Im Jahr 2017 konsumierten knapp 2 Milliarden Menschen fäkalkontaminiertes Wasser. Das führte zu fast 500.000 Todesfällen. Gleichzeitig werden Trinkwasserressourcen ausgebeutet und schon heute sind 4 Milliarden Menschen von Wasserknappheit betroffen. In ländlichen Entwicklungsregionen stellt, aus technischer Sicht, die Desinfektion des Wassers eine der größten Herausforderungen für die Sicherstellung einer angemessenen Trinkwasserversorgung dar. In dieser Dissertation wird die technische sowie wirtschaftliche Machbarkeit einer solar betriebenen Anlage zur Chlorproduktion mittels Inlineelektrolyse (ECl2) als Alternative zur Lieferung und Dosierung von Chlorreagenzien analysiert und bewertet. Während der ECl2 wird das gesamte aufzubereitende Wasser durch eine Elektrolysezelle geleitet und das Chlor aus dem natürlichen Chloridgehalt des Wassers „inline“ gebildet. Unter opti-malen Betriebsbedingungen kann Trinkwasser aber auch aufbereitetes Abwasser ohne Zugabe durch Chemikalien desinfiziert werden. Damit würde die Lieferung von Chlorlösung dauerhaft entfallen. Zusätzlich wurde bewertet, inwiefern die Entfernung von Eisen und Arsen durch die ECl2 sowie der Abbau von organischen Spurenstoffen durch zusätzliche Kombination mit UV-Bestrahlung zur Radikalbildung verbessert werden kann. Alle vorgestellten Feldtests wurden in Langzeitstudien unter Realbedingungen in zukünftigen Anwendungsgebieten durchgeführt. Dadurch konnten mögliche Probleme im Be-trieb der Anlagen frühzeitig erkannt und Lösungsvorschläge erarbeitet werden. Die Erfahrungen aus dem Betrieb der ECl2-Systeme stellen dabei den größten Nutzen dieser Arbeit dar. Mit den Feldversuchen konnte gezeigt werden, dass Wasser durch die Anwendung von ECl2 sicher desinfiziert und gleichzeitig ausreichend vor Wiederverkeimung geschützt werden kann. Insbesondere die Kombination mit naturnahen Verfahren zur Vorbehandlung des zu desinfizierenden Wassers hat sich als sehr vorteilhaft für die langfristig sichere Anwendung des Verfahrens herausgestellt. Für den in Uttarakhand, Indien, durch-geführten Feldtest konnte die ECl2 zusammen mit der Uferfiltration eine Logstufenreduktion von > 5.0 für Gesamtcoliforme und 3.5 für E. coli erreichen. Durch die Kombination mit einer vertikal durchströmten Pflanzenkläranlage (VFCW) konnte die Desinfektion von behandeltem Abwasser mittels Chlor erheblich vereinfacht werden. Die Pflanzenkläranlage reduzierte die Ammoniumkonzentration, den CSB sowie die Trübung und damit auch die Chlorzehrung des Wassers. Darüber hinaus wurden durch die VFCW Konzentrationsschwankungen im Zulauf erheblich vergleichmäßigt. Es wurden Logstufenreduktionen für Gesamtcoliforme von 5.1 und >4.0 für E. coli erzielt. Durch diese Verfahrenskombination werden auch Anwendungen zur Wiederverwendung von Abwasser möglich, die über die Bewässerung hinausgehen und damit wertvolle Frischwasserressourcen geschont. Durch die Behandlung von arsenkontaminiertem Grundwasser konnten mit der hier vor-geschlagenen Kombination von ECl2 und anschließender gemeinsamer Ausfällung und Filtration Entfernungsraten für Arsen von 94 % und Eisen von > 99 % erreicht werden. Da der WHO-Grenzwert für Arsen (10 µg/L) im hier durchgeführten Feldversuch mit 10 ± 4 µg/L dauerhaft nicht sicher eingehalten werden konnte, wurden weitere Optimierungsschritte identifiziert. Die Entfernungsrate für Benzotriazol von 5 % durch ECl2 allein konnte in Kombination mit UV-Lampen auf 89 % erhöht werden. Ähnliche Ergebnisse wurden für andere aus-gewählte organische Spurenstoffe erzielt. Es sind jedoch weitere Studien erforderlich, um den Abbauprozess im Detail zu verstehen und eine mögliche Zunahme der Toxizität durch die Bildung von Transformationsprodukten sowie Desinfektionsnebenprodukten zu bewerten. Die Feldversuche haben gezeigt, dass ECl2 als innovative