die Restozonreduzierung in der wässrigen Phase wurde eine UV-Anlage
nachgeschaltet.
3.5.2.4 Das DWA-Modul und der Ozongenerator
Abbildung 19 zeigt den verwendeten AirSep-12 Typ.
Abbildung 19: Sauerstoffanreicherung durch das Modell AirSep AS 12
117
Luft enthält einen Volumenanteil von ca. 21 % Sauerstoff, 78 % Stickstoff, 0,9 % Argon und
3 Verfahrensentwicklung 59
0,1 % andere Gase. Das DWA-Modul (Druckwechseladsorption) separiert Sauerstoff aus ver-
dichteter Luft durch einen Druckwechseladsorptionsprozess. Abbildung 20 zeigt das Fließbild
der Sauerstoffanreicherung. Beim DWA-Prozess (auch unter der englischen Bezeichnung
Pressure-Swing-Adsorption PSA bekannt) wird ein synthetischer Zeolith als Molekularsieb
genutzt, welcher Stickstoff bei hohem Druck adsorbiert und bei niedrigem Druck wieder de-
sorbiert
118
. Die Sauerstoffanreicherung wird mit Hilfe von zwei mit Molekularsieb gefüllten
Behältern betrieben. Vor der Sättigung des mit synthetischen Zeolithen gefüllten ersten Behäl-
ters mit Stickstoff schaltet die Steuerung die Ventile so um, dass die komprimierte Zuluft über
den zweiten Behälter geführt wird. Eine Regeneration des ersten Behälters wird durch De-
kompression und der damit verbundenen Desorption des Stickstoffs erzielt. Der Stickstoff
wird zusätzlich durch einen Teil des Sauerstoffs des zweiten Sauerstoffanreicherungsprozes-
ses aus dem Behälter gespült.
v..
Abbildung 20: Schematisches Fließbild der Sauerstoffanreicherung Modell: AS-12 der Fa.
Airsep Corporation
118
.
Über die Abgasleitung kann dann aus dem drucklosen ersten Behälter der Stickstoff entfernt
werden. Dieser Prozess wird abwechselnd durchgeführt und führt zu einem konstanten Pro-
duktgasfluss, der minimal einen Volumenanteil von 90 % Sauerstoff enthält. Das Molekular-
sieb ist im Normalbetrieb laut Hersteller unendlich häufig regenerierbar. Durch die Anreiche-
rung des Sauerstoffs kann die Ozonherstellung deutlich effektiver erfolgen.
Der Ozongenerator der Fa. Ozonmatic der Serie Modular 4 HC produziert einen Gasstrom
von 8 L/h - 125 L/h. Die maximale Ozonproduktion kann durch die Sauerstoffanreicherung
auf bis zu 4 g/h gesteigert werden. Die Restozonvernichtung erfolgt in der Abluft durch einen
thermischen Prozess. Darüber hinaus verfügt der Ozongeneratorstand noch über eine Mess-
3 Verfahrensentwicklung 60
sonde für die Umgebungsluft, so dass bei Überschreitung des MAK-Wertes für Ozon eine
automatische Abschaltung des Generators erfolgt.
3.5.2.5 Ozonmessgerät für Ozon in der Luft
Der Ozonanalysator BMT 964 der Firma BMT Messtechnik GmbH ist ein Mikroprozessor
basiertes Doppelstrahlphotometer (UV 254 nm), dass zur Messung von Ozon in Luft bzw.
reinem Sauerstoff geeignet ist
119
. Diese Variabilität erhöht die Datengenauigkeit, da bei den
hier durchgeführten Versuchen ein Ozongenerator mit einer vorgeschalteten Sauerstoffanrei-
cherung (95 %) verwendet wird. Zur Bestimmung der Ozonkonzentration im Probengas misst
der Ozonanalysator die UV-Strahlung im Messkanal und im Referenzkanal. Darüber hinaus
werden der Druck und die Temperatur in den beiden Zellen erfasst und bei der Datenbearbei-
tung berücksichtigt.
Das BMT 964 kann sowohl im „Vent mode“ als auch im „Press Mode“ betrieben werden. Im
„Vent Mode“ wird ein Teilstrom des Gasstroms entnommen, analysiert und dann über einen
Ozonvernichter wieder an die Umgebungsluft abgegeben. Diese Schaltung ist sinnvoll für die
Offgasbestimmung. Im „Press Mode“ wird der Teilstrom wieder mit dem Hauptstrom verei-
nigt, somit kann eine exakte Volumenstrommessung schon vor dem Analysator erfolgen. Der
„Press Mode“ kann somit für die Ongasbestimmung eingesetzt werden. Der Datentransfer
kann über unterschiedliche Schnittstellen an den Rechner erfolgen. In diesem Fall wurde der
Analogausgang gewählt und anschließend das Signal über eine AD-Wandlerkarte an das
Messwerterfassungsprogramm weitergeleitet.
3.5.2.6 Flüssigphasenmessgerät für Ozon
Das Ozonmessgerät Ozomat WP der Fa. Anseros ist ein physikalisches Messsystem zur selek-
tiven und kontinuierlichen Messung von Ozon in der Wasserphase
120
. Das Messsystem des
Analysators nutzt den Effekt, dass Ozon leicht aus Wasser zu desorbieren ist. Die Desorption
steigt linear mit steigender Ozonkonzentration im Wasser. Somit kann das zu untersuchende
Wasser durch einen mit Glaskugeln gefüllten Desorber geleitet werden und die im Gegen-
strom geführte Luft reichert sich mit dem desorbierten Ozon an. Aus den photometrisch er-
fassten Konzentrationen in der Luft kann mit einem Umrechnungsfaktor direkt auf die im
Wasser befindliche Ozonkonzentration zurückgeschlossen werden.
Der Vorteil dieser Methode gegenüber einer direkten UV-Messung im wässrigen System ist
die Ausblendung von Matrixeffekten durch störende Absorptionen von organischen und anor-
ganischen Substanzen, die je nach Konzentration im untersuchten Wellenlängenbereich zum
Teil sehr starke Verfälschungen verursachen. In diesem Projekt war aber auch die Untersu-
chung von realen Wässern mit höheren Konzentrationen an organischen Inhaltstoffen erfor-
derlich. Auch die Anwesenheit von Wasserstoffperoxid stört bei der direkten photometrischen
Erfassung der Ozonkonzentration. Amperometrische Messverfahren weisen eine ähnliche
Problematik auf.
3 Verfahrensentwicklung 61
Abbildung 21 zeigt das Messgerät zur Erfassung der Flüssigphasenozonkonzentration beste-
hend aus der Desorbersäule und dem Feuchtigkeitsabscheider für den Gasstrom an der Wand
und der Ozongasmessapparatur auf dem Tisch.
Abbildung 21: Darstellung des Ozon-Flüssigphasenmessgerätes Ozomat WP der Fa. Anseros
(auf dem Tisch) mit der Desorbersäule (Bild Mitte).
3 Verfahrensentwicklung 62
3.5.3 Membranfiltrationsanlage zur Untersuchung der Modellwässer
Um den Rückhalt von Modellkeimen in hoher Konzentration im Wasser zu untersuchen wur-
den im Technikum des Fachgebietes Technische Chemie und Chemische Verfahrenstechnik
der Universität Paderborn zusätzlich Versuche in einer Crossflow-Labor-Umkehrosmose-
anlage vom Typ LONI, der Firma CSM (Bretten) durchgeführt (siehe Abbildung 22).
Abbildung 22: Crossflow-Labor-Umkehrosmoseanlage vom Typ LONI, der Firma CSM.
Über einen Vorratstank (11.5 L) wird der Feed bestehend aus verkeimtem Modellwasser über
eine Hochdruckpumpe in das Membranmodul gefördert. Der Transmembrandruck kann im
Bereich von 1-64 bar variiert werden.
Eingesetzt wurde ein Membranmodul der Fa. Pall Rochem (Hamburg) mit der Bezeichnung
Disc-Tube-Modul (DT-System). Über einen zentralen Zuganker werden bei dieser Bauform
Hydraulikscheiben und Membrankissen abwechselnd gestapelt. Die Membranfläche kann über
die Anzahl der Kissen variiert werden. Es können maximal 23 Kissen verwendet werden, das
entspricht 1 m² Membranfläche.
121
.
Der Feedstrom wird durch Strömungskanäle tangential über die Membranen geführt. Die Ka-
näle befinden sich zwischen der Trägerscheibe und den dazwischenliegenden Membrankissen.
Der Permeat- und Retentatstrom wird durch Dichtungsringe voneinander getrennt und soll den
Durchtritt von Salzen und Mikroorganismen vollständig verhindern. Das Wasser permeiert in
die Membran und wird durch einen kleinen Kanal, der in den Zuganker führt, abtransportiert
und anschließend durch eine Hauptleitung aus dem Stapel entfernt.
Der notwendige Druck um den gesamten Membranstapel abzudichten, wird an der Ober- und
Unterseite durch Edelstahlplatten erzeugt. Die obere Platte weist entsprechende Öffnungen für
3 Verfahrensentwicklung 63
die zu- und abgeführten Flüssigkeitsströme auf. Der gesamte Stapel wird über den Anker in
ein GFK-Druckrohr gepresst. Der Feedstrom wird neben den Hydraulikscheiben an den Wan-
dungen des GFK-Druckrohres zur untersten Platte geführt. Die Überwachung des Druckes
erfolgt zwischen Feedpumpe und Membranmodul und wird auf einem Display angezeigt.
Abbildung 23 zeigt die Funktionsweise der Crossflow-Labor-Umkehrosmoseanlage und ein
Kissenmodul bzw. Kissen auf den rechten Abbildungen.
Abbildung 23: Funktionsweise der Crossflow-Labor-Umkehrosmoseanlage und eines Kissen-
moduls bzw. Kissens
122
4 Ergebnisse und Diskussion 64
4 Ergebnisse und Diskussion
4.1 Keimidentifizierung mittels FT-IR Analytik
Neben den klassischen Untersuchungs- und Identifizierungsmethoden für Mikroorganismen
eignet sich in diesem Projekt auch die Identifizierung von Keimen durch die FT-IR Analytik.
Aufgrund der teilweise sehr geringen Keimzahlen pro 100 mL Probevolumen stellt die PCR-
Analytik keine geeignete Untersuchungsmethode in einigen Prozessschritten dar.
In den folgenden Kapiteln werden die Ergebnisse der Optimierung der Kultivierungsbedin-
gungen und Spektrenauswertung sowie der damit verbundenen Identifikation anhand von Mo-
dellkeimen dargelegt.
Im Hinblick auf eine mögliche Kontamination mit Endotoxinen wird durch eine Clusteranaly-
se eine Unterscheidung von Gram-Eigenschaften durchgeführt.
Sehr vorteilhaft kann die FT-IR Analytik gerade für Keime eingesetzt werden, für die es stan-
dardmäßig noch keinen Nachweis auf Selektivnährböden gibt. Daher werden durch die Identi-
fikationsmöglichkeiten der FT-IR Analytik die Eintragungswege von unbekannten Keimen
untersucht. Durch diese Untersuchung kann die Wirksamkeit der unterschiedlichen Barrieren
und Desinfektionsmethoden überprüft werden.
4.1.1 Qualitätsprüfung von Spektren
Nach der Aufnahme der FT-IR Spektren, wie sie in Kap 3.2.1 beschrieben wird, ist für die
Bewertung der Spektren eine Qualitätsprüfung erforderlich. Dieses Vorgehen ist für die Er-
stellung einer Spektrenbibliothek und für die Durchführung eines Identitätstests erforderlich.
Die Qualitätsprüfung der gemessenen Spektren mit Hilfe des Quality Tests ist ein wichtiger
Bestandteil zur Beurteilung der Spektren. Dieser Test muss vor der eigentlichen Auswertung
durchgeführt werden. Die Qualität der gemessenen Spektren in Bezug auf die Extinktionswer-
te, das Signal/Rausch-Verhältnis, die Intensität der Wasserdampfbanden sowie störende Inter-
ferenzen („Frings“) kann mit diesem Test überprüft werden. Grenzwertüberschreitungen der
Spektren müssen im Einzelfall geprüft und bei der Auswertung ausgeschlossen werden. Die
standardmäßig vorgegebenen Kriterien für die Qualität der Spektren
109
sind empirisch ermit-
telt und können nur für die wichtigsten der bislang untersuchten Bakterien verwendet werden.
Das bedeutet, dass für einige Mikroorganismen die Kriterien entsprechend angepasst oder die
Grenzbereiche spezifisch modifiziert werden können. Bei den durchgeführten Messungen
konnten je nach Keimart bis zu 40 % der Spektren durch die Qualitätsprüfung als nicht geeig-
net aussortiert werden. Häufigste Ursache dafür war die ungleichmäßige Schichtdicke bzw.
die schwankende Konzentration des enthaltenen Zellmaterials. Dadurch wurden die Extinkti-
onswerte entweder geringfügig über- oder unterschritten, so dass sie nicht mehr den Lineari-
tätsbereich des Gesetzes von Lambert-Beer erfüllten.
4 Ergebnisse und Diskussion 65
4.1.2 Aufnahme von Referenzspektren
Anhand von drei unterschiedlichen Keimen (E. coli, Micrococcus luteus und Bacillus
atrophaeus) wird die Vorgehensweise zur Erstellung von Referenzspektren im folgenden Ka-
pitel beschrieben. Dazu wurden von den drei Keimarten jeweils drei Doppelbestimmungen
durchgeführt, daraus jeweils zwei geeignete Spektren pro Keim ausgewählt und für die Dar-
stellung verwendet.
Abbildung 24: Jeweils zwei Spektren von Escherichia coli (grün), Micrococcus luteus (blau)
und Bacillus atrophaeus (rot) nach 24 h Inkubationszeit auf DEV-Nährboden
bei 36 °C
Abbildung 24 zeigt sechs Spektren der drei untersuchten Mikroorganismen. Die Intensität der
Spektren ist an dieser Stelle nicht zu berücksichtigen, sondern lediglich das Profil und die
spektralen Verschiebungen der Banden. Es wurden absichtlich solche Spektren gewählt, deren
Intensität sich bei den gleichen Keimen ähneln, um eine übersichtliche Darstellung zu erzie-
len. Die Intensität der Spektren verändert sich durch die Menge der Keime, die in einem defi-
nierten Volumen destilliertem Wasser suspendiert wird. Da dieser Vorgang manuell durchge-
führt wird, ergeben sich Abweichungen der Spektrenintensität. Die Intensität sollte aber in-
nerhalb der Grenzwerte liegen, die durch die Qualitätskriterien des Messprogramms definiert
sind.
Abbildung 25 zeigt die erste Ableitung der sechs Spektren aus Abbildung 24. Durch die Bil-
dung der ersten Ableitung wird die Spektrenkontur aufgelöst und gleichzeitig findet eine Ba-
sislinienkorrektur statt. Die Normierung der ersten Ableitung erfolgte mit der Programmfunk-
Wavenumber cm
-1
4 Ergebnisse und Diskussion 66
tion „Vector Normalization“. Dadurch wird die Unterscheidung der Spektren ermöglicht. Zu
erkennen ist, dass die Intensität der ersten Ableitung um ca. den Faktor 100 geringer ist als
beim Originalspektrum. Die Spektren der jeweils gleichen Keime sind bei der ersten Ablei-
tung visuell kaum zu unterscheiden, erst die exakte Berechnung der spektralen Distanzen mit
Hilfe von Algorithmen zeigen die geringfügigen Differenzen der Spektren auf.
Abbildung 25: Jeweils zwei zugehörige erste Ableitungen der Spektren von E. coli (grün),
Micrococcus luteus (blau) und Bacillus atrophaeus nach 24 h Inkubationszeit
auf DEV-Nährboden bei 36 ° C
4.1.3 Identitätstest
Um Untersuchungen durchzuführen, die eine eindeutige Identifikation bzw. Zuordnung von
Keimen ermöglichen, stehen durch die FT-IR-Analytik zwei Methoden zur Verfügung und
zwar ein so genannter „Identitäts/Nonidentitäts-Test“ (Identitätsreport) und ein so genanntes
„Clusterverfahren“ (Dendrogramm)
109
.
Die erste Möglichkeit besteht in der Auswertung über einen so genannten Identitätstest. Dabei
wird das gemessene Testspektrum mit einem Referenzspektrum in einer Bibliothek vergli-
chen. Diese Bibliothek wird vorab mit eindeutig identifizierten Mikroorganismen und/oder
unbekannten Isolaten erstellt. Mit Hilfe eines Identifikationsreports kann dann eine eindeutige
Zuordnung oder bei entsprechenden Abweichungen eine Nichtidentitätsbestätigung erfolgen.
Die zweite Möglichkeit besteht in einer so genannten „Clusteranalyse“. Dazu werden die Pro-
ben wie auch im ersten Fall vermessen, qualitätsgeprüft und abgeleitet. Anschließend wird die
Wavenumber cm
-1
4 Ergebnisse und Diskussion 67
neu vermessene Probe mit entsprechenden Referenzspektren einer Clusterung unterzogen, so
dass sich mit Hilfe eines Dendrogramms im Fall einer hohen Ähnlichkeit eine Zuordnung zu
einem entsprechenden Referenzspektrum eindeutig durchführen lässt. In einem Dendrogramm
werden Keime aufgrund ihrer Ähnlichkeit oder Verschiedenheit zu unterschiedlichen Clustern
(Gruppen) zusammengefasst. Dabei fusionieren ihre Spektren je nach Homogenität bzw. He-
terogenität auf einem unterschiedlichen Niveau. Die Heterogenität einzelner Cluster lässt sich
durch Gewichtung spezifischer Wellenzahlbereiche noch steigern. Die Höhe des Fusionsni-
veaus, bei dem die Spektren verschiedener Organismen vereinigen, kann zwar einen gewissen
Anhaltspunkt geben, allerdings können nur relative Vergleiche innerhalb eines
Dendrogramms angestellt werden. Die Zahlenwerte, die die spektrale Distanz bzw. Heteroge-
nität angeben, können nur sehr begrenzt mit den Werten anderer Dendrogramme verglichen
werden.
Für die Analyse von Eintragungsquellen ist es nicht unbedingt erforderlich, dass die vermes-
senen Keime auch einer Bibliothek mit bekannten Keimen zugeordnet werden können. Für die
Untersuchung von Eintragungswegen oder Abtrennungserfolgen reicht die Möglichkeit aus,
dass Keime grundsätzlich anhand ihrer Spektren identifiziert bzw. verglichen werden können.
Die Notwendigkeit einer solchen Identifikationsmethode ergab sich bei den Modellversuchen
z.B. aus der Tatsache, dass Fremdquellen bei den Versuchen nicht vollständig auszuschließen
waren. Als Fremdquellen kommen folgende Möglichkeiten in Frage:
• Eine Sterilisation, also die komplette Abtötung aller Mikroorganismen im Versuchs-
ansatz, war bei den verwendeten 100 L-Ansätzen z.B. durch Autoklavieren des ge-
samten Ansatzes im Paderborner Technikum nicht möglich.
• Eine Rückverkeimung durch Biofilme konnte nicht ausgeschlossen werden.
• Ein vollständig abgeschlossenes apparatives System war nicht gegeben.
Um die Anzahl der Probenmessungen möglichst gering zu halten, wurden durch selektive
Nährböden (siehe Nachweis E. coli) oder durch den Einsatz optisch unterscheidbarer Keime
(Bacillus atrophaeus, Micrococcus luteus) eine Vorauswahl getroffen.
4.1.4 Optimierung der Kultivierungsbedingungen
Das Ausmaß der spektralen Unterschiede ist von den Wachstumsbedingungen abhängig. Da-
her sind zuerst die geeigneten Kulturbedingungen für die zu untersuchenden Stämme zu
bestimmen. Von entscheidender Bedeutung sind die Kulturdauer, das Nährmedium sowie die
Temperatur. Anhand der drei Modellkeime EC, ML und BA wird eine Optimierung in den
folgenden Kapiteln 4.1.4.1, 4.1.4.2, 4.1.4.3 dargestellt.
Für die Bezeichnung der Keime wurden Abkürzungen in den Dendrogrammen verwendet. Die
Bezeichnungen der vermessenen Spektren im Dendrogramm können folgendermaßen aufge-
löst werden (exemplarisch dargestellt anhand der Abkürzung BADEV243DER):
Keim: Bacillus atrophaeus, Nährboden: DEV-Nährboden, Inkubationszeit: 24 h, Nummer des
4 Ergebnisse und Diskussion 68
vermessenen Keims: 3, erste Ableitung vom Originalspektrum zur Berechnung des
Dendrogramms: DER
Dieses Schema lässt sich allgemein auf die hier dargestellten Dendrogramme übertragen. Dar-
über hinaus enthält das Dendrogramm zusätzlich wichtige Informationen wie verwendete Fre-
quenzbereiche, deren Gewichtung, verwendeter Algorithmus (z.B. Scaling to 1st range) und
das angewandte Clusteranalyseverfahren (z.B. Ward´s Algorithmus). Üblicherweise werden
die beiden letztgenannten Verfahren für die mikrobiologische Diagnostik angewandt.
4.1.4.1 Kulturdauer
Entscheidend bei der Identifikation von Keimen ist die Dauer eines Tests. Ergebnisse einer
Untersuchung sollten möglichst schnell verfügbar sein, um die Einhaltung von Qualitätskrite-
rien bei der Gewinnung von Trinkwasser zu gewährleisten. Deshalb sollte eine kurze Kultur-
dauer das Ziel einer Optimierung sein.
Für die Wahl der Kultivierungstemperatur bedeutete diese Vorgabe, dass eine zeitliche Opti-
mierung durch die Wahl einer höheren Temperatur erzielt werden konnte. Im Fall der ver-
wendeten Modellkeime war ein deutlich schnelleres Anwachsen der Keime bei 36 °C anstatt
bei 22 °C zu beobachten, somit wurden die Versuche bei 36 °C Inkubationstemperatur durch-
geführt.
Abbildung 26 zeigt ein Dendrogramm bestehend aus insgesamt 36 Keimspektren, die unter-
Abbildung 26: Dendrogramm bestehend aus drei unterschiedlichen Keimen (EC, BA, ML)
nach 24 h und 48 h (jeweils drei Doppelbestimmungen von unterschiedli-
chen Isolaten des gleichen Keims)
1 2
334 5555
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Heterogeneity
BADEV241DER2.0
BADEV242DER2.0
BADEV243DER2.0
BADEV244DER2.0
BADEV245DER2.0
BADEV246DER2.0
BADEV481DER2.0
BADEV482DER2.0
BADEV483DER2.0
BADEV484DER2.0
BADEV485DER2.0
BADEV486DER2.0
MLDEV241DER2.0
MLDEV242DER2.0
MLDEV243DER2.0
MLDEV246DER2.0
MLDEV245DER2.0
MLDEV244DER2.0
MLDEV481DER2.0
MLDEV482DER2.0
MLDEV486DER2.0
MLDEV483DER2.0
MLDEV484DER2.0
MLDEV485DER2.0
ECDEV241DER2.0
ECDEV242DER2.0
ECDEV243DER2.0
ECDEV244DER2.0
ECDEV245DER2.0
ECDEV246DER2.0
ECDEV481DER2.0
ECDEV482DER2.0
ECDEV483DER2.0
ECDEV484DER2.0
ECDEV485DER2.0
ECDEV486DER2.0
Data Preprocessing: No Preprocessing
Ward's Algorithm Frequency Ranges (Weights) =
Correlation with 1201 - 900 /cm (5.0)
Scaling to 1st range 3000 - 2799 /cm (1.0)
Method File = TEMPVIEW.CLA 901 - 699 /cm (1.0)
Date: 3/10/2006
4 Ergebnisse und Diskussion 69
schiedlichen Clustern zugeordnet sind. Berücksichtigt werden muss immer die Qualität und
die Unterscheidbarkeit der Spektren, daher wurden nach 24 und 48 Stunden von den drei Mo-
dellkeimen jeweils 3 Proben mit einer Doppelbestimmung auf einem DEV-Nährboden bei 36
°C kultiviert und vermessen. Die Unterschiede der einzelnen Keime sind durch Heterogenitä-
ten ausgedrückt. Die Keime EC (Escherichia coli), ML (Micrococcus luteus) und BA (Bacil-
lus atrophaeus) weisen deutliche Heterogenitäten auf. Das Dendrogramm wurde mit Hilfe des
Clusteranalyseverfahren „Ward´s Algorithmus“ generiert, für die Kalkulation der spektralen
Distanzwerte der Spektren wurde der Algorithmus „Scaling to first range“ verwendet. Bei der
Kalkulation der Cluster wurden die besonders aussagekräftigen Bereiche 1200-900 cm
-1
(Ge-
wichtung: 5), 3000-2800 cm
-1
(Gew.: 1) und 900-700 cm
-1
(Gew.: 1) verwendet.
Abbildung 27: Dendrogramm mit ML-Cluster nach 24 h (links) und 48 h (rechts)
Erkennbar ist in Abbildung 27, dass die Heterogenitäten zwischen den Gram negativen EC-
Keimen und den Gram positiven ML- und BA-Keimen deutlich größer sind als zwischen den
Clustern der Gram positiven Keime BA und ML. Daraus lässt sich auch eine Zuordnungsme-
thode Gram negativer und Gram positiver Keime erstellen, die in Kapitel 4.1.5 folgt. Auch
hier lässt sich über die verwendeten Frequenzbereiche und deren Gewichtung eine Optimie-
rung der Heterogenitäten erzielen. Eine höhere Heterogenität zur Unterscheidbarkeit der
Cluster stellt das Ziel der Optimierung dar.
Die 24-h-Proben befinden sich in diesem Cluster jeweils auf der linken Seite und die 48-h-
Proben befinden sich auf der rechten Seite der jeweiligen Gruppen. Bei den BA-Clustern und
den EC-Clustern aber nicht bei den ML-Clustern ist in dieser grob aufgelösten Clusteranalyse
erkennbar, dass die 24-h-Proben gegenüber den 48-h-Proben geringere Heterogenitäten inner-
halb des Clusters aufweisen.
1
23
4
55 666
7
0
10
20
30
40
50
Heterogeneity
MLDEV241DER2.0
MLDEV242DER2.0
MLDEV243DER2.0
MLDEV246DER2.0
MLDEV245DER2.0
MLDEV247DER2.0
MLDEV244DER2.0
MLDEV248DER2.0
MLDEV481DER2.0
MLDEV482DER2.0
MLDEV486DER2.0
MLDEV487DER2.0
MLDEV488DER2.0
MLDEV483DER2.0
MLDEV484DER2.0
MLDEV485DER2.0
Data Preprocessing: No Preprocessing
Ward's Algorithm Frequency Ranges (Weights) =
Correlation with 1201 - 900 /cm (5.0)
Scaling to 1st range 3000 - 2799 /cm (1.0)
Method File = TEMPVIEW.CLA 901 - 699 /cm (1.0)
Date: 3/10/2006
4 Ergebnisse und Diskussion 70
Die ML-Cluster zeigen dagegen auch bei einer höheren Auflösung, dass die 24-h- und 48-h-
Proben untereinander ähnliche Heterogenitäten aufweisen, mit geringfügig höherer Heteroge-
nität der 24-h-Proben. Eine Erklärung dafür ist die geringere Wachstumsgeschwindigkeit der
ML-Kolonien gegenüber den EC- und BA-Keimen auf diesem Nährboden. Im Gegensatz zu
den BA- und EC-Kolonien war die sichtbare Wachstumsphase der ML-Kolonien erst nach 48
h abgeschlossen. Offensichtlich ähneln sich die Kolonien stärker, wenn die aktive Wachs-
tumsphase noch stattfindet. Die Heterogenitäten der schneller wachsenden BA- und EC-
Kolonien weisen einen 2-3 fach höheren Wert auf. Die größte Wachstumsgeschwindigkeit
zeigt der EC-Keim, der dann auch die größten Unterschiede zwischen den 24 h und 48 h
Stunden Proben aufweist. Die aktive Wachstumsphase ist schon nach 24 h weitgehend abge-
schlossen.
Auch im direkten Vergleich von 24 h und 48-h Proben des BA-Keimes im höher aufgelösten
Dendrogramm und bei einem optimierten Frequenzbereich ist ersichtlich (siehe Abbildung
28), dass die Heterogenitäten innerhalb der Cluster Unterschiede aufweisen. Auch hier befin-
den sich wieder die 24 h Proben im linken Cluster und die 48 h Proben im rechten Cluster.
Abbildung 28: Dendrogramm von BA-Spektren nach 24 h und 48 h
Es ist ersichtlich, dass die Keime, die aus einer Suspension für eine Doppelbestimmung ent-
nommen wurden (jeweils die Paare 1,2 und 3,4 etc.) jeweils die geringsten Unterschiede auf-
weisen. Damit kann die hohe Genauigkeit dieser Messung dokumentiert werden. Während bei
den Doppelbestimmungen Heterogenitäten von ca. 1-2 auftreten, liegen die Werte zwischen
den Messungen der gleichen Keime, die auf anderen Platten mit dem gleichen Nährboden und
gleichen Bedingungen inkubiert wurden, im Fall der 24 h Proben bei Werten von ca. 5-16. Bei
einer Inkubationszeit von 48 h vergrößerten sich die Heterogenitäten zwischen den Spektren
0
20
40
60
80
100
120
Heterogeneity
BADEV2410DER2.0
BADEV249DER2.0
BADEV247DER2.0
BADEV248DER2.0
BADEV245DER2.0
BADEV246DER2.0
BADEV241DER2.0
BADEV242DER2.0
BADEV243DER2.0
BADEV244DER2.0
BADEV4810DER2.0
BADEV489DER2.0
BADEV481DER2.0
BADEV482DER2.0
BADEV487DER2.0
BADEV488DER2.0
BADEV483DER2.0
BADEV484DER2.0
BADEV485DER2.0
BADEV486DER2.0
Data Preprocessing: No Preprocessing
Ward's Algorithm Frequency Ranges (Weights) =
Correlation with 1201 - 900 /cm (5.0)
Scaling to 1st range 3000 - 2799 /cm (1.0)
Method File = TEMPVIEW.CLA 901 - 699 /cm (1.0)
Date: 20/03/2007
4 Ergebnisse und Diskussion 71
auf max. ca. 19. Die Differenz zwischen Spektren von Keimen nach 24 h und 48 h liegen
dann sogar bei einem Wert von über 120. Daraus lässt sich schließen, dass auch nach 24 h
Wachstumszeit noch eine Veränderung z.B. der Zusammensetzung der Zellmembran stattfin-
det, die offensichtlich größer ist als die Veränderung der Keime im anfänglichen Wachstums-
stadium. Eine genaue Untersuchung dieser Veränderungen in den einzelnen Frequenzberei-
chen und den damit verbundenen funktionellen Eigenschaften innerhalb der Wachstumspha-
sen ist für die Identifikation von Isolaten aber nicht erforderlich. Für die Identifikation der
Keime gilt die Aussage, dass sich nach einer 24-stündigen Inkubationszeit in diesem Fall eine
geringere Heterogenität findet und somit die kürzere Kulturdauer vorteilhaft ist.
Als Fazit kann festgehalten werden, dass es zu keinerlei Überschneidungen der Cluster der
unterschiedlichen Keime kommt. Die Ähnlichkeit der Proben ist auch bei einer Veränderung
der Inkubationszeit immer noch absolut eindeutig gegeben. Trotzdem führt eine kürzere Inku-
bationszeit bei diesen drei Keimen in zwei Fällen zu geringeren und in einem Fall zu ver-
gleichbaren Heterogenitäten zwischen den unterschiedlichen Proben. Demnach sollte die
Messung der Spektren möglichst früh (schon nach 24 h) vorgenommen werden, also noch in
der frühen stationären Wachstumsphase der Keime. Eine zeitliche Verkürzung der Proben-
nahme wird natürlich schon durch das Wachstum der Kolonien begrenzt. Nur bei sehr lang-
sam wachsenden Keimen kann eine spätere Messung sinnvoll sein, so dass eine Entnahme der
Kolonien ohne Nährboden möglich ist. Es besteht bei zu kleinen Kolonien die Gefahr, dass
nicht ausreichend Masse erfasst werden kann oder sogar Nährboden mit in die Suspension
überführt wird. Dies kann zu Verfälschungen der Spektren führen.
4.1.4.2 Wahl des Nährmediums
Die Zusammensetzung des Nährmediums hat entscheidenden Einfluss auf die molekulare
Struktur der Keime und mithin auf die Spektren der Keime. Daher ist zu prüfen, welche
Nährmedien sich eignen.
Es wurde folgendermaßen verfahren:
• Die Vergleichsstämme werden auf unterschiedlichen Nährmedien bei sonst gleichen
Bedingungen kultiviert. Dazu wurden zwei unterschiedliche Medien getestet: DEV-
Nährboden und Hefeextraktagar.
• Von jeder Kultur wurden jeweils zwei Doppelbestimmungen durchgeführt.
• Die Proben wurden vermessen, die Spektren abgeleitet und qualitätsgeprüft.
• Die Spektren wurden geclustert. Für jedes Nährmedium wurde eine eigene Clusterana-
lyse durchgeführt. In diesem Fall hatte sich die Fensterkombination 1200-900 (5.0),
3000-2800 (2) und 900-700 (1) mit den jeweiligen Gewichtungsfaktoren in Klammern
als optimaler Parameter zur Unterscheidung der Cluster gezeigt.
Fallen die Cluster zweier unterschiedlicher Keime bei einem bestimmten Nährmedium zu-
sammen, so ist dieses ungeeignet. Am besten eignen sich für die Identität/Nichtidentitäts-
Untersuchung diejenigen Nährmedien, welche die größten Distanzwerte zwischen zwei
4 Ergebnisse und Diskussion 72
Clustern hervorrufen.
Untersucht wurden 8 unbekannte Keime, die im VE Wasser für den Modellwasseransatz
isoliert werden konnten. Eine vollständige Keimfreiheit des eingesetzten VE-Wassers
konnte für die Modellansätze nicht gewährleistet werden, so dass für die Abbauversuche
mit den Modellkeimen eine Unterscheidung der Isolate erforderlich wurde.
Abbildung 29: Clusteranalyse von Bacillus atrophaeus, E. coli und 8 unbekannten Keimen
aus dem Modellwasser, kultiviert auf Hefeextraktagar.
Abbildung 29 zeigt ein Dendrogramm basierend auf den Aufnahmen acht unterschiedlicher
Keime aus dem Modellwasseransatz und den Keimen E. coli und Bacillus atrophaeus, die auf
einem Hefeextraktagar kultiviert wurden. Es zeigt sich, dass sich die Cluster sehr gut auf dem
Hefeextraktnährboden unterscheiden lassen. Besonders groß sind die Unterschiede erwar-
tungsgemäß zwischen den Gram positiven und Gram negativen Keimen (Heterogenität >
6000). Aber auch innerhalb dieser Gruppen sind die Zuordnungen eindeutig und es kommt zu
keiner falschen Zuordnung von Keimproben.
Natürlich können auch hier nicht alle unterschiedlichen Keime einer Probe untersucht werden
und eine Überprüfung der Clusterfusion erfolgen. Mit Hilfe der FT-IR-Analyse soll in diesem
Fall eine Identitätsbestätigung erfolgen. Eine Vorauswahl der untersuchten Keime nach visu-
ellen Kriterien und anderen spezifischen Verhaltensweisen gekoppelt mit einer FT-IR Unter-
suchung ermöglicht es somit, eine eindeutige Zuordnung der in den Modellversuchen verwen-
deten Keime durchzuführen.
Eine Clusteranalyse auf einem DEV-Nährboden ergab ein vergleichbar positives Ergebnis
bezüglich der Eignung zur Clusterung unterschiedlicher Keime, so dass auch dieser Nährbo-
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Heterogeneity
EC24He1DER1.0
EC24He2DER1.0
EC24He3DER1.0
EC24He4DER1.0
U2grHe1DER1.0
U2grHe2DER1.0
U2grHe3DER1.0
U2grHe4DER1.0
U1grHe241DER1.0
U1grHe242DER1.0
U1grHe243DER1.0
U1grHe244DER1.0
U2schHe1DER1.0
U2schHe2DER1.0
U2schHe4DER1.0
U2schHe3DER1.0
U2grHe1DER1.0
U2grHe2DER1.0
U2grHe3DER1.0
U2grHe4DER1.0
BA24He1DER1.0
BA24He2DER1.0
BA24He4DER1.0
BA24He3DER1.0
U2geHe1DER1.0
U2geHe2DER1.0
U2geHe3DER1.0
U2geHe4DER1.0
U1schHe1DER1.0
U1schHe2DER1.0
U1schHe3DER1.0
U1schHe4DER1.0
U2schHe1DER1.0
U2schHe2DER1.0
U2schHe3DER1.0
U2schHe4DER1.0
U1geHe1DER1.0
U1geHe3DER1.0
U1geHe4DER1.0
U1geHe5DER1.0
Data Preprocessing: First Derivative
Ward's Algorithm Frequency Ranges (Weights) =
Correlation with 1201 - 900 /cm (5.0)
Scaling to 1st range 3000 - 2799 /cm (2.0)
Method File = NährmedientestDissaktuell.CLA 901 - 699 /cm (1.0)
Date: 26/09/2006
4 Ergebnisse und Diskussion 73
den sich genauso gut für eine Zuordnung der Keime eignet. Die Wachstumsbedingungen wa-
ren in beiden Fällen 24 Stunden und die Kultivierungstemperatur lag bei 36 °C. Auf dem
DEV-Nährboden konnte allerdings eine stärker ausgeprägte Neigung zur Pigmentbildung (o-
range) der Bacillus atrophaeus Stämme beobachtet werden. Somit kann schon optisch eine
gute Vorauswahl der Keime getroffen werden, die dann mit Hilfe der FT-IR-Analytik eindeu-
tig identifiziert werden können. Die Vorauswahl bei den E. coli-Keimen konnte mit Hilfe von
Chromocult-Nährboden erfolgen.
