Stoffe und Mikroorganismen

Molekularbiologische Verfahren in der Trinkwasserüberwachung (Wassermonitoring)

In den letzten Jahren hat im Bereich der Analytik von mikrobiologischen Indikatorparametern und Krankheitserregern eine rasante Entwicklung stattgefunden. Gleichzeitig basiert die amtliche Überwachung derzeit in der Routine noch immer nahezu exklusiv auf den klassischen Kulturverfahren. Daher stellt sich die Frage, wie die Zukunft der Trinkwasserüberwachung auf mikrobiologische Parameter aussieht.

Vor diesem Hintergrund sollen die aktuell verfügbaren Analysetechniken und -verfahren für mikrobiologische Parameter unter Einbeziehung der Erfahrungen aus anderen Bereichen (z.B. Medizin, Lebensmittelüberwachung) zusammengestellt werden. Die Verfahren werden hinsichtlich ihrer Anwendungsmöglichkeiten für die Trinkwasserversorger (Vor- und Nachteile, Aufwand, Kosten) beurteilt.

Ziel des Projektes ist es Aussagen zur zukünftigen Entwicklung der Analytik mikrobiologischer Parameter zu machen, Handlungsempfehlungen für Wasserversorger und Empfehlungen für die Regelsetzung und Normung zu geben und diese bei der Kommunikation mit den Gesundheitsämtern/-behörden und der Vermittlung von methodischem Fachwissen zu unterstützen.

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Vermeidung hygienischer Risiken bedingt durch steigende Temperaturen im Netz mittels Nährstofflimitierung

Der Klimawandel wird in den kommenden Jahrzehnten erhöhte Sommertemperaturen sowohl im Oberflächenwasser, das zur Trinkwasseraufbereitung genutzt wird, als auch in den Böden der Innenstädte, in denen die Trinkwasserleitungen verlegt sind, bewirken. Die Trinkwassertemperatur im Netz, in dem aufbereitetes Oberflächenwasser verteilt wird, unterliegt schon jetzt großen jahreszeitlichen Schwankungen zwischen 5 und 25 °C und teilweise auch darüber und entspricht dann nicht mehr den Anforderungen des technischen Regelwerkes an die Temperatur des kalten Trinkwassers in der Hausinstallation.

Erhöhte Trinkwassertemperaturen im Verteilungsnetz im Sommer können zu einem erhöhten hygienischen Risiko führen. In dem Vorhaben soll das Konzept geprüft werden, ob durch eine Limitierung der im Verteilungsnetz verfügbaren organischen Nährstoffe die Aufkeimung von Bakterien vermieden werden kann – auch bei erhöhten Wassertemperaturen. Folglich sollte eine Minimierung des Nährstoffeintrags aus der Aufbereitung ins Netz über das gesamte Jahr angestrebt werden. Zusätzliche Sicherheit gegen hygienische Risiken bietet die Vermeidung weiterer Temperaturerhöhungen des Trinkwassers im Netz, die im Extremfall zu „Hotspots“ führen können. Die Bearbeitung des Projekts teilt sich entsprechend in die Teile „Nährstoffe und Mikrobiologie“ und „Modellierung der Trinkwassertemperatur“ auf.

Der mikrobiologische Projektteil beinhaltet die Untersuchungen des AOC (assimilierbarer organischer Kohlenstoff) und der Mikrobiologie sowohl in der Aufbereitung als auch im Netz. Mehrere Arbeitspakete beinhalten die Verfolgung der AOC-Abbauleistung im Verlauf von zwei Aufbereitungsanlagen im Sommer und im Winter, die Messung des Einflusses der Netzbedingungen auf den AOC und auf die Mikrobiologie im Netz sowie die Untersuchungen an modellbasierten Hotspots im Netz.