Behandlungstechnologie in der Lage ist, Trinkwasser und behandeltes Abwasser sicher zu desinfizieren. Darüber kann mittels ECl2 u.a. die Entfernung von Arsen aus verunreinigten Rohwässern als auch der Abbau von Spurenstoffen verbessert werden. Bei härterem Rohwasser steht die rasche Verkalkung der Kathoden jedoch einem wartungsarmen Betrieb der Anlagen, trotz Polumkehr, entgegen. Die Versuche haben ge-zeigt, dass ECl2-Systeme mit den hier verwendeten Elektrolysezellen, nur in Wässern mit einem Gesamthärtewert <200 mg/L CaCO3 zuverlässig arbeiten. Da Rohwässer häufig Konzentrationen >200 mg/L aufweisen, ist der Anwendungsbereich der ECl2 begrenzt und erfordert alternative Chlorierungstechnologien zur ursprünglich geplanten Inline-Elektrolyse. Bereits während Versuchen zur Abwasserdesinfektion in Spanien wurde daher das Pilotsystem technisch dahingehend angepasst, dass nur noch ein Teilstrom von 4 bis 23 % des zu behandelten Wasservolumens durch die Elektrode floss. Dadurch konnte die Bildung von Ablagerungen vollständig verhindert und ein zuverlässiger, nahezu wartungsfreier Betrieb sichergestellt werden. Je nach dem Chlorbedarf und der natürlichen Chloridkonzentration des Wassers erfordert diese Betriebsweise in der Regel jedoch die Zugabe von Chlorid. In Anbetracht der hier ermittelten erhöhten Prozessstabilität und dem erheblich reduzierten Energieverbrauch erscheint diese Zugabe vertretbar. Laborstudien haben auch gezeigt, dass die Bildung anorganischer Desinfektionsnebenprodukte bei den „onsite chlorine generation“ (OCG) Systemen kein Problem darstellt. Um die wirtschaftliche Machbarkeit der hier getesteten Trinkwasseraufbereitungssysteme unter Realbedingungen zu bewerten, wurden der Betrieb eines in Ägypten eingesetzten ECl2-Aufbereitungssystems und zweier in Tansania und Nepal eingesetzter OCG-Einheiten analysiert. Die Studie zeigt, dass die Betriebs- und Wartungskosten solcher Einheiten dauerhaft gedeckt werden können. Für den Aufbau der Infrastruktur sind jedoch Investitionen durch entsprechende Förderprogramme erforderlich. Die hier angewandten Verfahren zur Wasseraufbereitung können eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Trinkwasserversorgung insbesondere in ländlichen Entwicklungsregionen und der Wiederverwendung von aufbereiteten Abwässern spielen. / In 2017 nearly 2 billion people consumed water that was contaminated with feces, causing almost 500.000 diarrheal deaths. At the same time freshwater resources are depleted and water scarcity is already affecting 4 billion people worldwide. From a technical perspective the continuous supply of chemicals needed to ensure sufficient disinfection remains a major challenge in rural water treatment, and existing technical solutions to adequately disinfect water have failed in the past. This dissertation work evaluates the technical and economic feasibility of solar-driven inline electrolytic production of chlorine (ECl2), as an alternative to external chlorine supply. During ECl2 disinfection the water passes through the cell and chlorine is produced “inline” from the natural chloride content of the water. Under optimal conditions, no chemicals are required to safely disinfect drinking water and treated wastewater. Fur-thermore, the ability of ECl2 to enhance the removal of iron and arsenic from contaminated groundwater and to degrade Trace Organic Compounds (TOrC) when combined with UV were analyzed. All relevant tests have been conducted in long-term field studies in future deployment areas. This enabled the evaluation of potential operational challenges of such systems under real-world conditions. The experiences gathered from these field trials represent the major benefit of this dissertation work. The trials have shown that with ECl2 water can be safely disinfected and supplied with an