Der Einfluss unterschiedlicher Nährböden zeigte sich auch bei der Clusterung in einem
Dendrogramm von unbekannten Keimen im Vergleich mit den drei Modellkeimen. Bei den
Keimen ML und EC zeigte sich, dass trotz der Verwendung von zwei unterschiedlichen Nähr-
böden eine hohe Ähnlichkeit zwischen den Spektren bestand. Die Cluster der gleichen Keime
(ML und EC) auf den beiden unterschiedlichen Nährböden fusionierten im Dendrogramm
frühzeitiger als die Cluster, die mit anderen unbekannten Keimen auf den gleichen Nährböden
entstanden. In diesem Fall war also eine hohe Ähnlichkeit der gleichen Keime auf unter-
schiedlichem Nährboden gegeben. Diese Beobachtung lässt sich allerdings nicht verallgemei-
nern. Im Fall des BA-Keimes konnte eine größere Ähnlichkeit zu einem unbekannten Keim
auf dem gleichen Nährboden gefunden werden. Der Einfluss des Nährbodens war in diesem
Fall also relevanter. Die Zuordnung der BA-Keime in einem Cluster war aber eindeutig und es
kam zu keiner falschen Zuordnung eines Keimes zu einem anderen Cluster.
Der Einfluss des Nährbodens kann also gravierende Unterschiede zwischen den einzelnen
Spektren erzeugen. Eine Identifikation bzw. eine eindeutige Zuordnung in bestehende Cluster
ist nur mit einem gleichen Nährboden möglich.
4.1.4.3 Fazit
Die durchgeführten Untersuchungen der unterschiedlichen Modellkeime haben gezeigt, dass
in keinem Dendrogramm unterschiedliche Keime mit den bekannten zu untersuchenden Kei-
men fusionierten. Dieses Ergebnis lässt die Aussage zu, dass die FT-IR Analytik für eine
Clusteranalyse geeignet ist. Wird die Methode noch mit äußeren Erkennungsmerkmalen er-
gänzt, kann mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit eine richtige Zuordnung der Isolate erfolgen.
Insbesondere, wie hier geschehen, kann beim Einsatz von Modellkeimen in Modellansätzen,
die nicht vollständig frei von Keimen aus Fremdquellen sind, eine einfache Überwachung und
Kontrolle erfolgen. Außerdem existiert keine Standardnachweismethoden mit Hilfe von selek-
tiven Nährböden für die Keime BA und ML. Für die Kultivierung eignete sich sowohl ein
Hefeextraktagar als auch ein DEV-Nährboden.
Positive Befunde auf einem Chromocultnährboden müssen zusätzlich mit biochemischen
Tests abgesichert werden, als Alternative bietet sich die FT-IR Analytik an. Bei dem Selektiv-
nährboden zum Nachweis von E. coli (Chromocult) lassen sich unterschiedliche E. coli-
Stämme nicht nachweisen, so dass auch hier eine Möglichkeit zur Differenzierung besteht.
„Wilde“ Stämme oder falsch positive Ergebnisse können dadurch eindeutig von den einge-
setzten Modellkeimen unterschieden werden
109
. Ein weiterer entscheidender Vorteil der FT-
4 Ergebnisse und Diskussion 74
IR-Analytik gegenüber der PCR-Analytik ist der bedeutend geringere Aufwand. Bei der Un-
tersuchung der Modellwässer, die mit Modellkeimen angeimpft wurden, konnte mit Hilfe der
FT-IR Analytik eine schnelle und eindeutige Identifikation der Modellkeime etabliert werden.
4.1.5 Differenzierung Gram positiver und Gram negativer Keime
Mit Hilfe der FT-IR Analytik kann eine Gruppierung der Keime in Gram positiv und Gram
negativ vorgenommen werden. Wenn in einer vorhandenen Datenbank keine Zuordnung zu
einem bekannten Keim erfolgen kann, besteht die Möglichkeit, dass sich mit Hilfe einer
Clusteranalyse eine Zuordnung zur Gruppe der Gram negativen Keime vornehmen lässt ohne
eine Identifikation durchzuführen. Hier bietet die FT-IR Analytik eine komfortable Lösung an.
Üblicherweise werden solche Tests mit Hilfe eines Färbeversuchs, dem so genannten Gram-
Test, durchgeführt.
Relevant ist diese Untersuchung, um die Herkunft bzw. Bildung von Endotoxinen nachzuwei-
sen. Durch die Zerstörung der Zellwand Gram negativer Mikroorganismen können Endotoxi-
ne entstehen. Die Lipopolysaccharide (Endotoxine) auf der Zellwand der Gram negativen
Bakterien sind oft toxisch, somit ist der Nachweis und die Kontrolle dieser Keimgruppe eine
Möglichkeit, Rückschlüsse auf eine Kontaminationsquelle zu ziehen.
Besonders geeignet für die Differenzierung Gram positiver und Gram negativer Keimcluster
sind die Wellenzahlbereiche 1200-900 cm
-1
(Gewichtung: 1), 3000-2800 cm
-1
(Gewichtung:
1) und 1500-1400 cm
-1
(Gewichtung: 1). Die besondere Eignung dieser Wellenzahlbereiche
ist in Kapitel 3.2.1.2 beschrieben. Sie beruht auf der Zusammensetzung der Fettsäuren der
Membran und der Polysaccharide in der Zellwand
109
.
Für die Untersuchung wurden von unterschiedlichen bekannten Gram positiven (BA, ML) und
Gram negativen (EC) Mikroorganismen Wiederholungsmessungen unabhängiger Präparatio-
nen angefertigt, qualitätsgeprüft und einer Clusterung unterzogen.
Beispielhaft werden hier die drei Modellkeime auf jeweils zwei unterschiedlichen Nährböden
dargestellt. Durch die Clusterung werden die Keime in die beiden Gruppen unterteilt. Mit Hil-
fe der Clusteranalyse kann anschließend eine Zuordnung eines unbekannten Keimes zur
Gruppe der Gram negativen oder Gram positiven Keime erfolgen.
Je größer die Anzahl bekannter Keime mit den entsprechenden Eigenschaften ist, desto besser
kann eine Optimierung der Wellenzahlbereiche und ihrer Gewichtungen vorgenommen wer-
den und infolgedessen eine sichere Zuordnung eines unbekannten Keimes erfolgen.
4 Ergebnisse und Diskussion 75
Abbildung 30: Dendrogramm mit Gram positiven und Gram negativen Bakterien. Verwendete
Wellenzahlbereiche: 1200-900 cm
-1
(3), 3000-2800 cm
-1
(1) und 1500-1400
cm
-1
(1).
Abbildung 30 zeigt ein Dendrogramm bestehend aus Messungen von Gram positiven und
Gram negativen Keimen auf unterschiedlichen Nährböden. Die vier Messungen des unbe-
kannten Stammes, die ganz rechts im rechten Cluster zu erkennen sind, konnten dem Bereich
der Gram negativen Bakterien (EC) zugeordnet werden. Die jeweils vier Keimpräparationen
auf zwei unterschiedlichen Nährböden von ML- und BA-Keimen bilden die Gruppe der Gram
positiven Keime und befinden sich auf der linken Seite des Dendrogramms. Zwischen diesen
beiden Gram positiven Keimen besteht zwar auch ein großer Unterschied, erkennbar durch die
Höhe der Clusterfusion, aber es ist eine eindeutige Zuordnung möglich. Die Optimierung
durch Gewichtung unterschiedlicher Wellenzahlbereiche ergab in diesem Fall ein besseres
Ergebnis mit einer höheren Gewichtung (3) des ersten Wellenzahlbereichs gegenüber den an-
deren Wellenzahlbereichen (jeweils 1). Der Einfluss der Nährböden lässt sich bei diesen Pa-
rametereinstellungen zwar deutlich erkennen, es besteht aber trotzdem eine so hohe Ähnlich-
keit zwischen den Spektren der gleichen Keime, dass sie nicht einer anderen Gruppe zugeord-
net werden können.
4.1.6 Ozon-Resistenzneigung in Abhängigkeit von Grameigenschaften
In diesem Versuch wurde mit Hilfe der FT-IR Analytik die Resistenzneigung von Gram posi-
tiven und Gram negativen Keimen gegenüber einer Ozonbehandlung getestet. Die Relevanz
dieser Untersuchung ergibt sich aus der Eigenschaft, dass absterbende oder zerstörte Gram
negative Keime zur Freisetzung von Endotoxinen beitragen können. Untersucht wurde eine
verkeimte Probe des UO-Permeates aus einer Realprobe vor und nach der Behandlung mit
1
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Heterogeneity
BADEV241DER2.0
BADEV242DER2.0
BADEV243DER2.0
BADEV244DER2.0
BA24He1DER1.0
BA24He2DER1.0
BA24He3DER1.0
BA24He4DER1.0
MLHe1DER1.0
MLHe2DER1.0
MLHe3DER1.0
MLHe4DER1.0
MLDEV241DER2.0
MLDEV242DER2.0
MLDEV243DER2.0
MLDEV244DER2.0
ECDEV241DER2.0
ECDEV242DER2.0
ECDEV243DER2.0
ECDEV244DER2.0
EC24He1DER1.0
EC24He2DER1.0
EC24He5DER1.0
EC24He6DER1.0
U1grHe241DER1.0
U1grHe242DER1.0
U1grHe243DER1.0
U1grHe244DER1.0
Data Preprocessing: Vector Normalization
Ward's Algorithm Frequency Ranges (Weights) =
Correlation with 1201 - 900 /cm (3.0)
Scaling to 1st range 3000 - 2799 /cm (1.0)
Method File = TEMPVIEW.CLA 1501 - 1399 /cm (1.0)
Date: 10/10/2006
4 Ergebnisse und Diskussion 76
Ozon. Die Ozonbehandlung bestand aus einer intensiven zweieinhalb minütigen Ozonung mit
einer Dosis von 2,5 mgO
3
/L in der 5 L-Blasensäule.
Bei der Untersuchung der Keime vor der Ozonung konnten sowohl 4 unterschiedliche Keime
identifiziert werden, die sich mit Hilfe einer Clusteranalyse zur Gruppe der Gram positiven
zuordnen ließen, als auch 4 unterschiedliche Keime, die sich zu den Gram negativen Stämmen
zuordnen ließen. Die Auswertung von Keimen nach der Behandlung ergab, dass unter den
wenigen Kolonie bildenden Einheiten (7 KBE/100mL) nur noch 2 unterschiedliche Gram po-
sitive vermehrungsfähige Keime auf einer Hefeextraktplatte wiedergefunden werden konnten.
Diese Befunde weisen auf eine unterschiedliche Resistenzneigung gegenüber dieser Desinfek-
tionsmethode hin. Möglicherweise bedingt die Zellwandstärke auch die Oxidationsempfind-
lichkeit unterschiedlicher Mikroorganismen. Diese Ergebnisse sind auch im Einklang damit
zu bringen, dass sich der Gram positive Keim Bacillus atrophaeus deutlich widerstandsfähi-
ger gegenüber Ozon erwies als der E. coli-Keim. Allerdings wäre eine deutlich höhere Anzahl
von untersuchten Gram positiven und Gram negativen Keimen erforderlich, um daraus eine
eindeutige Tendenz und einen Zusammenhang mit dem Aufbau der Zellwand signifikant ab-
zuleiten.
Im Gegensatz dazu zeigte sich bei einer Probe, die nach der Ozonbehandlung über 96 Stunden
im Blasensäulenreaktor wiederverkeimte, dass die Proben von Gram negativen Keimen domi-
niert wurden. Sie konnten sich am schnellsten verbreiten und fanden offensichtlich sehr gute
Wachstumsbedingungen. Da sich in den ozonisierten Proben vorab keine Gram negativen
Keime nachweisen ließen, muss von einer „Fremdquelle“ des nicht völlig abgeschlossenen
Systems oder von Biofilmen in der Anlage ausgegangen werden, die zur Wiederverkeimung
der Probe führte. Wird dieses Ergebnis unter dem Aspekt der Endotoxinneubildung betrachtet,
die durch wiederholte Ozonung und Zerstörung der Zellwände oder durch natürliches Abster-
ben von Gram negativen Keimen entstehen kann, bedeutet dieser Befund, dass möglichst
durch eine Permanentozonung das Wachstum aller Keime und speziell der Gram negativen
Keime unterdrückt werden sollte. Aufgrund der für Ozon empfindlicheren Zellwand Gram
negativer Keime kann das Ziel der Unterdrückung dieser Keime wahrscheinlich schon mit
geringen Dosismengen erfolgreich durchgeführt werden.
4.1.7 Untersuchung der Barriereeigenschaften von Membranstufen
Im Rahmen des Projektes sollte die Ursache für die Verkeimung der Proben in den einzelnen
Membranstufen identifiziert werden. Als mögliche Eintragungswege kommen Durchlässigkei-
ten der Membranstufen sowie Fremdquellen und Rückverkeimung in Frage. Für den Nach-
weis wurden Proben der Filtrate der Ultrafiltrationsstufe und Permeate der Umkehrosmosestu-
fe mit Hilfe der FT-IR Spektroskopie in einer Diplomarbeit von Israel, O.
123
im Fachgebiet
Technische Chemie und Chemische Verfahrenstechnik an der Universität Paderborn unter-
sucht.
Dazu wurden Keime aus Wasserproben isoliert, die nach der Ultrafiltrationsstufe entnommen
wurden. Insgesamt wurden von 60 unterschiedlichen Keimen Mittelwertspektren erstellt. Für
4 Ergebnisse und Diskussion 77
die Kultivierung der Keime wurde ein Hefeextraktnährboden verwendet. Einschränkend ist
anzumerken, dass es sich bei der Vielzahl unterschiedlicher Keime um eine möglichst reprä-
sentative Auswahl der Keime handelt. Die Erstellung der Bibliothek umfasste pro berechnetes
Mittelwertspektrum jeweils 10 Einzelspektren des gleichen Keimes, so dass auch hier eine
Begrenzung der Bibliothek erforderlich war. Anschließend wurden Keime, die im Permeat der
Umkehrosmosestufe auf Hefeextraktnährboden isoliert werden konnten, mit denen in der Ult-
rafiltrationsstufe verglichen. Es konnten trotz der großen Anzahl unterschiedlicher Keime
nach der Ultrafiltrationsstufe 15 % der Keime in der UO-Stufe wiedergefunden werden. Die-
ser Befund deutet darauf hin, dass Keime aus dem Filtrat der Ultrafiltrationsstufe auch die
Umkehrosmosestufe passieren konnten. Mit diesen Untersuchungen lässt sich aber nicht ein-
deutig klären, auf welchem Weg die Keime die UO-Stufe passieren konnten bzw. ob Fremd-
quellen in beiden Stufen verantwortlich für die gleichen Keimpopulationen sind. Die Ergeb-
nisse weisen darauf hin, dass auch ein Durchbruch durch die UO-Membranstufe nicht völlig
ausgeschlossen werden kann. Dagegen spricht, dass spezielle Keime, die im Rahmen der klas-
sischen TVO-Untersuchung nur im UF-Filtrat zu finden waren nicht mehr im UO-Permeat
aufzufinden waren. Allerdings könnte dabei auch die Keimkonzentration eine Rolle gespielt
haben.
Weitere Untersuchungen an einer Umkehrosmoseanlage im Technikum der Technischen
Chemie und Chemischen Verfahrenstechnik an der Universität Paderborn mit dem Modell-
keim E. coli mit einer sehr hohen Startkonzentration deuten zusätzlich darauf hin, dass ein
Passieren des Modellkeims durch das einstufige Membranmodul in sehr geringem Umfang
möglich ist. Mit Hilfe der FT-IR-Analytik konnte bestätigt werden, dass es sich im Permeat
um den ursprünglich im Feed in hoher Zahl eingesetzten Modellkeim E. coli handelte.
Insgesamt gelang es, eine eindeutige Zuordnung von bekannten Keimen zu den entsprechen-
den Mittelwertspektren in der umfangreichen Bibliothek durchzuführen. Dazu wurden Keime
herangezogen, die auf Selektivnährböden schon einer entsprechenden Vorauswahl unterzogen
wurden. Mit Hilfe dieser Selektivnährböden gelang es, die Trefferwahrscheinlichkeit durch
Vorauswahl noch mal deutlich auf 90 % zu erhöhen
123
. Damit lassen sich innerhalb kurzer
Zeit (innerhalb von 24-48 Stunden) sehr gute Identifikationsergebnisse erzielen, die durch
klassische Methoden erst nach mehrtägigen weiteren aufwändigen Untersuchungen erzielt
werden können. Die FT-IR Spektroskopie stellt somit ein geeignetes Instrument zur Untersu-
chung von Eintragungswegen dar. Die Problematik der Vorauswahl von Keimen aus einem
komplexen Keimgemisch stellt sich ebenso für andere Nachweismethoden. Bei der Realtime-
PCR-Analytik kommt z.B. noch die hohe Nachweisgrenze erschwerend hinzu, die nur durch
biologische Anreicherungsmethoden umgangen werden kann, allerdings verbunden mit weite-
ren Nachweisrisiken, wie z.B. falsch negativen Ergebnissen im Falle einer Nichtvermehrung
der gesuchten Keime in der Nährlösung.
Die FT-IR-Spektroskopie kann immer dann sehr erfolgreich eingesetzt werden, wenn Keime
in den Versuchsreihen identifiziert werden müssen, für die es keine spezifischen Nährböden
gibt oder bei denen auch mögliche Fremdquellen in Frage kommen. Die Unterscheidung kann
dann eindeutig mit Hilfe der FT-IR Analytik erfolgen.
4 Ergebnisse und Diskussion 78
4.2 Endotoxine
Endotoxine entstehen durch den Zerfall der Zellmembran Gram negativer Mikroorganismen.
Für Wasser, dass für die Herstellung pharmazeutischer Produkte verwendet wird, ist ein
Grenzwert an Endotoxinen von 0,25 EU (EU = Endotoxin Units) vorgegeben. Grundsätzlich
sollte Wasser für den Gebrauch im Bereich von Lebensmitteln ähnlichen Kriterien genügen,
jedoch sind in der TVO keine kritischen Parameter formuliert. Um festzustellen, ob Endotoxi-
ne in den Proben überhaupt vorhanden sind, wurde ein möglichst einfach durchzuführender
Test angewendet. Der verwendete Test erlaubt aber nur eine Differenzierung hinsichtlich ei-
nes Positiv/Negativ-Nachweises mit einer Grenze von 0,25 EU. Positivbefunde von über 0,25
EU zeigen dann weiteren Untersuchungsbedarf auf. Als Endotoxintestkit wurde das Testkit
Pyrosate TM für Endotoxinbestimmung in Wasser und Dialysaten der Fa. Pyroquant Diagnos-
tik GmbH mit der Artnr. 28PS01A02 verwendet. Die exakte Beschreibung der Testdurchfüh-
rung findet sich im Kapitel 3.2.3.
Um die Qualität des Wassers zu untersuchen, das die jeweiligen Barrierestufen passiert hat,
wurden Proben genommen und mit Hilfe des beschriebenen Schnelltests untersucht. Getestet
wurden sowohl eine Realwasserprobe nach der UO-Filtration, Modellwässer vor und nach der
Behandlung mit Ozon, UV und einer Kombination aus Ozon + UV. Als Referenzprobe und
zur Verdünnung wurde steriles, DNA und RNA freies Bidest-Wasser der Fa. Eurobiol ver-
wendet.
Bei dem Modellwasser wurde als Testkeim der Gram negative Keim E. coli verwendet. Die
Konzentration der eingesetzten Keime entsprach mit ca. 10
7
KBE/100mL solchen Werten, die
auch bei Realproben nach einer starken Rückverkeimung von UO-Proben an Gram negativen
Keimen zu finden waren. Mit Hilfe von FT-IR Untersuchungen konnte in Realproben nach-
gewiesen werden, dass sich in den höchsten Verdünnungsstufen, also bei Keimzahlen von ca.
10
7
KBE/100 mL, Gram negative Keime befanden.
Im ersten Schritt erfolgte der Test mit Wasser der Fa. Eurobiol. Es konnten erwartungsgemäß
keine Endotoxine mit diesem Test festgestellt werden. Zusätzlich findet bei jedem Test eine
Validierung durch ein Positiv-Produkt-Kontrollröhrchen statt. Dieser Test verlief positiv, das
Testergebnis für das Wasser von der Fa. Eurobiol kann somit als Negativbefund bestätigt wer-
den. Anschließend wurde eine Realwasserprobe nach der UO-Filtration untersucht. Die Probe
wurde zunächst auf 3-4 °C gekühlt, transportiert und dann tiefgefroren. Das Testergebnis die-
ser Probe war positiv, es konnten trotz der Membranfiltration Endotoxine nachgewiesen wer-
den. Der Grund dafür könnte sein, dass Endotoxine die Membranbarriere passieren oder rück-
verkeimte Mikroorganismen bzw. deren Zerfall den Positivbefund bewirken. Auch in einer
Modelllösung mit E. coli-Keimen mit einer Konzentration von ca. 10
7
KBE/100mL wurde ein
Positivbefund nachgewiesen. Der DOC-Wert in dieser Modelllösung betrug 6 mgC/L. Der
Positivbefund ist nicht sehr verwunderlich, da sich möglicherweise in dem Modellwasser ab-
gestorbene Keime befinden, die durch Zelllyse und Zerfallsprozesse Endotoxine aus der Zell-
membran freisetzen. Auch nach einer Ozonbehandlung dieser Modelllösung in einer kontinu-
ierlich betriebenen Blasensäule mit einer Ozondosierung von 8,4 mgO
3
/L innerhalb von einer
4 Ergebnisse und Diskussion 79
Stunde und 16,8 mgO
3
/L innerhalb von zwei Stunden wurden Positivbefunde festgestellt. Bei
diesem Versuch wurde dem Blasensäulenreaktor kontinuierlich ein Feedstrom mit Modelllö-
sung zugeführt, so dass permanent vermehrungsfähige Keime in den Blasensäulenreaktor
strömten. Dadurch könnten sich auch noch nicht oxidierte oder teilweise zerfallene Mikroor-
ganismen in der Lösung befunden haben, die den Positivbefund hervorriefen. Daher sollte in
einem weiteren Versuch überprüft werden, ob bei einem Semibatchversuch ohne weitere Zu-
führung eines Feedstroms (aber mit kontinuierlich zugeführtem Ozongasstrom) eine so weit-
reichende Oxidation stattfindet, dass der Endotoxinnachweis einen Negativbefund liefert.
Aber auch bei diesem Versuch mit Ozondosierungen von 8,4 mgO
3
/L und 16,8 mgO
3
/L konn-
ten in beiden Fällen Positivbefunde festgestellt werden. Selbst eine 1:10 Verdünnung der 16,8
mgO
3
/L Probe mit bidest. Wasser der Fa. Eurobiol lieferte einen Positivbefund. Auch ein UV-
Versuch mit einer Bestrahlungsdosis von 864 mJ/cm² lieferte Positivbefunde. Durch die UV-
Bestrahlung mit einem UV-C-Niederdruckstrahler mit einem Wellenlängenmaximum bei 254
nm werden Mikroorganismen nicht an ihrer Zellwand angegriffen. Die Bestrahlung hatte auch
keinen Effekt auf noch in der Lösung befindliche Endotoxine, zumindest keinen so großen
Effekt, dass ein Negativbefund festgestellt werden kann. Abschließend wurde noch eine
Kombinationsbehandlung von Ozon + UV getestet. Die Versuche wurden mit einer kontinu-
ierlich betriebenen Blasensäule durchgeführt. Im ersten Fall betrug die Ozondosis 16,8
mgO
3
/L und die UV-Dosis 864 mJ/cm² und im zweiten Fall betrug die Ozondosis 8,4 mgO
3
/L
und die UV-Dosis 432 mJ/cm². In beiden Fällen konnte ein Positivbefund festgestellt werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass keine der angewandten Methoden eine Absenkung
der Werte unter 0,25 EU/mL bewirkt. Leider lassen sich die einzelnen Behandlungserfolge
mit diesem Testverfahren nicht genauer quantifizieren. Obwohl das Modellwasser nach der
Behandlung mit Ozon bzw. einer Kombinationsbehandlung von Ozon und UV keinerlei Be-
anstandung in Bezug auf die mikrobiologischen Parameter nach der TVO aufwies, zeigen die
Ergebnisse im Bereich der Endotoxine weiteren Forschungsbedarf auf.
Die Endotoxinkonzentration kann möglicherweise dadurch reduziert werden, dass direkt nach
der Membranfiltration eine Rückverkeimung durch eine Desinfektionsmaßnahme schon früh-
zeitig unterdrückt wird (z.B. mit Ozon), so dass nur eine sehr geringe Keimkonzentration vor-
handen ist, die bei der Zelllyse zu unkritischen Endotoxinkonzentrationen führen kann. Mög-
licherweise passiert aber auch schon eine gewisse Menge an Endotoxinen die UO-Membran.
Diese Fragestellung konnte aufgrund der zeitlichen Verzögerung bei der Probenlieferung und
des gewählten Schnelltestverfahrens nicht ausreichend geklärt werden. Um diese Zusammen-
hänge genauer zu klären, müssten noch aufwändigere und präzisere Methoden eingesetzt wer-
den, die eine quantitative Aussage zulassen. Eine Ozonbehandlung bzw. eine intensive kom-
binierte Ozon + UV-Behandlung reicht in keinem Fall für eine Unterschreitung des Grenzwer-
tes von 0,25 EU, wie er für Wasser in der pharmazeutischen Industrie gilt. Darüber hinaus
sollte auch geprüft werden, ob ein Grenzwert in der Trinkwasserverordnung für eine maxima-
le Endotoxinkonzentration aufgenommen werden sollte.
4 Ergebnisse und Diskussion 80
4.3 Reinigung und Desinfektion von Realwasserproben
In den folgenden Kapiteln werden die Reinigungsergebnisse des realen Wassers in den jewei-
ligen Membranstufen beschrieben. Anschließend werden die Ergebnisse dargestellt, die durch
zusätzliche Desinfektionsmaßnahmen mit den Realwasserproben erzielt werden konnten. Die
Resultate werden in weiteren Modellversuchen je nach Problemstellung wieder aufgegriffen
und in die Festlegung der Modellparameter aufgenommen. Ziel dieser Versuche sind Optimie-
rungen des gesamten Prozesses.
4.3.1 Ergebnisse der chemischen Analysen der Realwasserproben
Die Realwasserproben wurden aus den jeweiligen Membranstufen der Demonstrationsanlage
auf dem Gelände des lebensmittelverarbeitenden Betriebes entnommen, anschließend bei 2-4
°C in sterilisierten Behältern gekühlt transportiert und innerhalb von 24 Stunden analysiert. Es
wurden sowohl die hygienischen Belastungen als auch die chemischen Inhaltsstoffe ermittelt.
Die untersuchten Proben wurden anschließend für die Desinfektionsversuche im 5 L-
Semibatchreaktor bzw. im UV-Reaktor verwendet. Die detaillierten Ergebnisse der Untersu-
chung von drei UO/2-Proben (nach der 2. Umkehrosmosestufe) befinden sich tabellarisch
aufgelistet im Anhang (Anhang unter Punkt 2). Es konnte festgestellt werden, dass die Ultra-
filtration in Kombination mit der Umkehrosmose die chemische Belastung soweit mindert,
dass die Vorgaben der TVO bis auf erhöhte Ammoniumgehalte eingehalten werden können.
Eine weitere deutliche Senkung der Ammoniumkonzentration im UO-Permeat kann durch
eine optimierte Nitrifikation in der biologischen Aufbereitung erfolgen z.B. durch Erhöhung
der Aktivität nitrifizierender Mikroorganismen, Verweilzeitverlängerung oder eine intensivere
Belüftung. Auch ein geeigneteres Permeat zu Retentatverhältnis in der Umkehrosmosestufe
kann eine deutliche Senkung bewirken. Die Ergebnisse der Ammoniumuntersuchung zeigen,
dass eine permanente Überwachung der Ammoniumkonzentration erforderlich ist.
4.3.2 Verlauf der organischen Belastung nach der Membranfiltration
Um die geforderten chemischen und hygienischen Parameter der TVO einzuhalten, werden
nach der Hochleistungsbiologie mehrere Membranstufen hintereinandergeschaltet. Durch die
Membranstufen werden große Mengen an organischen Substanzen, Mikroorganismen und
Salze zurückgehalten. Abbildung 31, erstellt vom IUV Bremen, zeigt die organische Belas-
tung und den prozentualen Rückhalt der Stufen anhand von CSB-Werten auf.
Der CSB-Wert ist ein Summenparameter und kennzeichnet die Menge an Sauerstoff, die nötig
ist, um die organischen und anorganischen Verbindungen im Abwasser chemisch vollständig
zu oxidieren. Der Chemische Sauerstoffbedarf dient insbesondere als Summenparameter zur
Quantifizierung der Belastung von Abwasser mit organischen Stoffen. Er erfasst sowohl bio-
logisch abbaubare als auch biologisch nicht abbaubare organische Stoffe, allerdings auch eini-
ge anorganische Stoffe.
4 Ergebnisse und Diskussion 81
Abbildung 31: Totaler und prozentualer CSB-Rückhalt
124
in den jeweiligen Stufen
Im Zulauf des Strahlzonenreaktors sind sehr stark schwankende CSB-Werte zu erkennen, die
durch Produktionsschwankungen bedingt sind. Die Konzentration gelöster organischer Kom-
ponenten nach der Ultrafiltration weist immer noch so hohe Werte auf, dass optimale Wachs-
tumsbedingungen und ein hervorragendes Substratangebot für Mikroorganismen gegeben
sind. Für UV- und Oxidationsverfahren ist eine verbleibende organische Matrix von besonde-
rer Bedeutung. Zum einen können Absorptionseffekte durch die organische Matrix auftreten
und zum anderen können organische Substanzen oxidativ wirkende Desinfektionsmittel in
Konkurrenz zur eigentlichen Desinfektion aufzehren. Die Untersuchung der Keimbelastung in
einigen UF-Filtraten zeigte darüber hinaus, dass keine ausreichende hygienische Sicherheit in
den Proben gewährleistet ist. Die organische Matrix verursacht in dieser Größenordnung eine
maximale Wachstumsgeschwindigkeit für die Keime. Da das Desinfektionskonzept aber auch
darauf ausgelegt ist, dass zusätzlich mindestens eine UO-Filtrationsstufe eingeplant ist, sind
die großen Mengen an Keimen an dieser Stelle auch nicht als kritisch zu beurteilen. Die Ultra-
filtration dient vordringlich zum Rückhalt des Belebtschlammes des Bioreaktors und als Par-
tikelfilter. Deutlich zu erkennen ist, dass erst die UO-Filtration eine ausreichende Abtrennung
der organischen Matrix gewährleistet. Diese Ergebnisse zeigten sich auch in weiteren Analy-
sen von UO-Proben. Die CSB-Werte sind in Tabellen im Anhang unter Punkt 2 aufgeführt.
Sei zeigen, dass die CSB-Werte, bestimmt nach DIN 38409-H41 mit K
2
Cr
2
O
7
als Oxidati-
onsmittel, in allen untersuchten UO-Proben unter 10,5 mgO
2
/L liegen. Die Trinkwasserver-
ordnung schreibt für die Oxidierbarkeit nach der Kaliumpermanganatmethode einen Grenz-
wert von 5 mgO
2
/L vor. Da Kaliumdichromat aufgrund seiner stärkeren Oxidationskraft deut-
lich mehr organische Substanzen als Kaliumpermanganat erfasst, sind geringfügige Über-
schreitungen der mit Kaliumdichromat bestimmten Proben tolerierbar.
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
30
35
40
45
50
55
60
65
Versuchstag
Chemischer Sauerstoffbedarf CSB/mg L
-1
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
CSB-Rückhalt / %
CSB SZR Zulauf
CSB UF Filtrat
UO Permeat
Rückhalt UF
Rückhalt UO
Rückhalt Anlage
4 Ergebnisse und Diskussion 82
4.3.3 Temperatur- und pH-Wert-Verläufe der Filtrate und Permeate
Die Temperatur der Wasserproben spielt bei der Wahl der Desinfektionsmethode eine gravie-
rende Rolle. Ozon eignet sich nur bis zu einer Temperatur von etwa 40 °C, da die Löslichkeit
des Ozons mit steigender Temperatur stark abnimmt. Im Gegensatz dazu nimmt mit steigen-
der Temperatur die Reaktionsgeschwindigkeit zu. Trotz dieser gegenläufigen Tendenzen liegt
die Grenze für eine Ozonanwendung bei ca. 40 °C.
1 2 3 4
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
44
46 Temperaturverlauf
Filtrat der UF
Permeat der UO
Temperatur [°C]
Messung
Abbildung 32: Temperaturverlauf der Filtrat- und Permeatproben der UF- und UO-Stufe
Abbildung 32 zeigt die Temperaturverläufe der UF-Filtrate und UO-Permeate von Proben, die
in Abständen von 14 Tagen entnommen wurden. Während die Temperatur der UF-Filtrate
zwischen 24-26 °C liegt, wurden durch die intensivere Behandlung der UO-Permeate teilwei-
se bis zu 42 °C in den Proben erreicht. Untersuchungen mit Originalproben des UO-Permeates
bestätigen, dass auch bei 35 °C eine vergleichbare Desinfektionswirkung mit adäquaten Ozon-
mengen erzielt werden kann. Allerdings liegen die Halbwertszeiten des gelösten Ozons deut-
lich unter den Werten bei 20 °C, somit ist eine schnellere Rückverkeimung durch die kürzere
Depotwirkung zu erwarten.
In den untersuchten Proben lagen die pH-Werte von 6,7-8,7, daher ist eine pH-Wert-
Einstellung nach TVO nicht erforderlich (pH-Wert 6,5-9,5). Auch für das Oxidationsverfah-
ren mit Ozon sind in diesem Bereich keine erheblichen Veränderungen der Desinfektionser-
gebnisse zu erwarten.
4.3.4 Keimbelastung von Realproben aus der UF- und UO-Stufe
Um die Keimbelastungen in den einzelnen Barrierestufen zu erfassen, wurden die Filtratpro-
ben der Ultrafiltrationsbehandlung auf die Gesamtkeimzahl bei 22 °C und 36 °C, als auch auf
4 Ergebnisse und Diskussion 83
E. coli und Enterokokken untersucht. Die Untersuchungen wurden nach den Vorgaben der
TVO durchgeführt.
10
-1
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
10
9
10
10
3
2
1
Keimzahl [KBE/100mL]
Probennahme
Gesamtkeimzahl 22°C
Gesamtkeimzahl 36°C
E. coli
Enterokokken
Abbildung 33: Keimbelastung der UF-Filtrate
In Abbildung 33 ist die Keimbelastung von drei unterschiedlichen UF-Filtraten dargestellt. Es
zeigt sich, dass das UF-Filtrat nach der Filtration noch große Mengen an Keimen enthält. Die
Gesamtkeimzahl bei 22 °C und bei 36 °C lag bei den gekühlten Proben zwar schon um ca.
zwei Zehnerpotenzen (ca. 90-99 % Rückhalt) unter den Werten, die in der Hochleistungsbio-
logie an Keimzahlen zu finden sind, jedoch noch deutlich über den Werten, die nach der TVO
erlaubt sind. Es konnte auch eine große Anzahl an E. coli und Enterokokken identifiziert wer-
den. Die Anwesenheit einer großen Anzahl von E. coli-Keimen zeigt allerdings, dass es sich
mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht um Wiederverkeimungen handelt. Die E. coli-Keime als
typische Darmbewohner bevorzugen Temperaturen im Bereich von 37 °C für ihre Vermeh-
rung. Somit ist eine nachträgliche Vermehrung der Keime in den gekühlten Proben in großer
Zahl auszuschließen. Es kann also davon ausgegangen werden, dass die E. coli-Keime die UF-
Membran zum Teil passieren. Dieser Schluss lässt sich aus den Daten der Gesamtkeimzahlen
so nicht eindeutig ableiten. Die Werte könnten auch durch Wiederverkeimung über mehr als
2-3 Zehnerpotenzen in der Abkühlungsphase und auch in den gekühlten Proben innerhalb von
24 Stunden nach der Probennahme entstanden sein. Die hohen Gehalte an Restorganik in den
UF-Filtraten bieten ein so großes Substratangebot, dass eine Rückverkeimung selbst im ge-
kühlten Zustand in größerem Umfang stattfinden kann. Die Filtrate der Ultrafiltrationsstufe
sind also aufgrund ihres hygienischen Zustandes einer weiteren Behandlung durch eine Um-
kehrosmosebehandlung zu unterziehen. Die Ergebnisse der hygienischen Untersuchungen
nach der Behandlung durch 2 Umkehrosmosestufen sind in Abbildung 34 dargestellt. Die
Proben wurden auf die Gesamtkeimzahl bei 22 °C, 36 °C, E. coli-Keime, Enterokokken und
zusätzlich auf Clostridium perfringens untersucht. Der zusätzliche hohe Aufwand für die Un-
tersuchung von anaerob zu kultivierenden Keimen (Clostridium perfringens) war nur sinnvoll
4 Ergebnisse und Diskussion 84
für die Qualitätskontrolle des Endproduktes.
0123456
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
(KBE<1)/100mL
n.nw./100mL
Gesamtkeimzahl 22°C
Gesamtkeimzahl 36°C
E. coli
Enterokokken k.B.
Clostridium perfringens k.B.
Keimzahl [KBE/100mL]
Probennahme
Abbildung 34: Keimbelastung der UO-Permeate
Die Probennahme erstreckte sich über mehrere Monate. Zwischen den einzelnen Probennah-
men lagen jeweils mindestens 14 Tage. Die Gesamtkeimzahlen bei einer Temperatur von
22°C und 36°C schwankten zwischen 1,1•10
3
-6•10
6
KBE/100mL. Lediglich in einer Probe
wurde eine geringfügige E. coli-Belastung gefunden. Enterokokken und Clostridium perfrin-
gens konnten in keiner Probe nachgewiesen werden. Da es sich um eine logarithmische Dar-
stellung handelt und ein Wert von Null nicht darstellbar ist, wurde per Definition festgelegt,
dass die untere Grenze der Skala folgende Bezeichnung entspricht: Nicht nachweisbar in 100
mL (n.nw/100 mL). Dieser Wert entspricht den Vorgaben der TVO.
Da lediglich in einer Probe eine geringfügige E. coli-Belastung gefunden wurde (8 E. coli/100
mL), kann nicht völlig ausgeschlossen werden, dass eine nachträgliche Kontamination durch
die Probenbehandlung eingetreten ist. Dieser Befund würde wiederum darauf hinweisen, dass
ein Teil der Keimbelastung nach der Umkehrosmosestufe nicht durch Passieren der Membran
entsteht. Die Keimbelastung der jeweiligen Proben kann zum Teil auf Rückverkeimungseffek-
te zurückgeführt werden. Obwohl die gekühlten Proben innerhalb der vorgegebenen 24 Stun-
den untersucht wurden, kann schon innerhalb dieser Zeit eine Veränderung der Proben stattge-
funden haben.
