• search hit 4 of 55
Back to Result List

Application of ozone as tertiary treatment step to reduce the load of micropollutants - An ecotoxicological assessment at various levels of ecological complexity

Ozonierung von Abwasser als tertiären Reinigungsschritt zur Reduktion der Mikroverunreinigungen - Eine ökotoxikologische Untersuchung unter Verwendung verschiedener Ebenen biologischer Komplexität

  • Studies have shown that wastewater treatment plant (WWTP) effluents are the major pathways of organic and inorganic chemicals of anthropogenic use (=micropollutants) into aquatic environments. There, micropollutants can be transferred to ground water bodies - and may finally end up in drinking water - or cause various effects in aquatic organisms like multiple resistances of bacteria. Hence, the upgrading of WWTPs with the aim to reduce the load of those micropollutants is currently under discussion. Therefore, the primary objective of this thesis was to assess ecotoxicological effects of wastewater ozonation, a tertiary treatment method, using specifically developed toxicity tests with Gammarus fossarum (Koch) at various levels of ecological complexity. Several studies were designed in the laboratory and under semi-field conditions to cope with this primary objective. Prior to the investigations with ozone treated wastewater, the ecotoxicity of secondary treated (=non-ozone treated) wastewater from WWTP Wüeri, Switzerland, for the test species was assessed by a four-week experiment. This experiment displayed statistically significant impairments in feeding, assimilation and physiological endpoints related to population development and reproduction. The first experiment investigating ecotoxicological implications of ozone application in wastewater from the same WWTP displayed a preference of G. fossarum for leaf discs conditioned in ozone treated wastewater when offered together with leaf discs conditioned in non-ozone treated wastewater. This effect seems to be mainly driven by an alteration in the leaf associated microbial community. Another series of laboratory experiments conducted also with wastewater from WWTP Wüeri treated with ozone at the lab- or full-scale, revealed significantly increased feeding rates of G. fossarum exposed to ozone treated wastewater compared to non-ozone treated wastewater. These laboratory experiments also indicated that any alteration in the organic matrix potentially caused by ozone treatment is not related to the effects in feeding as this endpoint showed only negligible deviation in secondary treated wastewater, which contained hardly any (micro)pollutants (i.e. pharmaceuticals), from the same wastewater additionally treated with ozone. Moreover, it was shown that shifts in the dissolved organic carbon (DOC) profile do not affect the feeding rate of gammarids. In situ bioassays conducted in the receiving stream of the WWTP Wüeri confirmed the results of the laboratory experiments by displaying significantly reduced feeding rates of G. fossarum exposed below the WWTP effluent if non-ozone treated wastewater was released. However, at the time the ozonation was operating, no adverse effects in feeding rates were observed below the effluent compared to the unaffected upstream sites. Also population studies in on-site flow-through stream microcosms displayed an increased feeding and a statistically significantly higher population size after ten weeks when exposed to ozone treated wastewater compared to non-ozone treated wastewater. In conclusion, the present thesis documents that ozonation might be a suitable tool to reduce both the load of micropollutants as well as the ecotoxicity of wastewaters. Thus, this technology may help to meet the requirements of the Water Framework Directive also under predicted climate change scenarios, which may lead to elevated proportions of wastewater in the receiving stream during summer discharge. However, as ozone application may also produce by-products with a higher toxicity than their parent compounds, the implementation of this technique should be assessed further both via chemical analysis and ecotoxicological bioassays.