adequate amount of residual disinfectant. Here, the combination with natural pre-treatment systems has proven to be beneficial. For the drinking water trial conducted in Uttarakhand, India, the ECl2 system received bank filtrate and achieved overall log re-moval rates of >5.0 for total coliforms and >3.5 for E. coli. For the disinfection of treated wastewater, the combination with a vertical flow constructed wetland (VFCW) has largely simplified the disinfection with chlorine by equalizing wastewater (WW) inlet quality fluctuations, removing ammonium, COD, and turbidity. This has also substantially reduced the chlorine demand of the water, and pathogen indicator-free conditions were achieved with log unit removals of 5.1 and ≥ 4.0 for total coliforms and E. coli, respectively. Wastewater reuse applications that go beyond irrigation become permissible through this approach and the use of limited freshwater resources can be substituted. Removal rates for arsenic and iron of 94 % and >99 % respectively were able to be achieved by treating contaminated groundwater with the combination of ECl2 and subsequent co-precipitation and filtration proposed here. Despite effluent concentrations up to 10 ± 4 µg/L for arsenic, strict WHO guideline values could not be met. Here further optimization requirements were identified. The removal rate for benzotriazole of 5% through ECl2 alone could be increased to 89 % when combined with UV lamps. Similar results were achieved for other selected TOrCs. Still, more advanced studies are required to understand the degradation process in detail, and to evaluate a potential increase in toxicity through the formation of transformation products. The field trials have shown that ECl2 as an innovative treatment technology is capable of safely disinfecting drinking water and treated wastewater. Its application also enhances the treatment of other contaminants evaluated. However, cathode scaling has been iden-tified as the most critical technical issue - despite the use of polarity inversion. ECl2 systems could only operate reliably in waters with total hardness value < 200 mg/L CaCO3. As such concentrations are rare, the fields of application of ECl2 are limited. This required other chlorination technologies as alternatives to the originally planned inline electrolysis. An initial derivative of an ECl2 system was also applied during a wastewater disinfection trial in Spain. In this setting the portion of water passing by the electrodes and therefore the quantities of scaling agents were reduced to between 4 and 23 % of the total water volume treated. With this approach, deposit formation was completely prevented and reliable, nearly maintenance-free operation was ensured. However, such onsite chlorine generation (OCG) units commonly require the addition of chloride. From the author’s perspective and the experience collected during the field trials, the addition of NaCl is justifiable considering the increased reliability of system operation. OCG offers further advantages regarding process stability and energy demand. Lab studies have also shown that the formation of inorganic disinfection byproducts has not been an issue with OCG systems. To evaluate the economic feasibility of the drinking water treatment systems tested in real-world scenarios, an ECl2 treatment system operating in Egypt and two OCG units operating in Tanzania and Nepal were analyzed. The study shows that long-term operation and maintenance costs of such units can be covered. However, seed investment is required for the construction of the initial infrastructure. Once those costs are covered, the treatment approaches presented here can sustainably play an important role in reducing the number of people consuming contaminated water, especially in rural developing regions.