Die Modellierung der Trinkwassertemperatur erfolgt unter Berücksichtigung der Eingangstemperatur und der Verweilzeit des Trinkwassers im Netz, der Leitungsumgebung (Bodenart) und des Energietransports sowohl im Boden als auch im Trinkwasser und des Energieaustausches zwischen Boden und Trinkwasser in der Leitung. Das Konzept beinhaltet die Berechnung der leitungsnahen Bodentemperatur mit einem dreidimensionalen Energietranssportmodell, eine hydraulische Modellierung mit gekoppelter Wärmetransport-modellierung zur Berechnung der Trinkwassertemperaturen im Leitungsnetz und eine Visualisierung der Trinkwassertemperatur in den Leitungen samt Risikodarstellung für Hotspots.
Projektziel ist die Entwicklung eines bereichsübergreifenden Lösungsansatzes für temperaturbedingte hygienische Probleme im Netz und damit verbundene Kosten.

Sonnenburg und Fiedler (2022) Ein kleinskaliges, räumliches Bodentemperaturmodell zur Wärmestromberechnung in Trinkwasserleitungen. gwf-Wasser ׀ Abwasser 04, S. 57-66

Eignung der Ultrafiltration in der Hausinstallation, um eine hygienisch sichere Absenkung der Solltemperaturen für die Warmwasserzirkulation mit entsprechender Energieeinsparung zu ermöglichen

Der sparsame und effiziente Umgang mit natürlichen Ressourcen ist Voraussetzung für eine nachhaltige Entwicklung unserer Gesellschaft. Von zentraler Bedeutung sind dabei die Reduktion von Treibhausgasemissionen sowie der Schutz von Wasserressourcen.

Für das Erreichen der Klimaschutzziele im Gebäudesektor sind die Nutzung aller verfügbaren regenerativen Wärmequellen und der Ausbau von Wärmenetzen erforderlich. Es bestehen nach heutigem Stand der anerkannten Regeln der Technik aus trinkwasserhygienischen Gründen (abgestellt auf Legionella spp.) die Anforderungen, in Großanlagen zur Trinkwassererwärmung am Austritt des Trinkwassererwärmers eine Temperatur von 60 °C bereit zu stellen und das Zirkulationssystem bei mindestens 55 °C zu betreiben. Dieses Temperaturniveau erschwert den Einsatz von regenerativen Wärmeerzeugern und die Realisierung von niedrig temperierten Wärmenetzen. Bei den hier angestrebten Tests für die Wirkung der Ultrafiltration (UF) in verschiedenen Einbaupositionen der Hausinstallation von neuen und entsprechend sanierten Bauten soll eine Temperaturabsenkung um bis zu 15 K erschlossen werden.

Zusammen mit (hier nicht untersuchten) technischen Lösungen für den Gebäudebestand ergäbe sich allein für den Bilanzraum Gebäude ein Treibhausgasminderungspotential von bis zu 20 Mio. tCO2/a. Dies bedeutet eine Senkung des heutigen CO2-Ausstoßes für die Trinkwassererwärmung um bis zu 22 %.

Das Projekt baut auf den Erkenntnissen des vorangegangenen Forschungsprojekts EE+HYG@TWI auf.

Vorträge des IWW Kolloquiums “Trinkwasserhygiene und Energieeffizienz
– ein Widerspruch?” | 20. Juni 2024

1_IWW-Kolloquium_Karin-Ruehling_Teil1_Einleitung.pdf

2_IWW-Kolloquium_Martin-Hippelein.pdf

3_IWW-Kolloquium_Andreas-Nocker.pdf

4_IWW-Kolloquium_Benjamin-Meyer.pdf

5_IWW-Kolloquium_Andreas-Nahrstedt.pdf

6_IWW-Kolloquium_Karin-Ruehling_Teil2_Zusammenfassung.pdf

Zusammenfassung des Projekts “ULTRA-F”