In Tabelle 8 sind zusammenfassend die Ergebnisse der Untersuchung der Gesamtkeimzahl der
UF- und UO-Proben bei einer Inkubationstemperatur von 22 °C und 36 °C dargestellt. Die
Keimbelastung verringert sich nach der Behandlung in einer Umkehrosmosestufe noch mal
deutlich. Sowohl der hygienische Zustand als auch die Gesamtbelastung an organischen und
anorganischen Störstoffen nimmt nach der UO-Behandlung sehr stark ab.
4 Ergebnisse und Diskussion 85
Tabelle 8: Bereich der Keimbelastung bei 22 und 36 °C nach den Membranstufen
ULTRAFILTRATION UMKEHROSMOSE
Gesamtkeimzahl (22 °C) Ca. 10
5
-10
8
KBE/100mL Ca. 10
3
-10
6
KBE/100mL
Gesamtkeimzahl (36 °C) Ca. 10
5
-10
8
KBE/100mL Ca. 10
3
-10
6
KBE/100mL
4.3.5 Untersuchung von Modellwasser mit einer Umkehrosmosestufe
Ziel dieser Untersuchung war die Überprüfung der Eintragungswege von Keimen in UO-
Permeate. Dazu wurde ein Modellwasser mit E. coli-Keimen in hoher Konzentration (10
7
KBE/100 mL) verwendet und mit einer Umkehrosmose-Laboranlage behandelt. Bei der La-
bor-Membranfiltrationsanlage handelte es sich um den Typ LONI, der Firma CSM (Kap.
3.5.3). Untersucht wurde die Durchlässigkeit der Membran in der Anlaufphase, der Einfluss
unterschiedlicher Membrandrücke und die Geschwindigkeit der Rückverkeimung der Per-
meatproben.
Für das Modellwasser wurde 200 mL Nährlösung mit E. coli-Keimen angeimpft, 24 Stunden
inkubiert und anschließend mit 100 L VE-Wasser vermischt. Der verwendete Modellkeim E.
coli wurde in diesem Versuch ausgewählt, da er sich auf einem spezifischen Nährboden
(Chromocult Coliform Agar von Merck) besonders gut wiederfinden lässt
125
. Selbst bei einer
hohen Anzahl von unterschiedlichen Keimen, die normalerweise geringe Mengen an Rest-
keimen einer spezifischen Art überwuchern, zeigt der Chromocultnährboden durch eine deut-
liche Violettfärbung der Platte die Anwesenheit auch geringster Mengen an E. coli-Keimen
an. Eine zusätzliche Möglichkeit der Identifizierung des eingesetzten Modellkeimes, ergibt
sich aus der Vermessung der gefundenen Keime mit Hilfe der FT-IR-Spektroskopie. Dazu
wurden die gefundenen violett gefärbten Kolonien auf einen weiteren Nährboden (DEV-
Nährboden) überimpft, nach 24 Stunden mittels FT-IR vermessen und mit dem eingesetzten
Modellkeim verglichen.
4 Ergebnisse und Diskussion 86
0 5 10 15 20
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
10
9
E. coli - Keime im Permeat
E. coli - Keime im Feed
E. coli-Keimzahl [KBE/100mL]
Zeit [min]
Abbildung 35: Verlauf der E. coli-Keimzahl während der Anlaufphase der Umkehrosmose bei
10 bar Transmembrandruck
Abbildung 35 zeigt den Verlauf der E. coli-Belastung im UO-Permeat während der Startphase
der UO-Filtration. Als Transmembrandruck wurde bei diesem Versuch 10 bar gewählt. Zu
Beginn der Umkehrosmosebehandlung wurde ein Wert von 112 KBE E. coli pro 100 mL fest-
gestellt. Dieser Wert ist möglicherweise darauf zurückzuführen, dass in der Anfahrphase noch
nicht ausreichend Druck auf den Dichtungen lastete, so dass minimale Keimmengen die Bar-
riere überwinden konnten. Nach 10 Minuten kann der Betrieb der Anlage als stationär angese-
hen werden. Die geringe Belastung von 2-13 KBE E. coli pro 100 mL kann durch die Startbe-
lastung und anschließender Adsorption und Desorption an Rohrwandungen nach der Memb-
ranpassage entstanden sein. Es ist aber auch möglich, dass die Membrandichtung weiterhin
eine minimale Durchlässigkeit aufwies. Die Untersuchung mit der Modelllösung zeigte aber,
dass E. coli-Keime in sehr hoher Feed-Konzentration sowohl im instationären als auch im
stationären Zustand den Membranmodul nur in sehr geringen Mengen passieren konnten.
In einer weiteren Versuchsreihe wurde der Einfluss des Transmembrandruckes auf die Durch-
lässigkeit des Moduls getestet. Dafür wurden Transmembrandrücke von 10, 30 und 50 bar
eingestellt.
4 Ergebnisse und Diskussion 87
1 2 3
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
10
9
UO-Filtration
50
30
10
Keimzahl E. coli [KBE/100mL]
Transmembrandruck [bar]
E. coli - Keime im Zulauf
E. coli - Keime im Permeat
Abbildung 36: Verkeimung mit E. coli im Modellwasser vor und nach der UO- Filtration bei
unterschiedlichen Transmembrandrücken
Abbildung 36 zeigt die Filtrationsleistung der Umkehrosmosemembran bei unterschiedlichen
Transmembrandrücken. Die Belastungen der UO-Permeate mit E. coli-Keimen wiesen bei
unterschiedlichem Membrandruck keine signifikanten Abweichungen auf. Bei den Versuchen
mit höheren Transmembrandrücken konnte eine ähnlich große Anzahl an E. coli-Keimen wie-
dergefunden werden. Es ist unwahrscheinlich, dass diese noch aus der Anfahrphase stammten
und für eine permanente gleich bleibende Kontamination des Permeates verantwortlich waren.
Wahrscheinlicher ist, dass eine geringfügige Undichtigkeit an den Membranen oder Dichtun-
gen zum Durchtritt einiger weniger E. coli-Keime geführt hat. Die Bestimmung der Gesamt-
keimbelastung ergab Werte zwischen 1000-10000 KBE/100mL. Es handelte sich bei der Ver-
keimung aber nicht um die eingesetzten E. coli-Keime. Diese nicht näher identifizierten Kei-
me stammten wahrscheinlich vom Bewuchs der Oberflächen mit einem Biofilm und einer
anschließenden Wiederverkeimung zwischen der Probennahme und der Probenaufarbeitung.
Ähnlich hohe Werte konnten zum Teil auch in den gekühlten UO-Permeatproben der Ver-
suchsanlage auf dem Gelände eines lebensmittelverarbeitenden Betriebes gefunden werden.
Das Rückverkeimungspotential in den filtrierten Proben ist aufgrund der noch verbleibenden
geringfügigen organischen Matrix als existent einzustufen.
Um zu überprüfen, ob auch der Transmembrandruck einen Einfluss auf die Wiederverkei-
mungsgeschwindigkeit besitzt z.B. durch Veränderung der Zusammensetzung der organischen
Matrix (Substratangebot), wurden unterschiedliche UO-Permeate hergestellt. Sehr hohe Drü-
cke könnten dazu beitragen, dass kleinere Moleküle die Membran verstärkt passieren. Eine
Veränderung des Nährstoffangebots könnte sich somit auf die Wachstumsgeschwindigkeit
von Mikroorganismen auswirken. Gleichzeitig muss aber als Ziel eine hohe Raum-Zeit-
Ausbeute beim Betrieb einer Umkehrosmoseanlage angestrebt werden, so dass hohe Trans-
membrandrücke und Volumenströme sinnvoll sind.
4 Ergebnisse und Diskussion 88
Um die Rückverkeimungsgeschwindigkeit der drei unterschiedlichen UO-Permeate (Trans-
membrandruck 10, 30, 50 bar) zu erfassen, wurden Versuche durchgeführt, die die Keimbelas-
tung nach 0, 24, 48 und 120 Stunden zeigen. Dazu wurden die UO-Permeatproben in autokla-
vierten Glasgefäßen bei einer Temperatur von 22 °C inkubiert. Die Proben wurden dann auf
die Gesamtkeimzahl bei 22 °C auf Hefeextraktnährböden untersucht, hierbei werden Keime
erfasst, die sich typischerweise in Rohrleitungssystemen und anderen Transport- und Behäl-
tersystemen vermehren. Typische Darmbewohner (Fäkalkeime) können dagegen bei einer
Temperatur von 36 °C erfasst werden.
Im Versuch 1 betrug der Transmembrandruck 10 bar bei einem Volumenstrom von 10,2 L/h,
im Versuch 2 betrug der Transmembrandruck 30 bar bei einem Volumenstrom von 30,3 L/h
und bei Versuch 3 betrug der Transmembrandruck 50 bar bei einem Volumenstrom von 51,2
L/h.
0 20 40 60 80 100 120
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
10
9
Versuch 1
Versuch 2
Versuch 3
Keimzahl [KBE/100mL]
Zeit [h]
Abbildung 37: Rückverkeimung des Modellwassers bei einer Temperatur von 22°C und unter-
schiedlichen Transmembrandrücken
Abbildung 37 zeigt die Entwicklung der Gesamtkeimzahl in den UO-Filtratproben über einen
Zeitraum von 120 Stunden. Die Variation des Transmembrandruckes von 10-50 bar führte zu
keiner signifikanten Veränderung der Rückverkeimungsgeschwindigkeit bzw. der Gesamt-
keimzahl. Es zeigte sich, dass alle drei Versuche zu einem ähnlichen Anstieg der Gesamt-
keimzahl von ca. 10
4
KBE/100 mL als Startkonzentration bis 10
6
-10
8
KBE/100mL als End-
konzentration innerhalb von 120 Stunden führten. Diese Werte ähneln sehr stark den Werten,
die in realen UO-Permeatproben gefunden wurden. Nach einer Standzeit von 120 Stunden bei
22 °C konnten auch bei realen Proben Gesamtkeimzahlen von ca. 10
7
KBE/100 mL festge-
stellt werden.
Die geringfügigen Abweichungen bei der Wiederverkeimung der drei UO-Permeate des Mo-
dellwassers sind durch unterschiedliche Faktoren zu erklären. Grundsätzlich sind auch bei
4 Ergebnisse und Diskussion 89
Mehrfachbestimmungen von biologischen Proben auf Nährböden geringfügige Abweichungen
festzustellen, die bis zu einer halben Logarithmusstufe reichen können. Eine Beeinträchtigung
der Wachstumsphase kann auch durch geringfügig variierende Starttemperaturen in den UO-
Permeaten nach der Behandlung eintreten. Es ist auch denkbar, dass die Verteilung besonders
vermehrungsfähiger Keime in den einzelnen Proben nicht völlig identisch war. Das obere Ni-
veau (die Plateauphase) der Verkeimung stellte sich aber bei den drei untersuchten UO-
Permeaten in einem ähnlichen Bereich von 10
6
-10
8
KBE/100mL ein.
Es besteht eine Abhängigkeit der Wachstumsrate der Keime von der vorliegenden Substrat-
konzentration und der Verwertbarkeit des Substrates (Monod-Kinetik), daraus ergibt sich eine
Sättigungskurve. Im Allgemeinen wachsen Bakterien schon bei geringen Substrat-
konzentrationen mit sehr hoher Rate (z.B. 10 mg Glucose/L Nährlösung). Erst bei niedrigeren
Substratkonzentrationen ergibt sich eine Abweichung der Wachstumsrate von ihrem maxima-
len Wert und sie wird in diesem Bereich substratabhängig
126
. Daraus ergibt sich die Forde-
rung, eine möglichst geringe Substratmenge im UO-Permeat als Zielgröße zu definieren. In
den realen UO-Permeaten konnte eine organische Restmatrix, erfasst als DOC-Wert, bis zu
4,4 mgC/L nachgewiesen werden, die eine hohe Wachstumsgeschwindigkeit von Keimen auf-
grund eines signifikanten Substratangebotes ermöglichen kann. Dabei wird davon ausgegan-
gen, dass die organische Matrix als Substrat für die Keime zumindest teilweise verfügbar war,
da es sich um biologisch abbaubares Material in den Vorstufen handelte. Das erklärt die
schnelle Rückverkeimungstendenz in den realen UO-Permeaten.
Es zeigte sich bei den Rückverkeimungsversuchen der drei UO-Permeate, dass keine signifi-
kanten Unterschiede in der Wachstumsgeschwindigkeit auftraten. Daraus lässt sich der Rück-
schluss ziehen, dass in allen drei Proben noch ausreichend Substrat für eine hohe Rückver-
keimungsrate vorhanden war und somit kein signifikanter Vorteil aus einem Betrieb mit ge-
ringerem Transmembrandruck abzuleiten ist. Unter ökonomischen Aspekten betrachtet kann
dann eine möglichst hohe Raum-Zeit-Ausbeute beim Betrieb der UO-Anlage angestrebt wer-
den. Eine hohe Raum-Zeit-Ausbeute ist bei hohen Flussraten bzw. hohen Transmembrandrü-
cken erzielbar. Beschränkt wird die Raum-Zeit-Ausbeute lediglich durch den Aspekt, das sehr
hohe Drücke zwar die Volumenströme steigern, aber zu hohen Energiekosten führen. Außer-
dem ist bei der Materialwahl auf druckstabile Anlagenkomponenten zu achten. Zusätzlich
wirkt sich ein hoher Fluss belastend auf die Membran aus. Üblicherweise werden UO-
Filtrationen bei Drücken bis zu max. 100 bar durchgeführt. Mit der verwendeten Anlage
konnten maximale Drücke bis ca. 60 bar erzielt werden. Daher ist ein Betrieb bei 50-60 bar in
diesem Fall eine optimale Größe.
4.4 Zusammensetzung des Modellwassers und Versuchsplanung
In Kapitel 4.3.2 wird die organische Restbelastung der UO-Permeate beschrieben. Für Desin-
fektionsverfahren besitzt der Anteil dieser zurückbleibenden organischen Matrix im Wasser
für die erzielte Desinfektionsleistung einen relevanten Einfluss. In den folgenden Untersu-
4 Ergebnisse und Diskussion 90
chungen der Desinfektionsmethoden wird die Größe des Einflusses genauer untersucht. Dazu
wurde ein Modellwasser angesetzt, dem unterschiedliche Mengen organischer Matrix und
Keime zugefügt wurden.
In den UO-Permeaten, die bei der Behandlung der Realabwässer entstanden, konnten variable
DOC- und CSB-Werte festgestellt werden. Die DOC-Werte variierten von etwa 1-5 mgC/L.
Die CSB-Werte lagen in den meisten Fällen zwischen 0 und 10 mgO
2
/L nach der Kaliumdich-
romat-Methode (DIN 38409). Allerdings wurde in einer Probe auch ein CSB-Gehalt von 10,4
mgO
2
/L gemessen. Nach den Vorgaben der TVO ist ein Grenzwert für den CSB-Gehalt von 5
mgO
2
/L im Wasser vorgeschrieben. Dieser Wert bezieht sich auf eine Bestimmung mit Kali-
umpermanganat. Die untersuchten Realwässer wurden mit Kaliumdichromat (DIN 38409)
quantitativ bestimmt (siehe dazu auch Kap. 4.3.2). Diese Methode erfasst deutlich höhere
Mengen schwer oxidierbarer organischer Verbindungen.
Um bei den Modellversuchen auch geringfügig höhere Werte zu erfassen, wurden daher auch
Proben mit einem leicht über dem Grenzwert liegenden CSB-Wert untersucht. Die folgende
Tabelle 9 zeigt die Zusammensetzung der untersuchten Modellwässer.
Tabelle 9: Zusammensetzung der untersuchten Modellwässer
Nährlösung/m³ 200 mL N./m³ 400 mL N./m³ 600 mL N./m³ 800 mL N./m³
DOC [mgC/L] 1,5 3 4,5 6
CSB [mgO
2
/L] 4,25 8,5 12,75 17
Für die Erstellung des Modellwassers wurden 200, 400, 600 bzw. 800 mL Standardnährbouil-
lon mit ca. 1000 L VE-Wasser mindestens 60 Minuten vermischt und anschließend während
der Entnahme aus dem 1000 L Vorrats- bzw. Dosierbehälter weiterhin durchmischt. Um mög-
lichst aussagekräftige Daten zu produzieren, wurden die Nährlösungen mit Keimen angeimpft,
die die größte Resistenz in Versuchen gegenüber dem Desinfektionsmittel aufwiesen. Auch
die mikrobiologischen Untersuchungen nach der TVO enthalten ein Spektrum von Gram ne-
gativen Keimen bis hin zum Sporenbildner Clostridium perfringens. In Voruntersuchungen
mit zwei unterschiedlichen Modellkeimen, nämlich E. coli als Gram negativer Keim und Ba-
cillus atrophaeus als Gram positiver Keim, wies der Keim Bacillus atrophaeus die größere
Resistenz gegenüber Desinfektionsbehandlungen auf.
Für die Desinfektionsversuche mit dem sehr resistenten Modellkeim Bacillus atrophaeus, der
zu starker EPS-Bildung, Keimagglomeration und Sporenbildung neigt, kann idealisiert eine
Optimierung der Desinfektion von stark verkeimten Wasserproben mit einer organischen Mat-
rixbelastung, die den UO-Permeaten entsprach, aufzeigen. Die Zusammensetzung der realen
Biozönose ist nur in einem kleinen Ausschnitt durch die Untersuchung der mikrobiologischen
TVO-Parameter bekannt. Durch die Wahl dieses Modellkeims sollten aber viele weit weniger
resistente Keime schon innerhalb der gewählten Dosismengen mit desinfiziert werden, so dass
bei den realen Wässern schon geringere Dosen den gleichen Behandlungserfolg zeigen sollten.
Als obere und untere Grenze der organischen Belastung wurde die tatsächliche Belastung der
4 Ergebnisse und Diskussion 91
UO-Permeate knapp über bzw. unterschritten. Häufig steigt auch die Keimbelastung bei An-
wesenheit höherer Substratmengen, dies wurde durch eine steigende Keimkonzentration der
Modellwässer umgesetzt. Somit beschreibt dieses Modell die Realität möglichst nah. Darüber
hinaus wurde die Dosis bei der jeweiligen Desinfektionsmethode variiert. Dieser klassische
Versuchsplan soll innerhalb realistischer Grenzen ein möglichst genaues Bild der Desinfekti-
onsleistung aufzeigen. Daher wurden mehrere Messreihen und nicht nur die Eckpunkte der
relevanten Parameter erfasst. Aufgrund des erforderlichen großen Volumens der Modelllö-
sung und der aufwändigen Modellwassererstellung wurden die Daten jeweils unter Verände-
rung der Dosis innerhalb einer Versuchsreihe erfasst.
4.5 UV-Desinfektion
In diesem Kapitel wird die Anwendbarkeit einer UV-Desinfektion für die realen Wasserpro-
ben und Modellwässer untersucht. Von Bedeutung ist dabei der Transmissionsgrad der Was-
serproben in einem bestimmten Wellenlängenbereich als auch die Erfassung von Störstoffen
in den Proben. Anschließend wird die Desinfektionswirkung der UV-Behandlung mit Real-
proben (UF- Filtrate und UO-Permeate) und Modellwässern bei unterschiedlichen Betriebs-
weisen der Anlage überprüft.
4.5.1 Ermittlung des Transmissionsgrades
Im ersten Schritt wurden die Wasserproben dahingehend geprüft, ob sie für eine UV-
Desinfektionsbehandlung geeignet sind. Dazu wurde der Transmissionsgrad bei unterschiedli-
chen Wellenlängen vermessen. Vorraussetzung für eine effektive Mikroorganismeninaktivie-
rung ist, dass das UV-Licht bis zum vorgesehenen Ziel, nämlich dem Zellkern des Mikroorga-
nismus, eindringt. Daraus folgen wichtige Anforderungen an die Beschaffenheit des Wassers.
Organische und anorganische Bestandteile können den Desinfektionsprozess stören. Beson-
ders ungünstig wirken sich Schwebstoffe auf die Desinfektion aus, da sie häufig Mikroorga-
nismen einschließen. Je nach Beschaffenheit des Schwebstoffes kann dadurch ein Schutzme-
chanismus gegen UV-Licht oder oxidative Prozesse entstehen (Abschattung). Allgemein kann
durch die Behandlung eines Abwasserstroms in einer Umkehrosmoseanlage aber ausgeschlos-
sen werden, dass Schwebstoffe im Permeat enthalten sind. Es sei denn, dass sich gebildete
Biofilme von den Wandungen lösen oder Undichtigkeiten der Membran existieren. Weiterhin
ist für eine erfolgreiche Behandlung mit einer UV-Desinfektionsanlage die Transmission bei
254 nm entscheidend. Richtwert zur Wasserqualität für die UV-Desinfektion ist eine Trans-
mission von mindestens 70 %/cm.
Um den sinnvollen Einsatz einer UV-Desinfektion in diesem Fall zu untersuchen, wurden
zwei reale UO-Permeatproben und eine reale UF-Filtratprobe im Wellenlängenbereich von
200-500 nm mit einem UV-Spektrometer der Fa. Perkin Elmer (Modell: Lambda 15 UV-VIS
Spektrophotometer) vermessen. Die beiden UO-Permeat-Proben wiesen im sichtbaren Licht
keinerlei Verfärbungen oder Trübung auf, während die UF-Probe eine leicht bräunliche Ver-
4 Ergebnisse und Diskussion 92
färbung aufwies. Augenscheinlich sind daher die UO-Permeat-Proben für den Gebrauch als
Trinkwasser geeignet und die UF-Filtratrobe nicht. Allerdings lässt sich daraus noch keinerlei
Aussage über die UV-Transmission ableiten.
200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Transmission [%/cm]
Transmissionswerte
Referenzprobe (dest. Wasser)
1. Probe UO-Permeat
2. Probe UO-Permeat
1. Probe UF-Filtrat
Wellenlänge [nm]
Abbildung 38: Transmissionswerte vs. Wellenlänge unterschiedlicher Proben
Abbildung 38 zeigt, dass die Transmission über einen weiten UV-Spektralbereich bei den
UO-Permeatproben deutlich über 90 % liegen. Im relevanten Bereich von 254 nm konnte so-
gar ein Wert von über 95 % Transmission gemessen werden. Bei der UF-Filtratprobe konnte
allerdings in diesem Bereich eine deutliche Schwächung der Transmission festgestellt werden.
Bei der Ultrafiltrationsprobe ist ein deutlicher Absorptionseffekt erkennbar, der die Transmis-
sion der Probe mit UV-Licht über den gesamten Wellenlängenbereich erheblich abschwächt.
Für einen denkbaren Einsatz des UF-Filtrats für Reinigungszwecke in Bereichen mit geringen
Ansprüchen an die Wasserqualität bei gleichzeitiger Einhaltung der hygienischen Parameter
muss durch apparative Maßnahmen gewährleistet sein, dass eine ausreichende Durchdringung
der Probe mit UV-Licht stattfindet. Auch bei Störfällen ist eine mikrobielle Kontamination
des gesamten Rohrleitungssystems zu vermeiden. Bei der Auswahl einer Desinfektionsanlage
sollte also darauf geachtet werden, dass eine geringe Filmdicke (FD< 1 cm) gewährleistet
wird, um auch bei geringen Transmissionsgraden ausreichende Sicherheit vorzuhalten.
Insgesamt bestätigen die erhaltenen Daten, dass sich eine UV-Desinfektionsmaßnahme für die
UO-Permeatproben als eine mögliche Option zur Behandlung des Wassers anbietet. Darüber
hinaus könnte eine Online-UV-Messung bei einer oder mehreren definierten Wellenlängen
eine Möglichkeit darstellen, den Zustand des Wassers permanent in Echtzeit (z.B. im Per-
meatstrom der Umkehrosmoseanlage) zu überwachen. Bei Unterschreitung eines definierten
Transmissionswertes besteht dann die Möglichkeit, auf Störfälle aufmerksam zu werden und
den Prozess zu stoppen, oder die Desinfektionsmaßnahme zu intensivieren.
Grundsätzlich sollte in einer UV-Bestrahlungsanlage das zu behandelnde Medium in mög-
4 Ergebnisse und Diskussion 93
lichst geringem Abstand an einer oder mehreren UV-Lampen entlang geführt werden. Zur
Behandlung von Wasser werden unterschiedlichste Bauformen verwendet
98
. Zum einen kön-
nen geschlossene, zylinderförmige Röhrensysteme angewendet werden, bei denen in axialer
Richtung der UV-Strahler umströmt wird (häufigste Bauform). In entsprechend großen Desin-
fektionsanlagen werden auch Strahler in einer senkrechten Ausrichtung zur Strömungsrich-
tung angeordnet. Es werden aber auch offene Gerinnesysteme verwendet, bei denen UV-
Strahler oberhalb der Gerinne liegen. Gegen diese offenen Systeme im Bereich von Recyc-
lingwasser spricht die Möglichkeit der Rückverkeimung durch Luftkeime, daher sollte in die-
sem Fall ein geschlossenes System mit geringer bestrahlter Filmdicke des Mediums bevorzugt
werden, um auch Proben mit geringer Transmission ausreichend sicher zu behandeln.
4.5.2 Eisen- und Mangangehalt
In der Literatur
127
wird eine weitere starke Beeinträchtigung der Wirksamkeit des UV-
Behandlungsverfahrens durch das Vorhandensein vor allem von Eisen-(III)-hydroxid und
Mangan-(IV)-dioxid beschrieben. Über einen längeren Zeitraum können in einer UV-Anlage
durch diese Wasserinhaltsstoffe Ablagerungen auf den umspülten Wandungen des Tauchroh-
res entstehen und somit eine Beeinträchtigung der Bestrahlung verursachen. Der Grenzwert
für Eisen beträgt 0,2 mg/L und der für Mangan 0,05 mg/L. Um diese beiden Einflussfaktoren
zu untersuchen, wurden bei der Analyse der UO-Permeatproben auch die Gehalte an Eisen
und Mangansalzen ermittelt. In Tabelle 10 sind die Parameter Eisen und Mangan von zwei
UO-Permeatproben aufgeführt, die mit einem zeitlichen Abstand von 3 Monaten dem Per-
meatstrom entnommen wurden.
Tabelle 10: Ergebnisse der chemischen Analyse von 2 UO-Permeat-Proben.
Parameter/Probe 1. UO-Permeatprobe 2. UO-Permeatprobe
Eisen-Ionen 0,01 mg/L 0,03 mg/L
Mangan-Ionen <0,001 mg/L <0,001 mg/L
Die Konzentrationen sowohl an Eisen als auch an Mangan stellen kein Problem bei der UV-
Behandlung dar. Beide Metallionen sollten nach einer UO-Behandlung auch nicht mehr in
hoher Konzentration im Permeat enthalten sein. Das Permeat der UO-Stufe kann also unter
diesem Aspekt als geeignet für eine UV-Behandlung eingestuft werden.
4.5.3 Desinfektion von Realwasserproben im UV-Reaktor
4.5.3.1 Ermittlung der Durchsatzvolumina und der Bestrahlungsdosen
Die UV-Desinfektionsanlage wurde mit Volumenströmen von 25-200 L/h betrieben. Geringe-
re Ströme verursachen eine ausgeprägte Bypassströmung direkt vom Einlass zum Auslass
(also kein gleichmäßiger spiralförmiger Fluss um den UV-Strahler), so dass eine breite Streu-
4 Ergebnisse und Diskussion 94
ung um die mittlere Verweilzeit im Reaktor verursacht wird. Ein höherer Volumenstrom
konnte aufgrund der apparativen Voraussetzungen nicht umgesetzt werden. Zum einen waren
die verwendeten Pumpen nicht für eine viel höhere Leistung ausgelegt (max. 230 L/h) und
zum anderen könnten durch die Einstellung eines deutlich höheren Volumenstroms innerhalb
des UV-Reaktors Drücke entstehen, denen die Dichtungen um den Tauchrohreinsatz der UV-
Lampe nicht mehr standhalten. Es bestand die Gefahr, dass bei sehr hohem Druck der Tauch-
rohreinsatz aus der Halterung gedrückt wird. Um in der Apparatur trotzdem geringere Strah-
lungsdosen zu realisieren, mussten die Bestrahlungsflächen verringert werden. Durch Ver-
wendung von Alupapier konnte eine Abdeckung der Strahlerfläche realisiert werden.
4.5.3.2 UV-Reaktor ohne Rückfluss
Es wurde eine Realwasserprobe (UO-Permeat) einer Behandlung im UV-Reaktor unterzogen.
Ziel war es, Daten zu ermitteln, die eine Aussage über die erforderliche Bestrahlungsdosis für
Realwasserproben zulassen. Dazu wurde die Probe aus einem 5 L-Vorratsbehälter durch den
UV-Reaktor gepumpt und die Keimzahl nach der UV-Behandlung bestimmt. Die eingestellten
Volumenströme betrugen 200 L/h, 100 L/h und 50 L/h. Das entspricht einer UV-Dosis von
216 mJ/cm², 432 mJ/cm² und 864 mJ/cm².
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
(KBE<1)/100mL
n.nw./100mL
Gesamtkeimzahl (22°C)
Gesamtkeimzahl (36°C)
E. coli
Enterokokken (k.B.)
Clostridium perfr. (k.B.)
Keimzahl [KBE/100mL]
Bestrahlungsdosis [mJ/cm²]
Abbildung 39: Keimbelastung einer UO-Permeatprobe nach einer UV-Behandlung mit unter-
schiedlichen Bestrahlungsdosen
In der Abbildung 39 ist die Keimzahl in Abhängigkeit der Bestrahlungsdosis dargestellt. Bei
diesem Versuch wurde die Gesamtkeimzahl bei einer Temperatur von 22 °C und 36 °C sowie
die Anzahl an vermehrungsfähigen E. coli-Keimen, Enterokokken und Clostridium perfrin-
gens bestimmt. Es zeigte sich, dass trotz Erhöhung der Bestrahlungsdosis von 216 mJ/cm² auf
einen Wert von 864 mJ/cm² immer eine annähernd gleichbleibende Restmenge an Keimen in
den Proben zu finden war. Die ursprünglich in der Probe vorhandenen acht E. coli-
Keime/100mL (Membranfiltration) konnten nach der UV-Bestrahlung schon bei 216 mJ/cm²
nicht mehr nachgewiesen werden. Auch bei höheren Strahlungsdosen konnten keine E. coli-
4 Ergebnisse und Diskussion 95
Keime mehr gefunden werden.
Die Restmengen an anderen nicht genauer identifizierten Keimen, bestimmt durch die Ge-
samtkeimzahl bei 22 °C und 36 °C, beliefen sich auf Werte von ca. 50-100 Keimen pro 100
mL. Auch bei Versuchen mit weiteren Proben, die eine leicht veränderte Startkonzentration an
Keimen aufwiesen, konnten ähnliche Daten ermittelt werden.
Als Ursache für die Restkonzentration an Keimen kommt eine unvollständige Desinfektion in
Frage, bei der resistentere Keime oder Keimagglomerate nicht erfasst wurden. Ein geringfügi-
ger Keimeintrag kann auch direkt nach der UV-Behandlung in der Leitung erfolgen. Dieser
Nachteil entsteht durch die nicht vorhandene Depotwirkung der UV-Bestrahlung. Zusätzlich
besteht die Möglichkeit, dass die Keimzahlen durch eine Wiederverkeimung der Proben von
der Probennahme bis zur Aufarbeitung trotz Kühlung wieder angestiegen sind, zumal eine
Adaptionsphase der überlebenden Keime im behandelten Wasser nicht zwingend notwendig
ist. Bei gezielter Animpfung einer Nährlösung liegen normalerweise immer drei Wachstums-
phasen vor. Zu Beginn kann eine so genannte „Lag-Phase“ beobachtet werden
99
. In dieser
Phase müssen sich die Mikroorganismen an das Substratangebot adaptieren. Dabei findet nur
ein geringes Wachstum an Keimen statt. Haben sich die Mikroorganismen an das Substratan-
gebot adaptiert, findet anschließend ein exponentielles Wachstum statt, die so genannte „Log-
Phase“. Je nach Generationszeit der vorhandenen Keime, dem Substratangebot, Temperatur
etc. findet dann ein entsprechend steiler exponentieller Anstieg der Population statt. Erst bei
einer gewissen Populationsdichte, bei der nicht mehr ausreichend Substratangebot vorhanden
ist oder Stoffwechselprodukte eine weitere Vermehrung der Keime hemmen, verbleibt die
Keimanzahl auf einem so genannten „Plateauwert“. Der Unterschied der hier untersuchten
Proben zu diesem bekannten Mechanismus ist, dass die nach der UV-Bestrahlung im Wasser
überlebenden und vermehrungsfähigen Keime an das Substratangebot schon angepasst sind.
Eine schnelle Wiederverkeimung gibt also einen Hinweis auf eine kurze Adaptionsphase mit
schnellem Übergang in die exponentielle Wachstumsphase (Log-Phase).
Ein pH-Wert zwischen 6-8,5, Temperaturen zwischen 25 °C – 40 °C und DOC-Gehalte bis zu
4,5 mgC/L (mit hoher Substratverfügbarkeit der organischen Matrix) zeigen, dass sehr gute
Bedingungen für ein schnelles, exponentielles Wachstum von Mikroorganismen vorherrschen.
Bei einer angenommenen Generationszeit der Keime von 20 Minuten kann durch die jeweili-
ge Verdopplung der Keimzahlen pro Generationszeit schon nach einer Stunde aus einer Popu-
lation von 10 Keimen/100 mL eine Population von 80 Keimen/100 mL entstanden sein. Trotz
schnellstmöglicher Aufarbeitung der Proben und Abkühlung auf eine Temperatur von 3-4 °C
ergeben sich dadurch gerade im Bereich dieser geringen Keimzahlen deutliche Streuungsef-
fekte.
Es können auch Bypassströmungen bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten im UV-
Reaktor für verkürzte Verweilzeiten verantwortlich sein und eine zu geringe Strahlungsdosis
bewirken, so dass Keime trotz Passage durch den UV-Reaktor vermehrungsfähig bleiben.
Auch Reparatureffekte der Mikroorganismen-DNA sind als Ursache denkbar, um die weiter-
hin bestehende Vermehrungsfähigkeit einer geringen Menge Keime zu erklären.
4 Ergebnisse und Diskussion 96
4.5.3.3 UV-Reaktor mit Rückfluss
Um zu untersuchen, ob ein permanenter Betrieb der UV-Anlage als Außenschlaufenreaktor
mit Rückfluss in den 5L-Vorratsbehälter insgesamt zu geringeren Keimzahlen führt, wurde
eine 5 L-UO-Permeatprobe mit einer UV-Dosis von 2160 mJ/cm², 4320 mJ/cm² und 8640
mJ/cm² behandelt. Der Volumenstrom im UV-Außenschlaufenreaktor betrug 200 L/h. Nach
dem Durchlaufen der Außenschlaufe (jeweilige Bestrahlungsdosis 216 mJ/cm²) vermischte
sich dieser bestrahlte Anteil wieder mit der Menge im Vorratsbehälter.
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
Gesamtkeimzahl (22°C)
Gesamtkeimzahl (36°C)
E. coli
Enterokokken (k.B.)
Clostridium perfringens (k.B.)
Keimzahl [KBE/100mL]
Bestrahlungsdosis [mJ/cm²]
Abbildung 40: Keimbelastung einer UO-Permeatprobe nach einer intensiven UV-Behandlung
mit unterschiedlichen Bestrahlungsdosen im Außenschlaufenbetrieb
Abbildung 40 zeigt die Keimbelastung einer UO-Permeatprobe nach einer intensiven UV-
Behandlung mit unterschiedlichen Bestrahlungsdosen im Außenschlaufenbetrieb. Es wurde
die Gesamtkeimzahl bei 22 °C und 36 °C sowie die Anzahl an E. coli-Keimen, Enterokokken
und Clostridium perfringens bestimmt. Die beiden letztgenannten konnten allerdings in keiner
Probe nachgewiesen werden. Es zeigte sich, dass mit zunehmender Zeit die Keimpopulation
im Vorratsbehälter stark abnahm. Durch die Rückvermischung in dem Vorratsbehälter war
aber ein deutlich höherer Behandlungsaufwand erforderlich, bis eine Unterschreitung der
TVO Grenzen erzielt werden konnte. Die Ergebnisse zeigen, dass eine permanente UV-
Behandlung mit Rückfluss in den Vorratsbehälter unter ökonomischen Aspekten nicht sinn-
voll ist.
Zusätzlich wurde das schon intensiv mit UV-Strahlung behandelte Wasser im Vorratsbehälter
(Dosis: 2160 mJ/cm², 4320 mJ/cm² und 8640 mJ/cm² mit Rückvermischung) noch einmal in
der UV-Anlage (Außenschlaufe) ohne anschließende Rückvermischung in dem Vorratsbehäl-
ter behandelt und jeweils eine Probe direkt aus der Rückflussleitung zum Vorratsbehälter un-
tersucht. Es sollte geprüft werden, ob bei reduzierter Startkonzentration vermehrungsfähiger
Keime im Vorratsbehälter eine weitgehende Absenkung vermehrungsfähiger Keime direkt
4 Ergebnisse und Diskussion 97
nach der UV-Bestrahlung (ohne Rückvermischung) erzielbar ist. Bei dem eingesetzten Volu-
menstrom von 200 L/h wird dann eine zusätzliche Bestrahlungsdosis von 216 mJ/cm² ange-
wendet.
Tabelle 11: Keimbelastung einer UO-Permeatprobe nach einer intensiven UV-Behandlung
mit unterschiedlichen UV-Dosen ohne Rückvermischung mit dem Vorratsbehälter.