Ziel der Studie: Untersucht wurde die Entfernung von Debris aus präparierten Vertiefungen in der Wurzelkanalwand extrahierter Zähne mit ultraschall- und schallaktivierter Spülung. Als Spüllösungen wurden Natriumhypochlorit und Nanopartikel verwendet.  Material und Methode: Es wurden 74 extrahierte, einwurzelige Zähne in sechs Gruppen (4 Hauptgruppen mit je 15 Zähnen und 2 Kontrollgruppen mit je 7 Zähnen) aufgeteilt. Die Zähne  gekürzt und mit Nickel-Titan-Instrumenten maschinell auf eine Größe von ISO 40/.04 präpariert und zwischen den Instrumenten wurde mit jeweils 2 ml 3%igem Natriumhypochlorit mit einer Handspritze gespült. Die Abschlussspülung erfolgte mit 5 ml EDTA (17%) und 5 ml NaOCl (3%). Mit einer Trennscheibe wurden die Zähne eingekerbt und longitudinal in zwei Zahnwurzelhälften gespalten. Anschließend wurde in jede Wurzelhälfte entweder eine Grube von 4 mm Länge oder 3 Löcher von 0,3 mm Durchmesser in die apikalen Anteile der Wurzelkanäle präpariert. Die Vertiefungen wurden mit Debris gefüllt und wieder zusammengesetzt. Die anschließende Spülung erfolgte mit der schallaktivierten Komet SF65-Spülfeile und der ultraschallaktivierten Acteon IrriSafe-Spülnadel der Größe ISO 20 jeweils mit Natriumhypochlorit und Nanopartikeln.  Die Handspülung mit Spritze und Kanüle der Größe 30 diente als Spültechnik für die Kontrollgruppen. Die Zähne wurden anschließend wieder getrennt und anhand von Fotografien von zwei Untersuchern anhand eines vierstufigen Score-Systems bewertet. Die statistische Auswertung erfolgte mit einem nichtparametrischen Analyseverfahren.  Ergebnis: Sowohl die ultraschall- als auch die schallaktivierte Spülspitze war in der Lage, mit Natriumhypochlorit alle oder fast alle Vertiefungen sehr gut zu reinigen. Die Nanopartikel reinigten lediglich in der Gruppe der schallbasierten Spülung die Vertiefungen ausreichend gut. Die Handspülung lieferte keine zufriedenstellenden Ergebnisse.

In der Aquakultur sind Kreislaufanlagen ein umweltfreundliches und wassersparendes Produktionsverfahren. Hohe Besatzdichten und das Prinzip der Wasserführung im Kreislauf führen jedoch auch zu einem erhöhten Risiko von Infektionskrankheiten. In dem hier beschriebenen Projekt wurde untersucht, wie sich niederfrequenter Ultraschall (nf-US) in Kombination mit der in der Aquakultur bewährten UV-C Bestrahlung zur Kontrolle von Pathogenen einsetzen lässt. Es wurden vergleichende Untersuchungen zur Effizienz von nf-US, UV-C und deren Kombination gegen prokaryotische und eukaryotische Modellorganismen durchgeführt. Während sich UV-C als sehr effektiv gegen Bakterien erwies, konnte die Gesamtkeimzahl mit nf-US nicht reduziert werden. Eine Vorbehandlung des Wassers mit nf-US verringerte jedoch die mittlere Größe der im Wasser suspendierten Partikel und konnte so die Effektivität von UV-C zur Inaktivierung von Bakterien verbessern. Zur Abtötung eukaryotioscher Organismen wird eine deutlich höhere UV-Dosis als zur Kontrolle von Bakterien benötigt. Eine starke Erhöhung der UV-C Dosis ist jedoch durch die dann mögliche photo-induzierte Bildung von Nitrit aus Nitrat limitiert. Alternativ könnte nf-US zur Abtötung eukariotischer Parasiten verwendet werden. Unterschiedlichen Organismen unterscheiden sich stark in ihrer Empfindlichkeit gegenüber nf-US, wobei sich die dosisabhängige Abtötung sehr gut mit Funktionen einer exponentiellen Abnahme beschreiben lässt. Die toxikologische Untersuchung des mit UV-C und/oder nf-US behandelten Wassers mit dem Fischeitest und dem Leuchtbakterientest ergab keinen Hinweis auf die Bildung toxischer Nebenprodukte. Diese Studie zeigt, dass nf-US mit Dosen, die gegen eine Vielzahl an Parasiten wie Ciliaten, Nematoden und Crustaceen wirksam sind, sicher eingesetzt werden kann. Die Kombination von nf-US und UV-C könnte ein geeignetes Verfahren sein, um alle relevanten Pathogene in Kreislaufanlagen zu kontrollieren. / Recirculating aquaculture systems are well-known as environmentally friendly and high water-efficient production systems. The high stocking densities and low water exchange leads to an increased risk of infectious diseases. In this project the combination of low frequency ultrasound (LFUS) with ultraviolet-C (UV-C) light for the control of pathogens was studied. A comparative study about