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D. Reif:
"Grundlegende Versuche zum Einsatz von Membranfiltration zur Entfernung von organischen Spurenstoffen im Rahmen der weitergehenden Abwasserreinigung";
Supervisor: H. Hofbauer, N. Kreuzinger, M. Harasek; Fakultät für Maschinenwesen und Betriebswissenschaften, 2017; final examination: 09-26-2017.

The impacts of organic micropollutants, substances in very low concentrations between ng l^-1 and μg l^-1, in aquatic systems are of growing concern in the scientific community. Organic micropollutants are pharmaceuticals, industrial chemicals, personal care products or pesticides. All these substances can have an impact on the environment. Especially the spreading of antibiotic resistant bacterias and genes is alarming. Legal guidelines, which regulate the release of organic micropollutants in the environment, only exist in Switzerland, requiring an average micropollutant elimination of 80%. In the European Union a monitoring Programm exists, which investigates the current pollution. In general organic micropollutants can be removed through adsorption (PAK/GAK), AOPs (advanced oxidation processes) and membrane filtration. The ruling mechanisms of the elimination of organic micropollutants through membrane filtration are size exclusion, adsorption and electrostatic repulsion.
In this work the retention of different organic micropollutants (sulfamethoxazol, carbamazepin, diuron, bisphenol a, bezafibrate, estrone, estriol, ethinylestradiol, ibuprofen, diclofenac) for four different types of membranes, namely microfiltration, ultrafiltration, nanofiltration and reversed osmosis, were investigated. The testing device "Memcell Classic" is fabricated by the german company "osmo- membrane systems". In six test series the influence of substance specifics (molecular weight, hydrophobicity/hydrophily, dipolmoment), the characteristics of the feed (concentration, DOC, pH-value) and the operating parameters (pressure, recovery, fouling) were examined. Concerning the spread of antibiotic resistances in WWTP, further tests were made to investigate the retention of free bacterial DNA in membrane filtration
systems.
Reversed osmosis membranes showed the highest eliminations of more than 90%. Nanofiltration membranes also showed removal rates up to 90% , except for diuron and bisphenol a (only 60% removal). Ultra- and microfiltration are not suitable for elimination of organic
micropollutants. The collected datas showed the main mechanisms for the removal of organic micropollutants. Microfiltration retains substances mainly through adsorption, whereas for ultrafiltration also electrostatic repulsion is important. The elimination of organic
micropollutants with nanofiltration and reversed osmosis is based on size exclusion and electrostatic repulsion. Free bacterial DNA could be removed for more than 90% with all types of membranes, except microfiltration.

Die Auswirkungen von organischen Spurenstoffen in aquatischen Systemen, also Substanzen die in Konzentrationen von ng l^-1 bis μg l^-1 vorliegen, stehen bereits seit geraumer Zeit im Fokus der Forschung. Dabei handelt es sich im wesentlichen um Arzneimittel, Industriechemikalien,Kosmetikprodukte und Pestizide. Der Eintrag von organischen Spurenstoffen kann Folgewirkungen auf die Umwelt haben. Vor allem die Ausbildung von Resistenzen durch dauerhafte Antibiotikaexposition von Bakterien gilt als besonders besorgniserregend. Gesetzliche Richtlinien, die den Eintrag von organischen Spurenstoffen in die Umwelt reglementieren, existieren nur in der Schweiz und schreiben eine mittlere Entfernung der organischen Spurenstoffe von 80% vor. In der Europäischen Union gibt es derzeit nur ein Monitoringprogramm zur Ermittlung der Belastungssituation. Organische Spurenstoffe können durch Adsorptionsprozesse (PAK/GAK), AOPs (Advanced oxidation processes) und Membranfiltation entfernt werden. Die entscheidenden Entfernungsmechanismen der Membranfiltration sind der Siebeffekt, die Adsorption und die elektrostatische Abstoßung.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Rückhalt von organischen Spurenstoffe (Sulfamethoxazol, Carbamazepin, Diuron, Bisphenol A, Bezafibrat, Estron, Estriol, 17-α-Ethinylestradiol, Diclofenac, Ibuprofen) für vier Membrantypen (Mikrofiltration, Ultrafiltration, Nanofiltration und Umkehrosmose) untersucht. Als Testgerät diente der Membranprüfstand "Memcell Classic" von "osmo- membrane systems" (Deutschland). In sechs Versuchsreihen wurde der Einfluss von Stoffdaten (Molekulargewicht, Hydrophobie/ Hydrophilie, Dipolmoment), des Zulaufmediums (Konzentration, DOC- Gehalt, pH-Wert) und der Betriebsparameter (Druck/ Recovery, Fouling) auf die Entfernungsmechanismen ermittelt. Weitere Tests untersuchten die Entfernung von freier bakterieller DNA durch Membranfiltration.
Umkehrosmosemembranen zeigten die besten Entfernungsleistungen (>90%). Nanofiltration ergab ebenfalls sehr hohe Entfernungsraten von über 90%. Allerdings wurden die Stoffe Bisphenol A und Diuron nur zu 60% entfernt. Ultra- und Mikrofiltrationsmembranen eignen sich nicht zur Entfernung organischer Spurenstoffe. Aus den gewonnenen Ergebnissen konnten die entscheidenden Entfernungsmechanismen der einzelnen Stoffe identifiziert werden. Bei der Mikrofiltration wurden Stoffe zum Teil durch Adsorption entfernt. Bei der Ultrafiltration erfolgte eine Elimination von dissoiizierten Stoffen zusätzlich durch elektrostatische Abstoßung. Die Entfernungsleistungen der dichteren Membranen (Nanofiltration und Umkehrosmose) beruht vor allem auf elektrostatischer Abstoßung und dem Siebeffekt. Freie bakterielle DNA konnte bereits bei Anwendung von Ultrafiltrationsmembranen zu 90% entfernt werden.