Pilotierung einer Ultrafiltrationsanlage an einem Uferfiltratstandort in Österreich – Untersuchungen der bakteriellen Zellzahlen und der biologischen Stabilität im Filtrat

In Abb. 1 ist die Verteilung der Konzentration des gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC) nach Phase und Probenahmestelle dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass im Rohwasser der Pilotierungsphasen 1 und 2 mit einem für Grundwasser durchaus typischen DOC von unter 1 mg/l zu rechnen war (Regan et al. 2017). Dieser DOC-Gehalt zeigt sich in weiterer Folge auch im Filtrat, was aufgrund der Porengröße der Membran auch zu erwarten ist, da Ultrafiltrationsanlagen in der Regel nicht in der Lage sind, gelöste Substanzen zu entfernen. In der Pilotierungsphase 3 hingegen, jene Phase, in der Oberflächenwasser hinzugeführt wurde, ist ein deutlicher Anstieg des DOC auf einen Wert von über 1 mg/l zu erkennen. Betrachtet man das Mischungsverhältnis zwischen dem Uferfiltrat und dem Oberflächengewässer und berücksichtigt, dass Oberflächengewässer zwar einen weit höheren DOC-Gehalt aufweisen als Grundwässer, dieser aber starken saisonalen Schwankungen unterliegt und im Winter üblicherweise ein Minimum aufweist, lässt sich der verhältnismäßig geringe Anstieg zwischen den Phasen erklären (Mulholland und Hill 1997). Im Filtrat kommt es in Phase 3 ebenfalls zu einem Anstieg des DOC auf etwa 1 mg/l, dieser fällt jedoch geringer aus als der Anstieg im Rohwasser. Diese sich dadurch ergebende Reduktion des DOC zwischen Rohwasser und Filtrat ist auf die Zugabe des Flockungsmittels zurückzuführen, da nicht nur partikuläre Stoffe, sondern auch gelöste Kohlenstoffverbindungen gebunden werden können (Matilainen et al. 2011).

Ein ähnliches Bild zeigt sich, wenn man die mit der Durchflusszytometrie ermittelten Zellzahlen betrachtet (Abb. 1 und 2). In den Phasen 1 und 2 sind die Zellzahlen im Rohwasser deutlich niedriger als in Phase 3, wo bis zu 1.500.000 Zellen pro Milliliter detektiert wurden. Dieser Umstand überrascht nicht weiter, da Oberflächenwässer typischerweise um etwa das 100-Fache höhere Zellzahlen aufweisen als Grundwässer (Griebler und Mösslacher 2003). Unmittelbar vor der Membran zeigt sich vor allem in Phase 3 eine leichte Reduktion der Zellzahlen. Diese kann möglicherweise auf die Verwendung von Flockungsmittel, und die damit einhergehende Aggregierung von Zellen zurückgeführt werden. Die Lebendzellzahlen sind dabei für alle untersuchten Stellen um etwa den Faktor 0,8 geringer als die Totalzellzahlen.

Trotz des hohen Ansteigens der Zellzahlen im Rohwasser zeigt sich in Phase 3 kein Anstieg der Zellzahlen im Filtrat. Dabei ist es wichtig anzumerken, dass die Zellzahlen im Filtrat nicht gegen 0 gehen, sondern knapp über der Bestimmungsgrenze der Durchflusszytometrie (500 Zellen pro Milliliter) liegen (Schweizerisches Lebensmittelbuch 2012).

Dieser Umstand ist umso bemerkenswerter, da die Membran eine Porenweite von 20 nm aufweist, also etwa 10 x kleiner als die kleinsten bekannten Bakterien ist (Luef et al. 2015). Da die Membran den abschließenden Integrationstest ohne Probleme überstanden hat, ist es ausgesprochen unwahrscheinlich, dass die im Filtrat detektierten Zellen tatsächlich durch die Membran gelangt sind – außer es handelt sich um zum Beispiel sehr kleine Virenpartikel, deren Fluoreszenzsignal aber weitaus schwächer sein müsste (Huang et al. 2015). Da es jedoch sehr schwierig bis nahezu unmöglich ist, Wasserversorgungssysteme vollständig keimfrei zu halten, ist es unserer Meinung nach weitaus wahrscheinlicher, dass die vorgefundenen Zellen aus filtratseitig vorhandenen Biofilmen stammen.

Die Ergebnisse der Wachstumspotenzialversuche sind in Abb. 3 dargestellt. Auch beim Wachstumspotenzial finden sich keine Unterschiede zwischen Phase 1 und 2, während sich in Phase 3 mit der Oberflächenwasserbeimischung ein völlig anderes Bild zeigt. Insgesamt ist die Wachstumsneigung an allen drei untersuchten Stellen in Phase 1 und 2 als gering einzustufen. Es zeigen sich vor allem im Rohwasser und vor der Membran nur geringe Erhöhungen der Zellzahlen nach 7 und 14 Tagen Lagerung. Diese geringen Wachstumsraten lassen, unter der Annahme dass kein Wachstumsinhibitor vorhanden ist, auf ein Wasser schließen, in dem zwar Mikroorganismen vorhanden sind (bis zu 300.000 Zellen pro Milliliter), aber die vorhandenen Nährstoffe bereits verbraucht wurden (Prest et al. 2016). Dadurch wäre kein weiterer Aufbau von Biomasse möglich, und die Zellzahlen bleiben unverändert.

