| Januar 2018 | |
| Anleitung zur Qualitätskontrolle von kohlenstoffhaltigen Substraten zur Verbesserung der Denitrifikationsleistung | |
| Online-Durchflusszytometrie: Sensor für Bakterienkonzentrationen |
Anleitung zur Qualitätskontrolle von kohlenstoffhaltigen Substraten zur Verbesserung der Denitrifikationsleistung
Eingangskontrolle der C-Quellen
Zusammenfassung
Durch die Zugabe von C-Quellen kann zusätzlich beim biologischen Kohlenstoff- und Stickstoffabbau auf den Kläranlagen die Bildung und Emission von CO2 und auch Lachgas maßgeblich begünstigt werden. Auf dem Klärwerk Pforzheim und Heidelberg fanden dazu umfängliche Messungen statt. Auf Basis der großtechnischen Messungen können intelligente Regelungskonzepte entwickelt werden (unter anderem für die Kohlenstoffdosierung), mit denen neben der klassischen Einhaltung der Ablaufanforderungen auch die Emission von Treibhausgasen reduziert werden kann. Mit der hier beschriebenen Qualitätskontrolle der eingesetzten kohlenstoffhaltigen Substrate wird es möglich, dass bei den Regelungsstrategien zur Kohlenstoffdosierung auch stoffspezifische Eigenschaften der C-Quellen einfließen.
Ziel der Veröffentlichung ist es nicht, die kohlenstoffhaltigen Substrate (C-Quellen) nach „gut“ oder „schlecht“ zu bewerten, viel mehr ist das Ziel, Qualitätskontrollmaßnahmen vorzuschlagen, um eine benutzerabhängige Bewertung der eingesetzten C-Quellen zu ermöglichen. Für die einzelnen Bewertungskriterien können individuelle Qualitätsziele festgelegt werden. Anhand der Ziele und deren Einhaltung können die unterschiedlichen C-Quellen miteinander verglichen werden. Des Weiteren kann anhand der Ziele die Kontrolle der Qualität bei den späteren Lieferungen erfolgen.
Den ganzen Artikel lesen Sie In der Korrespondenz Abwasser Heft 1-2018 ab Seite 46
Autoren
Dipl.-Ing. Barbara Cybulski
Eigenbetrieb Stadtentwässerung Pforzheim
Am Mühlkanal 16, 75172 Pforzheim
E-Mail: barbara.cybulski@t-online.de
Dipl.-Ing. (FH) Jürgen Feurer
Abwasserzweckverband Heidelberg
Tiergartenstraße 55, 69121 Heidelberg
E-Mail: juergen.feurer@azv-heidelberg.de
Online-Durchflusszytometrie: Sensor für Bakterienkonzentrationen
Die Durchflusszytometrie hat die Überwachung der bakteriologischen Wasserqualität revolutioniert. Mit ihrer Automatisierung geht diese Revolution weiter. Nach erfolgreicher Grundlagenarbeit wird nun ein Eawag-Forscher zum Unternehmer in diesem Bereich.
Noch immer wird die bakteriologische Qualität des Wassers in der Regel aufwändig mit einer über 100-jährigen Methode bestimmt: der Kultivierung der Bakterien auf Nährstoffplatten. Nun hat sich in den letzten zehn Jahren die Durchflusszytometrie (DZ) als moderne mikrobiologische Messmethode etabliert – insbesondere dank der Forschung an der Eawag. Statt 24 Stunden oder länger auf das Aufwachsen der Bakterien zu warten, können diese dank Fluoreszenzmarkierung per Laser innert Minuten präzise gezählt werden.
Automatisiert vom Anfärben bis zur Reinigung
Will man die mikrobiologische Dynamik einer Quelle über Stunden oder Tage erfassen, ist der Aufwand jedoch auch mit der DZ noch beträchtlich. Jede Probe muss an der Quelle genommen und dann im Labor vorbereitet und gemessen werden. Daher hat die Forschungsgruppe Trinkwassermikrobiologie ein automatisiertes System für zeitlich hoch aufgelöste DZ-Messungen entwickelt.
Statt von Hand jede einzelne Probe ins DZ-Messgerät einzuspeisen, erledigt nun eine daran gekoppelte Einheit alles autonom, von der Probenahme über die Probenvorbereitung mit dem Anfärben der DNA/RNA bis zur Reinigung des Geräts. Das vollautomatische Messsystem kann nun direkt vor Ort, zum Beispiel an einer Quelle oder einer Wasseraufbereitungsanlage, installiert werden und dort über Monate zeitlich hochaufgelöste Messreihen der Bakterienkonzentration liefern. Damit stehen zum ersten Mal zehntausende Messdaten zur mikrobiologischen Wasserqualität zur Verfügung – ein bisher unmöglicher Reichtum an Information.