Dosis [mJ/cm²]
2160 + 216 4320 + 216 8640 + 216
Gesamtkeimzahl 22°C
26 32 17
Gesamtkeimzahl 36°C
29 12 24
Tabelle 11 zeigt die Keimbelastung einer UO-Permeatprobe nach einer intensiven UV-
Behandlung mit unterschiedlichen Bestrahlungsdosen im Außenschlaufenbetrieb ohne Rück-
fluss/Rückvermischung mit dem Vorratsbehälter. Es zeigte sich in den Versuchen, dass in
allen drei Proben sowohl bei der Untersuchung auf die Gesamtkeimzahl bei 22 °C und 36 °C
weiterhin zwischen 12-32 Keime aufzufinden waren, ohne dabei eine klare Tendenz erkennen
zu können. Diese Restmenge an Keimen reicht aber aus, um eine schnelle Rückverkeimung zu
verursachen. E. coli, Enterokokken und Clostridium perfringens konnten in diesen Proben
nicht nachgewiesen werden.
Trotz des deutlich erhöhten Behandlungsaufwandes und der damit verbundenen geringeren
Startkonzentration an vermehrungsfähigen Keimen konnte kein wesentlicher Vorteil bei den
Desinfektionsergebnissen direkt an der Entnahmestelle nach dem UV-Reaktor erzielt werden.
Die geringfügige zusätzliche Absenkung der Keimzahlen gegenüber einer einmaligen Durch-
strömung des UV-Reaktors mit einer Dosis von 216 mJ/cm² (siehe Abbildung 39) ist ange-
sichts von schnellen Rückverkeimungstendenzen der Proben als nicht so relevant einzustufen,
als dass der zusätzliche Aufwand mit deutlich höheren Dosen zu rechtfertigen wäre.
4.5.4 Störfallsimulation - Desinfektion von UF-Proben
Um die Leistungsfähigkeit der UV-Desinfektion weitgehend zu eruieren, wurde ein Desinfek-
tionsversuch mit einer UF-Filtratprobe durchgeführt. Die eingestellten Volumenströme betru-
gen 200 L/h, 100 L/h und 50 L/h. Das entspricht einer UV-Dosis von 216 mJ/cm², 432 mJ/cm²
und 864 mJ/cm². Bei diesem Versuch wurde die Gesamtkeimzahl bei einer Temperatur von 22
°C und 36 °C sowie die Anzahl an vermehrungsfähigen E. coli-Keimen bestimmt. In
Abbildung 41 ist die Keimzahl in Abhängigkeit der Bestrahlungsdosis dargestellt.
Als besondere Herausforderung für die UV-Desinfektion war dabei der erhöhte DOC-Wert
(370 mgC/L) der Probe zu betrachten, der eine Schwächung der Transmissionswerte verur-
sacht. Bei dieser Untersuchung handelt es sich um eine Störfallsimulation, da schon die erhöh-
ten DOC-Werte die Verwendung als Trinkwasser ausschließen. Es ist in dem vorgesehenen
Recyclingprozess aber auch eine undichte oder beschädigte UO-Membran denkbar, die zu
einer starken Kontamination der nachfolgenden Anlagenteile führen kann, so dass diese Daten
für eine angemessene Vorgehensweise nach einem Störfall herangezogen werden können.
4 Ergebnisse und Diskussion 98
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
(KBE<1)/100mL
n.nw./100mL
Gesamtkeimzahl 22°C
Gesamtkeimzahl 36°C
E. coli
Keimzahl [KBE/100mL]
Bestrahlungsdosis [mJ/cm²]
Abbildung 41: Verlauf der Keimzahl in einer Ultrafiltrations-Filtratprobe nach einer UV-
Behandlung mit unterschiedlichen Bestrahlungsdosen
Abbildung 41 zeigt, dass trotz der hohen DOC-Werte und der damit verbundenen geringeren
Transmission als auch der hohen Startkonzentration an Keimen bei diesen Parametereinstel-
lungen der UV-Anlage eine erfolgreiche Desinfektion der Probe möglich ist. Die Probe wies
bei den Gesamtkeimzahlen Werte von 10
6
-10
7
KBE/100mL auf und es wurden 230 vermeh-
rungsfähige E. coli-Keime im Filtrat der Ultrafiltration gefunden. Der DOC-Wert betrug 370
mgC/L. Die Verdopplung bzw. Vervierfachung der Strahlungsdosis zeigt allerdings nur einen
geringen zusätzlichen Nutzen. Insgesamt reichen die Ergebnisse fast an die Desinfektionser-
folge der UO-Permeate heran. Da der DOC-Wert (und damit wahrscheinlich auch das Sub-
stratangebot) hier um ca. das Hundertfache höher ist als in den UO-Permeaten, muss mit einer
schnelleren und höheren Rückverkeimung gerechnet werden. Eine UV-Entkeimung kann also
bei Undichtigkeit einer UO-Membran zumindest eine weitgehende Primärdesinfektion ge-
währleisten, so dass bei einem solchen Störfall nicht massenhaft vermehrungsfähige Keime in
nachgeschaltete Anlagenteile eindringen. Aufgrund des hohen DOC-Wertes ist das Wasser
aber auf keinen Fall für den Trinkwassergebrauch geeignet und müsste bei einer Leckage der
UO-Membran abgeleitet werden. Leckagen verursachen höhere Salzgehalte in den UO-
Permeaten, die mit erhöhter Leitfähigkeit einhergehen. Die Überwachung der UO-Permeate
kann deshalb sehr schnell und sicher z.B. durch eine permanente Leitfähigkeitsmessung im
Regelkreis erfolgen, die bei Bedarf, die Anlage abschaltet. Geringfügige Kontaminationen
können sicher desinfiziert werden.
4.5.5 UV-Desinfektionsbehandlung unterschiedlicher Keime
Für die Untersuchung der erforderlichen UV-Bestrahlungsdosen und der Optimierung des
Desinfektionsverfahrens wurden Modellwässer verwendet. Um eine Abschätzung vornehmen
zu können, welche UV-Dosen für die Inaktivierung der Modellkeime E. coli und Bacillus
4 Ergebnisse und Diskussion 99
atrophaeus erforderlich sind und welcher Keim sich am besten für weitere Untersuchungen
eignet, wurde jeweils ein Versuch mit den beiden Modellkeimen durchgeführt. Um entspre-
chend geringe UV-Dosen mit der hier verwendeten Apparatur zu erzielen, mussten apparative
Veränderungen vorgenommen werden. Weil der Volumenstrom nicht beliebig erhöht werden
konnte, musste die Bestrahlungsdosis durch Verkleinerung der Bestrahlungsfläche mit Hilfe
von Alupapier erzielt werden. Bei 1/10 der Bestrahlungsfläche wurde der Volumenstrom auf
200 L/h, 150 L/h, 100 L/h und 50 L/h eingestellt, das entspricht einer Bestrahlungsdosis von
21.6 mJ/cm², 28.8 mJ/cm², 43.2 mJ/cm², 86.4 mJ/cm². Diese Maßnahme war nur bei diesen
beiden Versuchen erforderlich, da es sich bei den weiteren Versuchen um eine Optimierung
der Behandlung von resistenten Restkeimen handelte. Dafür sollte dann aber eine höhere UV-
Dosis eingesetzt werden. Bei voller Bestrahlungsfläche wurde in dieser Versuchseihe bei
Werten von 200 L/h und 100 L/h gemessen, das entspricht einer Bestrahlungsdosis von 216
mJ/cm² und 432 mJ/cm². Die organische Matrix wurde in Form des DOC-Wertes erfasst. Es
wurde bei beiden Versuchsreihen ein DOC-Wert von ca. 3 mgC/L angewendet. Die Startkon-
zentration an Keimen lag bei diesen Versuchen bei 6,5·10
6
und 9,2·10
6
Keimen/100mL (Start-
konzentration Bacillus atrophaeus und Startkonzentration E. coli).
0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
Literaturwert E. coli (gram-negativ)
Literaturwert Bacillus Subtilis (gram-positiv / Sporenbildner)
Bacillus Atrophaeus (gram-positiv / Sporenbildner)
E. coli (gram-negativ)
Keimzahl [KBE/100mL]
Bestrahlungsdosis [mJ/cm²]
Abbildung 42: Keimzahlverlauf von unterschiedlichen Keimen in Abhängigkeit der UV-Dosis
Abbildung 42 zeigt den Keimzahlverlauf von unterschiedlichen Keimen in Abhängigkeit der
UV-Dosis. Für die zwei Keimarten E. coli und Bacillus subtilis sind die theoretisch aus Gl. 9,
Kap. 3.5.1.3 ermittelten exponentiellen Abnahmen dargestellt. Für die Berechnung der theore-
tischen Werte wurden als Startkonzentration die jeweils praktisch gefundenen Werte zugrunde
gelegt. Diese theoretischen Daten dienen lediglich der Veranschaulichung der Problematik.
Daraus lässt sich mit Hilfe der spezifischen Konstante für die beiden Keime eine logarithmi-
sche Abnahme der Keimzahl ermitteln. Die hier angewendete spezifische Konstante K ent-
spricht derjenigen aus der Berechnung der Inaktivierungskinetik in Gl. 9, Kap. 3.5.1.3. Die K-
Werte für die Keime E. coli (K = 5,4 mJ/cm²) und Bacillus subtilis (K = 12 mJ/cm²) sind ver-
4 Ergebnisse und Diskussion 100
öffentlichten Daten der Fa. Lenntech entnommen
128
. Wird diese theoretisch berechnete Inak-
tivierungsgerade verglichen mit den praktisch erhaltenen Daten, so lässt sich für den Keim
Bacillus atrophaeus zu Beginn der logarithmischen Abnahme ein ähnlicher Zusammenhang
(ähnlich großer K-Wert) erkennen. Allerdings weichen die Daten ab einer Dosis von 86,4
mJ/cm² (3-4 Logarithmusstufen bzw. nach 99,9-99,99 % Abtötung) vom theoretischen Ver-
lauf einer logarithmischen Abnahme deutlich ab. Ein Erklärungsansatz für dieses Resistenz-
verhalten im Bereich geringer Keimzahlen ist die Konsistenz der gebildeten organischen Mat-
rix. Bacillus atrophaeus-Keime bilden eine EPS-Schicht aus, die deutlich auf angeimpften
Nährlösungen nach etwa 24 h Wachstumsphase zu beobachten ist. Diese führt zu größeren
geschützten Agglomeraten, in denen sich Keime und EPS befinden. Trotz der Rühr- und
Pumpbewegungen können diese Agglomerate nicht vollständig aufgelöst werden. Möglicher-
weise bietet sich dadurch bei der Bestrahlung der Proben eine größere Resistenz in diesen
Zellverbänden gegenüber dem UV-Licht aus. Diese Eigenschaft ähnelt dem Verhalten von
agglomerierten Zellverbänden nach deren Herauslösen aus Biofilmen. Solche Biofilme und
herausgelöste Zellagglomerate bilden eine hohe Resistenz gegenüber Desinfektionsmaßnah-
men aus, weil ein Durchdringen der äußeren Schichten selbst mit oxidativen Verfahren nur
sehr schwer möglich ist (siehe dazu Kap. 2.4.2). Daher bietet sich gerade dieser Keim beson-
ders gut für eine Untersuchung an, die eine Optimierung der Keimreduktion im Bereich der
resistenten Restkeime zum Ziel hat.
Ein anderes Verhalten konnte bei den angeimpften E. coli-Modellkeimen beobachtet werden.
Auch für diese Messungen wurde nur 1/10 der Bestrahlungsfläche genutzt, so dass bei einem
Volumenstrom von 200 L/h der kleinste UV-Dosiswert bei 21,6 mJ/cm² lag. Bei diesem Wert
konnten nur noch 630 Modellkeime E. coli nachgewiesen werden. Schon bei einem Volumen-
strom von 50 L/h konnte aber kein E. coli-Modellkeim mehr pro 100 mL (Membranfiltration)
nachgewiesen werden. Bei noch höheren Dosen bestätigte sich dieses Ergebnis. Eine weitere
Verkleinerung der Bestrahlungsfläche zur Erfassung von Daten im Bereich des exponentiellen
Abfalls der Keimzahlen erschien nicht mehr sinnvoll. Ansatzweise lässt sich auch mit diesen
Daten eine exponentielle Abnahme der Keimzahlen nachvollziehen. Für eine Untersuchung,
die eine Optimierung des Desinfektionsverfahrens zum Ziel hat, eignet sich der E. coli-Keim
aufgrund seiner Empfindlichkeit nicht besonders gut. Aus diesem Grund wurde die Untersu-
chung und die Darstellung der Ergebnisse nur für den Keim Bacillus atrophaeus durchgeführt.
4.5.6 UV-Desinfektionsbehandlung von Bacillus atrophaeus-Keimen
Mit Hilfe der Daten, die aus den Versuchen mit den zwei unterschiedlichen Modellkeimen
gewonnen werden konnten, wurden mit dem resistenten Keim Bacillus atrophaeus noch wei-
tere umfangreiche Untersuchungen geplant und durchgeführt. Ziel dieser Versuche war es,
den Einfluss unterschiedlicher Startkonzentrationen an Keimen bei gleichzeitiger Erhöhung
der DOC-Konzentration zu testen. Bedingt durch den Eintrag von Keimlösung in das VE-
Wasser wurden DOC-Werte von 1.5 mgC/L, 3 mgC/L, 4.5 mgC/L und 6 mgC/L erreicht,
dementsprechend erreichte die Keimkonzentration im zweiten, dritten und vierten Ansatz je-
4 Ergebnisse und Diskussion 101
weils das doppelte, dreifache und vierfache Niveau.
Das Hauptaugenmerk bei dieser Untersuchung galt der Absterbekinetik nach der exponentiel-
len Abnahme der vermehrungsfähigen Keime, also dem linearen Bereich, der durch den Tai-
ling-Effekt beschrieben wird. Die jeweiligen UV-Dosen wurden durch die Variation der Ver-
weilzeiten im UV-Reaktor erzielt. Gemessen wurde bei allen Versuchsreihen mit einer UV-
Dosis von 216 mJ/cm², 432 mJ/cm², 648 mJ/cm² und 864 mJ/cm². Diese Werte entsprechen
einem Volumenstrom von 200 L/h, 100 L/h, 66,67 L/h und 50 L/h des Modellwassers im UV-
Durchflussreaktor.
Abbildung 43: Keimzahlverlauf nach einer UV-Bestrahlung in Abhängigkeit der UV-Dosis
und des DOC-Gehaltes
Abbildung 43 zeigt den Keimzahlverlauf (Z-Achse: 10
Z
KBE/100mL) während einer UV-
Bestrahlung in Abhängigkeit der UV-Dosis und des DOC-Gehaltes. Oberhalb eines Dosiswer-
tes von 216 mJ/cm² findet keine exponentielle Abnahme der Keimzahl mehr statt. Aus den
Ergebnissen, die in Abbildung 42 dargestellt sind, geht hervor, dass unter experimentellen
Bedingungen beim Keim Bacillus atrophaeus der Übergang von der exponentiellen in einen
linearen Abnahmebereich zwischen 100-200 mJ/cm² zu finden ist. Bei Dosen oberhalb von
216 mJ/cm² wurde bei allen DOC-Werten nur noch ein linearer Abfall der Keimzahlen beo-
bachtet. Es lässt sich in der Abbildung 43 gut erkennen, dass trotz Vervielfachung der zuge-
gebenen Keimlösung auf die doppelte, dreifache und vierfache Menge und der damit auch
erhöhten DOC-Konzentration nur ein geringer Unterschied in der Desinfektionsleistung auf-
tritt. Es konnten Keimzahlen zwischen 43-710 KBE/100mL gemessen werden. Der höchste
Keimzahlwert nach der Behandlung stellte sich bei der höchsten DOC-Menge (6 mgC/L) und
der niedrigsten UV-Dosis (216 mJ/cm²) ein. Die niedrigste Keimbelastung war beim gerings-
ten DOC-Wert und der höchsten UV-Bestrahlungsdosis zu finden. Dieser Wert lag bei 43
KBE/100mL. Durch die logarithmische Darstellung der Ergebnisse lassen sich die Tendenzen
deutlich aufzeigen, wenn auch innerhalb der jeweiligen Versuchsreihen (gleiche DOC-Werte
und steigende UV-Dosis) keine streng lineare Abnahme festzustellen ist. Je geringer die Start-
4 Ergebnisse und Diskussion 102
konzentration und damit auch der DOC-Wert und je höher die Bestrahlungsdosis ist, umso
niedriger werden die Konzentrationen an vermehrungsfähigen Keimen. Insgesamt erstrecken
sich die Differenzen zwischen den einzelnen Ergebnissen der Keimzahlwerte aber nur über
etwas mehr als eine Zehnerpotenz. Diese Restkeimkonzentration wies im Gegensatz zu der
großen Mehrheit an Keimen eine besondere Resistenz auf. Die Abweichung von der anfäng-
lich exponentiellen Abnahme der vermehrungsfähigen Keime (bis ca. 100-200 mJ/cm²) kann
mit unterschiedlichen Phänomenen erklärt werden:
1. Die Bildung von frei beweglichen Agglomeraten verhindert eine komplette Durch-
strahlung aller Keime und Sporen auch im Inneren dieser Zellansammlungen.
2. Resistente Keime überleben auch deutlich höhere UV-Dosen als 200 mJ/cm².
3. Biofilme in den Leitungen und Totzonen nach der Bestrahlungsbehandlung können als
Verursacher geringer Keimkontamination fungieren.
4.5.7 Zusammenfassung der Ergebnisse
In den vorangehenden Versuchsreihen wurde die Wirkung einer UV-Desinfektion auf das
Permeat einer Umkehrosmoseanlage, auf das Filtrat einer Ultrafiltrationsanlage sowie auf
Modellwässer untersucht. Es zeigte sich, dass der Transmissionsgrad der UO-Permeate (über
90 %) für eine UV-Behandlung auf jeden Fall ausreichend ist, während das untersuchte UF-
Filtrat höhere Absorptionsgrade aufwies. Es konnten in den UO-Permeaten keine Störstoffe
detektiert werden, die den längerfristigen Betrieb einer UV-Desinfektionsanlage behindern.
Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die UV-Desinfektion eine Möglichkeit darstellt,
eine erfolgreiche Primärdesinfektion selbst bei hohen DOC-Werten und hoher Startkonzentra-
tion an Keimen, wie sie bei UF-Filtraten zu finden sind, gewährleisten kann. Eine permanente
UV-Behandlung mit Rückfluss und Vermischung im Vorratsbehälter ist ökonomisch nicht
sinnvoll.
Versuche mit Modellwasser zeigten, dass eine deutliche Erhöhung der Bestrahlungsdosis auf
eine geringe Restmenge vermehrungsfähiger Bacillus atrophaeus-Keime zwar noch eine
Keimzahlreduzierung bewirkt, dass aber keine exponentielle Abnahme mehr erfolgt. Eine
Erhöhung der Bestrahlungsdosis über einen Wert von etwa 200 mJ/cm² stellte sich als öko-
nomisch nicht mehr sinnvoll heraus. Innerhalb der hier verwendeten DOC- und Keimkonzent-
rationen konnte eine erfolgreiche Desinfektion aber keine komplette Sterilisation durchgeführt
werden. Die Keim- und DOC-Werte des Modellwassers entsprachen den Belastungen, die in
den UO-Permeaten gefunden wurden, allerdings ist der Modellkeim etwas resistenter.
4.6 Desinfektion durch oxidative Verfahren
Ziel der weiteren Untersuchungen ist die Erfassung von Daten, die einen sicheren Betrieb ei-
ner diskontinuierlich bzw. kontinuierlich betriebenen Ozondesinfektionsanlage gewährleisten.
4 Ergebnisse und Diskussion 103
Dazu sind für den kontinuierlichen Betrieb im Detail folgende Ziele zu realisieren:
• Suche nach der effektivsten Desinfektionsmethode/Desinfektionsmittel im Rahmen
der TVO-Vorgaben.
• Suche nach einem geeigneten Modellkeim, Erarbeitung eines Modells mit einem wi-
derstandsfähigen Modellkeim.
• Untersuchung der Einflussparameter auf die Desinfektionswirkung unterschiedlicher
Desinfektionsmittel (z.B. erforderliche Behandlungsdosis, Verweilzeit, DOC-Gehalt,
Ermittlung des Desinfektionsmittelbedarfs und des Umsatzes bei Vorhandensein defi-
nierter Mengen organischer Matrix, Art der Keime etc.)
• Gewährleistung einer sicheren Desinfektion auch unter worst-case-Bedingungen.
• Einhaltung der chemischen und hygienischen Parameter der TVO während und nach
der Desinfektionsbehandlung auch bei höheren DOC-Werten (z.B. maximale Ozondo-
sis, Ozonflüssigphasenkonzentration, Keimkonzentration etc.).
• Optimierung der Reaktionsführung in Bezug auf Raum-Zeit-Ausbeute
• Verfahrenstechnische/Anlagentechnische Optimierung des Reaktors
• Untersuchung von Kombinationsverfahren, Festlegung der Reihenfolge der Behand-
lungsschritte (Ozon + UV- oder UV + Ozon-Behandlung).
• Rückverkeimungsverhalten der behandelten Proben
• Kostenermittlung- und -optimierung der einzelnen Desinfektionsmethoden.
In den folgenden Kapiteln wird die Leistungsfähigkeit von oxidativen Methoden ermittelt.
Dazu wurden reale Proben (UF-Filtrate und UO-Permeate) und Modellwässer in unterschied-
lichen Reaktoren und bei unterschiedlichen Betriebsweisen untersucht. Aufgrund der begrenz-
ten Menge an realem Probenmaterial wurden die Optimierungsversuche dann mit Modellwäs-
sern fortgesetzt, wenn diese eine besondere Herausforderung darstellten. Es wurden die fol-
genden Versuche durchgeführt:
a) Desinfektion durch Wasserstoffperoxid im Batchreaktor
b) Mischverhalten in einem Semibatchreaktor
c) Ozonbehandlung von UO-Permeaten und UF-Filtraten im 5 L-Semibatchreaktor
d) Ozonbehandlung von Modellkeimen im 100 L-Semibatchreaktor
e) Ozonungsversuche in der instationären Anfahrphase der Blasensäule (Semibatch)
f) Ozonungsversuche beim stationären und kontinuierlichen Betrieb der Blasensäule.
g) Desinfektion durch Kombination einer Blasensäule und eines UV-Reaktors im
kontinuierlichen Betrieb
h) Rückverkeimungsverhalten nach unterschiedlichen Behandlungsmethoden
i) Kostenermittlung- und -optimierung der einzelnen Desinfektionsmethoden.
4 Ergebnisse und Diskussion 104
4.6.1 Desinfektion durch Wasserstoffperoxid im Batchreaktor
Bei der Suche nach einem geeigneten oxidativ wirkenden Desinfektionsmittel wurden zuerst
Versuche mit Wasserstoffperoxid durchgeführt. Wasserstoffperoxid wird als 3 Gew.-%ige
Lösung zur Flächendesinfektion verwendet und greift Biofilme oxidativ an. Es ist auch durch
die TVO zugelassen als Oxidationsmittel für die Trinkwasseraufbereitung, allerdings mit der
Einschränkung einer Maximaldosis von 17 mgH
2
O
2
/L. Für die vorab durchgeführte Desinfek-
tion des Reaktorbehälters für UV-Versuche konnte eine Behandlung mit 3 Gew.-%iger Was-
serstoffperoxidlösung über 72 Stunden erfolgreich angewendet werden. Aus diesem Grund
sollten auch Untersuchungen durchgeführt werden, die eine Verwendung von Wasserstoffper-
oxid mit deutlich geringeren Konzentrationen (10 mg H
2
O
2
) für stark verkeimte Modellwässer
beinhalten.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
Bac. atroph. in dest. Wasser
Bac. atroph. in dest. Wasser + 10 mgH
2
o
2
/L
E. coli in dest. Wasser
E. coli in dest. Wasser + 10 mgH
2
o
2
/L
Mic. luteus in dest. Wasser
Mic. luteus in dest. Wasser + 10 mgH
2
o
2
/L
Koloniezahl [KBE/100mL]
Behandlungszeit in h
Abbildung 44: Keimzahlverlauf von drei Testkeimen während einer 24 stündigen Desinfekti-
onsbehandlung mit 10 mgH
2
O
2
/L in dest. Wasser und jeweils einer Referenz-
probe in dest. Wasser.
Abbildung 44 zeigt den Keimzahlverlauf von drei Testkeimen während einer 24 stündigen
Desinfektionsbehandlung mit Wasserstoffperoxid mit einer Konzentration von 10 mg H
2
O
2
/L.
Die im Versuch angewendeten Keimzahlen entsprechen den Keimzahlen, die auch in realen
Proben nach einer längeren Rückverkeimungszeit gefunden werden konnten. Die Testkeime
wurden jeweils in VE-Wasser (Referenztest) und in VE-Wasser mit einem Zusatz von 10
mgH
2
O
2
/L Wasserstoffperoxid gegeben. Die Ergebnisse mit und ohne Wasserstoffperoxidbe-
handlung sind nahezu identisch. Die Behandlung erwies sich bei Raumtemperatur innerhalb
von 24 Stunden als ineffektiv. Es konnte auch nach 24 Stunden mit einem Wasserstoffper-
oxidschnelltest kaum eine Verringerung der Wasserstoffperoxidkonzentration nachgewiesen
werden. Ohne zusätzliche Aktivierung des Wasserstoffperoxids scheint das Oxidationspoten-
4 Ergebnisse und Diskussion 105
tial nicht auszureichen, um eine effektive Wirkung zu erzielen.
Eine weitere mögliche Ursache für die mangelnde Effektivität dieses Desinfektionsmittels in
geringer Konzentration kann das Enzym Katalase bzw. Peroxidase sein
130
. Die meisten aero-
ben und fakultativ anaeroben Bakterien wie auch Pilze besitzen dieses Enzym, das imstande
ist, das für die Zellen giftige H
2
O
2
zu spalten, bevor es einen Schaden an der Zelle anrichten
kann. Pro Sekunde kann sie die hundertfache Menge an reinem Wasserstoffperoxid zersetzen.
In die Zelle vorgedrungene Wasserstoffperoxidmoleküle zerfallen weitgehend wirkungslos,
der wirksame aktive Sauerstoff verwandelt sich in unkritischen molekularen Sauerstoff.
Alternativ bietet sich z.B. für eine intervallartig durchzuführende Oberflächen- und Rohrlei-
tungsdesinfektion Peressigsäure an. Katalase zeigt bei PES keine Wirkung. Es wird aufgrund
der hervorragenden Wirkung für die Trinkwasserdesinfektion im Katastrophenschutz verwen-
det
129
. Als Routinedesinfektionsmittel wird es nicht eingesetzt, da es in höheren Dosen nega-
tive Auswirkung auf den Verdauungstrakt und eine Reizwirkung der Schleimhäute bewirkt.
Ursache für die Wirksamkeit ist die Lipidlöslichkeit von PES-Molekülen. Sie durchdringen
alle Zellmembranen, gelangen zu den oxidationsempfindlichen Stoffwechselenzymen und
trennen hier den aktiven Sauerstoff für eine Reaktion ab
130
. Die Strukturelemente mit SH-
oder -S-S-Gruppen werden bevorzugt oxidiert und verlieren unwiederbringlich ihre Funktion.
Der Zellstoffwechsel wird dadurch beendet.
Im Bereich der kontinuierlichen Trinkwasserdes-
infektion würde durch eine Behandlung mit PES allerdings die organische Belastung wieder
ansteigen. Festzuhalten bleibt, dass die toxische Wirkung des Wasserstoffperoxids in diesem
Konzentrationsbereich offensichtlich nicht ausreicht, um eine erkennbare Desinfektionswir-
kung zu erzielen. Für die Oxidation von organischen Wasserinhaltsstoffen idealerweise in
Kombination mit einer UV-Strahlungsquelle kann Wasserstoffperoxid in vielen Anwendun-
gen verwendet werden. PES eignet sich nur für kurzfristige Spülvorgänge. Daher wurden kei-
ne weiteren Versuche mit diesen beiden Peroxiden als Desinfektionsmittel durchgeführt.
4.6.2 Mischverhalten in einem Semibatch-Reaktor (Blasensäule)
Um eine sichere Aussage über die Keim- und Ozonkonzentration im Vorratsbehälter bzw. im
Reaktionsbehälter zu erhalten, muss bei der Probennahme gewährleistet werden, dass eine
repräsentative Probe erfasst wird. Bei einer homogenen Durchmischung des Reaktionsbehäl-
ters ist diese Vorgabe gewährleistet. Durch stoßweise Zugabe eines Farbstoffs wurde die
Durchmischung in der 5 L und der 100 L Blasensäule überprüft. Schon nach wenigen Sekun-
den konnte bei den verwendeten Gasvolumenströmen eine homogene Verteilung des Farbstof-
fes beobachtet werden.
4.6.3 Ozonbehandlung eines UF-Filtrates im 5 L-Semibatchreaktor
Bei diesem Versuch wurde eine UF-Filtratprobe einer Ozondesinfektionsbehandlung unterzo-
gen. Ziel dieser Untersuchung ist die Überprüfung der Leistungsfähigkeit der Ozonbehand-
lung mit einer Probe, die einen hohen DOC-Wert und eine hohe Startkonzentration an ver-
4 Ergebnisse und Diskussion 106
mehrungsfähigen Keimen aufweist. Der DOC-Gehalt betrug in dieser Probe 450 mgC/L. Die-
ser Versuch entspricht somit einer extremen Störfallsimulation bei der die Auswirkungen ei-
ner fehlerhaft arbeitenden oder komplett zerstörten UO-Membran erprobt werden soll.
Für die Ozondesinfektion wurde ein 5 L-Semibatchreaktor (Blasensäule) verwendet. Der 5 L-
Filtratprobe wurde eine Ozonkonzentration von 20 mgO
3
/L über einen Zeitraum von 20 Mi-
nuten zugeführt bei einem Gasvolumenstrom von 6 L/h und einer Ongaskonzentration von 50
gO
3
/Nm³. Die Ozondosis in diesem Versuch entspricht der doppelten Dosis, die nach der
TVO für die Aufbereitung von Trinkwasser vorgesehen ist. Die erhöhte Ozondosis wurde
aufgrund des hohen DOC-Wertes gewählt, damit das Ozon nicht schon durch Konkurrenzre-
aktionen mit der organischen Matrix weitgehend aufgezehrt wird.
1 2
100
101
102
103
104
105
106
107
108
Permeat der Ultrafiltration + Ozonbehandlung
Gesamtkeimzahl 22°C
Gesamtkeimzahl 36°C
E. coli
Enterokokken
Pseudomonaden
Keimzahl [KBE/100ml]
Permeat der Ultrafiltration
Abbildung 45: Keimzahl in einer UF-Filtratprobe vor und nach Behandlung mit Ozon
Abbildung 45 zeigt die Keimzahlen in einer UF-Filtratprobe vor und nach einer Ozonbehand-
lung. Nach der zwanzig minütigen Ozonbehandlung konnte noch eine Ozonflüssigphasenkon-
zentration von 260 µgO
3
/L gemessen werden. Nach 30 Minuten konnte kein Ozon mehr fest-
gestellt werden. Die Restozonmenge wurde durch Ozonzerfall und durch die hohe organische
Belastung als Konkurrenzreaktion zur Desinfektion verbraucht. Aufgrund der hohen organi-
schen Belastung der UF-Filtratprobe konnte bei dieser gewählten Ozondosierung keine aus-
reichende Desinfektionswirkung nach TVO-Kriterien erzielt werden. Der hohe DOC-Wert
schließt die Verwendung des Wassers für eine Trinkwasseranwendung ohne weitere Behand-
lung vollkommen aus. Aber auch die Nutzung für Zwecke bei denen nur eine geringere Quali-
tät erforderlich ist, also z.B. als Reinigungswasser von Oberflächen auf dem Betriebsgelände,
scheidet ohne zusätzliche Desinfektionsbehandlung aus. Eine weitere deutliche Absenkung
der organischen Belastung ist in jedem Fall erforderlich, um mit einer Ozonbehandlung eine
erfolgreiche Keimreduktion zu erzielen.
4 Ergebnisse und Diskussion 107
4.6.4 Ozonbehandlung von UO-Permeaten im 5 L-Semibatchreaktor
In weiteren Versuchen wurde die Desinfektionswirkung von Ozon auf Proben mit deutlich
geringeren DOC-Gehalten untersucht. Die UO-Permeate wiesen DOC-Konzentrationen von
maximal 5 mgC/L auf. Aufgrund der deutlich geringeren organischen Fracht in den UO-
Proben wurde die Probe bei diesem Versuch mit einer geringeren Ozonmenge als bei den UF-
Filtraten behandelt. Innerhalb von fünf Minuten wurde eine Ozondosis von 5 mgO
3
/L zugege-
ben, bei einem Volumenstrom von 6 L/h und einer Ongaskonzentration von 50 g/Nm³. Das
entspricht der Hälfte der Maximaldosis, die nach der TVO vorgesehen ist. Die Proben wurden
vor und nach der Desinfektionsbehandlung mit Ozon auf die Parameter Gesamtkeimzahl bei
22 °C und bei 36 °C, als auch auf E. coli, Enterokokken und Clostridium perfringens unter-
sucht.
1 2
0,1
1
10
100
1000
10000
100000
(KBE<1)/100mL
n.nw/100mL
UO-Filtration+Ozonbehandlung
Keimzahl [KBE/100mL]
UO-Filtration
Gesamtkeimzahl 22°C
Gesamtkeimzahl 36°C
E. coli
Enterokokken k.B.
Clostridium Perfringens k.B.
Abbildung 46: Keimzahl in einer UO-Permeatprobe vor und nach einer Ozonbehandlung
Abbildung 46 zeigt die Keimzahlen im UO-Permeat und nach der zusätzlichen Ozonbehand-
lung. In der Probe wurde als Startkonzentration eine Gesamtkeimzahl zwischen 10
4
-10
5
KBE/100mL bei 22 °C und 36 °C nachgewiesen. Darüber hinaus wurde eine geringe Konta-
mination durch acht Keime E. coli nachgewiesen. Es gab keinen Befund an Enterokokken und
Clostridium perfringens, weder vor noch nach der Ozonbehandlung. Nach der Desinfektions-
maßnahme konnte lediglich bei der Untersuchung der Gesamtkeimzahl bei 22 °C noch ein
einziger vermehrungsfähiger Keim pro 100 mL nachgewiesen werden. Zusätzlich wurde nach
der einminütigen Ozonzugabe die Ozonkonzentration in der Flüssigphase bestimmt. Sie be-
trug 724 µgO
3
/L. Nach 2 Stunden konnte kein Ozon mehr in der Flüssigphase nachgewiesen
werden.
Die Desinfektion mit Ozon konnte also sehr erfolgreich eingesetzt werden. Die in der UO-
Permeatprobe vorhandenen Keime wurden im Rahmen der Vorgaben der chemischen TVO
mit deutlich weniger als dem Grenzwert von 10 mgO
3
/L (exakt der Hälfte: 5 mgO
3
/L) sehr
effektiv abgetötet.
4 Ergebnisse und Diskussion 108
In weiteren drei Versuchen konnten diese Ergebnisse trotz geringfügig variierender Startkon-
zentrationen an Keimen bestätigt werden. In keinem der Versuche wurden mehr als zehn Kei-
me bei der Gesamtkeimzahl bei 22 ° und 36 °C bei dieser Dosierung nachgewiesen. In allen
weiteren untersuchten Proben konnten keine E. coli-Keime, Enterokokken und Clostridium
perfringens nachgewiesen werden. Es zeigte sich, dass die von der TVO vorgegebenen Do-
sismengen für eine optimale Desinfektion der UO-Permeate ausreichend sind. Es reichte sogar
die Hälfte der maximal zulässigen Ozondosis nach der TVO. Eine zusätzliche Behandlung mit
UV-Licht ist bei diesen UO-Permeaten nicht zwingend erforderlich. Eine Restozonreduktion
kann durch Zerfall z.B. in einem Zwischenpuffer oder im Rohrleitungsnetz innerhalb kurzer
Zeit (max. zwei Stunden) erfolgen.
Aufgrund der variierenden Startkonzentrationen an Keimen und DOC-Mengen im Realwasser
sowie der umfangreichen hygienischen Untersuchungsparameter, die durch die TVO vorgege-
ben werden, beschränken sich die Untersuchungen mit dem Realwasser auf die notwendiger-
weise zu erfüllenden Vorgaben der TVO. Die wesentlichen Vorgaben sind die Unterschrei-
tung von bestimmten in der TVO aufgeführten chemischen und hygienischen Parametern, eine
maximale Ozondosierung pro Wasservolumen und eine maximale Restozonkonzentration an
der Entnahmestelle. In den folgenden Kapiteln werden umfangreiche Untersuchungen mit
Modellkeimen zur Verfahrensoptimierung durchgeführt. Eine Optimierung ist nur mit defi-
nierten, vergleichbaren Bedingungen, die durch Modellwasser erzielt wird, möglich. Um eine
hohe Sicherheit des Verfahrens zu garantieren muss das Modellwasser den schlechtesten zu
erwartenden Fall abdecken. Dieser Fall wird durch die Auswahl des verwendeten Keims und
der Menge an organischer Matrix erfasst.
4.6.5 Ozonbehandlung von Modellkeimen im 100 L-Semibatchreaktor
Zur Untersuchung der Desinfektion des Modellwassers wurden mehrere Versuchsreihen
durchgeführt. Das Ziel dieser Versuchsreihen im Semibatchreaktor (Blasensäulenreaktor) war
die Bestimmung der erforderlichen Ozonflüssigphasenkonzentration und Verweilzeiten für
eine erfolgreiche Desinfektion. Mit diesen Daten kann dann auch ein kontinuierlicher Betrieb
einer Blasensäule entsprechend ausgelegt werden. Die Ozonflüssigphasenkonzentration sollte
so hoch liegen, dass eine zeitlich schnelle Desinfektion innerhalb von maximal 5-10 Minuten
für unterschiedliche Modellkeime gewährleistet werden kann.
Es wurden zwei Modellkeime (Bacillus atrophaeus und E. coli) stoßweise in eine mit ca. 100
L VE-Wasser gefüllte und ozonisierte Blasensäule gegeben. Der Versuch fand bei einer Was-
sertemperatur von 22 °C statt. Es wurden 600 mL Nährlösung mit den entsprechenden Kei-
men zugeführt, so dass sich im 100 L Blasensäulenreaktor ein DOC-Wert von 4,5 mgC/L und
eine Keimkonzentration von 10
7
-10
8
KBE/100mL einstellte. Diese Daten entsprechen den real
vorgefundenen Verhältnissen in den UO-Permeaten.