Die Entwicklung in Phase 3 zeigt ein völlig anderes Bild. So kommt es im Rohwasser und vor der Membran nach den Probenahmen im Dezember zu einem moderaten Anstieg von etwa 50 % gegenüber den Zellzahlen unmittelbar nach Probenahme. Ab Jänner hingegen, nehmen die Zellzahlen in diesen Proben im Verlauf des Wachstumsversuchs ab. Dieser Umstand kann möglicherweise dadurch erklärt werden, dass die in den Proben in hohen Zellzahlen vorkommenden Mikroorganismen aus dem Oberflächengewässer stammen, und dadurch an ebensolche Lebensbedingungen gewöhnt waren. Durch die Entnahme und die geänderten Bedingungen im Wachstumsversuch (kein Licht, keine Strömung, kein Sauerstoffeintrag) ist es wahrscheinlich, dass ein Teil der Mikroorganismen nicht weiter lebensfähig ist und abstirbt (Hunkeler und Goldscheider 2006).

Im Filtrat zeigt sich in Phase 3 hingegen durchgehend ein stark gestiegenes Wachstumspotenzial gegenüber Phase 1 und 2. Das Extrem zeigt sich am 18. Dezember mit einer etwa 1000-fachen Zunahme an Zellen. Dieses Bild zeigt sich durchgehend bis zum Ende der durchgeführten Untersuchungen. Im Filtrat sind die Zellzahlen zwar nach 14 Tagen immer noch niedriger als ursprünglich im Rohwasser – trotzdem explodiert die Zellzahl im Filtrat relativ zur Ausgangszellzahl von etwa 500 Zellen pro Milliliter. Durch die Lagerung bei unterschiedlichen Temperaturen zeigt sich, dass das Wachstum im Filtrat bei niedrigeren Temperaturen (15 °C gegenüber 22 °C) etwas verzögert stattfindet, was auf einen verlangsamten Stoffwechsel der Organismen bei niedrigeren Temperaturen zurückzuführen ist (Madigan et al. 2010).

Es ist anzumerken, dass dieses gesteigerte Wachstumspotenzial im Filtrat ohne eine nennenswerte Zunahme der Zellen zwischen Phase 1 und 2 bzw. Phase 3 (siehe Abb. 2) auftritt. Da das Vorhandensein von Wachstumsinhibitoren in Phase 1 und 2 ausgeschlossen werden kann, ist die Ursache wahrscheinlich vielmehr im Anstieg des verfügbaren Nährstoffdargebots zu suchen (Prest et al. 2016). Wie in Abb. 1 gezeigt wird, ist im Filtrat eine deutliche Zunahme des organischen Kohlenstoffs in Phase 3 zu erkennen. Ob Kohlenstoff tatsächlich der limitierende Nährstoff war, wurde zwar nicht untersucht, aber es ist anzunehmen, dass mit dem Oberflächenwasser auch andere Nährstoffe wie Stickstoff- oder Phosphorverbindungen in das System gelangen können, die durch die Ultrafiltration nicht zurückgehalten werden können.

Durch die Pilotierung der hier untersuchten Ultrafiltrationsanlage konnten viele Erkenntnisse für eine großtechnische Anlage gewonnen werden. Diese Ergebnisse wurden zwar nicht näher ausgeführt, betrafen aber insbesondere die Ermittlung einer voraussichtlichen Ausbeute der Anlage (Volumen an erzeugtem Filtrat abzüglich aufgewendetem Volumen für Rückspülung und Reinigung), Rückspülintervall und Rückspüldauer, die Effizienz und Notwendigkeit chemischer Reinigungen, und den Einsatz von Flockungsmittel. Insbesondere in Phase 3, der simulierten Hochwassersituation durch Oberflächenwasserbeimischung, konnten wichtige Erkenntnisse über die Leistungsfähigkeit der Anlage im Extremfall gewonnen werden.

Es konnte gezeigt werden, dass das Vorhandensein geringer Mengen an Mikroorganismen nach der Membran, in Zusammenhang mit gesteigerter Nährstoffverfügbarkeit im Filtrat, zu einer Reduktion der Biostabilität führen kann. Insbesondere im Extremfall mit hohem Oberflächenwassereintrag werden zwar die Mikroorganismen des Oberflächenwassers zurückgehalten, die niedermolekularen gelösten organischen Verbindungen können aber die Membran passieren. Diese leicht verfügbaren Substanzen stehen den Mikroorganismen, deren Auftreten im Filtratbereich praktisch nicht zu verhindern ist, als Grundlage für eine bis zu 1000-fache Vermehrung zur Verfügung.

Um ein biologisch stabiles System zu schaffen, könnte es im vorliegenden Fall daher notwendig werden, das Nährstoffdargebot – zum Beispiel durch eine Oxidierung und/oder Aktivkohlefiltration – zumindest im Hochwasserfall weiter zu reduzieren. Jedenfalls können durch eine Pilotierung und die entsprechenden Untersuchungen Zusammenhänge aufgezeigt werden, die im weiteren Versorgungssystem zu Herausforderungen werden können. Aufgrund der im Vorhinein gewonnenen Erkenntnisse können dadurch bereits vorab Maßnahmen geplant werden, die ein Aufwachsen von Mikroorganismen verhindern und ein biologisch stabiles System gewährleisten.