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Fachartikel
22. Juli 2020

Forschungsfonds Wasser (FOWA)

Von Biotests, Verteilnetzen und optimierter Aktivkohle

Drei neue Projekte hat der Forschungsfonds Wasser (FOWA) des SVGW zur Durchführung für das Jahr 2020 vorgesehen: Zwei stammen aus der Romandie, eines aus der Deutschschweiz.
Peter C. Müller 

Seit der Lancierung des FOWA im Mai 2012 konnten 26 Projekte mit Fondsgeldern unterstützt werden. Gesamthaft hat die fachtechnische Kommission für die bewilligten Projekte diverse Beiträge in einer Gesamthöhe von knapp 1,1 Millionen Franken gesprochen. Im Jahr 2019 konnten zwei Projekte abgeschlossen werden: Das eine befasste sich mit der Wirksamkeit von Massnahmen zur Senkung der Grundwasserbelastung mit Pflanzenschutzmitteln und deren Metaboliten, das andere untersuchte die Verteilsysteme des Trinkwassers in Gebäuden mit Fokus auf den Befall durch Legionellen.

Für die kommenden Monate wurden drei Projekte zur Durchführung ausgewählt, zwei davon stammen aus der Romandie eines aus der Deutschschweiz.

Routinemässiger Gentox-Biotest fürs Trinkwasserlabore

Die Trinkwasserversorger stehen heute vor einer grossen Herausforderung: Mikroschadstoffe und ihre Abbauprodukte gelangen zunehmend in die Umwelt und damit potenziell auch ins Trinkwasser. Die chemische Analytik wird zwar immer leistungsfähiger, die Auswirkungen vieler Stoffe auf Mensch, Tier und Umwelt sind aber oft noch unbekannt. Gleichzeitig nimmt die Sensibilität der Bevölkerung in Bezug auf die Wasserqualität zu. In dieser Situation sind zunehmend biologische Tests («Biotests») als Früherkennungssystem gefragt. Diese können unerwünschte Wirkungen im Wasserkreislauf anzeigen, ohne dass dafür ihre stoffliche Ursache bekannt sein muss. Mit dieser sogenannt wirkungsbasierten Analytik kann man zum Beispiel eine östrogene oder gentoxische Wirkung in einer Probe nachweisen, ohne dass der verursachende Stoff bekannt ist. Ein positives Testergebnis weist so relativ einfach auf unerwünschte Wirkungen in der untersuchten Probe hin, nach deren Ursache dann gezielt weitergesucht werden kann.

Von besonderem Interesse sind dabei Biotests auf krebserregende, also gentoxische Stoffe. Der Kontakt mit solchen Substanzen kann unter bestimmten Umständen Krebs verursachen. Daher hat ihr Nachweis eine besondere Priorität. Der frühzeitige Nachweis von Gentoxizität im Rohwasser wäre deshalb sehr wichtig für die Strategie der Trinkwasserversorgungen punkto Qualitätssicherung.

Bis heute ist noch kein Biotest etabliert, der in der Lage ist, gentoxische Stoffe im Trinkwasser nachzuweisen. Die Kombination eines Biotests mit Hochleistungsdünnschichtchromatographie (HPTLC) hat nun das Potenzial, diese Lücke zu schliessen. Der Biotest an sich ist dabei nicht neu und sogar bereits DIN-genormt. Er erlaubt den Nachweis von gentoxischen Verbindungen und basiert auf einem gentechnisch veränderteren Bakterienstamm, Salmonella typhimurium. Für den Einsatz im Bereich Trinkwasser ist der bestehende, normierte Test aber noch zu wenig empfindlich. Die Kombination mit HPTLC könnte nun die Empfindlichkeit erhöhen und dieses Problem lösen.

Optimierung städtischer Verteilnetze für Trinkwasser

Das eingereichte Forschungsprojekt beschäftigt sich mit der Optimierung von Trinkwasserverteilnetzen im städtischen Raum. Einerseits soll eine intelligente Regelung für das Verteilnetz entwickelt werden, andererseits soll die Energieausbeute erhöht werden, indem die Druckbrecher zwischen den Druckstufen durch Mikroturbinen ersetzt werden.