4 Ergebnisse und Diskussion 109
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Stop Ongas
stationärer
Zustand Keimzugabe
Ozonkonzentration Flüssigphase [mg/L]
Ozonkonzentration Gasphase [g/Nm³]
Ozon im Ongas (12 L/h)
Ozon im Offgas (12 L/h)
Zeit [s]
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
Ozon in Flüssigphase
Abbildung 47: Verlauf der Ozonkonzentrationen während eines Desinfektionsversuches im
100 L Semibatchreaktor
Abbildung 47 zeigt exemplarisch den Verlauf der Ozonwerte während eines Desinfektions-
versuchs. Die On- und Offgaskonzentration ist auf der linken Ordinate abzulesen (g/Nm³), die
Konzentration des Ozons in der Flüssigphase auf der rechten Ordinate (mg/L). Bei dem darge-
stellten Versuch wurde bei einem Ozongasvolumenstrom von 12 L/h eine Ongaskonzentration
von 7,2 g/Nm³ eingestellt. Dadurch wurde im stationären Zustand eine Ozonflüssigphasen-
konzentration von etwa 950-1000 gO
3
/L erreicht. Der nicht vom Wasser aufgenommene
Ozonanteil befindet sich im Offgas. Zur Erzielung eines stationären Zustandes der Ozonkon-
zentrationen war es erforderlich, die Blasensäule mehrere Stunden zu betreiben. Nach dem
Erreichen des stationären Zustands, bei dem die zugeführte konstante Menge an Ozon keine
weitere Erhöhung der Ozonkonzentration in der Flüssigphase bewirkt und sich auch bei der
Offgaskonzentration ein Gleichgewicht eingestellt hat, wird die Keimlösung in einem Stoß
(innerhalb von 5 Sekunden) zugegeben. Die Zugabe der Keime markiert den Zeitpunkt t=0 in
den folgenden Abbaukurven (siehe Abbildung 48, 49, 50) der Keime. Kurzfristig führen die
schnellen Ozonreaktionen dazu, dass ein Großteil der in der Flüssigphase befindlichen Ozon-
menge abreagiert. Die Konzentration an organischer Matrix bewirkt somit innerhalb weniger
Sekunden einen starken Abfall der gelösten Ozonkonzentration. Erst nach Beendigung der
schnellen Ozonreaktionen steigt die Konzentration in der Flüssigphase durch weitere Ozonzu-
führung wieder langsam an. Durch diese Vorgehensweise ist es möglich, anhand von unter-
schiedlich hohen Startkonzentrationen an gelöstem Ozon, Rückschlüsse auf die erforderliche
4 Ergebnisse und Diskussion 110
Ozonflüssigphasenkonzentration für einen Semibatchbetrieb zu ermitteln. Diese Daten kön-
nen aber auch für einen kontinuierlich betriebenen Reaktor wertvolle Hinweise auf die erfor-
derliche Ozonflüssigphasenkonzentration geben. Es kann dann eine kontinuierliche und siche-
re Desinfektion bei einem konstanten Ozonflüssigphasenwert eingestellt werden. Wird dieser
Wert unterschritten, kann die Ozonzufuhr nachgeregelt werden.
Für die Behandlung des wenig resistenten E. coli-Keimes wurde eine Ozonflüssigphasenkon-
zentration von 250 gO
3
/L gewählt. Nach Betrachtung der Ergebnisse wurde im ersten Schritt
eine Vervierfachung der Ozonflüssigphasenkonzentration auf 1000 gO
3
/L gewählt, um die
Behandlungszeiten entscheidend zu verkürzen und den Behandlungserfolg zu steigern. Nach
Überprüfung der Ergebnisse wurde im nächsten Schritt nur noch eine Erhöhung um 500
gO
3
/L auf 1500 gO
3
/L durchgeführt. Für den resistenten Bacillus atrophaeus-Keim wurde
die Ozonflüssigphasenkonzentration jeweils in 1000 gO
3
/L Schritten erhöht, ausgehend von
1500 gO
3
/L auf 2500 gO
3
/L und schließlich auf 3500 gO
3
/L. Die Ergebnisse der Ozonbe-
handlung der zwei Modellkeime sind in Abbildung 48 und Abbildung 49 dargestellt.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
(KBE<1)/100mL
nnw./100mL
250 µg/L Ozon in der Flüssigphase
1000 µg/L Ozon in der Flüssigphase
1500 µg/L Ozon in der Flüssigphase
E. coli - Keime [KBE/100mL]
Zeit [min]
Abbildung 48: Keimzahlverlauf im Modellwasser während der Desinfektion von E. coli Kei-
men durch Ozon im 100 L-Semibatchreaktor
Die durchgeführten Untersuchungen zeigen einen schnellen Abfall der Keimzahlen von einer
Startkonzentration, die in beiden Fällen zwischen 10
7
–10
8
KBE/100mL lag. Diese Werte ent-
sprechen den in rückverkeimten Realproben aufgefundenen Keimkonzentrationen. Es zeigte
sich in den Versuchsreihen mit dem Modellkeim E. coli, dass eine Ozonflüssigphasenkon-
zentration von 250 gO
3
/L nicht ausreicht, um eine effektive Desinfektion innerhalb einer
kurzen Verweilzeit zu gewährleisten. Bei 1000 gO
3
/L konnte nach 20 Minuten kein E. coli-
Keim pro 100 mL mehr nachgewiesen werden und bei einer Startkonzentration von 1500
gO
3
/L konnte schon nach fünf Minuten kein E. coli-Keim pro 100 mL mehr nachgewiesen
werden. Es konnte also eine effiziente Desinfektion innerhalb kurzer Verweilzeit durchgeführt
werden.
4 Ergebnisse und Diskussion 111
0 10 20 30 40 50 60 70 80
10
-1
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
(KBE<1)/100mL
nnw./100mL
1.5 mg/L Ozon in der Flüssigphase
2.5 mg/L Ozon in der Flüssigphase
3.5 mg/L Ozon in der Flüssigphase
Bac. Atroph. - Keime [KBE/100mL]
Zeit [min]
Abbildung 49: Keimzahlverlauf im Modellwasser während der Desinfektion von Bacillus
atrophaeus-Keimen durch Ozon im 100 L-Semibatchreaktor
Abbildung 49 zeigt den Desinfektionserfolg einer Ozonbehandlung von Bacillus atrophaeus-
Keimen. Schon in den ersten fünf Minuten konnte ein Großteil der Keime abgetötet werden.
Eine vollständige Abtötung der Keime erwies sich jedoch trotz hoher Verweilzeiten und wei-
terer kontinuierlicher Zugabe von Ozon als extrem schwierig. Die Ursache für diese außeror-
dentliche Resistenz im Bereich geringer Keimkonzentrationen ist der in Kap. 2.1.2.4.5 be-
schriebenen Tailingeffekt, der unter anderem durch die Agglomeration von Keimen zu Zell-
verbünden entstehen kann. Aufgrund der intensiven EPS-Bildung von Bacillus atrophaeus-
Keimen entsteht eine zusätzliche Adhäsionswirkung der Keime untereinander und führt zu
größeren Zellagglomeraten, die wiederum schwieriger oxidativ zu zerstören sind. Dieser Me-
chanismus gilt auch für abgespaltene Fragmente eines Biofilms und dem Biofilm selbst. Da-
her sind dort deutlich höhere Dosismengen erforderlich als bei anderen Keimen.
Grundsätzlich konnte in allen Versuchen ein eindeutiger Dosis-Einwirkzeit-Zusammenhang
festgestellt werden. Die Desinfektionsleistung erhöhte sich mit der gelösten Ozondosis und
der Einwirkzeit. Die BA-Werte nach 80 Minuten bei 2500 und 3500 gO
3
/L stellen eine Aus-
nahme dar, die im Bereich von 1-5 verbleibenden Restkeimen pro 100 mL auch durch eine
Streuung erklärt werden kann. Es zeigte sich aber, dass eine Erhöhung der Ozonflüssigpha-
senkonzentration bei den resistenten Bacillus atrophaeus-Keimen auf 3500 gO
3
/L keinen
wesentlichen Vorteil gegenüber einer niedrigeren Dosierung von 2500 gO
3
/L aufweist. Diese
Erkenntnis führte dazu, dass für einen weiteren Versuch mit Keimen, die aus dem UO-
Permeat stammten, eine Dosierung von 2500 gO
3
/L in der Flüssigphase als vollkommen
ausreichend erachtet wurde.
Im folgenden Versuch wurde überprüft, ob die Ergebnisse bzw. der ermittelte Wert auch ge-
eignet ist für die Desinfektion einer Keimpopulation, die aus einer realen UO-Permeatprobe
stammt. Diese reale UO-Permeatprobe wurde zur Animpfung einer Nährbouillon verwendet
4 Ergebnisse und Diskussion 112
und 96 Stunden bei 22 °C inkubiert. Diese künstlich hergestellte Keimpopulation stellt zwar
nicht eine identische Nachbildung der ursprünglichen Biozönose dar, aber auch die Verkei-
mung aus der UO-Permeatprobe wird zum großen Teil durch Wiederverkeimung und expo-
nentielles Wachstum nach der UO-Filtration erzeugt. Daher kann angenommen werden, dass
dieses Modell der Realität noch näher kommt als die Untersuchung mit Modellkeimen. Genau
wie bei den Versuchen mit den Modellkeimen wurde auch hier 600 mL der verkeimten Nähr-
bouillon stoßweise in den Blasensäulenreaktor gegeben, nachdem die Ozonflüssigphasenkon-
zentration einen stationären Zustand erreicht hatte. Die organische Matrix im 100 L-
Blasensäulenreaktor entspricht damit ungefähr den in realen UO-Permeatproben vorgefunde-
nen Daten. Der Versuch wurde mit einer Ozonflüssigphasenkonzentration von 2500 gO
3
/L
durchgeführt. Um den Probenaufwand zu minimieren wurde in diesem Fall die Gesamtkeim-
zahl bei 22 °C untersucht. Üblicherweise werden typische Fäkalverunreinigungen wie Darm-
bakterien eher bei einer Inkubationstemperatur von 36 °C detektiert. Es zeigte sich aber bei
den Untersuchungen der realen UO-Permeatproben, dass die Gesamtkeimzahl bei 22 °C und
36 °C nicht so stark differierten, als dass sich daraus ein völlig unterschiedliches Desinfekti-
onsverhalten ableiten lässt, somit scheint die Reduzierung des Probenumfanges an dieser Stel-
le gerechtfertigt.
0 20 40 60 80
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
(KBE<1)/100mL
nnw./100mL
2500 µg/L Ozon in der Flüssigphase
Gesamteimzahl [KBE/100mL]
Zeit [min]
Abbildung 50: Keimzahlverlauf einer angereicherten UO-Permeat-Keimpopulation während
einer Ozondesinfektion im 100 L-Semibatchreaktor.
Abbildung 50 zeigt, dass bei dem Desinfektionsversuch einer realen angereicherten Keimpo-
pulation des UO-Permeates innerhalb kürzester Zeit eine weitreichende Desinfektion erzielt
werden kann. Aber auch hier erwies sich eine Restmenge von unter 10 KBE/100mL als be-
sonders schwierig zu desinfizieren. Geringfügige Streuungen in biologischen Proben werden
immer wieder beobachtet. Erst nach 15 Minuten konnte in einer 100 mL-Probe (durch Anrei-
cherung auf einem Membranfilter) kein Keim mehr nachgewiesen werden. Im Vergleich zu
den sensiblen E. coli-Keimen erwiesen sich die Keime in der realen Proben als resistenter
gegenüber einer höheren Dosis des Desinfektionsmittels. Die größte Herausforderung für die
4 Ergebnisse und Diskussion 113
Desinfektion stellen allerdings die Bacillus atrophaeus-Keime dar. Daher wurde in den fol-
genden Versuchen nur noch dieser Keim für weitere intensive Optimierungsversuche ausge-
wählt.
Die Messung der Ozonflüssigphasenkonzentrationen, die direkt durch den zugeführten Ozon-
ongasstrom beeinflusst wird, stellt eine gute Methode dar, Prognosen für die Desinfektions-
wirkung einer Ozonbehandlung zu erzielen. In den folgenden Versuchen wird die Relevanz
der Messung der Ozonflüssigphasenkonzentration in Bezug auf die Ozonzehrung durch eine
variierende organische Matrix und der daraus resultierenden Desinfektionsleistung der einge-
setzten Ozonmenge noch stärker verdeutlicht.
Darüber hinaus konnten diese in Bezug auf den Flüssigkeitsvolumenstrom diskontinuierlichen
Versuche (Semibatchversuche) wertvolle Anhaltspunkte auf die erforderliche Ozondosis und
Einwirkzeit für die Auslegung und Optimierung einer kontinuierlich betriebenen Blasensäule
liefern.
4.6.6 Ozonungsversuche während der instationären Startphase der Bla-
sensäule im Semibatchbetrieb
In dieser Versuchsreihe sollte der hygienische Zustand des Wassers in der Anfahrphase der
Blasensäule getestet werden. Nach einem Stillstand der Anlage können durch Wiederverkei-
mung hohe Keimbelastungen entstehen. Die durchgeführten Versuche geben Aufschluss dar-
über, wie in einer Anfahrphase eines gefüllten Blasensäulenreaktors optimale und sichere Be-
triebsbedingungen erfüllt werden können, bis ein Übergang in eine kontinuierliche Betriebs-
weise erfolgt. Darüber hinaus soll geprüft werden, ob eine Optimierung der Ozondosierung
möglich ist. In der Startphase wird der Reaktor im Semibatchbetrieb gefahren. Nach 40 Minu-
ten geht der Versuch in eine kontinuierliche Fahrweise über und wird dann in diesem Zustand
bis zum Erreichen eines stationären Zustandes betrieben. Die Ergebnisse dieser Versuche
werden aber erst im nächsten Kapitel 4.6.7 dargestellt. Im kontinuierlichen Betriebszustand
werden dann sowohl permanent Ozon als auch verkeimtes Wasser der Blasensäule zugeführt.
Die Versuchsreihen zeigen bei den Semibatchversuchen und bei den kontinuierlichen Versu-
chen den Einfluss des DOC-Gehaltes, der Startkonzentration der Keime und der Dosierungs-
geschwindigkeit- und Menge des Ozons auf. Es wurde Modellwasser mit Bacillus
atrophaeus-Keimen mit unterschiedlichen Startkonzentrationen an Modellkeimen und an
DOC-Werten verwendet. Es wurde jeweils mit einem Gasvolumenstrom von 12 L/h die Bla-
sensäule durchströmt. Die Konzentration des Ongases war bei geringer Dosierung 35
gO
3
/Nm³ und bei hoher Dosierung 70 gO
3
/Nm³. Die Versuchszeit betrug jeweils 40 Minuten
in beiden Versuchen. Die Proben wurden im Abstand von zehn Minuten der Blasensäule ent-
nommen. Somit sind bei gleicher Ozondosierung die Daten der Paare 10 Minuten bei hoher
Dosierung und 20 Minuten bei niedriger Dosierung vergleichbar sowie bei 20 und 40 Minu-
ten.
4 Ergebnisse und Diskussion 114
Abbildung 51: Keimzahlverlauf im Wasser während eines Semibatchversuchs (mit niedriger
Ozondosierung) in Abhängigkeit der Ozondosierung und des DOC-Wertes
Abbildung 52: Keimzahlverlauf im Wasser während eines Semibatchversuchs (mit doppelter
Ozondosierung) in Abhängigkeit der Ozondosierung und des DOC-Wertes
In Abbildung 51 und Abbildung 52 sind die Gesamtkeimzahlen des verwendeten Keimes Ba-
cillus atrophaeus in KBE/100 mL (z-Achse) gegen die Ozondosierung (x-Achse) aufgetragen.
Die dritte Dimension (y-Achse) beschreibt die DOC-Werte. Es zeigte sich bei der geringen
Dosierung (Abbildung 51), dass innerhalb von 40 Minuten im Bereich der hohen DOC-
Konzentrationen keine ausreichende Desinfektionsleistung erzielt werden konnte. Der Ozon-
verbrauch war so groß, dass für die Desinfektion nicht mehr ausreichend Kapazität an Ozon
zur Verfügung stand. Eine Verbesserung ergibt sich durch die schnelle (hohe) Dosierung.
4 Ergebnisse und Diskussion 115
Die Abbildung 53 und Abbildung 54 zeigen den Verlauf der gelösten Ozonkonzentration, die
bei den durchgeführten Untersuchungen erzielt worden sind. Innerhalb von 40 Minuten wur-
den 2,8 mgO
3
/L (Abbildung 53) bzw. 5,6 mgO
3
/L (Abbildung 54) in den Blasensäulenreaktor
dosiert.
Abbildung 53: Ozonkonzentration in der Flüssigphase bei einer einfachen Ozondosierung
beim Semibatchbetrieb in Abhängigkeit des DOC-Gehaltes
Zu Beginn der Dosierung, also in den ersten 10 Minuten, findet eine starke Ozonzehrung in
der Flüssigphase durch die organische Matrix statt. Das erklärt den langsamen Anstieg der
Ozonflüssigphasenkonzentration. Nach Abklingen der schnellen Ozonreaktionen nimmt die
gelöste Ozonkonzentration deutlich stärker zu. Werden die Ozonflüssigphasenwerte bei glei-
cher Ozondosierung aber unterschiedlicher Dosierungsgeschwindigkeit verglichen (einfache
Dosierung nach 40 Minuten in Abbildung 53, doppelte Dosierung nach 20 Minuten in Abbil-
dung 54), ist bei der schnellen Dosierung ein deutlich höherer Wert zu erkennen. Der Anteil
an Zerfallsreaktionen und die Umsetzung mit organischer Matrix führt, wie zu erwarten war,
bei der langsamen Dosierung zu einer geringeren Ozonflüssigphasenkonzentration. Die
schnellere Ozondosierung führt auch hier wieder dazu, dass eine effektivere Keimreduktion
erfolgt. Es bestätigt sich also, dass bei gleicher Ozondosierung, diejenige zu einem besseren
Desinfektionseffekt führt, bei der die Ozonflüssigphasenkonzentration möglichst hoch ist und
das wird in diesem Fall bei gleichen Dosismengen durch eine schnelle intensive Ozondosie-
rung erzielt. Das Desinfektionsergebnis wird also nicht nur durch die Dosis-
Wirkzeitbeziehung beeinflusst, sondern auch zusätzlich durch die tatsächlich erreichte maxi-
male Ozonflüssigphasenkonzentration.
4 Ergebnisse und Diskussion 116
Abbildung 54: Ozonkonzentration in der Flüssigphase bei einer doppelten Ozondosierung
(Vergl. Abb. 53) im Semibatchbetrieb in Abhängigkeit des DOC-Gehaltes
Insgesamt zeigte sich, dass bei den Semibatchversuchen schon mit geringeren Ozonmengen
eine hohe Desinfektionsleistung erzielt wird. Ein wesentlicher Grund dafür ist, dass keine
Austragung des gelösten Ozons durch den Abfluss in ein Leitungsnetz erfolgt und somit hohe
Ozonflüssigphasenkonzentrationen in der Blasensäule erzielt werden können.
Im folgenden Kapitel werden Versuche während eines kontinuierlichen Betriebes einer Bla-
sensäule beschrieben. Bei diesen Versuchen wird über die kontinuierliche Austragung von
Wasser aus der Blasensäule auch gelöstes Ozon abtransportiert, so dass die Ozonflüssigpha-
senkonzentration innerhalb des Reaktors bei gleicher Ozondosierung geringer ist.
4.6.7 Ozonungsversuche während des stationären und kontinuierlichen
Betriebs der Blasensäule
In dieser Versuchsreihe wurde die Desinfektionsleistung einer kontinuierlich betriebenen Bla-
sensäule im stationären Betrieb untersucht. Die Versuche wurden mit unterschiedlichen Kon-
zentrationen an organischen Inhaltsstoffen durchgeführt. Es wurden jeweils Proben verwen-
det, die einen DOC von 1,5, 3, 4,5 und 6 mgC/L aufwiesen. Zusätzlich wurden zwei unter-
schiedliche Ongaskonzentrationen (35 und 70 gO
3
/Nm³) bei ansonsten unveränderten Gasvo-
lumenströmen von 12 L/h eingestellt. Es sollte geprüft werden, ob die Dosierungsgeschwin-
digkeit einen Einfluss auf die Desinfektionsleistung hat. Die Verweilzeiten im Blasensäulen-
reaktor betragen bei den unterschiedlichen Einstellungen 30, 60, 90 und 120 Minuten. Bei
4 Ergebnisse und Diskussion 117
einer Ongaskonzentration von 35 gO
3
/Nm³ wird eine Menge von 2,1 mgO
3
/L nach 30 Minu-
ten Verweilzeit in den Reaktor dosiert, entsprechend 4,2 mgO
3
/L nach 60 Minuten Verweil-
zeit, 6,3 mgO
3
/L nach 90 Minuten und 8,4 mgO
3
/L nach 120 Minuten. Bei der Dosierung von
70 gO
3
/Nm³ werden dementsprechend die doppelten Mengen O
3
pro L erzielt. Abbildung 59
zeigt den Keimzahlverlauf in Abhängigkeit der Ozondosis und des DOC-Gehaltes bei einer
Ongaseinstellung 35 gO
3
/Nm³. Daraus ergibt sich bei einer mittleren Verweilzeit von maximal
120 Minuten die auf der x-Achse dargestellte Ozondosis. Bei einer mittleren Verweilzeit von
120 Minuten entspricht das einem Volumenstrom von 50 L/h der verkeimten wässrigen Lö-
sung, die in einem 100 L-Reaktor zu- und ablaufen. Entsprechend sind Volumenströme von
66,67 L/h bei einer Verweilzeit von 90 Minuten, 100 L/h für 60 Minuten sowie 200 L/h für 30
Minuten Verweilzeit einzustellen. Die nach der TVO maximal zulässige Ozondosis beträgt 10
mgO
3
/L. Somit sind bei dieser Versuchsreihe alle Werte deutlich unterhalb dieser Maximal-
dosis.
Abbildung 55: Keimzahlverlauf während einer Ozonbehandlung mit einer Ongaskonzentrati-
on von 35 gO
3
/Nm³ in Abhängigkeit des DOC-Gehaltes und der Ozondosie-
rung.
Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass sich mit zunehmender Ozondosis die Desin-
fektionsleistung erwartungsgemäß steigern lässt. Steigende DOC-Konzentrationen und damit
auch steigende Gesamtkeimzahlen führten zu deutlich schlechteren Desinfektionsergebnissen.
Offensichtlich sind durch die hohen DOC-Werte so viele Nebenreaktionen und Zerfallsreakti-
onen des Ozons möglich, dass eine Unterschreitung der Grenzwerte bei einem DOC-Wert von
6 mgC/L und bei dieser Parametereinstellung nicht mehr gewährleistet ist. Somit wird bei der
Ozonung ein deutlicher Einfluss des DOC-Wertes und der Keimkonzentration festgestellt. Die
nächste Versuchsreihe sollte klären, welchen Einfluss eine Verdopplung der Ongaskonzentra-
tion auf 70 gO
3
/Nm³ hat. Dazu wurden Messdaten von Verweilzeiten von 0, 30, 60, 90 und
120 Minuten erfasst. Auch der Vergleich von Daten mit gleicher Ozondosis aber unterschied-
lichen Verweilzeiten ist durch diese Messung möglich. Gleiche Ozondosen weisen die Versu-
4 Ergebnisse und Diskussion 118
che 60 Minuten (Abbildung 56) mit doppelter Dosierung mit den Versuchen bei 120 Minuten
bei einfacher Dosierung (Abbildung 55) auf. Abbildung 56 zeigt die Ergebnisse des Versuchs
mit doppelter Dosierung (70 gO
3
/Nm³).
Abbildung 56: Keimzahlverlauf während einer Ozonbehandlung mit einer Ongaskonzentrati-
on von 70 gO
3
/Nm³ in Abhängigkeit des DOC-Gehaltes und der Ozondosie-
rung.
Mit steigender Ozondosis konnten erwartungsgemäß bessere Desinfektionsergebnisse erzielt
werden. Auch die Verringerung der organischen Matrix hat eine positive Auswirkung auf die
Desinfektionsleistung. Der Unterschied zu den Ergebnissen des vorherigen Versuchs besteht
darin, dass auch bei hohen DOC-Konzentrationen und niedriger Dosierung relativ geringe
Keimzahlen erzielt wurden. Bei einer schnellen bzw. doppelten Ozondosierung (70 gO
3
/Nm³)
konnten schon bei der geringsten Dosismenge von 4,2 mgO
3
/L Werte auf einem sehr niedri-
gen Plateauwert von ca. 10² KBE/100 mL erzielt werden. Diese Ozonmenge wird bei der ge-
ringen Dosierung (35 gO
3
/Nm³) erst nach 60 Minuten erreicht und führt mit ca. 10
5
KBE/100
mL zu einem deutlich höheren Wert. Es zeigte sich auch hier, dass eine schnelle Ozondosie-
rung offensichtlich effektiver wirkt als eine langsame Ozondosierung. Eine längere Verweil-
zeit bei gleicher Ozondosierung weist somit bei diesen relativ widerstandsfähigen Keimen
keine Vorteile auf. Die effektivere Keimabtötung bei schneller Dosierung könnte mit der Fä-
higkeit der Mikroorganismen zusammenhängen, einem geringen oxidativen Stress durch eine
Agglomeration von Keimen begegnen zu können. Auch eine verstärkte Ozonzehrung durch
Nebenreaktion mit der vorhandenen organischen Matrix ist denkbar und führt bei einer lang-
samen Dosierung zu einem uneffektiven Ozonverbrauch für die organische Matrix. Zu be-
rücksichtigen ist auch, dass es sich bei dem Versuch im kontinuierlichen Betrieb angenähert
um einen optimal durchmischten Reaktor handelt, bei dem sich sehr schnell einheitliche Be-
dingungen in allen Volumenelementen des Reaktors einstellen, vergleichbar mit dem Kon-
zentrationsprofil eines Rührkessels. Im Idealfall herrscht in der Nähe des Zulaufs die gleiche
Keimkonzentration wie am Ablauf. Bei dieser Betrachtung kann davon ausgegangen werden,
4 Ergebnisse und Diskussion 119
dass aufgrund der Verweilzeitverteilung der Keime im Reaktor einige davon nur kurzfristig
mit Ozon in Berührung kommen. Offenbar muss die Ozonflüssigphasenkonzentration erst
einen gewissen Schwellwert überschreiten, um eine schnelle effektive Zerstörung dieser Kei-
me zu bewirken.
Bei gleicher Versuchsdurchführung mit einer DOC-Konzentration von 6 mgC/L mit E. coli-
Keimen mit gleichgroßer Anzahl wie bei den Bacillus atrophaeus Keimen konnte schon nach
einer Ozonflüssigphasenkonzentration von 1 mgO
3
/L kein E. coli-Keim pro 100 mL mehr
nachgewiesen werden. Die Differenz der Ozonresistenzen zwischen diesen beiden Keimen ist
enorm hoch. Möglicherweise lässt sich das auf die Gram-Eigenschaften und den damit ver-
bundenen unterschiedlichen Zellwandaufbau zurückführen. Daher ist es auch von besonderem
Interesse, wie sich die Biozönose bei einer Rückverkeimung nach einer Ozonungsbehandlung
hauptsächlich zusammensetzt. Bei einer Rückverkeimung, bei der Gram negative Keime in
großen Mengen anwachsen, reicht möglicherweise eine deutlich geringere Ozondosis, um das
gespeicherte Wasser keimfrei zu halten. Bei Gram positiven Keimen wäre eine höhere Desin-
fektionsmittelmenge erforderlich. Hinweise auf eine vermehrte Rückverkeimung von Gram
negativen Keimen ergab die in Kap. 4.1.6 durchgeführte FT-IR-Untersuchung einer Wasser-
proben, bei der nach einer Ozonbehandlung und einer 96 stündigen Rückverkeimungsphase in
der größten Verdünnungsstufe nur noch Gram negative Keime nachgewiesen werden konnten.
Auch das Substratangebot
131
,
132
und eine dadurch abweichende biochemische Zusammenset-
zung der Keime haben Auswirkungen auf die Resistenzneigung unterschiedlicher Keime.
Abbildung 57: Ozonkonzentration in der Flüssigphase bei einer Ozondosierung von 0, 2,1,
4,2, 6,3 und 8,4 mgO
3
/L (entspricht Verweilzeiten von 0, 30, 60, 90 und 120
Minuten u. 35 gO
3
/Nm³ im Ongasstrom) in Abhängigkeit des DOC-Gehaltes.
4 Ergebnisse und Diskussion 120
Abbildung 57 und Abbildung 58 zeigen die Konzentration des Ozons in der Flüssigphase nach
entsprechender Zudosierung des Ozons (Abbildung 57 einfache Dosis 35 gO
3
/Nm³ / Abbil-
dung 58. doppelte Dosis 70 gO
3
/Nm³) innerhalb von 120 Minuten in Abhängigkeit des DOC-
Gehaltes. Diese Messergebnisse sind parallel zu den vorangegangenen Versuchen zur Ab-
nahme der Keimzahlen durchgeführt worden.
Abbildung 58: Ozonkonzentration in der Flüssigphase bei einer Ozondosierung von 0, 4,2,
8,4, 12,6 und 16,8 mgO
3
/L (entspricht Verweilzeiten von 0, 30, 60, 90 und
120 Minuten u. 70 gO
3
/Nm³ im Ongasstrom) in Abhängigkeit des DOC-
Gehaltes.
Die ursprüngliche Erwartung, dass eine längere Einwirkzeit, also eine doppelt so große Ver-
weilzeit bei halber Ongaskonzentration, einen positiven Effekt auf die Desinfektionsleistung
hat, konnte nicht bestätigt werden. Eine mögliche Erklärung ist die resultierende Konzentrati-
on an Ozon in der Flüssigphase bei steigender Ongaskonzentration. Bei der Betrachtung der
Flüssigphasenkonzentration bei gleicher Ongasdosierung ist zu erkennen, dass sich bei lang-
samer Ozondosierung eine niedrigere Flüssigphasenkonzentration einstellt (verglichen werden
die Werte 60 Minuten doppelte Dosierung mit 120 Minuten einfache Dosierung etc.). Dieser
Effekt ist durch die Nebenreaktionen mit der organischen Matrix und mit Zerfallsreaktionen
des Ozons zu erklären. Offensichtlich wird selbst bei diesen geringen DOC-Werten schon so
viel Desinfektionsmittel durch Nebenreaktionen verbraucht, dass die verbleibende Ozonflüs-
sigphasenkonzentration nicht ausreicht, um die Zellwand der Mikroorganismen effektiv zu
zerstören.
4 Ergebnisse und Diskussion 121
Aus den Abbildungen 57 und 58 lässt sich Folgendes deutlich erkennen:
1. In allen Fällen gilt, dass mit zunehmender Verweilzeit und gleichbleibendem On-
gasstrom eine zunehmende Ozonflüssigphasenkonzentration auftritt. Innerhalb von
120 Minuten konnte noch kein stationärer Zustand erreicht werden.
2. In den Abbildungen wird der Einfluss der Ozondosierung deutlich. Höhere Dosierun-
gen bewirken erwartungsgemäß höhere Ozonflüssigphasenkonzentrationen. Allerdings
führt die doppelte Ozondosierung nicht zu einer verdoppelten Ozonflüssigphasenkon-
zentration. Der Einfluss durch organische Inhaltsstoffe ist bei der geringen Dosierung
so relevant, dass ein großer Teil des gelösten Ozons abreagiert und nicht mehr durch
die Messung erfasst wird. Bei höheren Ozondosierungen ist dieser Anteil prozentual
gesehen kleiner, so dass sich insgesamt ein überproportional großer Anstieg ergibt.
3. Es ist bei der einfachen Ozondosierung (35 gO
3
/Nm³) zu erkennen, dass die größte
Ozonzehrung zu Beginn der Dosierung stattfindet. Nach längerer Ozonzugabe ist ein
stärkerer Anstieg der Ozonflüssigphasenkonzentration zu erkennen. Das lässt sich auf
die hohe Reaktionsgeschwindigkeit bei Ozonreaktionen zurückführen. Zu Beginn do-
miniert gerade bei den hohen DOC-Werten die Ozonzehrung und ein flacher Anstieg
der gelösten Ozonkonzentration ist zu beobachten. Danach reichert sich das Ozon in
der Flüssigphase an und anschließend findet eine Gleichgewichtseinstellung zwischen
Ozonzufuhr, Ozonreaktion und Zerfall statt. Bei der einfachen Ozondosierung (35
gO
3
/Nm³) ist innerhalb des Diagramms noch keine Gleichgewichtseinstellung bzw. ein
stationärer Zustand zu erkennen. Bei der doppelten Dosierung (70 gO
3
/Nm³) ist eine
Verlangsamung des Anstiegs der Ozonflüssigphasenkonzentration schon nach 30 Mi-
nuten erkennbar. Die zugeführte und absorbierte Ozonmenge und die Reaktion mit der
organischen Matrix, der Ozonzerfall und die Desorption des Ozons bewirken nach ei-
nem anfänglich steilen Anstieg der Ozonflüssigphasenkonzentration eine Abflachung
des Anstiegs. Die Ozonflüssigphasenkonzentration nähert sich immer mehr einem
Gleichgewicht an. Der Einfluss der organischen Matrix (DOC-Werte) ist bei der höhe-
ren Dosierung selbst bei den hohen DOC-Werten im Gegensatz zur einfachen Dosie-
rung kaum noch zu erkennen.
4. Erwartungsgemäß steigt auch die Ozonzehrung durch steigende Organikgehalte im
Wasser und führt zu geringeren Ozonflüssigphasenkonzentrationen. Ein Vergleich der
unterschiedlichen Organikkonzentrationen bei gleicher Ozondosierung zeigt diesen
Trend eindeutig auf.
5. Selbst geringe Organikkonzentrationen von maximal 6 mgC/L und Ozondosierungen
bis 10 mg/L, die innerhalb der Grenzen der TVO liegen, können aufgrund der unter-
schiedlichen Ozonzehrung durch die organische Matrix zu sehr unterschiedlichen
Ozonflüssigphasenkonzentrationen führen.
6. Die Restozonvernichtung zur Einhaltung der TVO-Grenzwerte muss schon bei diesen
sehr unterschiedlichen Restmengen flexibel eingesetzt werden. Die Restozonvernich-
tung kann nur durch entsprechende Verweilzeiten und Zerfall des Ozons, durch Anre-
4 Ergebnisse und Diskussion 122
gung des Ozons durch UV-Licht oder durch eine Temperaturerhöhung erfolgen. Die
Behandlung mit A-Kohle zur Senkung der Ozonwerte birgt das Risiko, dass sich auf
der A-Kohle Mikroorganismen immobilisieren z.B. in Form eines Biofilms
69
. Darüber
hinaus müsste eine Abtrennung der A-Kohle erfolgen, die apparativ aufwändiger ist.
An dieser Stelle bietet sich eher die Behandlung mit einem UV-Niederdruckstrahler
an, der für die Anregung und den Zerfall von Ozon geeignet ist. Zusätzlich ergibt sich
dadurch eine weitere Barriere für Mikroorganismen in diesem System.
Als Fazit dieser kontinuierlichen Versuche kann festgehalten werden, dass ein möglichst nied-
riger DOC-Wert und eine schnelle Dosierung des Ozons die Desinfektionsleistung deutlich
verbessert. Bei schneller Dosierung konnte bei diesen sehr widerstandsfähigen Keimen selbst
bei hohen DOC-Werten eine ausreichende Desinfektionswirkung mit 4.2 mgO
3
/L erzielt wer-
den. Die hohen Restmengen an Ozon in der Flüssigphase sind durch geeignete Maßnahmen
beim Übergang in das Rohrleitungsnetz, spätestens aber vor der Entnahmestelle, effektiv zu
senken. Allerdings bieten hohe Flüssigphasenkonzentrationen Schutz vor Rückverkeimungen
sowohl im Rohrleitungsnetz als auch in Pufferspeichern. Es ist dabei nicht relevant, ob die
Dosierung in einer Zulaufleitung durch eine Venturidüse oder direkt in den Reaktor in Form
einer Blasensäule erfolgt.
4.7 Desinfektion durch eine kombinierte Ozon- und UV-
Behandlung
Unter der Annahme, dass eine Permanentozonung zur Unterdrückung der Rückverkeimung im
Vorratsbehälter durchgeführt wird, muss gewährleistet werden, dass die Ozonkonzentration an
den Entnahmestellen unter den Grenzwert von 50 µgO
3
/L liegt. Zur Einhaltung der notwendi-
gen Grenzwerte im Prozesswasser kommen grundsätzlich unterschiedliche Verfahren für die
Restozonvernichtung in Frage. Ozon kann sowohl thermisch, mit Hilfe von A-Kohle als auch
durch die Behandlung mit UV-C Licht entfernt werden.
Besonders gut eignet sich eine UV-Behandlung. Die Kombination einer Ozonisierung und
nachträglichen UV-Behandlung hat den Vorteil, dass simultan die Restozonkonzentration und
Restkeimkonzentration gesenkt werden kann. Der Einsatz von UV-Anlagen bietet gegenüber
anderen Verfahren, wie z.B. thermischer Ozonzerstörung, mehrere Vorteile. Die UV-
Behandlung ist ein sehr effizientes und kostengünstiges Verfahren, da das Absorptionsmaxi-
mum des Ozons (254 nm) sehr gut mit der wesentlichen UV-C-Emission von UV-
Niederdruckstrahlern (254 nm) übereinstimmt.
Für die Restozonvernichtung können nach der Ozonungsanlage zur Desinfektion von Trink-
und Prozesswasser UV-C-Niederdruckstrahler nachgeschaltet werden. Dabei reichen schon
Bestrahlungsdosen von 100 mJ/cm² bis 200 mJ/cm², um eine merkliche Ozonreduzierung zu
erzielen. In diesem Bereich der Strahlungsdosis lassen sich auch Keime weitgehend reduzie-
ren. Diese zusätzliche letzte Sicherheitsstufe gewährleistet bei einem Ausfall des Ozonungs-
systems schon eine weitgehende Desinfektionsleistung. Um diese These zu überprüfen, wurde
4 Ergebnisse und Diskussion 123
der kontinuierlich betriebenen Blasensäule ein Durchfluss-UV-Reaktor nachgeschaltet. Der
Volumenstrom in beiden Reaktoren war identisch. Somit konnte gewährleistet werden, dass
bei einer hohen Ozondosierung auch eine entsprechend hohe UV-Restozonvernichtung statt-
findet. Mit dieser Versuchsreihe sind realistische Verhältnisse für einen routinemäßigen Dau-
erbetrieb gegeben. Es können Daten produziert werden, die eine sichere Auslegung von Anla-
gen gewährleisten.