  • Frühere Publikationen belegen die Bedeutung von Einleitungen aus Abwasserreinigungsanlagen für den Eintrag von organischen und anorganischen Chemikalien (=Mikroverunreinigungen) in die aquatische Umwelt. Von dort können diese Mikroverunreinigungen in das Grundwasser gelangen - und schließlich in das Trinkwasser - oder führen zu mannigfachen Auswirkungen in aquatischen Organismen, beispielsweise die Entwicklung multipler Resistenzen von Bakterien. Daher wird derzeit eine Erweiterung des Abwasserreinigungsprozesses diskutiert, um den Eintrag dieser Mikroverunreinigungen zu reduzieren. Die vorliegende Arbeit setzte sich in diesem Zusammenhang zum Ziel ökotoxikologische Auswirkungen der Abwasserozonierung, als tertiäre Reinigungsstufe, anhand von speziell entwickelten Testverfahren unter Verwendung der Spezies Gammarus fossarum (Koch) auf verschiedenen Ebenen der ökologischen Komplexität zu untersuchen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden verschiedenste Studien unter Labor- sowie Halbfreilandbedingungen durchgeführt. Zunächst wurde die Sensitivität der Testspezies mittels einer vierwöchigen Exposition gegenüber sekundär behandeltem Abwasser der Abwasserreinigungsanlage (ARA) Wüeri, Schweiz, untersucht. Diese Untersuchung belegte statistisch signifikante Reduktionen der Fraßleistung, der Assimilation sowie physiologischer Endpunkte, welche Auswirkungen auf Reproduktion sowie Populationsentwicklung vermuten lassen. In einer weiteren Untersuchung wurde eine Fraßpräferenz von G. fossarum für Laubscheiben festgestellt, die in ozoniertem Abwasser konditioniert wurden, über solche, konditioniert in nicht ozoniertem (=sekundär behandeltem) Abwasser. Diese Präferenz scheint auf eine veränderte laubassoziierte mikrobielle Gemeinschaft zurückzuführen zu sein. Eine Reihe von Laboruntersuchungen belegte zudem eine statistisch signifikant erhöhte Fraßrate von G. fossarum, welche gegenüber ozoniertem Abwasser der ARA Wüeri - unabhängig davon, ob die Ozonierung auf der ARA selbst oder unter Laborbedingungen durchgeführt wurde - exponiert wurden, verglichen mit nicht ozoniertem Abwasser. Diese Experimente lassen zudem die Schlussfolgerung zu, dass die Veränderungen der organischen Matrix, welche durch die Anwendung der Ozonierung hervorgerufen werden, nicht für die erhöhte Fraßrate von Gammarus verantwortlich sind, da sich die mittlere Fraßrate nur geringfügig zwischen sekundär und ozonbehandeltem Abwasser, welches kaum Mikroverunreinigungen enthielt, unterschied. Auch konnte gezeigt werden, dass Veränderungen im Profil des gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC) die Fraßrate nicht beeinflussen. Zudem untermauern in situ Expositionssysteme, welche direkt im Vorfluter Anwendung fanden, die Resultate der Laborstudien. Diese Experimente zeigten lediglich während der Einleitung von sekundär behandeltem Abwasser unterhalb der Einleitung der ARA signifikant reduzierte Fraßraten verglichen mit einer Kontrollstelle direkt oberhalb der Einleitung. Während der Einleitung von ozoniertem Abwasser sind, jedoch, keine Reduktionen in den Fraßraten feststellbar. Schließlich konnten auch Populationsstudien einen höheren Fraß, sowie eine höhere Populationsgröße von G. fossarum, bei einer Exposition gegenüber ozonbehandeltem Abwasser, verglichen mit sekundär behandeltem Abwasser belegen. Zusammenfassend legt die vorliegende Arbeit dar, dass die Behandlung von Abwasser mit Ozon geeignet ist, durch die Reduktion von Mikroverunreinigungen, die Ökotoxizität zu reduzieren. Daher könnte diese Technologie helfen die Vorgaben der Wasserrahmenrichtlinie, auch unter den vorhergesagten Klimawandelszenarien, welche einen höheren Abwasseranteilen im Vorfluter während der Sommermonate vermuten lassen, einzuhalten. Jedoch werden durch die Anwendung von Ozon auch Nebenprodukte gebildet werden, welche eine höhere Ökotoxizität aufweisen als deren Muttersubstanzen. Daher sollte im Falle der Etablierung dieser Technologie ein weitergehendes chemisches und ökotoxikologisches Monitoring erfolgen.

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author:Mirco Bundschuh
URN:urn:nbn:de:hbz:lan1-6347
Advisor:Ralf Schulz
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2011/05/13
Date of publication:2011/05/13
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Universitätsbibliothek
Date of final exam:2011/05/11
Release Date:2011/05/13
Tag:Mikroverunreinigung; erweiterte Abwasserbehandlung; in situ; Ökosystemdienstleistung; Ökotoxikologie
advanced wastewater treatment; ecosystem functioning; ecotoxicology; micropollutants; ozone
GND Keyword:Abwasser; Chemische Abwasserreinigung; Gammarus fossarum; Ozon
Volume (for the year ...):2011
Source:Chemosphere , Environmental Pollution , Water Research , Environmental Science & Technology , Ecotoxicology
Institutes:Fachbereich 7 / Fachbereich 7
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 50 Naturwissenschaften / 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Licence (German):License LogoEs gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG