Abbau und Rückhalt von Pyrazol in einer industriellen Kläranlage

Refraktäre organische Verbindungen stellen die Abwasserbehandlungsanlagen industrieller Standorte vor große Herausforderungen. Als Nebenprodukte der chemischen Produktion gelangen sie ins Abwasser und können unverändert durch die Kläranlagen in die Vorfluter gelangen. Es existieren verschiedene technische Methoden solche Verbindungen aus Abwasserströmen zu entfernen. Diese Methoden, wie beispielsweise Oxidationsverfahren oder Aktivkohlefiltration, sind jedoch mit jedoch mit hohen Kosten, Stromverbrauch, CO2-Fußabdruck und zusätzlichen
Verbrauchsmitteln und ggf. Gefahrstoffen (z.B. Ozon) verbunden. Der biologische Abbau solcher Verbindungen kommt mit weniger Energie und ohne zusätzliche Einsatzstoffe aus und birgt zudem nicht das Risiko ungewollter Transformationsprodukte. Daher ist dieser Prozess zu bevorzugen. Diese Arbeit zeigt, dass der refraktäre fünf-gliedrige Heteroaromat Pyrazol, entgegen dem derzeitigen Stand der Literatur, biologisch abbaubar ist. Dieser Prozess ist jedoch ein empfindliches System, das von mehreren Faktoren abhängig ist. Pyrazol wird von den Mikroorganismen eines Belebtschlammes offenbar erst nach allen anderen Kohlenstoffverbindungen abgebaut. Daher muss der belastete Abwasserstrom gesondert behandelt werden und die Abwasservorbehandlung so betrieben werden, dass möglichst wenig Kohlenstoff neben Pyrazol in die Kläranlage gelangt.
Weiterhin ist die Pyrazol-Schlammbelastung ein wichtiger Faktor. Laborversuche mit Belebtschlamm, der zwar an Pyrazol gewöhnt war, die Verbindung jedoch nicht abbauen konnte, zeigten, dass eine Belastung von 0,01 kgPyrazol/kgTS*d geeignet ist, um einen biologischen Abbau zu etablieren. Ein etablierter Belebtschlamm, der in der Lage ist, Pyrazol abzubauen, kann mit bis zu 0,04 kgPyrazol/kgTS*d belastet werden, bevor der Abbau abfällt. Als dritter Faktor wurde die Abwassermatrix ermittelt. Isolierte Prozessabwässer, bei denen Wasser als Reaktionsprodukt entsteht, können sehr arm an Ionen und Spurenelementen sein, dies war auch hier der Fall. Unter Zugabe von Natrium, Magnesium und Kalium zeigte sich ein verstärkter biologischer Pyrazolabbau. Gleichzeitig führt ein Fehlen der Elemente zu einem Einbruch der Abbauleistung. Bei einem Mangel der Elemente reichte eine niedrige Schlammbelastung allein nicht aus, um einen biologischen Pyrazolabbau zu etablieren. Es gilt daher, die Faktoren Abwasserinhaltsstoffe, Kohlenstofffrachten und Pyrazol-Schlammbelastung korrekt einzustellen und zu überwachen, um einen Abbau zu ermöglichen. Die Implementierung der in dieser Studie ausgearbeiteten Empfehlungen führten dazu, dass der biologische Pyrazolabbau großtechnisch wiederhergestellt werden konnte.
Genetische Analysen zeigten, dass ein Pyrazol-abbauender Belebtschlamm wenig divers ist und vor allem von zwei Organismen dominiert wird: eine unbeschriebene Terrimonas Spezies (relative Häufigkeit: 45 %) und Ottowia pentelensis (20,5 %). Letztere Art könnte die Art sein, die in der Lage ist, Pyrazol ganz oder teilweise zu verstoffwechseln. Die erstere Art könnte eher ein kooperativer Partner in den Abbauprozessen oder lediglich ein opportunistischer Co-existierender Organismus sein.

Refractory organic compounds are a major challenge for wastewater treatment facilities of chemical production sites. They arise as by-products of chemical manufacturing and can leave treatment systems unchanged and thus, enter the receiving water bodies. A variety of technical options is available for treatment of such problematic compounds (e.g. oxidation treatment, active carbon filtration). However, they are cost-intensive, require energy and additional feedstock and provide a significant carbon-footprint. Furthermore, they may require handling of dangerous substances (e.g. ozone) and operation of additional dedicated technical equipment. Since biological treatment consumes less energy and requires no additional feedstock it has a much smaller carbon footprint. Additionally, the process does not create unwanted transformation products. Thus, it is an interesting and preferable alternative to technical degradation. This study shows that, against current state of literature, biological degradation of pyrazole is possible. It is, however, a sensitive system, prone to disturbance. Stable biodegradation of pyrazole depends on multiple factors. To the organisms of an activated sludge, pyrazole is the least preferable carbon compound. If other compounds are available, pyrazole will be left over. Thus, the pyrazole-loaded stream needs to be isolated and treated separately. Wastewater pre-treatment units of production sites need to be operated in a way that discharges as little non-pyrazolic carbon compounds as possible to biological treatment. Pyrazole sludge loading rate is another important factor. In a laboratory-scale setup, a pyrazole sludge loading rate of 0,01 kgPyrazol/kgTS*d was feasible to establish a biodegradation of pyrazole from an activated sludge that was used to pyrazole but could not degrade it. An activated sludge that is adapted to pyrazole and can degrade it showed a threshold of 0,04 kgPyrazol/kgTS*d before biodegradation of pyrazole declined. Finally, wastewater matrix has an important influence on the performance of pyrazole degradation. Process wastewater from reactions where water is produced can be very low on trace elements and important ions, this is especially relevant when isolating those streams from other wastewater streams. Addition of Sodium, Magnesium and Potassium showed an increase in pyrazole degradation, while a lack of those elements lead to a decrease of degradation capacity. Additionally, a low sludge loading rate alone was not sufficient to initiate pyrazole degradation while ions were low in supply. Implementation of the recommendations based on this study led to a reestablishment of large-scale biological pyrazole degradation. Genetic analysis revealed that a pyrazole-degrading activated sludge is little diverse and mainly dominated by two species. An undescribed Terrimonas species (relative abundance: 45 %) and Ottowia pentelensis (20,5 %). While the latter species is a possible candidate for complete or partial pyrazole degradation, the former is probably either a cooperative partner in biodegradation pathways or simply an opportunistic coexisting organism.

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