Das Ziel dieser Versuchsreihe ist, eine optimale Verweilzeit zu ermitteln, die primär eine
möglichst weitreichende Desinfektionsleistung bewirkt, sekundär aber auch die Restozonkon-
zentration soweit reduziert, dass eine möglichst schnelle Einsetzbarkeit des Wassers im Be-
trieb gewährleistet ist. Geringfügige Überschreitungen des Grenzwertes werden im Verlauf
der Durchleitung durch ein Rohrleitungsnetz sehr schnell durch oxidative Prozesse und Zerfall
des Ozons abgebaut und tragen dort zur Zerstörung möglicherweise vorhandener Biofilme bei.
Im kontinuierlichen Betrieb wurde dazu neben den erzielten Keimzahlreduktionen auch die
Ozonkonzentration nach der UV-Bestrahlung erfasst. Die Abbildung 59 und die Abbildung 60
zeigen die Ergebnisse der Desinfektionsversuche (Keimzahlreduktion) mit unterschiedlich
hohen Ozon- und UV-Dosen bei variablen DOC-Werten. Die Abbildung 61 und Abbildung 62
zeigen die Ozonflüssigphasenkonzentration nach der UV-Bestrahlung in Abhängigkeit der
Ozon + UV-Dosis und des DOC-Wertes. Bei geringen Verweilzeiten im kontinuierlich betrie-
benen Blasensäulenreaktor werden hohe Volumenströme durch die Anlage geleitet. Somit
wird bei geringen Verweilzeiten auch nur entsprechend wenig Ozon dosiert. Die Verweilzeit
im UV-Reaktor zur Restozonreduktion kann dann dementsprechend kurz gehalten werden.
Bei dem eingestellten Volumenstrom entspricht eine Verweilzeit von 30 Minuten im Blasen-
säulenreaktor bei der gewählten Anlagenkonzeption einer UV-Dosis der nachgeschalteten
UV-Anlage von 216 mJ/cm², entsprechend 432 mJ/cm² bei 60 Minuten, 648 mJ/cm² bei 90
Minuten und 864 mJ/cm² bei 120 Minuten. Grundsätzlich gilt bei dieser Darstellung, dass bei
geringer Verweilzeit folglich auch eine geringere Ozonflüssigphasenkonzentration im Blasen-
säulenreaktor vorliegt. Je nach Ozondosierung differieren aber auch diese Werte wegen der
Ozonzehrung der organischen Inhaltsstoffe stark. Prinzipiell dient die Untersuchung der ge-
lösten Ozonkonzentration nach der UV-Behandlung lediglich der Abschätzung, wie die Ver-
fahrensschritte optimal aufeinander abgestimmt werden können. Ziel ist die sichere Keimre-
duzierung und die bedenkenlose Verwendung des Wassers nach Dosierung des Oxidations-
mittels Ozon.
Abbildung 59 zeigt den Keimzahlverlauf während einer kombinierten Behandlung von Ozon
und UV-Licht. Definitionsgemäß sind Befunde, bei denen kein Keim pro 100 mL nachgewie-
sen worden sind, in dieser logarithmischen Darstellung als < 10
0
(10
0
=1) dargestellt. Es kann
aber nicht ausgeschlossen werden, dass in 1000 mL noch Keime auffindbar sind. Um eine
dreidimensionale Darstellung zu ermöglichen, wurden in den folgenden Abbildungen diese
Werte definitionsgemäß auf den Wert 0,1 gesetzt.
4 Ergebnisse und Diskussion 124
Abbildung 59: Keimzahlverlauf während einer kombinierten Behandlung mit Ozon + UV-
Licht in Abhängigkeit der Ozon- und UV-Dosis und des DOC-Gehaltes (ein-
fache Ozondosierung + einfache UV-Dosis)
Abbildung 60: Keimzahlverlauf während einer kombinierten Behandlung mit Ozon + UV-
Licht in Abhängigkeit der Ozon- und UV-Dosis und des DOC-Gehaltes (dop-
pelte Ozondosierung + einfache UV-Dosis)
Es zeigte sich, dass eine kombinierte Behandlung von Ozon (einfache Dosis) und UV-Licht
im kompletten Bereich der DOC-Werte gegenüber einer reinen UV-Behandlung (siehe
Abbildung 43) bzw. einer reinen Ozonbehandlung (siehe Abbildung 55) noch eine deutliche
Verbesserung liefert. Zum Teil konnten gar keine oder nur noch wenige Keime/100 mL nach-
gewiesen werden. Es zeigte sich aber auch, dass bei den hohen DOC-Werten und geringen
Ozon- + UV-Dosierungen (Ozondosis + UV-Dosis: 2,1 mgO
3
/L + 216 mJ/cm²) noch bis zu
450 KBE/100 mL gefunden werden. Im Vergleich dazu konnte ein Wert von 710 KBE/100
4 Ergebnisse und Diskussion 125
mL bei einer reinen UV-Behandlung und ca. 10
6
KBE/100 mL bei einer reinen Ozonbehand-
lung ermittelt werden. Bei einer doppelt so hohen Ozondosierung (siehe Abbildung 60) ist
eine Reduzierung der Keimzahlen bei den hohen DOC-Werten und niedrigen Desinfektions-
dosen sogar auf Werte von maximal 13 KBE/100 mL möglich. In einigen Fällen konnten gar
keine Keime mehr nachgewiesen werden. Bei der reinen UV-Behandlung konnte im Gegen-
satz zur Kombinationsbehandlung durch eine deutliche Steigerung der Dosis nur noch ein
geringer Verbesserungseffekt erzielt werden. Vorteilhaft beim zusätzlichen Einsatz von Ozon
ist auch die oxidative Zerstörung der Keime und der desodorierende Effekt.
Die Abbildung 61 und die Abbildung 62 zeigen die Ozonflüssigphasenkonzentrationen nach
der Ozondosierung und der zusätzlichen UV-Behandlung.
Abbildung 61: Ozonkonzentration in der Flüssigphase nach einer einfachen Ozondosierung
(35 gO
3
/Nm³) und einer anschließenden UV-Behandlung
Abbildung 61 zeigt, dass bei der einfachen Ozondosierung alle Werte auf etwa 100-250
µgO
3
/L abgesenkt werden konnten. Die UV-Dosis ist durch die verwendeten Volumenströme
und den UV-Reaktor festgelegt und könnte nur durch einen zusätzlichen UV-Reaktor vergrö-
ßert werden, mit dem eine noch weitergehende Absenkung der Ozonrestmengen möglich ist.
Da die Halbwertszeit des Ozons im wässrigen Medium bei etwa 20 Minuten liegt, ist schon
nach kurzer Verweilzeit im Rohrleitungsnetz mit einer ausreichenden Reduzierung unter den
Grenzwert von 50 µgO
3
/L zu rechnen. Zusätzlich finden im bewegten Zustand des Wassers
noch eine Desorption des Ozons sowie Zerfallsreaktionen und Reaktionen mit der organischen
Matrix statt. Diese Effekte bewirken auch schon auf dem etwa 1,5 m langen Weg zum UV-
4 Ergebnisse und Diskussion 126
Reaktor eine Abnahme der Ozonkonzentration. Es ist davon auszugehen, dass die UV-
Strahlung nicht ausschließlich die komplette Reduzierung verursacht, sondern mehrere Effek-
te additiv wirken. Außerdem kann durch eine geringe Menge Ozon im Leitungsnetz die Bil-
dung bzw. eine Zerstörung eines vorhandenen Biofilms bewirkt werden.
Abbildung 62: Ozonkonzentration in der Flüssigphase nach einer doppelten Ozondosierung
(70 gO
3
/Nm³) und einer anschließenden UV-Behandlung
Abbildung 62 zeigt die Werte, die nach der doppelten Ozondosierung und der gleichen UV-
Behandlung wie in Abbildung 61 entstanden sind. Ausgehend von höheren gelösten Ozon-
mengen durch die doppelte Dosierung ergeben sich auch deutlich höhere Restozonkonzentra-
tionen nach der UV-Behandlung. Die Werte liegen zwischen etwa 150-500 µgO
3
/L. Der Ver-
lauf der Werte kann folgendermaßen erklärt werden. Hilfreich bei der Betrachtung dieser
Werte ist die Einbeziehung der Darstellung der Ozondosen nach der Ozonbehandlung im vo-
rangehenden Kapitel 4.6.7 . Mit steigender Ozondosierung konnten auch steigende Ozonflüs-
sigphasenkonzentrationen nachgewiesen werden. Bei höheren DOC-Konzentrationen fielen
die Werte durch die Ozonzehrung leicht ab. Dieser Effekt wird aber durch die ansteigenden
UV-Bestrahlungsdosen deutlich überkompensiert, so dass in allen DOC-Bereichen nach ei-
nem Anstieg ein Maximum durchlaufen wird und die Ozonflüssigphasenkonzentration bei den
höchsten Bestrahlungsdosen bis auf Werte unter 200 µgO
3
/L abfällt. Es ist auch hier wieder
davon auszugehen, dass nicht die UV-Strahlung ausschließlich die komplette Reduzierung
verursacht, sondern mehrere Effekte additiv wirken, insbesondere Desorptions- und zeitlich
bedingte Zerfallsreaktionen in der Leitung zum UV-Reaktor. Aber der Einfluss des UV-
Lichtes ist deutlich stärker ausgeprägt als in der Abbildung 61 dargestellt.
4 Ergebnisse und Diskussion 127
Hohe Bestrahlungsdosen bewirken erwartungsgemäß eine deutlich stärkere Abnahme der
Ozonflüssigphasenkonzentration. Bei hohen Bestrahlungsdosen von 864 mJ/cm² kann die
Ozonkonzentration auch bei hohen Ausgangswerten so stark reduziert werden, dass der Ozon-
grenzwert nur unwesentlich überschritten wird. Zu berücksichtigen sind auch hier immer noch
die zu erwartenden zusätzlichen Reduktionen in einem Rohrleitungsnetz. Die Bestrahlungsdo-
sis von 216 mJ/cm² reicht bei hohen Ozonflüssigphasenkonzentrationen von deutlich über
1000 µgO
3
/L nicht aus, um eine ausreichende Reduzierung der Restozonwerte zu gewährleis-
ten. Geringere Ausgangswerte von unter 800 µgO
3
/L können allerdings ausreichend gesenkt
werden, so dass eine gefahrlose Einspeisung in ein Rohrleitungsnetz möglich ist. Somit gilt
für Wässer mit geringen organischen Belastungen, die nach der Ozonbehandlung noch Ozon-
restkonzentrationen von 2-4 mgO
3
/L aufweisen, dass mindestens eine Bestrahlungsdosis von
800-1000 mJ/cm² zur weitgehenden Reduzierung der Restozonmengen verwendet werden
sollte. Dieser Wert ergibt sich aus der erfolgreichen Reduktion der Restozonkonzentration bei
der höchsten eingesetzten Bestrahlungsdosis und der höchsten Ozondosierung von 16,8
mgO
3
/L. Mit zunehmender Bestrahlungsdosis nimmt die Ozonflüssigphasenkonzentration
gemäß Abbildung 62 gegenüber den ursprünglichen Werten nach der Ozondosierung sehr
stark ab (siehe Kapitel 4.6.7, Abbildung 58).
Zusammenfassend kann für die beiden unterschiedlichen Ozondosismengen festgehalten wer-
den, dass bei der einfachen Ozondosierung in allen Fällen eine akzeptable Absenkung der
Ozonkonzentrationen in der Flüssigphase erzielt werden kann. Bei der doppelten Ozondosie-
rung reicht die UV-Kapazität im mittleren Bereich nicht vollständig aus. Daher müsste bei der
Wahl dieser Verfahrensparameter durch erhöhte UV-Bestrahlungsdosen die Ozonflüssigpha-
senkonzentration auf mindestens die Hälfte abgesenkt werden, um einen sicheren Betrieb zu
gewährleisten. Das kann durch die Verdopplung der Bestrahlungsdosis erfolgen. Für die Rest-
ozonreduzierung ist der DOC-Wert bei diesen Parametereinstellungen nicht von entscheiden-
der Bedeutung.
Entscheidend ist aber, dass die Kombination der beiden Verfahren zu deutlichen Optimie-
rungseffekten hinsichtlich der Desinfektionseffizienz und der Restozonreduktion führen. Am
auffälligsten sind die Vorteile im Bereich der geringen Ozondosierung, da dort die organische
Matrix besonders starke Ozonzehrungen bewirkt und somit die optimale Keimreduktion ein-
schränkt. Unter ökonomischen Aspekten ist der möglichst geringfügige Einsatz von Oxidati-
onsmittel und Strahlerleistung zu bevorzugen. Die zusätzliche UV-Behandlung mit geringer
Dosis stellt eine weitere Barriere für Keime und für die Restozonreduzierung dar. Aber auch
bei höheren Verweilzeiten sind unter dem Aspekt der Restozonreduzierung alle Betriebspunk-
te als weitgehend sicher einzuschätzen. Ein kleiner Pufferspeicher oder Desorber zur Redukti-
on der Restozonkonzentration vor der Rohrleitungseinspeisung oder der Entnahmestelle wäre
als letzte Maßnahme ebenfalls noch denkbar.
Unter dem Aspekt eines absolut sicheren Zweibarrieresystems, in dem schon jede Stufe für
sich allein eine ausreichende Desinfektion gewährleistet, muss bei schwankenden Organik-
konzentrationen im Routinebetrieb die höhere Ozondosierung angewandt werden und im
Zweifelsfall eine permanente UV-Dosierung von wenigstens 600-800 mJ/cm² zur ausreichen-
4 Ergebnisse und Diskussion 128
den Restozonreduzierung gewährleistet sein. Grundsätzlich lassen sich natürlich durch Maxi-
maldosen auch etwas bessere Ergebnisse bei der Entkeimung erzielen. Wird zusätzlich noch
die Möglichkeit der Rückverkeimung und der exponentielle Anstieg beim Wachstumsverhal-
ten betrachtet, können Reduzierungen der Keimzahl auf möglichst geringe Werte zum Teil
eine deutliche Verzögerung der Rückverkeimung bewirken.
4.8 Rückverkeimung
Für ein erfolgreiches Desinfektionskonzept muss auch die längerfristige Wirkung der Desin-
fektionsmaßnahme betrachtet werden. Diese so genannte Depotwirkung wird in der Regel im
Rohrleitungsnetz bei der Trinkwasserversorgung durch Zugabe von geringen Mengen ClO
2
oder freiem Chlor gewährleistet
133
. Die Anwendung von chlorhaltigen Produkten sollte aber
bei diesem Verfahren (Einsatz des recycelten Wassers für die Lebensmittelherstellung) nach
Möglichkeit vermieden werden. Die Chlorung von Wasser führt zur Bildung vieler flüchtiger
chlororganischer Verbindungen, die durch Reaktionen von Chlor mit organischem Material
im Wasser entstehen. Bekannte Nebenprodukte bzw. Trinkwasserchlorierungsprodukte sind
Trihalomethane (THM) einschließlich Chloroform und Chloramin. Die exakte Zuordnung der
chlorierten Nebenprodukte im Wasser zu erhöhten Krebsrisiken ist noch nicht erfolgt. In Tier-
studien konnten Hinweise auf die Bedeutung dieser organischen Nebenprodukte der Wasser-
chlorung (THM's) gefunden werden
134
,
135
,
136
,
137
,
138
. Da in diesem Fall das recycelte Wasser
über eine kurze Transportstrecke wieder im Betrieb eingesetzt werden soll, kann durch bauli-
che Maßnahmen und eine optimierte Verfahrensführung (z.B. Ringleitungssystem) die Ver-
weilzeit im Leitungsnetz minimiert werden, so dass keine extrem lang anhaltende Depotwir-
kung und damit der Einsatz von Chlorprodukten erforderlich ist.
Eine erhöhte Neubildung kanzerogener Bromate aus Bromid durch den Einsatz von Chlorpro-
dukten oder Ozon
139
kann in diesem Fall aufgrund des Einsatzes der entsalzenden Wirkung
des Umkehrosmoseverfahrens ausgeschlossen werden. Es sollte daher bei erhöhten Bromid-
werten im Abwasser darauf geachtet werden, dass eine Chlorung oder Ozonung erst nach Ab-
trennung der Salzfracht erfolgt.
In einfachen Laborversuchen konnte das Phänomen der Rückverkeimung auch bei den mit
Ozon bzw. UV desinfizierten Proben festgestellt werden. Eine Rückverkeimung ließ sich
selbst bei Proben, die sich in autoklaviertem Glasmaterial befanden, in größerem Umfang
nachweisen. Diese Rückverkeimungen sind möglicherweise auf Reparaturmechanismen oder
vereinzelt noch vorhandene Keime zurückzuführen, die sich nach einer kurzen Anpassungs-
phase exponentiell vermehren. Eine deutliche Beschleunigung des Prozesses war durch zu-
sätzliche Kohlenstoffquellen, wie sie z.B. in Schlauchmaterial oder anderen Kunststoffen zu
finden sind, zu beobachten. Allerdings bietet die Restorganik, die nach einem Membranpro-
zess im Permeat verbleibt, schon eine ausreichende Kohlenstoffquelle. Da für die Geschwin-
digkeit der Rückverkeimung unter anderem die Konzentration an verwertbarer organischer
Matrix (Substrat) relevant ist, trägt die Reduzierung der organischen Matrix zur Stabilisierung
4 Ergebnisse und Diskussion 129
des desinfizierten Wassers bei. Darüber hinaus lässt sich auch kein vollständig abgeschlosse-
nes System implementieren, so dass ein Eindringen von Keimen nicht völlig ausgeschlossen
werden kann. Oxidative Desinfektionsmaßnahmen, die die organische Matrix nicht ausrei-
chend bis zum Kohlendioxid umsetzen, können zusätzlich zur Erhöhung der Substratverfüg-
barkeit beitragen (siehe Kapitel 2.4.2.2). Die dort angesprochene zusätzliche Aktivkohlebe-
handlung könnte eine signifikante Absenkung der AOC-Werte bewirken und somit eine
schnelle und hohe Rückverkeimung begrenzen.
In den folgenden Kapiteln werden mehrere Aspekte der Rückverkeimung untersucht:
• Rückverkeimung nach einer Ozonbehandlung von Realwasserproben
• Resistenzneigung nach wiederholter Ozonbehandlung von Realwasserproben
• Einfluss der unterschiedlichen Behandlungsmethoden auf die Rückverkeimung von
Modellwässern.
4.8.1 Rückverkeimung von Realproben
Bei dieser Versuchsreihe wurden insgesamt drei unterschiedliche Proben bei 22 °C und 36 °C
auf einem Hefeextraktnährboden nach TVO-Vorgaben auf die Gesamtkeimzahl untersucht. Es
handelte sich dabei um eine unbehandelte Realprobe des Lebensmittel verarbeitenden Betrie-
bes, die nach der UO-Filtration 24 h gekühlt worden ist. Eine UO-Permeatprobe wurde mit
einer Dosis von 2,5 mgO
3
/L innerhalb von 150 Sekunden behandelt (Behandlung 1) und eine
Permeatprobe wurde mit einer Dosis von 5 mgO
3
/L innerhalb von 300 Sekunden behandelt
(Behandlung 2). Die Proben wurden anschließend bei 22 °C in dicht verschlossenen autokla-
vierten Glasgefäßen temperiert. Die Proben wurden nach einem Tag (24 h), nach drei Tagen
(72 h) und nach 6 Tagen (144 h) untersucht.
In Voruntersuchungen und aus der Literatur
126
ist bekannt, dass die wesentliche Wachstums-
phase bei vielen Bakterien in den ersten 24-48 Stunden zu erwarten ist. Das Wachstum lässt
sich somit voraussichtlich auch bei diesen geringen Mengen an organischer Matrix mit einem
exponentiellen Anstieg und einer Plateauphase beschreiben.
In Abbildung 63 sind die Gesamtkeimzahlen (KBE/100mL) gegen die Inkubationszeit der
jeweiligen Probe aufgetragen. Es wurden von jeder Probe jeweils die Gesamtkeimzahlen bei
22 °C und 36 °C erfasst.
4 Ergebnisse und Diskussion 130
0 20 40 60 80 100 120 140
10
-1
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
10
9
22°C / unbehandelte UO-Probe
36°C / unbehandelte UO-Probe
22°C / Ozonbehandlung 1
36°C / Ozonbehandlung 1
22°C / Ozonbehandlung 2
36°C / Ozonbehandlung 2
Geamtkeimzahl [KBE/100mL]
Zeit [h]
Abbildung 63: Einfluss unterschiedlich intensiver Ozonbehandlungen auf die Rückverkeimung
des UO-Filtrates.
Abbildung 63 zeigt, dass die Ozonbehandlung der Realproben zu sehr niedrigen Mengen an
vermehrungsfähigen Keimen führt. Es handelt sich bei dieser Versuchsreihe um drei unter-
schiedliche Proben, die auf zwei Hefeextrakt-Nährböden bei 22 °C und 36 °C inkubiert wur-
den. Im Vergleich zu den Ozonbehandlungen der sehr resistenten Modellkeime (siehe
Abbildung 55 und Abbildung 56), konnte mit den gleichen Ozondosen eine stärkere Abnahme
der vermehrungsfähigen Keime bei den Realproben erzielt werden. Das ist an den Startwerten
bei der Rückverkeimung der behandelten Realproben in Abbildung 63 zu erkennen.
Es zeigte sich, dass die Realproben, die nach der UO-Filtration entnommen und 24 h auf ca.
3-4 °C gekühlt wurden, nach einer Inkubationszeit von 24 h bei 22°C noch deutlich stärker
verkeimen. Die Gesamtkeimzahl der UO-Filtrate stieg noch mal über den gesamten Zeitraum
von 144 h um 1-2 Logarithmusstufen an, obwohl der Startwert dieser Probe schon einen rela-
tiv hohen Wert von etwa 10
6
-10
7
KBE/100mL aufwies. Ähnlich hohe Werte konnten bei an-
deren Realproben nach 72 Stunden bei 22°C auch nachgewiesen werden, die geringere Start-
werte aufwiesen. Bei etwa 10
8
KBE/100mL scheint bei den Realproben ein Plateauwert er-
reicht zu sein.
Aber schon innerhalb der ersten 24 Stunden kann davon ausgegangen werden, dass eine merk-
liche Rückverkeimung trotz der Kühlung stattgefunden hat. Bis die Proben, die bei der Pro-
bennahme zum Teil noch über 35 °C aufwiesen, auf ihre Transporttemperatur von 3-4 °C ab-
gesenkt worden waren, konnte schon eine deutliche Keimzahlerhöhung stattgefunden haben.
Das Gleiche kann auch während der Kühlphase selbst angenommen werden. Es fiel bei ge-
kühlten Proben immer wieder auf, dass sie trotz niedriger Temperaturen erkennbare Keim-
zahlerhöhungen über die Zeit von 1-2 Tagen aufwiesen.
4 Ergebnisse und Diskussion 131
Die in dieser Versuchsreihe ozonisierten Realproben wiesen direkt nach der Ozonbehandlung
sehr geringe Keimzahlen auf. Die Werte liegen deutlich unter den von der TVO geforderten,
maximal tolerierbaren Konzentrationen. Aber nach spätestens 3 Tagen wiesen die Proben
wieder ähnlich hohe Werte auf wie die unbehandelten Realproben.
Die qualitative Zusammensetzung der Biozönose hatte sich dabei aber deutlich verändert. In
den untersuchten unbehandelten Realproben (UO-Permeate) konnten schon durch visuelle
Prüfung der Nährböden auf eine Vielzahl unterschiedlicher Keime geschlossen werden. FT-
IR-Untersuchungen bestätigten diesen Befund. Ozonisierte und rückverkeimte Proben wiesen
in den höchsten Verdünnungsstufen nur noch maximal 1-2 unterschiedliche Keime auf. Auf
den Nährböden und durch vergleichende FT-IR-Untersuchungen wurde ersichtlich, dass sich
meistens immer nur eine oder gelegentlich noch eine zweite Keimart dominant durchsetzte
und auch in den entsprechenden hohen Verdünnungsstufen nachzuweisen war. Nur sehr
schnell wachsende, stark angepasste Keime konnten sich nach der Ozonbehandlung stark
vermehren. Selten vorkommende Keime können teilweise durch sehr häufig vorkommende
Keime auf den Nährböden überwachsen werden, deshalb ist ihre Identifizierung nicht mög-
lich.
Insgesamt ist die hygienische Stabilität des Wassers, trotz der geringen Restmenge an orga-
nisch verfügbaren Verbindungen (AOC bzw. Substrat), ohne weitere Behandlungsmaßnahmen
als instabil anzusehen, so dass die Verwendung entweder nur innerhalb sehr kurzer Zeiträume
nach der Desinfektion zu empfehlen ist oder eine Permanent- oder Intervallozonung nach spä-
testens zwölf Stunden eingeleitet werden sollte. Für ein größeres Rohrleitungsnetz sollte zu-
dem eine weitergehende Maßnahme mit längerer Depotwirkung in Betracht gezogen werden,
wie sie üblicherweise nach der TVO vorgesehen ist. Allerdings sind solche Maßnahmen auch
bei anderen Trinkwasserversorgungsnetzen, die aus anderen üblichen Trinkwasseraufberei-
tungsquellen gespeist werden, erforderlich.
4.8.2 Untersuchung der Resistenzbildung durch wiederholte Ozonbehand-
lung von Realwasser
Die Untersuchung der UO-Filtratproben ergab, dass eine Vielzahl an unterschiedlichen Kei-
men in den Proben vorlag. Häufig werden sowohl bei der Desinfektion mit UV-Strahlung als
auch bei der Desinfektion mit chemischen Desinfektionsmitteln sehr unterschiedliche Desin-
fektionsraten bei unterschiedlichen Keimen angegeben. Somit verändert sich bei einer Desin-
fektion die Zusammensetzung der Biozönose. Weniger resistente Keime werden vermehrt
oder komplett abgetötet und resistentere Keime sind je nach eingesetzter Desinfektionsmit-
telmenge auch nach einer Behandlung in größeren Mengen noch aufzufinden. Daher könnte
bei einer Rückverkeimung der Fall eintreten, dass vermehrt resistentere Keime ausgebildet
werden und sich die Zusammensetzung der Biozönose so stark verändert, dass die vorab an-
gewandten Parameter nicht mehr zu einer ausreichenden Desinfektion führen. Daher wurden
die Ozonungsversuche mehrfach mit bereits behandeltem Realwasserproben durchgeführt, um
zu überprüfen, ob dieser Effekt zu einem höheren Desinfektionsmittelbedarf führt. Um den
4 Ergebnisse und Diskussion 132
Analysenaufwand bei den drei Wiederholungsozonbehandlungen (insgesamt 4 Behandlungen)
zu minimieren, wurden immer dieselben Parameterwerte eingestellt. Damit lässt sich dann für
die Desinfektionsrate gerade im Bereich der geringen Keimkonzentration ein Vergleich der
Desinfektionswirkung erzielen. Aus den Rückverkeimungsversuchen eines UO-Permeates in
Abbildung 63 ist ersichtlich, dass die exponentielle Keimvermehrung nach drei Tagen beendet
ist und sich ein Plateauwert einstellt. Daher wurde zwischen den jeweiligen Wiederholungs-
behandlungen die gesamte Probe für 96 Stunden im Reaktor zur Rückverkeimung belassen.
Für die Versuchsreihe wurde eine reale Probe verwendet und zwar das Permeat der UO-Stufe.
Diese Probe wurde viermalig einer identischen Ozonbehandlung im 5 L-Semibatchreaktor
(Blasensäule) unterzogen. Es wurde jeweils eine Gesamtdosis von 2,5 mgO
3
/L über einen
Zeitraum von 150 Sekunden zudosiert und die Probe zur Analyse nach 10 Minuten dem Reak-
tor entnommen, so dass in jedem Fall eine ausreichende Desinfektionszeit nach den Ozonstö-
ßen eingehalten wurde. Untersucht wurden die Proben auf die Gesamtkeimzahl bei 22 °C und
36 °C, E. coli, Enterokokken und Clostridium perfringens.
1 2 3 4
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
10
9
10
10
Gesamtkeimzahl [KBE/100mL]
Anzahl der Ozonbehandlungen
Gesamtkeimzahl 22°C vor der Ozonbehandlung
Gesamtkeimzahl 36°C vor der Ozonbehandlung
Gesamtkeimzahl 22°C nach der Ozonbehandlung
Gesamtkeimzahl 36°C nach der Ozonbehandlung
Abbildung 64: Desinfektionswirkung und Rückverkeimung nach viermaligen Ozonbehandlun-
gen einer UO-Permeatprobe
Abbildung 64 zeigt die Gesamtkeimzahlen einer UO-Permeatprobe vor und nach der vierma-
ligen Ozonbehandlung. Es konnten keine Befunde von E. coli, Enterokokken und Clostridium
perfringens nachgewiesen werden. Auch nach der Rückverkeimung konnte keiner dieser
Keimarten nachgewiesen werden. Daher wurde in diesem Diagramm nur die Gesamtkeimzahl
bei 22 °C und 36 °C betrachtet. Die ursprüngliche UO-Permeatprobe wies bei den Gesamt-
keimzahlen Startwerte von 10
4
-10
5
KBE/100mL auf. Durch die Ozondesinfektion konnten die
Werte sehr stark abgesenkt werden. Die Rückverkeimung der Proben führte dann in den fol-
genden Versuchen zu leicht erhöhten Startwerten, die dem üblichen Rückverkeimungspla-
teauwert der UO-Permeate entsprach. Allerdings konnten durch die Ozonbehandlungen je-
4 Ergebnisse und Diskussion 133
weils wieder ähnlich geringe Gesamtkeimzahlen erzielt werden.
Die wiederholten Desinfektionsversuche lassen nicht auf eine Resistenzbildung gegenüber
dem Desinfektionsmittel schließen. In keiner der Versuche konnte eine signifikante Verände-
rung des Resistenzverhaltens gegenüber dem Desinfektionsmittel Ozon erkannt werden. Das
bedeutet, dass sich das Wasser in einem Reservoir, das z.B. bei einem Produktionsstillstand
für mehrere Tage gespeichert wird, ebenso gut mit einer Desinfektionsmaßnahme aufbereiten
lässt wie frisch gewonnenes UO-Permeat.
Um die Problematik der Rückverkeimung in Rohrleitungen nach der eigentlichen Desinfekti-
on zu minimieren, bietet sich bei diesem dezentralen Aufbereitungskonzept direkt auf dem
Betriebsgelände folgende Möglichkeit an: Die Verwendung von Ringleitungen wird in der
Literatur schon für Anwendungen im Pharmabereich beschrieben
140
. Eine Ringleitung besitzt
den Vorteil, dass permanent eine gewisse Strömung in der Leitung aufrecht erhalten werden
kann, so dass die Verweilzeiten innerhalb des Rohrleitungssystem an die einzuhaltenden hy-
gienischen Parameter angepasst werden können oder Komplettspülungen nach einem Produk-
tionsstopp am Wochenende durchgeführt werden können.
4.8.3 Rückverkeimung von Modellwasserproben
Bei dieser Versuchsreihe soll das Rückverkeimungsverhalten nach Einsatz unterschiedlicher
Mengen Desinfektionsmittel bzw. nach dem Einsatz unterschiedlicher Desinfektionsmethoden
untersucht werden. Dazu wurden mit UV-, Ozon-, Ozon-UV-Behandlungsverfahren und vari-
ierenden Wirkdosen mehrere Versuche durchgeführt. Das Modellwasser wies einen DOC-
Wert von 6 mgC/L auf. Das entspricht in etwa der maximal zu erwartenden DOC-Belastung,
die im UO-Permeat aufzufinden ist. Tatsächlich stimmen die gefundenen Keimzahlen im An-
satz des Modellwassers auch mit denen im Permeat in etwa überein (ca. 10
7
KBE/100mL).
Zusätzlich zu den im Modellwasser hauptsächlich befindlichen Modellkeimen (Bacillus
atrophaeus) sind innerhalb der Anlage aber auch noch geringe Restmengen an anderen Kei-
men zu erwarten, die sich durch Kontaminationen von Leitungen, Biofilmen etc. nicht voll-
ständig eliminieren lassen. Eine genaue Erfassung dieser Keime ist bei einem Hauptanteil von
Bacillus atrophaeus-Keimen wegen Überwucherung der anderen Keime auf den Nährböden
jedoch nicht möglich. Bei den unterschiedlichen Desinfektionsversuchen wurde die gesamte
Menge des Modellwassers aus einem Ansatz verwendet, somit kann von einer in etwa gleich
bleibenden Zusammensetzung des Modellwassers ausgegangen werden. Das Modellwasser
wurde einer Behandlung in einem kontinuierlich betriebenen UV-Reaktor, einer kontinuierlich
mit Modellwasser durchströmten Ozonungs-Blasensäule und einer Kombination beider Anla-
gen unterzogen. Als Volumenströme wurden jeweils 200 L/h, 100 L/h und 50 L/h eingestellt.
Für die UV-Desinfektion entsprechen diese Werte 216 mJ/cm², 432 mJ/cm² und 864 mJ/cm².
Das entspricht einer Verdopplung bzw. Vervierfachung der Bestrahlungsdosis.
Die TVO schreibt eine maximale Ozondosis von 10 mgO
3
/L für die Behandlung von Trink-
wasser vor. Bei einem Volumenstrom von 200 L/h wurden 4,2 mgO
3
/L, bei 100 L/h wurden
8,4 mgO
3
/L und bei 50 L/h wurden 16,8 mgO
3
/L eingesetzt. Damit liegen die ersten beiden
4 Ergebnisse und Diskussion 134
Werte innerhalb der von der TVO vorgegebenen Menge und der Wert bei 50 L/h überschreitet
die Vorgaben deutlich (um 68 %).
Nach der Probennahme mit den jeweiligen Dosismengen wurde die Rückverkeimung in au-
toklavierten Glasgefäßen erfasst. Die Rückverkeimungsversuche wurden bei einer Temperatur
von 22 °C durchgeführt. Die Proben wurden zwei Stunden nach dem Versuch auf Nährböden
aufgetragen und nach der erforderlichen Wachstumszeit quantitativ ausgewertet. Der Wert bei
zwei Stunden stellt somit den Startwert der Untersuchung der Rückverkeimung dar.
0 1 2 50 100 150 200 250 300 350 400
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
Ansatz
UV (216mJ/cm²)
UV (432mJ/cm²)
UV (864mJ/cm²)
Ozon (4,2mgO
3
/L)
Ozon (8,4mgO
3
/L)
Ozon (16,8mgO
3
/L)
Ozon (4,2mgO
3
/L)
+ UV (216mJ/cm²)
Ozon (8,4mgO
3
/L)
+ UV (432mJ/cm²)
Ozon (16,8mgO
3
/L)
+ UV (864mJ/cm²)
Keimzahl [KBE/100mL]
Zeit [h]
Abbildung 65: Einfluss unterschiedlicher Behandlungsmethoden auf die Rückverkeimung des
Modellwassers
Abbildung 65 zeigt die Rückverkeimungstendenzen bei den unterschiedlichen Behandlungs-
methoden. Es zeigt sich, dass die Desinfektionswirkung der verschiedenen Behandlungsme-
thoden sehr unterschiedliche Ergebnisse lieferte.
Durch die UV-Desinfektion können die Keimzahlen von mehr als 10
7
KBE/100 mL auf ca.
170-550 KBE/100 mL reduziert werden. Allerdings überleben neben den sehr resistenten Ba-
cillus atrophaeus-Keimen offensichtlich noch andere Keime, die sich gegenüber der UV-
Strahlungsdosis als resistent erwiesen haben. Da die Bestrahlungsdosis bereits relativ hoch
angesetzt wurde und die Keimzahl durch die Behandlung deutlich abgesunken ist, kann davon
ausgegangen werden, dass die verwendete Dosis in jedem Fall ausreichend ist und schon deut-
lich außerhalb des exponentiellen Abnahmebereichs liegt. Diese Dosis liegt beim kleinsten
Wert (216 mJ/cm²) um ein Vielfaches über der von der DVGW geforderten Mindestbestrah-
lungsdosis von 40 mJ/cm².
Auch hier zeigte sich, dass durch Verdopplung (432 mJ/cm²) und Vervierfachung (864
mJ/cm²) der Bestrahlungsdosis keine für die Wiederverkeimung relevanten zusätzlichen
Keimzahlverminderungen zu erzielen sind. Die neben dem Bacillus atrophaeus-Keim ver-
4 Ergebnisse und Diskussion 135
bliebenen vermehrungsfähigen Keime wachsen bei dem Nahrungsangebot innerhalb von 24
Stunden fast wieder auf die ursprüngliche Modellkeimanzahl an. Es handelte sich jetzt aber in
den Proben nicht mehr hauptsächlich um den Keim Bacillus atrophaeus. Der Modellkeim
wurde in den Verdünnungsproben vollständig von anderen Keimen überwuchert, die sich of-
fensichtlich sehr gut in diesem behandelten Wasser (unter den gegebenen Temperaturverhält-
nissen etc.) vermehren konnten. Eine Identifikation der Keimart erfolgte aber nicht. Nach spä-
testens 48 Stunden ist ein ähnlicher Wert, wie er ursprünglich im Modellwasser vorlag, er-
reicht.
Durch die Ozonbehandlung konnte eine weitgehende Abtötung aller Keime erzielt werden. Es
wurden auf den Nährböden ausschließlich Bacillus atrophaeus-Keime nachgewiesen. Ein-
schränkend muss festgehalten werden, dass wiederum nur solche Keime erfasst werden, die
auf diesem DEV-Nährboden wachsen. Das gilt für alle hier durchgeführten Versuche. Es wur-
den z.B. keine Untersuchungen nur für anaerob wachsende Keime durchgeführt.
Die Ozondosis hat in dem gewählten Bereich eine signifikante Auswirkung auf die Keimzahl.