Risikoperioden erkennen
Anwendungen der automatisierten DZ wurden in natürlichen und technischen Systemen ausführlich getestet. Den grössten Teil der Tests hat Michael Besmer im Rahmen seiner Dissertation an der Eawag im Projekt «Regionale Wasserversorgung Baselland 21» durchgeführt. Viele Wasserversorgungen im Jurabogen nutzen Wasser aus Karstquellen. Da Regen- und Oberflächenwasser – und damit auch Verschmutzungen – sehr rasch durch die für den Karst typischen Spalten und Höhlen ins Grundwasser fliessen kann, ist in solchen Gebieten die Wasserqualität eine besondere Herausforderung. Bisher hat man versucht, Qualitätseinbussen mit Messungen von Hilfsgrössen (z.B. Leitfähigkeit, Trübung, pH) zu erfassen, um dann die Quellfassungen rechtzeitig vom Netz zu nehmen. Im Projekt wurden solche Karstquellen während Wochen alle 15 Minuten vollautomatisch gemessen. Bei trockenem Wetter waren die Bakterienkonzentrationen sehr tief und stabil. Nach Regenfällen resultierten innert weniger Stunden deutliche Belastungsspitzen. Das Abklingen danach dauerte mehrere Tage (Abb. 3). Solche Erkenntnisse helfen dem betroffenen Wasserversorger, Perioden mit erhöhtem Risiko besser zu erkennen und massgeschneiderte Massnahmen zur Qualitätssicherung zu ergreifen. «Wir wissen nun, wo, wann und wie man genauer hinschauen muss», fasst Besmer zusammen. Dadurch lassen sich Prozesse in natürlichen Ökosystemen aber auch in technischen Prozessen wie der Wasseraufbereitung besser verstehen und gezielter optimieren.
Von der Forschung in die Industrie
Bereits während der Dissertation hat Michael Besmer gemerkt, dass das Interesse an der Technologie in Forschung und Praxis gross ist. Das hat ihn dazu bewogen, mit Mitstreitern einen Eawag-Spin-off zu gründen. Dieser basiert auf den entwickelten Geräten mit zwei Patentanmeldungen und auf dem erarbeiteten Wissen zu mikrobiologischen Dynamiken. Da der Markt noch jung ist, schätzen viele Kunden besonders das Fachwissen und die Beratung, welche über den Verkauf der Geräte hinaus gehen. Dank der erfolgreichen Zusammenarbeit mit der Praxis in der Schweiz aber auch mit internationalen Forschungsgruppen und Industrie-Partnern kann Besmer da aus dem Vollen schöpfen. Technologisch setzen die Eawag und der Spin-off auf die erwähnte Automatisierungseinheit, welche grundsätzlich mit jedem handelsüblichen Durchflusszytometer verbunden werden kann. Die Stärken liegen in der hohen Flexibilität, weil sich damit vielfältige Kundenwünsche abdecken lassen. Nicht zu unterschätzen, so Besmer, sei auch die hohe Glaubwürdigkeit, ausgehend von wissenschaftlichen Artikeln in Peer-Reviewed Journals.
Bald Bakteriensensor in Echtzeit?
Gruppenleiter Frederik Hammes, der Besmers Dissertation betreut hat, ist überzeugt vom Potenzial der Online-DZ. Besonders freut er sich über die rasche Überführung der Neuentwicklung in die Praxis im Baselland-Projekt. Das von der Eawag-Direktion zusätzlich bewilligte Geld für neue Geräte habe sich damit mehr als gelohnt. Während Besmer sich in seiner neuen Firma «onCyt» mit Weiterentwicklungen des Geräts befasst, schmiedet Hammes Pläne für weitere Einsätze der Technologie in der Grundlagen- und angewandten Forschung. Bereits aktuell ist eine Version mit noch höherer zeitlicher Auflösung, womit das Online-Durchflusszytometer gleichsam zum Bakteriensensor wird. Montiert auf einem Schiff, könnte man damit etwa einer Küste entlang fahren und permanent erfassen, wo sich – zum Beispiel verursacht durch Schmutzwasser – die bakterielle Konzentration im Wasser verändert.
Mikrobiologische Dynamik wird sichtbar
Dank der automatisierten Durchflusszytometrie können mikrobiologische Dynamiken detailliert und zeitnah verfolgt werden. So wurden in einem grösseren Gebäude im 15-Minuten-Rhythmus die Totallzellzahlen an einem laufenden Wasserhahn gemessen: Es konnte ein typischer Tagesgang dokumentiert werden mit steigenden Bakterienkonzentrationen in der Nacht und einer raschen Absenkung am Morgen – wenn an anderen Orten im Gebäude wieder Wasser verbraucht wird. In einem Bach konnte die automatisierte DZ einen von der Photosynthese bestimmten Tagesgang aufzeigen sowie einen Anstieg der Zellzahlen nach einem Regenereignis. Spannend war auch der Einsatz in einer grösseren Trinkwasserversorgung: Der Nachweis von mikrobiologischen Mustern nach dem Aufbereitungsprozess und dem Befüllen der Reservoire erlaubt den Betreibern nun eine Optimierung ihrer Prozesse.