Die Eindämmung der Ausbreitung von Antibiotikaresistenzgenen (ARGs) ist eine der größten zukünftigen Herausforderungen der internationalen Abwasserbehandlung. In der Abwasserreinigung sind Membranbioreaktoren (MBR) zur Entfernung von Bakterien etabliert. ARGs treten jedoch nicht nur im Inneren von Bakterien auf, sondern auch in Form von freier DNA, möglicherweise freigesetzt durch die MBR Belüftung. Transport- und Retentionsmechanismen dieser freien ARGs in MBRs sind noch nicht vollständig verstanden. Wir stellen die Hypothese auf, dass die Präsenz von Biofouling-Schichten auf der Membran die Retentionseigenschaften von MBRs für diese freien ARGs signifikant verändert. Während Biofouling die allgemeine Filtrationsleistung reduziert, erhöhen dickere Biofilmschichten und Porenverblockung die Wahrscheinlichkeit der Sorption, der Verweilzeit und des biologischen Abbaus von ARGs, wodurch freie ARGs effizienter entfernt werden. Eine weitere Hypothese ist, dass eine erhöhte Scherbeanspruchung zur Kompression und damit zu einer höheren Dichte der Biofoulingschicht und folglich zu einem verbesserten ARG-Rückhalt führt. Es werden Massentransferkoeffizienten für verschiedene Membran- und Schichteigenschaften bestimmt. Zur Überprüfung der Hypothesen wird eine MBR-Foulingsimulatorplattform entwickelt, die die Integration und Interpretation von Experimenten zum ARG-Transport und Rückhalt unter kontrollierten und reproduzierbaren Bedingungen ermöglicht. Die Plattform besteht im Kern aus einer Scherzelle in der mittels eines einstellbaren Rührers realistische Strömungsbedingungen und Schergradienten realisiert werden, die denen in einem kommerziellen MBR entsprechen. Die Experimente werden mit verschiedenen, kommerziell erhältlichen und zuvor charakterisierten Porenmembranen durchgeführt. ARGs werden dem Feed in Form von freien Plasmiden zugesetzt. Um die ARG-Log-Entfernungsraten zu erhalten, werden die Plasmide vor und nach der Membranpassage durch einen optimierten ddPCR-Multi-Target-Assay quantifiziert, der simultan die Bestimmung der Plasmidintegrität ermöglicht. Um die Auswirkungen des Membranfoulings auf die ARG-Entfernung aufzuklären, werden die MBR-Scherzellen mit einer Modell-Abwassergemeinschaft beimpft. Wir gehen davon aus, dass die vorrangige Art des Membranfoulings (Porenblockierung, Kuchenfiltration) aktiv verändert werden kann, indem physikalisch-chemische Membraneigenschaften und Scherbeanspruchungen verändert werden. Die physikalische Struktur der Foulingschichten wird in verschiedenen Alterungsstadien mit Hilfe eines optischen Kohärenztomographie-Systems (OCT) charakterisiert. Dies ermöglicht die Erzeugung und Prüfung repräsentativer, reproduzierbarer Biofouling-Schichten mit unterschiedlichen, definierten Eigenschaften zur ARG-Entfernung. Um die mit der MBR-Plattform gewonnenen Erkenntnisse zu validieren, werden die in realen MBR-Anlagen gefoulten Membranen charakterisiert, der Massentransfer geprüft und ihre ARG-Rückhalteeffizienz getestet.
Das Abwasser des in Duisburg-Nord betriebenen Krankenhauses wird derzeit in die öffentliche Kanalisation eingeleitet und im Klärwerk Duisburg behandelt. Allerdings können organische Mikroverunreinigungen - vor allem durch Arzneimittelrückstände, Pharma- und Diagnostika - in der kommunalen Abwasserreinigungsanlage nicht abgebaut werden, da diese nicht über die erforderliche vierte Reinigungsstufe verfügt.
Ziel des Vorhabens ist es, das Klinikabwasser bereits im Krankenhaus aufzubereiten und dabei die organischen Mikroverunreinigungen zu eliminieren. Dies soll durch die demonstrative Umsetzung eines patentierten Pharmafilterkonzepts, welches aus einer innovativen Verfahrenskombination aus Zerkleinerung, Separation, Hydrolyse und Vergärung, Membranbioreaktor, High-Flux-Ozonisierung und Aktivkohlefilterung besteht, erreicht werden. Das gereinigte Abwasser wird als Brauchwasser im Krankenhausbetrieb eingesetzt. Überschüssiges Wasser kann direkt in das Oberflächengewässer Kleine Emscher eingeleitet werden. Der Klärschlamm soll der Vergärung zugeführt werden. Das dabei entstehende Biogas soll in einen Biogasmotor geleitet und als Bestandteil des Projekts zur Energieerzeugung verwendet werden. Mit dem Abwasser aus Duschen, Waschbecken und Toiletten sollen auch weitere organische Abfälle aus dem klinischen Bereich sowie Speiseabfälle der Pharmafilteranlage zugeführt, behandelt und nach der Vergärung mit Hilfe des Biogasmotors energetisch genutzt werden. Zu diesem Zweck sollen im Krankenhaus dezentral Abfallzerkleinerer (sog. Tontos) installiert werden, welche an das Gebäudeabwassersystem angeschlossen sind und die bisherigen Steckbeckenspüler ersetzen. Die produzierte Strommenge reicht weitestgehend aus, um den Energiebedarf der Pharmafilteranlage zu decken.
Mit der erfolgreichen Umsetzung des Vorhabens wird der Eintrag von kritischen und hygienisch relevanten Stoffen in die Gewässer reduziert und somit deren chemischer und ökologischer Zustand verbessert. Gleichzeitig können durch die geplante Brauchwassernutzung jährlich mindestens 20.000 Kubikmeter Trinkwasser eingespart werden. Die Biogasherstellung und Energieerzeugung vermeidet jährlich Treibhausgase mit einen CO2-Äquivalent von ca. 398,6 bis 487,4 Tonnen.