Daraus ergeben sich bei der Rückverkeimung unterschiedliche Ausgangspositionen. Die
Rückverkeimung dieser Keimart (Bacillus atrophaeus) verlief unter diesen Bedingungen
(Temperatur, Nährstoffangebot etc.) relativ langsam und stagnierte in allen Fällen bei einer
Anzahl von 1900-15000 KBE/100 mL. Offensichtlich waren die Bedingungen für eine stärke-
re Vermehrung innerhalb der Untersuchungszeit nicht ausreichend. Die Untersuchungszeit
bezog sich auf 10 Tage. Ein noch längerer Untersuchungszeitraum erscheint für die Simulati-
on eines vorgesehenen Pufferspeichers als nicht sinnvoll.
Die Versuchsbedingungen in autoklavierten sterilisierten Glasgefäßen entsprechen Idealbe-
dingungen, die in der Realität einer Aufbereitungsanlage nicht gegeben sind. Die am stärksten
ozonisierte Probe konnte in der Vermehrungsphase verhältnismäßig mehr anwachsen. Ein
möglicher Erklärungsansatz ist, dass die höhere Ozonzugabe zu einer vermehrten Freisetzung
bioverfügbaren Substrates führte und somit ein schnelleres Wachstum ermöglicht wurde. Die-
ser Effekt lässt sich ansatzweise auch zu Beginn der Rückverkeimung bei der Verdopplung
der Ozondosis erkennen. Möglicherweise setzt dann aber wieder eine Verknappung des Sub-
stratangebotes nach einer kurzen Wachstumsphase ein. Versuche mit noch höheren Ozondo-
sierungen sind aufgrund der TVO-Vorgaben für die maximal zulässige Ozondosierung an
dieser Stelle nicht sinnvoll.
Es kann aber festgehalten werden, dass bei der Variation der Ozondosen die Desinfektionsbe-
handlung zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führte, aber die Keimzahl nach mehreren
Tagen ohne weitere Behandlung innerhalb dieser Gruppe auf ein ähnliches Niveau ansteigt.
Im Vergleich zur reinen UV-Behandlung ist eine deutlich geringere Wiederverkeimung zu
erkennen.
Die Kombination beider Verfahren erbrachte, wie erwartet, die besten Ergebnisse. Die Anzahl
der Keime konnte bis auf 4-9 KBE/100 mL in den jeweiligen Versuchen gesenkt werden. Bei
diesen Keimen handelte sich ausschließlich um die Keime Bacillus atrophaeus. Die Rückver-
keimung verlief aber wesentlich langsamer. Hier kommen zwei Erklärungsansätze in Frage.
4 Ergebnisse und Diskussion 136
Zum einen kann die Bildung von OH-Radikalen und die Umsetzung mit den organischen Sub-
stanzen zu einem sehr ungünstigen, schlecht verwertbaren Substrat speziell für die B. a.-
Keime führen oder es wird möglicherweise in geringem Maße Wasserstoffperoxid beim UV
angeregten Zerfall von Ozon gebildet, dass speziell die Vermehrung von Bacillus atrophaeus-
Keimen inhibiert. Es konnten noch nach 24 Stunden geringe Mengen an reaktiven Substanzen
(22 gO
3
/L), durch einen Ozontest in der Lösung festgestellt werden. Dieser Test weist aber
eine Querempfindlichkeit zu Wasserstoffperoxid auf. Zu diesem Zeitpunkt kann es sich mit
sehr hoher Wahrscheinlichkeit nicht mehr um Restozon handeln. Deutlich höhere Ozonkon-
zentrationen zerfielen in ähnlichen Versuchen und unter vergleichbaren Versuchsbedingungen
erheblich schneller und ließen sich nach 24 Stunden nicht mehr nachweisen. Die Frage, ob das
Rückverkeimungspotential allgemein durch die Reduzierung von assimilierbaren organischen
Substanzen im Modellwasser abgesunken ist, konnte damit durch das Fehlen von anderen
Keimen nicht geklärt werden.
Dazu sollte in einem weiteren Versuch überprüft werden, ob unterschiedliche Desinfektions-
methoden bei einer nachträglich durchgeführten Neukontamination mit Keimen Auswirkun-
gen auf die Rückverkeimung haben. Um eine vergleichbare Ausgangssituation bei der Rück-
verkeimung zu schaffen, wurde die gleiche Anzahl an vermehrungsfähigen Keimen zu den
verwendeten Proben zugegeben. Dieser Versuch simuliert eine nachträglich erfolgte Keim-
kontamination, wie sie z.B. in Rohrleitungen zu erwarten ist. Die Animpfung wurde mit na-
türlich im Realwasser vorkommenden Keimen durchgeführt, die sich nach der UO-Filtration
nach kurzer Zeit wieder stark vermehrt hatten.
Es wird also geprüft, ob ein Depot- oder Inhibierungseffekt durch das angewandte Desinfekti-
onsverfahren erzielt wird. Die vorab mit dem Modellwasser und den Modellkeimen durchge-
führten Desinfektionsmaßnahmen reduzierten in allen Fällen die Keimzahlen unter 150
KBE/100 mL. Das sind weniger als 15 % der anschließend gezielt neu zugesetzten Keime, so
dass davon ausgegangen werden kann, dass für die Wiederverkeimung ähnliche Startbedin-
gungen vorherrschten. Eine Autoklavierung und damit eine völlige Sterilisierung der Proben
kam nicht in Frage, da vermutlich bei Anwesenheit von längerlebigen reaktiven Bestandteilen
diese bei der Autoklavierung zerstört worden wären.
Es war auch wichtig, dass die Modellbedingungen den Bedingungen entsprachen, wie sie im
vorangegangenen Versuch vorherrschten. Alle Proben wurden erst 12 Stunden nach der Ozo-
nungsbehandlung und der Probennahme mit Keimen angeimpft. Die Versuchsproben wiesen
zu diesem Zeitpunkt einen Restozongehalt kleiner als 25 gO
3
/L auf. Die zusätzlich mit UV-
Strahlung behandelten Proben wiesen schon direkt nach den Versuchen eine erheblich gerin-
gere Ozonkonzentration gegenüber den nur mit Ozon behandelten Proben auf.
Die Ozonkonzentration nach der Probennahme kann aus den Versuchen in Kapiteln 4.6.7 er-
mittelt werden, sie stehen hier aber nicht im Vordergrund. Die Halbwertszeit des Ozonzerfal-
les in wässrigen Proben bei einem pH-Wert von 7 beträgt bei 20 °C etwa 20 Minuten, so dass
selbst bei Konzentrationen von 3 mgO
3
/L nach 3 Stunden weniger als 0,025 mgO
3
/L zu er-
warten sind.
4 Ergebnisse und Diskussion 137
0 20 40 60 80 100 120
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
Ozon (16,8mgO
3
/L) + UV (864mJ/cm²)
Ozon (8,4mgO
3
/L) + UV (432mJ/cm²)
Ozon (16,8mgO
3
/L)
Ozon (8,4mgO
3
/L)
Keimzahl [KBE/100mL]
Zeit [h]
Abbildung 66: Rückverkeimung von unterschiedlich vorbehandelten Modellwasserproben
nach zusätzlicher Animpfung mit Realwasserkeimen
Abbildung 66 zeigt die Rückverkeimungstendenz von behandelten Proben, die mit definierten
Mengen an Keimen wieder angeimpft wurden. Es zeigte sich auch hier, dass die Wiederver-
keimung durch eine kombinierte (Ozon + UV)-Behandlung verlangsamt werden konnte. Je
nach Behandlungsintensität des Kombinationsverfahrens wiesen die Rückverkeimungsten-
denzen einen Verzug zwischen 24 h und 48 h in Bezug auf ihre „Logphase“ auf, also des ex-
ponentiellen Anstiegs. Nach 72 h hatten sich wieder alle Proben sehr stark der Plateauphase
angenähert. Diese verzögerte Wiederverkeimungstendenz konnte schon bei den in Abbildung
65 gezeigten Proben beobachtet werden. Allerdings kann aus den Daten nicht geschlossen
werden, dass tatsächlich die Rückverkeimungstendenz in Zusammenhang mit der Behand-
lungsmethode stand. Es bestand eine sehr unterschiedliche Ausgangsposition in der Anzahl
und Zusammensetzung der Biozönose. In diesem Versuch (Abbildung 66) wurde aber in allen
Fällen eine gleiche Menge an vermehrungsfähigen, im UO-Permeat vorkommenden Keimen
zugegeben, die sich in der Folge unterschiedlich schnell entwickelten. Als mögliche Erklärung
kann entweder die Menge und die Bioverfügbarkeit der Restorganik herangezogen werden,
oder die Entstehung geringer Mengen an reaktiven Zwischenprodukten, die sich bei der UV-
Behandlung des noch stark ozonhaltigen Wassers gebildet haben und damit eine Inhibierung
bzw. eine Depotwirkung bewirkten. Die Überprüfung der Proben vor der Animpfung auf
Restmengen an Ozon ergab Werte unterhalb 25 gO
3
/L d.h. deutlich unter dem Grenzwert der
TVO. Bei dieser Prüfung wirkt Wasserstoffperoxid störend.
Die hier erzielten Ergebnisse zeigen eine große Ähnlichkeit zu den Ergebnissen, die bei der
Anwendung unterschiedlicher Advanced Oxidation Processes in der Arbeit von Frimmel et
al.
69
bei der Behandlung von Bodenseewasser erzielt wurden. Die DOC-Gehalte ähnelten sehr
denen im Modellwasser und in den UO-Permeaten. Auch die Rückverkeimungstendenz auf-
grund des Nährstoffangebotes ist vergleichbar mit den dort gefundenen Ergebnissen. Daher
4 Ergebnisse und Diskussion 138
wird in dieser Arbeit als mögliche Variante eine weitere biologische Behandlung zur Senkung
des AOC-Gehaltes diskutiert. Übertragen auf die hier verwendete Anlagenanordnung könnte
neben einer weiteren Membranstufe oder kleineren Permeat/Retentat-Verhältnissen zur weite-
ren Verringerung der organischen Belastung auch folgende Strategie zur Verlangsamung der
Wiederverkeimung interessant sein. Zwischen die zwei vorhandenen UO-Membranstufen
werden zusätzlich eine Ozonung und eine Aktivkohleanwendung geschaltet. Trotz der mögli-
cherweise verschlechterten Adsorptionseigenschaften der oxidierten Reaktionsprodukte an
Aktivkohle kann eine Aktivkohleanwendung nach der Ozonbehandlung trotzdem vorteilhaft
sein. Dies lässt sich damit erklären, dass am Ende der Aufbereitung ein zusätzliches Rückhal-
teverfahren für unpolare und/oder der Ozonung schwer zugängliche Wasserinhaltsstoffe gege-
ben ist, die ansonsten die letzte UO-Stufe teilweise passieren können. Zusätzlich stellt Aktiv-
kohle ein ideales Besiedlungsmedium für Mikroorganismen dar. Durch die Ozonbehandlung
kann der mikrobiologische Abbauprozess intensiviert werden, wenn eine entsprechende Tren-
nung der Ozonadsorptionszone und der mikrobiologischen Besiedlungszone des Aktivkohle-
filters gewährleistet wird. Im ersten Teil eines solchen Aktivkohlefilters würde überschüssiges
Ozon adsorbiert und im zweiten Teil Mikroorganismen auf der Aktivkohle immobilisiert. Die
zweite UO-Membranstufe hält weiterhin noch mobilisierte Mikroorganismen, Restmengen
organischer Matrix als auch mobilisierte Aktivkohle zurück. Diese Maßnahme kann aufgrund
der deutlich minimierten Menge an bioverfügbaren Verbindungen eine Wiederverkeimung
verlangsamen. Ein Durchbruch von Zellbestandteilen ist aufgrund der Druckbeständigkeit der
MO-Zellwände bei diesem Konzept nicht zu befürchten. Eine nach der 2. UO-Membranstufe
nachgeschaltete UV- oder Ozonungsanlage würde die Sicherheit im Rohrleitungsnetz noch-
mals erhöhen. Leider konnte eine solche Verfahrensvariante während der Betriebszeit nicht
untersucht werden. Ob dieser zusätzliche Aufwand zweckmäßig und praktikabel ist, muss für
den konkreten Anwendungsfall geprüft werden.
4.9 Diskussion des mehrfachen Barrierekonzeptes
Es konnte in diesem Projekt gezeigt werden, dass ein mehrfaches Barrierekonzept, bestehend
aus einer Grobabtrennung von Feststoffen, biologischer Abwasserreinigung, mehreren Memb-
ranstufen und einer Desinfektionsstufe, ein effektives Konzept zur Herstellung von chemisch
und hygienisch unbedenklichem Brauchwasser mit Trinkwasserqualität nach TVO-Vorgaben
darstellt. Eine Ausnahme bildet lediglich die Ammoniumkonzentration, die durch geeignete
prozesstechnische Maßnahmen noch weiter gesenkt werden muss. Die Desinfektionsstufe
kann eine Rest- bzw. Wiederverkeimung erfolgreich unterdrücken. Darüber hinaus trägt sie
zur Reduzierung bzw. Vermeidung von Biofilmbildungen bei. Unterschiedliche Maßnahmen
bei der Prozesssteuerung wie optimierte Verweilzeiten und Anlagenkonstruktionen gewähr-
leisten einen erfolgreichen und hygienisch einwandfreien Betrieb eines solchen Recyclingpro-
zesses. Zur Desinfektion sind folgende Maßnahmen geeignet bzw. sinnvoll:
a. Neben dem Einsatz von UO-Membranstufen zur Keimzahlreduzierung ist die
zusätzliche Anwendung einer Ozon- oder UV-Desinfektionsstufe als notwen-
4 Ergebnisse und Diskussion 139
dig zu erachten.
b. Die Betriebsüberwachung der UO-Membranstufen (in Bezug auf Membrandef-
fekte) kann neben anderen Möglichkeiten auch durch Überwachung der Leitfä-
higkeitswerte unterstützt werden.
c. Ozon als Desinfektionsmittel ist im Fall der Lebensmittlindustrie anstelle von
Chlor oder Chlordioxid oder anderen Oxidationsmitteln zu bevorzugen.
d. Eine optimierte UV-Behandlung zur Desinfektion kann ebenfalls erfolgreich
eingesetzt werden, sie wirkt aber nicht oxidativ auf andere organische Bestand-
teile und besitzt keinen desodorierenden Effekt.
e. Ein Kombinationsverfahren aus Ozon + UV stellt die erfolgreichste Variante
zur Primärdesinfektion dar.
f. Eine Intervall- oder Permanentozonung zur Unterdrückung der Rückverkei-
mung stellt eine erfolgreiche Behandlung eines Prozesswasserspeichers dar.
Eine Permanentozonung ist zur Vermeidung der Freisetzung von zusätzlichen
Endotoxinen aus der Zellwand von Gram negativen-Keimen zu bevorzugen.
g. Durch die Überwachung der DOC-Werte mit Hilfe von Onlinemessungen kann
eine erfolgreiche Steuerung der zu dosierenden Ozonmengen erfolgen.
h. Bei Überschreitung der DOC-Werte und zur Senkung der AOC-Werte sollte
eine erneute Membranfiltration und/oder gegebenenfalls ein zusätzlicher biolo-
gischer Abbau vorgenommen werden. Letzteres ist mit hohem Aufwand ver-
bunden.
i. Die Reduzierung sehr hoher Konzentration an organischer Fracht (z.B. UF-
Filtrat) mit Ozon oder Kombinationsverfahren ist zu aufwändig und führt im
Zweifelsfall zur Erhöhung der Substratverfügbarkeit und beschleunigter Wie-
derverkeimung.
j. Die Verwendung einer Ringleitung ist sinnvoll, damit bei Produktionsstillstän-
den keine umfangreiche Rück- und Wiederverkeimung in den Rohrleitungen
stattfindet. Die Desinfektionsbehandlungsanlage und die Ringleitung sind so
zu dimensionieren, dass keine zu hohen Verweilzeiten in der Ringleitung ent-
stehen. Auch ist ein weitgehend geschlossenes System zu bevorzugen, so dass
ein Eintrag von Keimen aus der Luft vermieden wird. In Leitungsnetzen, in de-
nen die hygienische Qualität des Wassers durch solche Maßnahmen nicht ge-
währleistet werden kann, verlangt der Gesetzgeber den zusätzlichen Einsatz
von freiem Chlor oder Chlordioxid mit hoher Depotwirkung.
k. Nach der UO-Filtration sollte zur Reduzierung der Wiederverkeimungstendenz
und zur Optimierung einer Ozonbehandlung eine Wasserkühlung eingeplant
werden oder es sollte gewährleistet sein, dass die Verweilzeiten im Reservoir
möglichst kurz sind, damit eine schnelle Wiederverkeimung unterdrückt wird.
5 Kostenkalkulation 140
5 Kostenkalkulation
5.1 Ozonanlage
Für die Kostenkalkulation/-abschätzung beim Ozonungsverfahren ist die Anlagengröße bzw.
die beabsichtigte Durchsatzmenge der relevanteste Faktor. Da keine exakten Daten bezüglich
der tatsächlichen Wasservolumenströme vorliegen und zudem nicht bekannt ist, ob eine Teil-
strom- oder Vollstrombehandlung beabsichtigt ist, wird die Kalkulation exemplarisch für ei-
nen minimalen und einen maximalen Wert durchgeführt. Die Kalkulation basiert auf belastba-
re Angaben von Anlagenherstellern.
Basisdaten
Verwendungszweck: Ozonungsanlage zur Desinfektion von biologisch aufbereitetem und
membranfiltriertem Brauchwassser nach der Umkehrosmosestufe
Abwassermenge: nicht genau bekannt, Kalkulation für Mengen von 100-1000 m³/d
Tagesbetriebsstunden: 24 h/d
Jahresbetriebstage: 250 Tage
Jahresbetriebstunden: 6000 h/a
Mittlerer Wasserdurchsatz: ca. 4.16-41.6 m³/h (min.-max. Kalkulation)
Max. erforderliche Ozonkonzentration: 10 mg/L bzw. 10 g/m³
Ozonerzeugerleistung: 41,6 g/h-416 g/h (min.-max. Kalkulation)
Anlagenkosten inklusive MSR-Technik aber ohne zusätzliche Pufferbehälter (Ozonein-
trag direkt in die Leitung während des Transportes zum Pufferbehälter) : 35000 € für
die kleine Anlage und 45000 € für die große Anlage.
Kapitaldienst der Anlagentechnik:
Abschreibungszeitraum der Anlage: 5 Jahre
Zinsfuß: 6 %
Zinsfaktor: 1,06 %
Annuität: 8309 €/a (für 35000 €/kleine Anlage)-10683 €/a (für 45000 €/große Anlage)
Wartungs- und Reparaturkosten: 2,5 % der Investkosten/a also hier 875 €/a-1250 €/a
Versicherungskosten: 0,5 % der Investkosten/a also hier 175 €/a-250 €/a
Personalaufwand: Für diesen Teilbereich der Anlage: 1h/1200 Betriebstunden bei gleichzei-
tiger Betreuung der vorgeschalteten Anlagenteile
Personalkosten pro Mannstunde: 36 €/h; 0,03 €/Betriebsstunde bezogen auf 1 h Wartungs-
5 Kostenkalkulation 141
zeit/1200 Betriebsstunden; bei 6000 h/a entspricht das 180 €/a
Energiekosten/kg Ozon: ca. 7 kWh/kg Ozon; bei max. 10 mgO
3
/L bzw. 10 gO
3
/m³ bei einem
Preis von max. 0,2 €/kWh ergibt sich ein Verbrauch von 0,07 kWh/10 mgO
3
und ein Preis
von 0,014 €/m³ an Energiekosten. Zusätzlich werden noch mal ca. 0,014 €/m³ an Energiekos-
ten für die Sauerstoffanreicherung zur Effizienzsteigerung des Ozongenerators benötigt. Dar-
aus ergibt sich ein Preis von 0,028 €/m³.
Zusammenfassung:
Kalkulation für eine kleine Anlage (100 m³/d):
Jährliche Gesamtkosten mit Kapitaldienst: 10239.66 €/a
Jährliche Gesamtkosten ohne Kapitaldienst: 1930 €/a
Spezifische Kosten mit Kapitaldienst: 0,409 €/m³
Spezifische Kosten ohne Kapitaldienst: 0,077 €/m³
Kalkulation für eine große Anlage (1000 m³/d):
Jährliche Gesamtkosten mit Kapitaldienst: 19362,71 €/a
Jährliche Gesamtkosten ohne Kapitaldienst: 8680 €/a
Spezifische Kosten mit Kapitaldienst: 0,077 €/m³
Spezifische Kosten ohne Kapitaldienst: 0,035 €/m³
Daraus ergibt sich bei den spezifischen Behandlungskosten je nach Anlagengröße eine Spanne
von ca. 0,41 €/m³ - 0,08 €/m³. Der wesentliche Unterschied ergibt sich daraus, dass die Kosten
für den Kapitaldienst für eine große Anlage nicht automatisch bei einer Verzehnfachung der
Durchsatzmenge um den Faktor 10 anwachsen. Bei entsprechend höheren Durchsatzmengen
sinkt der spezifische Preis noch weiter ab.
5.2 UV-Anlage
Für eine Kostenkalkulation einer UV-Anlage kann der folgende Ansatz verwendet werden:
Für die Desinfektion von Trinkwasser wird in der TVO eine Mindestbestrahlungsdosis von 40
mJ/cm² festgelegt. Dafür sind ca. 0,01-0,02 €/m³ inklusive aller anfallenden Kosten aufzu-
wenden. Darin eingeschlossen sind auch die geringen Energiemengen für den Betrieb der UV-
Niederdrucklampe von ca. 20-40 W/m³ bei einer Bestrahlungsdosis von 40 mJ/cm². Die Anla-
gen können modular aufgebaut werden, somit ergeben sich zwischen kleinen und großen An-
lagen keine gravierenden Unterschiede. Nach ca. 8000-10000 h müssen die Quecksilbernie-
derdrucklampen ausgetauscht werden. Das entspricht bei 250 Betriebstagen/a in etwa einem
Wechselintervall von 1,5 Jahren und einem Preis/Austauschlampe von ca. 10-20 € (0.001-
5 Kostenkalkulation 142
0.02 €/m³, Bestrahlungsdosis: 40-800 mJ/cm²). Daraus lässt sich erkennen, dass bei einer UV-
Anlage die Kosten für den Austausch der Lampen nicht so gravierend sind. Auch die Kosten
der UV-Lampen selbst fallen je nach eingesetzter Bestrahlungsdosis nicht so sehr ins Ge-
wicht. Darüber hinaus kann eine UV-Anlage im Gegensatz zur Ozonungsanlage über einen
Abschreibungszeitraum von zehn Jahren kalkuliert werden. Ozongeneratoren weisen einen
höheren Verschleiß der Anlagenteile auf.
In diesem Fall wird die UV-Bestrahlung aber für eine Restozonreduzierung angewendet und
es sind Bestrahlungsdosen von ca. 800-1000 mJ/cm² erforderlich, also ungefähr um einen
Faktor 5-10 höhere Werte als bei einer reinen Desinfektionsanwendung bei der Werte zwi-
schen 100-200 mJ/cm² in jedem Fall ausreichend sind. Somit sind Kosten von ca. 0,1-0,15
€/m³ ein realistischer Ansatz.
Angesichts der unterschiedlichen Wirksamkeit der beiden Methoden sind die Verfahren nicht
als „Entweder-oder-Modell“, sondern als eine Kombinationsvariante zur sicheren Desinfekti-
on als zweistufiges Barrierekonzept zu betrachten.
An dieser Stelle sollte auch noch mal erwähnt werden, dass Ozon zusätzlich eine desodorie-
rende Wirkung besitzt, dass die UV-Bestrahlung den schnellen Restozonzerfall induziert und
zudem zur Einhaltung der gesetzlichen Grenzwerte für Restozon beiträgt.
Daraus ergeben sich bei hohen Durchsätzen für eine sichere Desinfektion und der zusätzlichen
Oxidation von organischen Wasserbestandteilen mit diesem Kombinationsverfahren Kosten
von ca. 0,25 €/m³.
5.3 Fazit
Grundsätzlich hängt die Wirtschaftlichkeit des gesamten Recyclingverfahrens von den öko-
nomischen Rahmenbedingungen ab. Berücksichtigt werden muss, dass auch ohne Recycling-
prozess eine Abwasserentsorgung und Aufbereitung stattfinden und der Bezug von Frischwas-
ser über lange Leitungswege erfolgen muss. Der Unterschied besteht im Wesentlichen in den
Membranverfahren direkt am Ort der Abwasserentstehung und den erforderlichen Desinfekti-
onsmaßnahmen.
In Regionen, in denen der Wasserstress noch höher ist als in Europa, werden ähnliche Verfah-
renskonzepte mit dem Einsatz von Membranverfahren in weitaus größerem Maßstab mittler-
weile als Auswege aus der Trinkwasserversorgungskrise vorgestellt und realisiert. Dabei wer-
den sogar teilweise Abwässer direkt aus kommunalen Kläranlagen entnommen und im Be-
reich der Trinkwasserversorgung wieder eingesetzt
141
,
142
.
6 Zusammenfassung und Ausblick 143
6 Zusammenfassung und Ausblick
Das Ziel des Projektes war, ein neues biotechnologisches Verfahren zur Brauchwasser-
gewinnung mit Trinkwasserqualität aus Abwässern der Lebensmittelverarbeitung zu entwi-
ckeln. Dazu wurde aus Abwasser eines Blancheurprozesses mittels einer Hochleistungsbiolo-
gie und nachgeschalteten Ultrafiltrations- und Umkehrosmose-Membranstufen Wasser mit
geringen Restmengen an Salzen und organischen Inhaltsstoffen gewonnen. Darüber hinaus
sollte geprüft werden, ob zusätzlich zu den Membranfiltrationsstufen noch weitere Desinfek-
tionsmaßnahmen erforderlich sind, um die sichere Einhaltung der chemischen und mikrobio-
logischen Parameter der TVO zu gewährleisten. Gleichzeitig sollte die hygienische Stabilität
des Wassers durch ein geeignetes Desinfektionsverfahren über einen Zeitraum von wenigstens
48-72 Stunden nach der Behandlung gewährleistet sein.
Zusätzlich galt es zu klären, ob moderne bioanalytische Methoden geeignet sind, eine Opti-
mierung der Zeitabläufe bei der Prozessüberwachung zu leisten oder ob eine Behandlungsme-
thode eine so weitgehende Sicherheit gewährleisten kann, dass die notwendige chemische und
vor allem die hygienische Qualität des Wassers in jedem Fall gewährleistet wird. Das Opti-
mierungsziel ist eine Verkürzung der Analysenzeit gegenüber den in der TVO aufgeführten
konventionellen mikrobiologischen Untersuchungsmethoden.
Die vergleichende Erprobung unterschiedlicher qualitativer und quantitativer Nachweisme-
thoden zur Erfassung von biogenem Material zeigte, dass neben den klassischen Methoden
zur Bestimmung der Keimzahl, wie sie durch die TVO vorgeschrieben sind, das in dieser Ar-
beit getestete FT-IR Analyseverfahren zu einer deutlichen Verkürzung der Analysezeiten
durch schnellere Identifizierung der Keime eingesetzt werden kann. Besonders effektiv konnte
das System genutzt werden, um die verwendeten Modellkeime eindeutig zu identifizieren und
sie somit von anderen Keimen zu unterscheiden. Grundsätzlich bietet diese Methode eine sehr
gute Möglichkeit zur eindeutigen Identifikation von auf Selektivnährböden vorselektierten
Keimen. Dadurch ergibt sich gegenüber konventionellen Nährbodenmethoden eine deutliche
Zeitersparnis von mehreren Tagen.
Andere Nachweismethoden, die auf Basis von Zellmarkierungsmethoden durch Fluoreszenz-
marker arbeiten und z.B. DNA oder spezifische Keimoberflächen detektieren, haben das Prob-
lem, dass bei einer UV-Desinfektion die Keime nach ihrer Bestrahlung weiterhin lebensfähig,
aber nicht mehr vermehrungsfähig sind. Dadurch liefern sie ein falsch positives Ergebnis trotz
erfolgreicher Desinfektion. Auch DNA bzw. RNA-Fragmente, die bei der Teiloxidation von
Mikroorganismen entstehen, können zu falsch-positiven Ergebnissen bei DNA/RNA-basierten
Verfahren führen. Die Realtime-PCR stellt durch einen ganz spezifischen Nachweis der DNA
bzw. RNA in Keimen eine solche Nachweismethode dar. Diese Methode eignet sich zwar
grundsätzlich für einen arbeitsintensiven An- bzw. Abwesenheitstest mit Hilfe einer Mem-
branfiltration von 100 ml Probe und einer etwa 24-48-stündigen biologischen Anreicherungs-
schritt der Keime auf ein hinreichend hohes Keimzahlniveau. Für direkte Untersuchungen von
vermehrungsfähigen Keimen in geringer Anzahl, wie sie von der TVO vorgegeben sind, ist
6 Zusammenfassung und Ausblick 144
die Realtime-PCR aufgrund der zu hohen Nachweisgrenze nicht geeignet. Für die in dieser
Arbeit durchgeführte Optimierung der Desinfektionsbehandlung und auch im Hinblick auf die
erforderliche Quantifizierung der Messergebnisse stellte sie somit keine geeignete Methode
dar. Bei einem hohen Verkeimungsniveau von Wasserproben, die nicht durch Oxidation oder
UV-Strahlung desinfiziert wurden, stellt die Realtime-PCR aber eine mögliche Alternative
dar, ein sicheres und quantitatives Ergebnis innerhalb weniger Stunden zu liefern.
Darüber hinaus existieren mittlerweile unterschiedliche eindeutige Schnellnachweismethoden
für diverse Keime, speziell für häufig untersuchte, die z.B. innerhalb eines Tages durch spezi-
fische Farbumschlagtests ausreichend aussagekräftig sind. Diese Tests reagieren nur dann
positiv, wenn die Keime noch vermehrungsfähig sind und sich biologisch anreichern lassen.
Sie basieren auf Ausscheidungen biochemischer Produkte der Keime. Existiert noch kein sol-
cher spezifischer Test, ist die FT-IR Analytik eine sehr gute Alternative zur eindeutigen Iden-
tifizierung.
Darüber hinaus bietet die FT-IR Analytik zusätzlich die Möglichkeit, einen schnellen Gram-
test mit unbekannten Keimen durchzuführen. Die Grameigenschaften sind bei der Bildung
von Endotoxinen relevant. Die Untersuchung von Proben auf ihren Endotoxingehalt sollte
einen neuen Ansatz zur qualitativen Bewertung der Wasserqualität darstellen. Bisher wird
dieser Test nur für relativ sensible Anwendungen im Bereich pharmazeutischer Produkte zur
Überwachung einer Kontamination mit Krankheitserregern eingesetzt. Durch den Zerfall oder
gerade durch die oxidative Zerstörung der Hülle von Gram negativen Mikroorganismen kön-
nen Toxine freigesetzt werden. Es zeigte sich, dass selbst bei intensiv oxidativ als auch UV-
behandelten Proben ein Restgehalt an Endotoxinen festgestellt werden konnte, der die Grenz-
werte für eine pharmazeutische Nutzung überschreitet. Die Anwesenheit von mehr als 0,25
EU (Endotoxin Units) konnte in allen untersuchten Proben bis auf die Referenzprobe nachge-
wiesen werden. Im Rahmen dieser Untersuchungen sollten aber vorerst nur Basisdaten ge-
sammelt werden. Umfangreichere Untersuchungen und die Festlegung eines Grenzwertes er-
scheinen für eine Anwendung dieses Parameters im TVO-Bereich sinnvoll.
Bei dem gesamten Aufbereitungsverfahren zeigte sich, dass nach der letzten Desinfektions-
stufe Brauchwasser soweit gereinigt wird, dass die hygienischen und chemischen Parameter
der TVO mit Ausnahme der Ammoniumkonzentration eingehalten werden konnten. Die Am-
moniumgehalte können aber voraussichtlich durch die in dieser Arbeit angeführten Maßnah-
men in der Biologie bzw. auch in den Membranstufen noch unter die TVO-Grenze abgesenkt
werden. In einem Ausnahmefall von vielen UO-Permeatproben wurde ein geringfügiger fäka-
lischer Geruch wahrgenommen. Die Untersuchung der mikrobiologischen Parameter in den
Proben nach der letzten Umkehrosmosestufe ergab im Bereich der vermehrungsfähigen Ge-
samtkeimzahlen (22 und 36°C), also den nicht näher definierten Keimen, teilweise erhöhte
Werte, die in einigen Fällen über den Richtwerten der alten TVO (gültig bis 2003) lagen. Die
Anforderung der neuen TVO an diesen hygienischen Parameter ist, dass keine anomale Ver-
änderung auftritt. Die Anwendung der Verfahren nach TVO (a. F.) ist aber übergangsweise
ebenfalls erlaubt unter Zugrundelegung der bisherigen Richtwerte als Grenzwerte. Es zeigte
sich, dass die hygienische Stabilität des recycelten Wassers über einen längeren Zeitraum oh-
6 Zusammenfassung und Ausblick 145
ne zusätzliche Kühlungs- und Desinfektionsmaßnahmen nicht zu gewährleisten war. Die Ver-
änderung des hygienischen Zustandes des Wassers erfordert somit zusätzlich zur Membran-
filtration weitergehende Desinfektionsmaßnahmen. Dieses typische Rückverkeimungsverhal-
ten muss ausgehend von der aktuellen Gesetzgebung in weitreichenden Leitungsnetzen durch
den Einsatz von chlorhaltigen Desinfektionsprodukten mit Depotwirkung bekämpft werden.
In diesem Projekt wurde aber eine Wiederverwendung im angrenzenden Produktionsbetrieb
angestrebt, so dass auch andere Maßnahmen zur Desinfektion und zur Unterdrückung einer
Rückverkeimung mit geringerer Depotwirkung wirkungsvoll eingesetzt werden können.
Die Art der Verkeimung nach der UO-Stufe im Permeat deutet darauf hin, dass im Wesentli-
chen kein Durchbruch der Keime durch die Membran stattfindet, sondern dass eine Rück-
bzw. Wiederverkeimung ohne weitere Behandlung des Wassers stattfindet. Ein Durchbruch
kann aber nicht völlig ausgeschlossen werden. Mit einem hoch belasteten Modellwasser mit
dem Modellkeim E. coli zeigte sich bei Versuchen mit einer einstufigen UO-Laboranlage,
dass vor allem in der Anfahrphase ein geringfügiger Durchbruch an E. coli-Keimen stattfand,
der aber unabhängig vom Transmembrandruck im stationären Verlauf auf wenige E. coli-
Keime pro 100 mL absank. Die zusätzlich im Permeat befindlichen Keime, die vermutlich
durch Biofilme in den Leitungen und auf der Membran nach der Trennstufe eingetragen wur-
den, führten innerhalb von zwei Tagen bei 22 °C wieder zu einer deutlichen Rückverkeimung.
Die Übertragbarkeit auf reale Wässer ist aufgrund der hohen Feedbelastung mit Modellkeimen
nur bedingt möglich, zeigte aber, dass aus Gründen der Sicherheit eine Desinfektionsmaß-
nahme zur Erhöhung der Durchbruchsicherheit und zur Unterdrückung der Rückverkeimung
sehr sinnvoll ist.
Nach der Erfassung des hygienischen Zustandes des Wassers in den einzelnen Prozessstufen
wurden für die Optimierung der Desinfektion unterschiedliche Behandlungsmethoden und
Anlagen sowie Betriebsweisen mit Real- und Modellwässern getestet. Es zeigte sich, dass
sowohl eine UV-Desinfektion als auch eine desodorierende Ozonbehandlung die Gesamt-
keimzahlen der UO-Permeate auf nur noch wenige Keime pro 100 mL senkten und damit die
Richtwerte der alten TVO (a. F.) weit unterschritten.
Außerdem zeigte sich bei einem vierfachen Ozonbehandlungsversuch mit einer UO-Permeat-
probe und anschließender Rückverkeimung, dass keine Resistenzen ausgebildet wurden. Die
Ausbildung einer Resistenz könnte sich durch eine Veränderung der Biozönose hin zu einer
ozonresistenteren Keimart ergeben. Das Versuchsergebnis bedeutet aber, dass z.B. in einem
Vorratsbehälter oder in einem Ringleitungssystem mehrfach Intervallozonbehandlungen mit
dem gleichen Wasser erfolgreich durchgeführt werden können.
Weitergehende Desinfektionsversuche mittels Ozon wurden in einem größeren Maßstab (100
L-Semibatch-Reaktor/Blasensäule) mit dem sehr resistenten Modellkeim Bacillus atrophaeus
durchgeführt. Die Versuche mit dem Realwasser wurden wegen des Probentransports mög-
lichst kleinvolumig durchgeführt. Für ein Scale-Up stellt ein Reaktorvolumen von 100 L einen
geeigneten Zwischenschritt dar. Der verwendete Keim neigt zu starker EPS-Bildung und
Keimagglomeration. Dadurch konnte eine Optimierung der Desinfektion von stark verkeimten
6 Zusammenfassung und Ausblick 146
Wasserproben mit einer organischen Matrixbelastung, die den UO-Permeaten entsprach, auf-
gezeigt werden. Als obere und untere Grenze der organischen Belastung der Modellwässer,
wurde realitätsnah die tatsächliche Belastung der UO-Permeate knapp über bzw. unterschrit-
ten. Darüber hinaus wurden auch Daten aufgezeichnet, die die chemische Unbedenklichkeit in
Bezug auf verbleibende Oxidationsmittel nach der Behandlung, dokumentieren.
Es zeigte sich bei der UV-Behandlung, dass die erhöhte organische Belastung innerhalb des
gewählten Bereiches und die Erhöhung der Startkonzentration nur einen kleinen Einfluss auf
die insgesamt erzielten, noch vermehrungsfähigen Keimzahlen hatten. Die Erhöhung der UV-
Dosis führte nach einem exponentiellen Abfall zwar noch zu einer Abnahme der vermeh-
rungsfähigen Keime, die aber aufgrund des Rückverkeimungsverhaltens als unrelevant anzu-
sehen sind. Die Unterschiede innerhalb des gesamten Modells erstreckten sich bei der Restbe-
lastung über etwas mehr als eine Log-Stufe (40-750 KBE/100mL). Eine steigende Bestrah-
lungsdosis führte in allen Fällen auch zu geringeren vermehrungsfähigen Restkeimbelastun-
gen, aber nicht so, dass sich ein strikt linearer Abnahmeverlauf zeigte. Insgesamt führten die
Versuche mit geringer Belastung und hoher UV-Dosis zu den besten Ergebnissen. Es ist aber
nicht unbedingt erforderlich, für die Einhaltung der TVO-Kriterien mehr als die hier verwen-
dete Anfangsbestrahlungsdosis von etwa 200 mJ/cm² einzusetzen, zumal sich auch keine er-
heblichen Vorteile in Bezug auf die Wiederverkeimungstendenz ergaben. Eine möglichst gro-
ße Reduzierung der organischen Belastung durch Membranfiltration auf einen DOC-Wert
deutlich kleiner als 6 mgC/L sollte trotzdem als Ziel definiert werden.
Die Ozondesinfektionsversuche erwiesen sich bei hoher organischer Belastung, selbst inner-
halb der geringen Variationsbreite der organischen Belastung in diesem Modell, als deutlich
anfälliger in Bezug auf die vermehrungsfähige Restkeimbelastung. Teilweise erstreckte sich
der Unterschied über mehrere Log-Stufen bei der Restbelastung. Ursache dafür sind oxidative
Nebenreaktionen mit der organischen Matrix. Es zeigte sich, dass eine höhere Ozonflüssig-
phasenkonzentration bei insgesamt gleicher Ozondosierung aber kürzerer Dosierungszeit zu
besseren Ergebnissen führt, da weniger Neben- und Zerfallsreaktionen stattfinden. Die Ozon-
flüssigphasenkonzentration wird stark durch den Gehalt an organischer Matrix, aber auch
durch die Geschwindigkeit der Ozondosierung beeinflusst. Daher wirkt sich bei der Ozondes-
infektion eine optimale Abtrennung der organischen Bestandteile besonders effektiv aus.
Die erhöhte Ozonflüssigphasenkonzentration führt dazu, dass zusätzlich nach der Ozondesin-
fektionsbehandlung noch eine entsprechende Verweilzeit in einem Pufferbehälter oder eine
Restozonreduzierungsmaßnahme bei der Anlagenplanung berücksichtigt werden muss. Der
Zerfall erfolgt sehr schnell mit einer Halbwertszeit von weniger als 20 Minuten aufgrund der
organischen Restbelastung und der Temperaturen. Die Echtzeiterfassung der Ozonflüssigpha-
senkonzentration bietet insgesamt ein geeignetes Instrument zur Steuerung der Desinfektions-
behandlung. Darüber hinaus gilt, dass bei der Ozondesinfektionsbehandlung eines Vorratsbe-
hälters eine Permanentozonung einer Intervallozonung zur Unterdrückung der Rückverkei-
mung zu bevorzugen ist, um eine erneute Verkeimung und Oxidation der Keimzellwände
möglichst zu unterdrücken. Bei erhöhten Ozonwerten kann der Zerfall bzw. die Anregung
auch durch eine UV-Behandlung beschleunigt werden.
6 Zusammenfassung und Ausblick 147
In weiteren Versuchsreihen mit Modellwässern wurde die Wirkung einer Kombination aus
einer Ozon- und anschließender UV-Behandlung überprüft. Es zeigte sich, dass auch hier mit
einer schnellen gegenüber einer langsamen Ozondosierung bei gleicher Gesamtdosismenge
bessere Ergebnisse erzielt werden konnten. In einigen Fällen war nach der Behandlung bei
geringen organischen Belastungen kein Keim pro 100 mL mehr nachweisbar. Aber auch bei
den hohen Keim- und DOC-Belastungen reduzierte sich die Keimzahl auf maximal 13
KBE/100mL. Das bedeutet gegenüber einer einfachen UV- oder Ozonbehandlung noch mal
eine Absenkung um ungefähr eine weitere Log-Stufe. Auch in Bezug auf die Rückverkei-
mungstendenz erwies sich das kombinierte System Ozon + UV-Behandlung als deutlich ef-
fektiver gegenüber den beiden separaten Behandlungsmethoden. Zum einen wurde die Pri-
märbelastung an vermehrungsfähigen Keimen effektiver abgesenkt, so dass ein geringerer
Startwert bei der Rückverkeimung erzielt wurde. Darüber hinaus konnte aber auch noch eine
Hemmung bzw. Verzögerung der Rückverkeimung beobachtet werden, die sich selbst nach
einer erneuten Keimkontamination auswirkte und somit eine erhöhte Depotwirkung darstellt.
Die Ozonflüssigphasenkonzentration konnte durch die UV-Behandlung gleichzeitig soweit
gesenkt werden, dass sie direkt am Ablauf der UV-Anlage die Grenzwerte zwar geringfügig
überschritt, aber keine weiteren Behandlungsmaßnahmen zur Ozonreduktion erforderlich
machten. Durch die Überwachung und Begrenzung der organischen Belastung und durch die
Einstellung einer geeigneten Ozonflüssigphasenkonzentration kann der hygienische Zustand
des Wassers nach den Vorgaben der TVO gewährleistet werden.
Der Einsatz dieses mehrstufigen Verfahrens inklusive einer Ozon- und/oder UV-Desinfektion
stellt insgesamt eine Option dar, bei zukünftig noch erhöhtem Wasserstress eine ökonomische
und sichere Lösung zur Brauchwasserherstellung mit Trinkwasserqualität aus Blancheurab-
wasser der Fertiggerichteherstellung und Reinigungsprozessen anzubieten. Mittlerweile exis-
tieren schon einige ähnliche verfahrenstechnische Anlagen, bei denen aus Abwasser (teilweise
direkt aus kommunalen Kläranlagen) Brauchwasser mit Trinkwasserqualität gewonnen wird
und im Anschluss auch wieder in direkten Kontakt mit Lebensmitteln kommt oder als Trink-
wasser verwendet wird. Insgesamt ist aber noch ein großer Aufklärungsbedarf bei Verbrau-
chern und Technikanwendern festzustellen.
Bei der Untersuchung von Keimpopulationen konnten in den letzten Jahren enorme Fort-
schritte sowohl bei der qualitativen als auch bei der quantitativen Identifikation erzielt wer-
den. Bei der Weiterentwicklung zukünftiger Methoden zur Keimidentifikation sollten zusätz-
lich noch weitere Kriterien berücksichtigt werden. Ein solches Analysensystem sollte eine
einfache und praktikable, industriell einsetzbare Methode sein, so dass auch nach erfolgter
Desinfektion durch chemische und physikalische Behandlungsmethoden ein schneller und
absolut sicherer Nachweis innerhalb weniger Minuten erfolgen kann. Dieser Nachweis muss
neben der Identifikation der Keime auch deren Vitalität und Vermehrungsfähigkeit nachwei-
sen, um Aussagen über das Wiederverkeimungsverhalten in einer Probe zu erhalten. Im Sinne
einer kurzfristigen Freigabe von industriellen Produktchargen zeigt sich an dieser Stelle auch
weiterhin Forschungsbedarf auf.
Thermische Verfahren zur Sterilisation stellen nach Abtrennung der organischen Matrix eine
6 Zusammenfassung und Ausblick 148
mögliche Verfahrensvariante dar. Jedoch schützt auch eine thermische Primärdesinfektion
nicht vor erneuter Kontamination in einem Leitungsnetz. Die Abtrennung der organischen
Matrix durch eine Vorbehandlung wird trotzdem erforderlich sein, um nicht weitere flüchtige
organische Bestandteile z.B. durch einen Verdampfer in die überführte Kondensationsphase
zu übernehmen und dadurch wieder eine hohe mikrobiologische Belastung des Wassers zu
fördern. Insgesamt gilt es, die Stabilität des aufbereiteten Wassers ohne zusätzlichen Desin-
fektionsmitteleinsatz z.B. durch spezielle antibakterielle Oberflächenbeschichtungen zu erhö-
hen. Eine gezielte Wiederverkeimung vor der letzten UO-Filtrationsstufe, wie sie in der Ar-
beit diskutiert wird, stellt eine mögliche Option zur Reduzierung der Substratverfügbarkeit
dar.
Auch Methoden zur Zerstörung von Bakterienagglomeraten und Biofilmen z.B. durch den
Einsatz von Ultraschall sollten bei weiteren kombinierten Desinfektionsversuchen überprüft
werden.
Eine zusätzliche Prozessoptimierung ist voraussichtlich durch die energetische Nutzung der
im Abwasser vorhandenen organischen Matrix mit Hilfe einer anaeroben Hochleistungsbiolo-
gie (Biogasnutzung) im ersten Prozessschritt erzielbar.
7 Abkürzungs - und Symbolverzeichnis 149
7 Abkürzungs - und Symbolverzeichnis
7.1 Symbolverzeichnis
Symbol Begriff Einheit
A Absorption [ ]
B Bindungslänge [Å]
C Konzentration des Desinfektionsmittels [mg/L]
C
n
Lebendkeimzahl [ ]
d
p
Partikel bzw. Molekülgröße [m]
E Bestrahlungsstärke [W/cm²]
H Reaktionsenthalpie [kJ/mol]
k Reaktionsgeschwindigkeitskonstante [ ]
P Strahlungsleistung [1W=1J/s]
p
T
Transmembrandruck [bar]
Q Strahlungsenergie [1Ws=1J]
Mittlere Verweilzeit [s]
T Temperatur in Kelvin [K]
T
b
Siedepunkt [°C]
T
m
Schmelzpunkt [°C]
Wellenlänge [nm]
Dipolmoment [D]
7.2 Abkürzungsverzeichnis
Abkürzung Begriff
AIDS Acquired Immune Deficiency Syndrome
AOC Assimilierbarer organischer Kohlenstoff
BA Bacillus Atrophaeus
BIA Berufsgenossenschaftlicher Arbeitsschutz
BSE Bovine spongiforme Enzephalophathie
7 Abkürzungs - und Symbolverzeichnis 150
CIP-Anlage Clean in Place (-Anlage)
CSB Chemischer Sauerstoffbedarf
CSTR Continuous stirred reactor
DOC Dissolved Organic Compounds
DSMZ Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH
DVGW Deutsche Vereinigung des Gas- und Wasserfaches e.V.
DWA Druckwechseladsorption
EC Escherichia coli
ELISA Enzyme-Linked Immuno Sorbent Assay
EN Europäische Norm
EPS Extrazelluläre Polymere Substanz
EU Endotoxin Units
FT-IR Fourier Transformierte Infrarotspektroskopie
GfK Glasfaser verstärkter Kunststoff
HPLC High Performance Liquid Chromatography, Hochleistungsflüssigchroma-
tographie
IR Infrarot
ISO International Organization for Standardization
IUV Institut für Umwelt und Verfahrenstechnik
KBE Kolonie bildende Einheiten
ML Micrococcus luteus
MO Mikroorganismus
OPUS Optics User Software
PCR Polymerase Chain Reaction
PFR Plug Flow Reactor (idealer Rohrreaktor)
Ph Eur Europäische Pharmakopöe
SARS Severe acute Respiratory Syndrome
16S 16 Svedberg (S
-1
)
THM Trihalogenmethan
TVO Trinkwasserverordnung
UF Ultrafiltration
UN United Nation
UO Umkehrosmose
UV Ultraviolett
UV-C Kurzwelliges ultraviolettes Licht mit Wellenlängen von 100-280 nm
8 Literatur 151
8 Literatur
1
Krämer, T.; Weltwassertag 2008/Was tun gegen die Wasserknappheit?/Neue Techniken sollen dem Wasser-
mangel entgegentreten; Spektrum direkt; (21.03.2008); http://www.wissenschaft-online.de/artikel/947313
2
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142
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quelle Stand: (20.06.2008); http://www.envirochemie.de/Recycling-TNUVA.61.0.html
Anhang A 1
A Anhang
INHALTSVERZEICHNIS
A.1 Chemikalien, Messapparaturen, Anlagen.....................................................................................2
A. 1.1 Verwendete Chemikalien und biologisches Material.........................................................2
A. 1.2 Kenndaten der Pilotanlage....................................................................................................4
A. 1.3 Messapparaturen ...................................................................................................................4
A. 1.4 Anlagenkomponenten............................................................................................................5
A.2 Untersuchungsergebnisse von drei UO-Proben...........................................................................6
A.3 TVO-Vorgaben..............................................................................................................................18
Anhang A 2
A.1 Chemikalien, Messapparaturen, Anlagen
A. 1.1 Verwendete Chemikalien und biologisches Material
A 1.1.1 Mikroorganismenstämme
Die Mikroorganismen für die Modellwasserherstellung wurden von der DSMZ-Deutsche Sammlung
von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, Braunschweig, Germany bezogen.
A 1.1.2 Nährböden und Zubereitung
Die Nährböden wurden nach den folgenden Herstellerangaben hergestellt.
a) DEV Nähragar
Zubereitung: 35g Nährboden in dest. Wasser suspendieren und bis zum vollständigen Lösen erhitzen
und danach 15 Minuten bei 121 °C autoklavieren.
pH-Wert: 7.3+/-0.2
SIFIN Institut für Immunopräparate und Nährmedien GmbH Berlin
Berliner Allee 317/321, 13088 Berlin
b) Hefeextrakt –Agar
Zubereitung: 24 g Nährboden in 1 Liter demin. Wasser lösen und anschließend durch Erhitzen im
siedenden Wasserbad oder in strömenden Dampf autoklavieren.
pH-Wert: 7.2 +/- 0.2 bei 25 °C
Nach ISO 6222 und Swedish Standard SS 028171
Merck KGaA 64271 Darmstadt Germany
c) Enterokokken-Selektiv-Agar nach Slanetz Bartley
(m Enterococci Agar)
41,5 g Nährboden in 1 L Aqua dest. suspendieren und bis zum vollständigen Lösen vorsichtig unter
Rühren erhitzen aber nicht mehr autoklavieren! Im Anschluss daran gut mischen und die Platten gie-
ßen und den pH-Wert auf 7.2 +/- 0.2 einstellen.
SIFIN Institut für Immunopräparate und Nährmedien GmbH Berlin
Berliner Allee 317/321,13088 Berlin
d) m-CP Agar (Basis)
34,1 g Nährboden in 500 mL Aqua Dest. suspendieren und bis zum vollständigen Lösen erhitzen und
anschließend 15 Minuten bei 121 °C autoklavieren und auf 50 °C abkühlen.
Der Inhalt je einer Flasche Cycloserin/Polyvinyl Supplement, Phenolphthalein Supplement und Eisen
(III)-chlorid Supplement (Artikelnummer TN 1330) nach Vorschrift lösen und anschließend zu 500
Anhang A 3
mL sterilem abgekühltem Basisnährboden geben. Nach gutem Mischen und könnnen die Platten ge-
gossen werden. Den pH-Wert dann auf 7.4 +/- 0.2 einstellen.
Artikel Nr./Code TN1288
SIFIN Institut für Immunopräparate und Nährmedien GmbH Berlin
Berliner Allee 317/321, 13088 Berlin
e) Chromocult® Coliformen Agar
26,5 g CCA in 1 Liter demin. Wasser im siedenden Wasserbad oder im strömenden Dampf unter re-
gelmäßigen Umschwenken solange kochen bis der Nährboden vollständig gelöst ist, aber anschlie-
ßend nicht autoklavieren und nicht überhitzen! Danach den Nährboden auf 45-50 °C abkühlen und die
Platten gießen. pH-Wert: 6.8 +/- 0,2 bei 25 °C
Merck KGaA 64271 Darmstadt Germany
f) Pseudomonas-Agar
24,2 g Pseudomonas Agar (Basis) in 500 mL Aqua Dest. Suspendieren, 5 mL Glycerin zufügen und
bis zur vollständigen Auflösung erhitzen. Anschließend 15 Minuten bei 121 °C autoklavieren und auf
50 °C abkühlen. Den Inhalt eines Röhrchens Pseudomonas C-N Selektiv-Supplement (Art. Nr.: TN
1323) in 2 mL sterilem Aqua dest. auflösen und zum abgekühltem Basisnährboden geben und an-
schließend gut mischen und die Platten gießen. Den pH-Wert muss dann auf 7.1 +/- 0,2 eingestellt
werden.
Art. Nr. TN 1266
SIFIN Institut für Immunopräparate und Nährmedien GmbH Berlin
Berliner Allee 317/321, 13088 Berlin
f) Standard I-Nährbouillon
25 g in 1 Liter demin. Wasser auflösen und durch Erhitzen im siedenden Wasserbad oder im strömen-
den Dampf 15 Min. bei 121 °C autoklavieren. Den pH-Wert anschließend auf 7,5 +/- 0,2 einstellen.
Merck KGaA 64271 Darmstadt Germany
g) Kanamycin-Äsculin Azid Agar
42,7 g Kanamycin-Äsculin Azid Agar auf 1 Liter Aqua dest. suspendieren und anschließend bis zum
vollständigen Lösen 15 Minuten bei 121 °C erhitzen und autoklavieren. Danach sollte gut gemischt
werden und die Platten gegossen werden.
SIFIN Institut für Immunopräparate und Nährmedien GmbH Berlin, Berliner Allee 317/321, 13088
Berlin
A 1.1.3 Schnelltests und Testkits
a) Ozonschnelltestset Spektroquant der Fa. Merck KGaA, 64271 Darmstadt Germany Messbereich:
0,01-7,50 mgO
3
/L (Art.Nr.: 1.00607.0001).
Die Herstellerangaben der Methode ist wie folgt angegeben: Ozon reagiert in Gegenwart von Kaliu-
miodid in schwach saurer Lösung mit Dipropyl-p-phenylendiamin (DPD) zu einem rot violetten Farb-
stoff, dieser kann dann photometrisch bestimmt werden. Die Messwellenlänge beträgt 557 nm, dar-
Anhang A 4
über hinaus kann für unterschiedliche Konzentrationsbereiche die Länge der Küvette variiert werden
(Lambert Beersches Gesetz: Variation der Schichtdicke). Das Verfahren wird analog DIN 38408 G3
durchgeführt.
b) Wasserstoffperoxidteststäbchen Merckoquant® Fa. Merck KGaA, 64271 Darmstadt
c) Endotoxintestkit Testkit Pyrosate TM für Endotoxinbestimmung in Wasser und Dialysaten. Emp-
findlichkeit 0,25 EU/ml, Artnr. 28PS01A02, Fa. Pyroquant Diagnostik GmbH, Opelstraße 14, D64546
Mörfelden Walldorf
A. 1.2 Kenndaten der Pilotanlage zur biologischen Reinigung
a) Biologische Stufe: Strahlzonenschlaufen-(SZR)-reaktor
Zulaufkonzentration: CSB = 7000 mgO
2
/L
Volumenstrom: 30-150 L/h
Reaktorvolumen: 180 L
Raumbelastung: 140 kgCSB/(m³d)
TS-Gehalt: 15 g/L
Schlammbelastung: 3-20 kgCSB/(m³d)
Verweilzeit im Reaktor: 1,2 h
b) Membranstufen: 3 UF-Rohrmodule und je 2 UO-Wickelmodule
UF-Membrane: Stork Rohrmodul, Polyvinylidenfluorid (PVDF), 40 nm
Membranfläche UF: 1,2 m²
Flux UF: 125 L/m²h
(UO/1)-Membrane: Filmtec spiralgewickelte Dünnfilm Kompositmembran
Membranfläche (UO/1): 2,5 m²
Flux (UO/1): 60 L/(m²h)
(UO/2)-Membran: CSM spiralgewickelte Dünnfilm Kompositmembran
Membranfläche (UO/2): 2,5m²
Flux (UO/2): 60 L/(m²h)
A. 1.3 Messapparaturen
a) UV-Messgerät der Fa. Perkin Elmer Lambda 15 UV-VIS Spektrophotometer
b) FT-IR der Firma Bruker IFS 28/B
c) Merck UV-Photometer
d) BMT Ozonmessgerät für Ozon in der gasförmigen Phase
Anhang A 5
A. 1.4 Anlagenkomponenten
a) Ozongenerator der Fa. Ozonmatic der Serie Modular 4 HC Baujahr 2002
Einsatzgas: Sauerstoff, Betriebsdruck: 1 bar, Gasstrom: 8-125 L/h, Ozonproduktion: Max. 4 g/h, zu-
lässiger Betriebsüberdruck: 1 bar Überdruck, Elektrische Anschlusswerte: 230 V/50/60 Hz/2,2 kVA
b) Sauerstoffanreicherung der Fa. Airsep Corporation Modell AS-12
c) AD Wandler der Marke LabJack
TM
U12 Adapter
d) Datenerfassungsprogramm: Realview 1.0
Anhang A 6
A.2 Untersuchungsergebnisse von drei UO-Proben
Tabelle 1: Chemische Parameter (Teil I)
Probe 1. UO. Permeat nach der zweiten UO-
Filtrationsstufe
Probennahme IUV, Universität Bremen
Stelle P-UO2
Datum 07.04.2003
Konservierungsart gekühlt
Trübung ohne
Geruch ohne
Färbung ohne
pH-Wert 8,7
Leitfähigkeit 166 µS/cm
Lfd. Nr. Parameter Ergebnis [mg/L] Grenzwert [mg/L]
1 Acrylamid n.u.
1)
0,0001
2 Benzol n.u.
6)
0,001
3 Bor 0,27 1
4 Bromat n.u. 0,01
5 Chrom < 0,01 0,05
6 Cyanid < 0,01 0,05
7 1,2-Dichlorethan n.u.
6)
0,003
8 Fluorid 0,07 1,5
9 Nitrat* < 0,10 50
10 Pflanzenschutzmittel und
Biozidprodukte
n.u.
3)
0,0001
11 Pflanzenschutzmittel und
Biozidprodukte insgesamt
n.u.
3)
0,0005
12 Quecksilber < 0,001 0,001
13 Selen < 0,001 0,01
14 Tetrachlorethen und Trichlorethen n.u.
6)
0,01
Anhang A 7
Tabelle 2: Chemische Parameter (Teil II)
Lfd. Nr. Parameter Ergebnis [mg/L] Grenzwert [mg/L]
1 Antimon < 0,001 0,005
2 Arsen < 0,001 0,01
3 Benzo-(a)-pyren n.u.
6)
0,00001
4 Blei < 0,001 0,01
5 Cadmium < 0,001 0,005
6 Epichlorhydrin n.u.
1)
0,0001
7 Kupfer 0,02 2
8 Nickel < 0,01 0,02
9 Nitrit* < 0,01 0,5
10 Polyzyklische aromatische Koh-
lenwasserstoffe ∑ 16
n.u.
6)
0,0001
11 Trihalogenmethane n.u.
6)
0,05
12 Vinylchlorid n.u.
1)
0,0005
Bemerkungen:
* filtriert
n.u. nicht untersucht
1)
Nicht zu erwarten, da Transport der Rohstoffe in Jutesäcken erfolgt
2)
Untersuchung erfolgt durch IUV Bremen
3)
Eingrenzung in Abhängigkeit der Herkunft steht noch aus
4)
nicht zu erwarten, da keine radioaktive Behandlung vorgenommen wurde
5)
da kein Trinkwasser, sondern Abwasser
6)
da in vorangegangenen Untersuchungen unter Grenzwert
Anhang A 8
Tabelle 3: Indikatorparameter
Lfd. Nr. Parameter Ergebnis Grenzwert
1 Aluminium < 0,01 mg/L 0,2 mg/L
2 Ammonium* 20,6 mg/L 0,5 mg/L
3 Chlorid* 3,83 mg/L 250 mg/L
4 Clostridium perfringens (inkl. Sporen) n.u.
0
5 Eisen 0,01 mg/L 0,2 mg/L
6 Färbung (spektraler Absorptionskoef-
fizient Hg 436 nm)
n.u.
5)
0,5 m
-1
7 Geruchsschwellenwert n.u.
5)
2 bei 12 °C
3 bei 25 °C
8 Geschmack n.u.
5)
für den Verbraucher
annehmbar und ohne
anomale Veränderung
9 Koloniezahl bei 22°C n.u. ohne anomale Verände-
rung
10 Koloniezahl bei 36°C n.u. ohne anomale Verände-
rung
11 Elektrische Leitfähigkeit 166 µS/cm 2.500 bei 20 °C
12 Mangan < 0,01 mg/L 0,05 mg/L
13 Natrium 8,44 mg/L 200 mg/L
14 Organisch gebundener Kohlenstoff
(TOC)
4,6 mg/L
ohne anomale Verände-
rung
15 Oxidierbarkeit (CSB als Dichromat) 10,4 mg/L 5 mg/L O
27)
16 Sulfat* 0,74 mg/L 240 mg/L
17 Trübung n.u.
5)
1,0 (NTU)
18 Wasserstoffionen-Konzentration 8,7 ≥ 6,5 und ≤ 9,5
19 Tritium n.u.
4)
100 Bq/L
20 Gesamtrichtdosis n.u.
4)
0,1 mSv/Jahr
Bemerkung
* filtriert
n.u. nicht untersucht
1)
Nicht zu erwarten, da Transport der Rohstoffe in Jutesäcken erfolgt
2)
Untersuchung erfolgt durch IUV Bremen
Anhang A 9
3)
Eingrenzung in Abhängigkeit der Herkunft steht noch aus
4)
nicht zu erwarten, da keine radioaktive Behandlung vorgenommen wurde
5)
da kein Trinkwasser, sondern Abwasser
6)
da in vorangegangenen Untersuchungen unter Grenzwert
Anhang A 10
Tabelle 4: Chemische Parameter (Teil I)
Probe 2. UO-Permeat nach der zweiten UO-
Filtrationsstufe
Probennahme IUV, Universität Bremen
Stelle P-UO2
Datum 14.07.2003
Konservierungsart gekühlt
Trübung ohne
Geruch fäkalisch
Färbung ohne
pH-Wert 6,7
Leitfähigkeit 230 µS/cm
Lfd. Nr. Parameter Ergebnis [mg/L] Grenzwert [mg/L]
1 Acrylamid n.u.
1)
0,0001
2 Benzol < 0,001 0,001
3 Bor 0,14 1
4 Bromat n.u. 0,01
5 Chrom < 0,01 0,05
6 Cyanid < 0,01 0,05
7 1,2-Dichlorethan n.u.
6)
0,003
8 Fluorid 0,098 1,5
9 Nitrat < 0,01 50
10 Pflanzenschutzmittel und
Biozidprodukte
n.u.
3)
0,0001
11 Pflanzenschutzmittel und
Biozidprodukte insgesamt
n.u.
3)
0,0005
12 Quecksilber < 0,001 0,001
13 Selen < 0,001 0,01
14 Tetrachlorethen und Trichlorethen < 0,001 0,01
Anhang A 11
Tabelle 5: Chemische Parameter (Teil II)
Lfd. Nr. Parameter Ergebnis [mg/L] Grenzwert [mg/L]
1 Antimon < 0,001 0,005
2 Arsen 0,002 0,01
3 Benzo-(a)-pyren n.u.
6)
0,00001
4 Blei (AAS) < 0,01 0,01
5 Cadmium < 0,001 0,005
6 Epichlorhydrin n.u.
1)
0,0001
7 Kupfer 0,18 2
8 Nickel < 0,01 0,02
9 Nitrit < 0,01 0,5
10 Polyzyklische aromatische Koh-
lenwasserstoffe ∑ 16
n.u.
6)
0,0001
11 Trihalogenmethane < 0,001 0,05
12 Vinylchlorid n.u.
1)
0,0005
Bemerkungen:
Zusätzlich: LHKW: < 0,001 mg/l
Zink: 0,27 mg/l
n.u. nicht untersucht
1)
Nicht zu erwarten, da Transport der Rohstoffe in Jutesäcken erfolgt
2)
Untersuchung erfolgt durch IUV Bremen
3)
Eingrenzung in Abhängigkeit der Herkunft steht noch aus
4)
nicht zu erwarten, da keine radioaktive Behandlung vorgenommen wurde
5)
da kein Trinkwasser, sondern Abwasser
6)
da in vorangegangenen Untersuchungen unter Grenzwert
Anhang A 12
Tabelle 6: Indikatorparameter
Lfd. Nr. Parameter Ergebnis Grenzwert
1 Aluminium < 0,01 mg/L 0,2 mg/L
2 Ammonium 6,4 mg/L 0,5 mg/L
3 Chlorid 2,97 mg/L 250 mg/L
4 Clostridium perfringens (inkl. Sporen) n.u.
0
5 Eisen 0,03 mg/L 0,2 mg/L
6 Färbung (spektraler Absorptionskoef-
fizient Hg 436 nm)
n.u.
5)
0,5 m
-1
7 Geruchsschwellenwert n.u.
5)
2 bei 12°C
3 bei 25°C
8 Geschmack n.u.
5)
für den Verbraucher
annehmbar und ohne
anomale Veränderung
9 Koloniezahl bei 22°C n.u. ohne anomale Verände-
rung
10 Koloniezahl bei 36°C n.u. ohne anomale Verände-
rung
11 Elektrische Leitfähigkeit 230 µS/cm 2.500 bei 20 °C
12 Mangan < 0,01 mg/L 0,05 mg/L
13 Natrium 14,7 mg/L 200 mg/L
14 Organisch gebundener Kohlenstoff
(TOC)
4,4 mg/L
ohne anomale Verände-
rung
15 Oxidierbarkeit (CSB als Dichromat) 9,0 mg/L 5 mg/L O
27)
16 Sulfat 0,45 mg/L 240 mg/L
17 Trübung n.u.
5)
1,0 (NTU)
18 Wasserstoffionen-Konzentration 6,7 ≥ 6,5 und ≤ 9,5
19 Tritium n.u.
4)
100 Bq/L
20 Gesamtrichtdosis n.u.
4)
0,1 mSv/Jahr
Bemerkungen:
n.u. nicht untersucht
1)
Nicht zu erwarten, da Transport der Rohstoffe in Jutesäcken erfolgt
2)
Untersuchung erfolgt durch IUV Bremen
3)
Eingrenzung in Abhängigkeit der Herkunft steht noch aus
Anhang A 13
4)
nicht zu erwarten, da keine radioaktive Behandlung vorgenommen wurde
5)
da kein Trinkwasser, sondern Abwasser
6)
da in vorangegangenen Untersuchungen unter Grenzwert
Anhang A 14
Tabelle 7: Chemische Parameter (Teil I)
Probe 3. UO-Permeat nach der zweiten UO-
Filtrationsstufe
Probennahme IUV, Universität Bremen
Stelle P-UO2
Datum 03.06.2003
Konservierungsart gekühlt
Trübung ohne
Geruch ohne
Färbung ohne
pH-Wert 6,9
Leitfähigkeit 93 µS/cm
Lfd. Nr. Parameter Ergebnis [mg/L] Grenzwert [mg/L]
1 Acrylamid n.u.
1)
0,0001
2 Benzol < 0,001 0,001
3 Bor 0,08 1
4 Bromat n.u. 0,01
5 Chrom < 0,01 0,05
6 Cyanid 0,002 0,05
7 1,2-Dichlorethan n.u.
6)
0,003
8 Fluorid 0,066 1,5
9 Nitrat* < 0,10 50
10 Pflanzenschutzmittel und
Biozidprodukte
n.u.
3)
0,0001
11 Pflanzenschutzmittel und
Biozidprodukte insgesamt
n.u.
3)
0,0005
12 Quecksilber 0,002 0,001
13 Selen 0,007 0,01
14 Tetrachlorethen und Trichlorethen < 0,001 0,01
Anhang A 15
Tabelle 8: Chemische Parameter (Teil II)
Lfd. Nr. Parameter Ergebnis [mg/L] Grenzwert [mg/L]
1 Antimon < 0,001 0,005
2 Arsen < 0,001 0,01
3 Benzo-(a)-pyren n.u.
6)
0,00001
4 Blei (AAS) 0,005 0,01
5 Cadmium < 0,001 0,005
6 Epichlorhydrin n.u.
1)
0,0001
7 Kupfer 0,01 2
8 Nickel 0,01 0,02
9 Nitrit* 0,01 0,5
10 Polyzyklische aromatische Koh-
lenwasserstoffe ∑ 16
n.u.
6)
0,0001
11 Trihalogenmethane < 0,001 0,05
12 Vinylchlorid n.u.
1)
0,0005
Bemerkungen:
Zusätzlich: LHKW: 0,057 mg/l
Zink: 0,24 mg/l
* filtriert
n.u. nicht untersucht
1)
Nicht zu erwarten, da Transport der Rohstoffe in Jutesäcken erfolgt
2)
Untersuchung erfolgt durch IUV Bremen
3)
Eingrenzung in Abhängigkeit der Herkunft steht noch aus
4)
nicht zu erwarten, da keine radioaktive Behandlung vorgenommen wurde
5)
da kein Trinkwasser, sondern Abwasser
6)
da in vorangegangenen Untersuchungen unter Grenzwert
Anhang A 16
Tabelle 9: Indikatorparameter
1 Aluminium < 0,01 mg/L 0,2 mg/L
2 Ammonium* 4,9 mg/L 0,5 mg/L
3 Chlorid* 0,52 mg/L 250 mg/L
4 Clostridium perfringens (inkl. Sporen) n.u.
0
5 Eisen < 0,01 mg/L 0,2 mg/L
6 Färbung (spektraler Absorptionskoef-
fizient Hg 436 nm)
n.u.
5)
0,5 m
-1
7 Geruchsschwellenwert n.u.
5)
2 bei 12 °C
3 bei 25 °C
8 Geschmack n.u.
5)
für den Verbraucher
annehmbar und ohne
anomale Veränderung
9 Koloniezahl bei 22°C n.u. ohne anomale Verände-
rung
10 Koloniezahl bei 36°C n.u. ohne anomale Verände-
rung
11 Elektrische Leitfähigkeit 93 µS/cm 2.500 bei 20 °C
12 Mangan < 0,01 mg/L 0,05 mg/L
13 Natrium 4,79 mg/L 200 mg/L
14 Organisch gebundener Kohlenstoff
(TOC)
1,2 mg/L
ohne anomale Verände-
rung
15 Oxidierbarkeit (CSB als Dichromat) < 5 mg/L 5 mg/L O
27)
16 Sulfat* 0,22 mg/L 240 mg/L
17 Trübung n.u.
5)
1,0 (NTU)
18 Wasserstoffionen-Konzentration 8,7 ≥ 6,5 und ≤ 9,5
19 Tritium n.u.
4)
100 Bq/L
20 Gesamtrichtdosis n.u.
4)
0,1 mSv/Jahr
Bemerkungen:
* filtriert
n.u. nicht untersucht
1)
Nicht zu erwarten, da Transport der Rohstoffe in Jutesäcken erfolgt
2)
Untersuchung erfolgt durch IUV Bremen
3)
Eingrenzung in Abhängigkeit der Herkunft steht noch aus
Anhang A 17
4)
nicht zu erwarten, da keine radioaktive Behandlung vorgenommen wurde
5)
da kein Trinkwasser, sondern Abwasser
6)
da in vorangegangenen Untersuchungen unter Grenzwert
7)
Nachweis mit Kaliumpermanganat
Anhang A 18
A.3 TVO-Vorgaben
In der Anlage 4 der TVO ist in §14 Abs. 1 die folgende Aussage zur Häufigkeit der Untersuchungen
gemacht worden. Folgende Parameter sind danach routinemäßig zu untersuchen: Clostridium perfrin-
gens einschließlich Sporen (A:2)
,
Coliforme Bakterien und Escherichia coli
,
Pseudomonas aerugino-
sa (A:4), Koloniezahl bei 22 °C und 36 °C. Aluminium (A:1)
,
Ammonium, Eisen (A:1)
,
Elektrische
Leitfähigkeit, Färbung, Geruch
,
Geschmack, Nitrit (A:3), Trübung, Wasserstoffionen-Konzentration
Anmerkung A: 1-4:
1) Nur bei Verwendung als Flockungsmittel relevant.
2) Nur erforderlich, wenn das Wasser Oberflächenwasser entstammt oder von Oberflächenwasser
beeinflusst wird.
3) Das gilt nur für Wasserversorgungsanlagen im Sinne von §3 Nr. 2 Buschstabe b und c.
4) Es ist nur erforderlich bei Wasser, das zur Abfüllung in Flaschen oder andere Behältnisse zum
Zwecke der Abgabe vorgesehen ist.
Darüber hinaus gelten die folgenden mikrobiologischen Parameter. Tabelle 13 enthält eine Zusam-
menfassung der Anlage 1 und 3 (zu §5 Abs. 2 und 3) der TVO.
Tabelle 10: Mikrobiolog. Anforderungen an Wasser für den menschlichen Gebrauch
Parameter Grenzwert
[Anzahl/100mL]
Bemerkungen
E. coli 0 keine
Enterokokken 0 keine
Coliforme Bakterien 0 keine
Clostridium Perfringens 0 1)
Koloniezahl 22 °C Ohne anomale Veränderung 2)
Koloniezahl 36 °C Ohne anomale Veränderung 2)
Bemerkung:
1) Dieser Parameter braucht nur bestimmt zu werden, wenn das Wasser Oberflächenwasser ent-
stammt oder von Oberflächenwasser beeinflusst wird. Wird dieser Grenzwert nicht eingehalten, initi-
iert die zuständige Behörde Nachforschungen im Versorgungssystem, um abzusichern, dass keine
Gefährdung der menschlichen Gesundheit auf Grund eines Auftretens krankheitserregender Mikro-
organismen, z.B. Cryptosporidium, besteht. Das Ergebnis dieser Nachforschungen wird der zuständi-
ge Behörde über die zuständige oberste Landesbehörde das Bundesministerium für Gesundheit mit-
geteilt.
2) Bei der Anwendung des Verfahrens nach Anlage 1 Nr. 5 TrinkwV. a.F. (außer Funktion seit 2003)
gilt der Grenzwert von 100 KBE/mL. Bei Anwendung anderer Verfahren ist das Verfahren nach
Anlage 1 Nr. 5 TrinkwV. a.F. für die Dauer von mindestens einem Jahr parallel zu verwenden, um
entsprechende Vergleichswerte erzielen zu können. Der Unternehmer oder der sonstige Inhaber einer
Anhang A 19
Wasserversorgungsanlage haben demnach unabhängig vom angewandten Verfahren einen plötzli-
chen oder kontinuierlichen Anstieg unverzüglich einer zuständigen Behörde mitzuteilen.