Das Projekt wird dabei in Synergie zwischen diesen beiden Zielen entwickelt. Dies ermöglicht die Entwicklung von integralen Lösungen, weil die Integration einer Mikroturbine eine Feinabstimmung des Netzes erfordert und ein intelligentes Netz von einer Lösung mit Energierückgewinnung profitieren kann. Diese Synergie ermöglicht es auch, die Ressourcen zu optimieren, sowohl in Bezug auf das Material als auch in Bezug auf die Entwicklungszeit.

Die Tests gehen von der Überwachung des Systems über die Verbesserung der Trinkwasserqualität (durch eine optimierte Aufenthaltszeit / Verringerung der Stagnationszeit) bis zur Vergrösserung der Netzkapazität durch eine dynamische Erhöhung der verfügbaren Wassermenge bei Bedarf, zum Beispiel bei einem Brandfall.

Verteilnetze sind hochdynamische Systeme mit erheblichen Schwankungen bei Verbrauch und Druck. Eine Einstellung auf der Grundlage von mehr Informationen und mit mehr Sollwerten kann also für die Nutzung und Dimensionierung von Netzwerken etliche Verbesserungen bringen. Der aktuelle Trend zu sogenannt «Intelligenten Städten oder «smart cities» schliesst ebenfalls die Verteilnetze mit ein. Durch den Einsatz einer Vielzahl von Sensoren innerhalb des Netzes kann der aktuelle Zustand in Echtzeit überwacht werden. Ein intelligentes Management würde hier die Informationen der Sensoren im Netzwerk nutzen, um entsprechend zu reagieren.

Behandlung von Chlorothalonil-Metaboliten mit optimierter Aktivkohle

Chlorothalonil ist ein Wirkstoff, der in Fungiziden, also in Pestiziden gegen Pilzbefall, seit den 1970-er Jahren zugelassen war. Doch seit dem 1. Januar 2020 ist sein Einsatz nun in der Schweiz verboten. Die Muttersubstanz Chlorothalonil wird neu als wahrscheinlich krebserregend beurteilt. Gemäss Europäischem Leitfaden, der auch in der Schweiz angewendet wird, gelten alle Abbauprodukte deshalb als als relevant - ungeachtet der Studien über Metaboliten, die einen krebserzeugenden Effekt in Abrede stellen wollen. Da in der Schweiz sehr hohe Sicherheits- und Qualitätsansprüche an das Trinkwasser gestellt werden, sind die Pflanzenschutzmittelrückstände und deren relevante Abbauprodukte streng geregelt. So gilt für diese Stoffe einzeln jeweils ein Höchstwert von 0.1 Mikrogramm pro Liter.

Im bewilligten Projekt des FOWA soll nun anhand von Pilotierungen die Möglichkeit aufgezeigt werden die Chlorothalonil Metaboliten (insbesondere die Sulfonsäure-Metaboliten R471811 und R417888) durch den Einsatz von optimierter Aktivkohle aus dem Trinkwasser zu entfernen. Dazu werden zwei Verfahren pilotiert: Einerseits die Verwendung einer granulierten Aktivkohle in einem von unten nach oben durchströmten, geschichteten Reaktor, und andererseits die Verwendung eines Wirbelbettreaktors, der mit einer mikrogranulierten Aktivkohle befüllt ist.

Da die Aktivkohle für die Entfernung der Chlorothalonil-Metaboliten sehr schnell erschöpft ist, fallen hohe Betriebskosten für die Beschaffung der Kohle an. Deshalb soll in einem weiteren Versuch die Möglichkeit geprüft werden, die im Trinkwasser verbrauchte Kohle zur Entfernung von Mikroverunreinigungen im Abwasser zu verwenden. Damit könnte die Lebensdauer der Kohle erhöht und die Betriebskosten reduziert werden. Dazu wird ebenfalls ein Versuch im Pilotmassstab auf einer Kläranlage durchgeführt.

 

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