2405115_Zusammenfassung_ULTRA_F.pdf

Fachartikel

Meyer, B. , Pannekens, M., Soares, A. R. , Timmermann, L. , Probst, A. J., Hippelein, M., Bendinger, B. and Nocker, A. (2023) Bacterial populations in different parts of domestic drinking water systems are distinct and adapted to the given ambient temperatures, Front. Water, Volume 5

https://doi.org/10.3389/frwa.2023.1119951 (open access)

Kombinierter und routinetauglicher Bewertungsansatz von Trinkwasseraufbereitungsprozessen mittels UPLC-HRMS und Wirkungsbezogener Analytik

Um Trinkwasseraufbereitungsprozesse bzgl. der Entfernung hygienisch relevanter anthropogener Wasserinhaltsstoffe zu optimieren, bedarf es einer effektiveren Kontrolle, Steuerung und Feinabstimmung der eingesetzten Verfahren. Konventionell eingesetzt wird i.d.R. eine auf ein festes Substanzspektrum oder Leitparameter abgestimmte Target-Analytik, die allerdings nicht alle in einer Probe enthaltenen Inhaltsstoffe erfasst. Zudem ist eine Vielzahl von Analysemethoden nötig, um das Substanzspektrum abzudecken.

Non-Target Analytik – Suche nach dem Unbekannten

Mit dem Non-Target Screening ist es möglich, neben bekannten auch unbekannte Substanzen in einer Probe zu untersuchen und so die Kenntnisse über die Belastung des Wassers und die Entfernungsleistungen eingesetzter Verfahrensstufen zu erweitern. Zudem bietet die Non-Target Analytik die Möglichkeit, mittels Datenbankrecherchen unbekannte Substanzen zu identifizieren. In Kombination mit toxikologischen Testsystemen besteht zudem die Möglichkeit, einen ganzheitlichen Bewertungsansatz zu schaffen, der zusätzliche Sicherheit für das Produkt Trinkwasser liefert.

Alles in allem bieten die Daten der Non-Target Analytik eine wesentliche Unterstützung bei der umfassenden Bewertung von Prozessen in der Trinkwasseraufbereitung bzgl. ihrer Effektivität und Robustheit.
Ziel des Projekts ist die Entwicklung und praktische Anwendung eines innovativen methodischen Ansatzes zu Bewertung und Optimierung von Trinkwasseraufbereitungsprozessen. Zur Bewertung sollen die Non-Target Analytik sowie die wirkungsbezogene Analytik herangezogen werden. Der kombinierte Ansatz soll genutzt werden, um die Eliminierung organischer Spurenstoffe mittels Aktivkohle zu bewerten.

Die Ergebnisse der Untersuchungen sollen dazu beitragen, den Behandlungsprozess mit Aktivkohle zu optimieren.

Im Forschungsprojekt gwTriade wird ein Bewertungskonzept spezifisch für Grundwassersysteme entwickelt. Der innovative Triade Ansatz verbindet dabei die drei für ein ganzheitliches Grundwassermonitoring essentiellen Säulen: ökotoxikologische Bewertung, chemische Analytik und Fauna Diversität.

95,7 % des Grundwassers zeigen einen guten mengenmäßigen Zustand. Allerdings verfehlen 36 % einen guten chemischen Zustand. Gründe hierfür sind z. B. punktuelle Belastungen durch Altlasten und Abwassereintragung sowie Stoffeintrag aus diffusen Quellen wie Verkehr und Landwirtschaft.

So wurden im Grundwasser anthropogene Spurenstoffe wie Antibiotika, Pharmaka und perfluorierte Stoffe (PFAS) festgestellt. In der aktuellen Praxis wird Grundwasser lediglich als Ressource behandelt, nicht jedoch hinsichtlich des ökologischen Zustandes bewertet und entsprechend geschützt. Die Parameter zur Sicherung und Bewertung des qualitativen guten Zustands berücksichtigen überwiegend die potenzielle Gefährdung der menschlichen Gesundheit durch die Nutzung des Grundwassers. Sie sind vergleichbar mit den Parametern der Trinkwasserverordnung, berücksichtigen jedoch nicht den Zustand der Biodiversität. Zudem beschränkt sich die Erfassung des chemischen Zustands auf wenige Schadstoffgruppen, die nicht die tatsächliche Spurenstoffbelastung des Grundwassers widerspiegelt.

Das Triadekonzept basiert auf der Erkenntnis, dass weder chemische Analytik, Biotests noch Untersuchungen der Biozönose allein ausreichen, um den ökologischen Zustand umfassend zu bewerten. Vielmehr ist eine Kombination aller drei Säulen für eine Bewertung notwendig. Solche Triadeansätze wurden bereits erfolgreich für Oberflächengewässer und Sedimentbewertungen eingesetzt und sollen hier erstmalig auf die Untersuchung von Grundwasser übertragen werden. Damit wäre gwTriade national und international das erste Projekt, welches die Bewertung von Grundwassersystemen umfassend durchführen kann. Um diese Erkenntnisse in den richtigen Kontext zu stellen, erfolgt durch das IWW, neben chemischen und toxikologischen Charakterisierungen der Grundwassermessstellen, eine umfassende Geosystemerkundung an drei unterschiedlichen Untersuchungsgebieten. Dazu werden geochemische, hydrochemische und hydrologische Parameter erhoben, welche die Interpretationsgrundlage für die ökotoxikologische und chemische Charakterisierung sowie die vorhandene Fauna Diversität bilden und eine holistische Bewertung der Grundwasserqualität sicherstellen.

Aufgrund der bisherigen Erfahrungen aus solchen integrativen Triade Konzepten aus dem Bereich der Sediment- und Oberflächenwasserbewertung wird auch die gesellschaftliche Dimension in die naturwissenschaftlich-technischen Ergebnisse des Verbundprojektes integriert. Mit der sozial-ökologischen Bewertung, die die Analyse der Praxisbedarfe, den Dialog mit Praktikern, den Einbezug unterschiedlicher Zielvorstellungen bei der Grundwasserbewertung und die Analyse von Konfliktkonstellationen umfasst, können Mechanismen und Lösungsansätze zur Konfliktbewältigung abgeleitet sowie die im Projekt erarbeiteten Bewertungskriterien in Bezug auf gesellschaftliche Zielvorstellungen geprüft und priorisiert werden. Zudem sollen Konzepte und Methoden zur Bewertung der Grundwasserqualität entwickelt werden, die leicht auf andere Regionen übertragen werden können und somit einen Grundstein für eine spätere Verwertbarkeit des Triade Ansatzes auf regulatorischer Ebene legen.

Die Ergebnisse der holistischen Grundwasserbewertung dienen der Erarbeitung einer zielgruppenspezifischen Handlungsempfehlung, die potenziellen Anwendern (z.B. DVGW, LAWA, Naturschutzbehörden) zur Verfügung gestellt werden soll.

Zukunft der mikrobiellen Risikobewertung

Zur routinemäßigen Überwachung des Trinkwassers auf hygienische Verunreinigungen wird in Deutschland seit mehr als 100 Jahren das Indikatorprinzip angewendet, das auch in der Trinkwasserverordnung verankert ist. Dabei wird die potenzielle Anwesenheit von fäkalen Krankheitserregern über den Nachweis von fäkalen Indikatororganismen detektiert. Die Beurteilung der mikrobiologischen Trinkwasserqualität wird dann durch Abgleich mit den vorgegebenen Grenzwerten für diese Indikatororganismen vorgenommen.

Dieses Konzept stößt an einigen Stellen an seine Grenzen, sodass zu prüfen ist, ob die seuchenhygienische Sicherheit des Trinkwassers (d. h. die Freiheit von Krankheitserregern) durch andere methodische Vorgehensweisen garantiert werden sollte. Sowohl aufgrund der Entwicklung der mikrobiologischen Analytik in den letzten Jahren als auch aufgrund der neuen Anforderungen der EU-Trinkwasserrichtlinie, die die Umsetzung des risikobasierten Ansatzes in der Trinkwasserüberwachung zwingend vorgibt, stellt sich die Frage, ob die Zukunft der mikrobiologischen Trinkwasserüberwachung weiterhin auf der Basis des Indikatorprinzips aufgebaut sein sollte.

Im Rahmen dieser Studie werden deshalb die verschiedenen methodischen Bewertungsansätze zusammengestellt und verglichen. Aus diesem Vergleich werden die Vor- und Nachteile der verschiedenen Ansätze herausgearbeitet. Diese werden in Fachgremien des DVGW und des UBA vorgestellt, um daraus einen Leitfaden zu erarbeiten. Die Ansätze werden insbesondere hinsichtlich ihrer Anwendungsmöglichkeiten für die Trinkwasserversorgung in Deutschland beurteilt. Ziel des Projektes ist es, Aussagen zur zukünftigen Entwicklung der Bewertungssysteme mikrobiologischer Parameter abzuleiten und in dieser Hinsicht dann auch Impulse zur Weiterentwicklung des DVGW-Regelwerks zu geben.

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Im Forschungsprojekt DA-EDA wird eine diskriminierungsarme Anreicherungsmethode auf Basis der Festphasenextraktion für die wirkungsbezogene Analytik von Oberflächen-, Roh- und Trinkwasser entwickelt und validiert.

Die Bewertung von Oberflächen- und Trinkwasser basiert auf Einzelstoffen und deren Überwachung mittels instrumenteller Einzelstoffanalytik. Mischungseffekte sind auf dieser Grundlage allerdings nicht zu erfassen. Die wirkungsbezogene Analytik (WBA) ermöglicht es, Effekte entlang verschiedener Endpunkte sowohl von einzelnen Spurenstoffen als auch von unbekannten Gemischen zu bestimmen. Sie bietet damit ein geeignetes Werkzeug für die ganzheitliche Betrachtung der Wasserqualität, ohne dafür die für einen bestimmten Effekt verantwortliche Substanz identifizieren zu müssen. Die sogenannte effektdirigierte Analytik (EDA) kombiniert beide Ansätze, wodurch eine umfassendere Charakterisierung erreicht werden kann und zielgerichtet in biologisch aktiven Proben Effektverursacher aufgeklärt und identifiziert werden können. Bedingt durch die zu geringe Sensitivität vieler WBA-Methoden ist eine vorherige Probenanreicherung im Roh und Trinkwasserbereich unabdinglich. Bestehende Methoden arbeiten allerdings nicht über den gesamten Polaritätsbereich diskriminierungsfrei, wodurch viele relevante Substanzen während der Anreicherung verloren gehen können. Bestehende Anreicherungsverfahren sind meist nur auf die instrumentelle Analytik ausgerichtet und somit aufgrund spezieller Anforderungen der WBA-Methoden mit diesen nicht kompatibel (Blindwertproblematik). Methoden, welche wiederum an die WBA angepasst wurden, sind meist nur auf einen bestimmten Endpunkt ausgelegt und erfassen somit nur Stoffe in gewissen Polaritätsfenstern.

Projektziel

Das Ziel des IGF-Forschungsvorhabens Nr. 21954 DA-EDA (Gefördert durch Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages) ist die Entwicklung eines speziell an WBA-Methoden angepassten und für die EDA geeigneten Anreicherungsverfahrens, welches von der Breite der Labore routinemäßig durchgeführt werden kann. Dieses Verfahren muss ein breites Stoffspektrum möglichst diskriminierungsfrei anreichern und schafft somit eine Grundlage für eine ausreichend sensitive Bestimmung der toxischen Wirkung einer Gesamtprobe. Damit steht nach erfolgreichem Projektverlauf ein Verfahren zur Verfügung, mit dem es möglich ist, Wasserproben für eine ganze Biotestbatterie gleichzeitig anzureichern. Auf dieser Basis gelingt eine ganzheitliche effektbasierte Bewertung von Wasserproben, die sichere Aussagen über den Zustand der Wasserqualität ermöglichen. Es trägt maßgeblich dazu bei, die Aussagekraft, Akzeptanz und Vergleichbarkeit wirkungsbezogener Untersuchungen von Wasserproben deutlich zu steigern und Kosten zu senken.

Online-Beitrag der Laborpraxis: „Wirkungsbezogene Analytik von Wasserproben. Effekte im Blick – eine Frage der Anreicherung”

Hybride Membranprozesse als flexible und effiziente vierte Reinigungsstufe

Die Anforderungen an die Abwasserreinigung haben in den letzten Jahren stetig zugenommen und werden sich auch in Zukunft weiter verschärfen. Aufwändigere Techniken kommen dabei verstärkt zum Einsatz. Eine Verfahrenstechnik, die nach dem derzeitigen Erkenntnisstand in Kombination mit anderen Anwendungen den höchsten Reinigungseffekt bezogen auf verschiedene Verunreinigungen erzielt, ist die Membrantechnik. Bedingt durch die im Vergleich zu anderen technischen Alternativen hohen Investitions- und Betriebskosten konnte sich diese Technik jedoch in der heutigen Abwasserbehandlung nicht durchsetzen. Bei aktuellen Ausbauplanungen bzw. bei der Auswahl von Vorzugsvarianten im Rahmen von Machbarkeitsstudien kommt sie so nur sehr selten zum Zuge.

Dennoch wird der Einsatz der Membrantechnik in der 4. Reinigungsstufe weiter intensiv diskutiert und an vielen Stellen als wichtig oder sogar notwendig erachtet.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, sich mit dieser Thematik auseinanderzusetzen und offene Fragestellungen für verschiedene Verfahrenskombinationen zu klären, sodass eine Umsetzung vorgenommen und realisiert werden kann.

IWRM und dezentrale Behandlung von Minenabwässern zur Verbesserung der aquatischen Umwelt und Lebensbedingungen in Südafrika.

Trotz der Bemühungen der Regierungen, die Bergbauunternehmen dazu zu bringen, die Verantwortung für die Reinigung von Grubenwasserabflüssen, Grubenhalden und Schlammdämmen zu übernehmen, verschmutzen die Abflüsse der entstehenden metallreichen sauren Abwässer (Acid Mine Drainage, AMD) weiterhin die Wassersysteme im südlichen Afrika.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, zielt dieses Projekt darauf ab, ein integriertes Wasserressourcen-Management-Konzept (IWRM) zu entwickeln, um ein zweckorientiertes, flexibles und mit erneuerbaren Energien betriebenes membranbasiertes Wasseraufbereitungssystem zu unterstützen, das von den Projektpartnern entwickelt werden soll. Dieses IWRMKonzept beruht auf einem ganzheitlichen Ansatz, indem es auch gezielte Maßnahmen zur Steuerung und
zum Aufbau von Kapazitäten berücksichtigt, um eine breite spätere Anwendung der Technologie zu ermöglichen.

Das IWRM-Konzept wird die Positionen und Forderungen von Interessengruppen wie Bergbauunternehmen, Behörden, Nichtregierungsorganisationen, Landwirten und anderen von Wasserverfügbarkeit und -qualität abhängigen Stakeholdern berücksichtigen. Für die in der Hauptphase durchzuführenden detaillierten Fallstudien werden drei repräsentative Bergbaustandorte ausgewählt und eine Strategie, ein Konzept und ein Arbeitsplan im Hinblick auf das IWRM erstellt. Das Projekt wird somit einen wesentlichen Beitrag zur Umsetzung von SDG-6 in Südafrika leisten, insbesondere zu den Zielen 6.3-6.6 in den Bereichen Wasserqualität, Wasserknappheit, IWRM sowie Schutz und Wiederherstellung von wasserbezogenen Ökosystemen.