the efficiency of LFUS, UV-C and their combination against prokaryotic and eukaryotic model organisms was performed. Against bacteria, the application of UV-C was very effective, while the application of LFUS was not effective. However, a pretreatment of the water with LFUS decreased the average size of the suspended particles and improved the bactericidal effect of UV-C light. Compared to the low bactericidal dose of UV-C, a much higher UV-C dose was required for inactivation of eukaryotic model organisms. A significant increase of UV-C dose, however, can be limited by the possible photo-induced formation of nitrite from nitrate. Alternatively, LFUS can be used to kill eukaryotic parasites. However, the efficiency of LFUS differed greatly between species and can be well described by functions of an exponential decay. The evaluation of whole effluent toxicity by using the fish egg test and luminescent bacteria test revealed no evidence of toxic disinfection by-products formation during UV-C irradiation and/or LFUS sonication. This study shows that LFUS can be applied safely at energy densities that are effective against a wide range of eukaryotic parasites like ciliates, nematodes and crustaceans. The combination of LFUS and UV-C could provide an appropriate water treatment with respect to all relevant pathogens in recirculating aquaculture systems.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden zwei verschiedene Klassen oxidischer Nanomaterialien nasschemisch synthetisiert und strukturell-morphologisch charakterisiert. Zum einen betrifft dies TiO2-, TiO2/SiO2-, Ag/TiO2- und Pd/TiO2-Sole, welche die photokatalytisch aktive Modifikation Anatas in nanokristalliner Form enthalten und über einen solvothermalen Sol-Gel-Prozess hergestellt werden konnten. Im Hinblick auf eine potentielle Anwendung in der Desinfektionstechnologie und für den Abbau organischer Umweltschadstoffe wurde die photokatalytische Aktivität von Pulvern und Beschichtungen auf Textil durch E. coli-Abtötung bzw. Modellfarbstoffabbau untersucht. Im Weiteren wurde die antimikrobielle Aktivität pyroelektrischer LiNbO3- und LiTaO3-Pulvermaterialien unter zyklischer thermischer Anregung nachgewiesen. Diese als Pyroelektrokatalyse bezeichnete Nutzung des pyroelektrischen Effektes in einem katalytischen bzw. elektrochemischen Prozess ist dabei von grundlegender Neuheit. Aufsetzend auf den physiko-chemischen Grundlagen dieses Phänomens wurde eine Hypothese des Mechanismus entwickelt und in Analogie zur Photokatalyse diskutiert. / This thesis deals with two classes of oxidic nanomaterials that were synthesized by chemical solution routes and characterized with respect to structure and morphology. Sols of TiO2, TiO2/SiO2, Ag/TiO2 and Pd/TiO2 containing the photocatalytically active modification anatase in nanocrystalline form were prepared via a solvothermal sol-gel process. With regard to potential application in disinfection and environmental remediation technology the photocatalytic activity of powders and coatings on textile was investigated by means of E. coli decomposition and organic dye degradation. Further the antimicrobial activity of pyroelectric LiNbO3 and LiTaO3 powder materials under cyclical thermal excitation was demonstrated. In this context the application of the pyroelectric effect in a catalytic or electrochemical process – termed as pyroelectrocatalysis – is of fundamental novelty. Based on the physico-chemical principles of the phenomenon a hypothesis of the mechanism was developed and discussed in analogy with photocatalysis.

Diese Arbeit untersucht den Einsatz von keramischen Materialien in der Trinkwasseraufbereitung mittels Filtration und fokussiert dabei die Entfernung von Viren. Herkömmliche, auf Kieselgur basierende Tiefenfilter (Filterkerzen) mit Porengrößen im unteren Mikrometerbereich, werden hinsichtlich ihres Rückhaltevermögens gegenüber Kolloiden (Viren sowie Polystyrolpartikel) untersucht, um deren Einsatzfähigkeit in der Entfernung von Mikroorganismen im Allgemeinen abschätzen zu können. Ferner wird gezeigt, wie durch ein einfaches Verfahren solche Filter modifiziert werden können, um auch kleinste Viren mit ca. 30 nm Durchmessern aus dem Rohwasser zu entfernen. Die Zugabe von MgO während der Granulierungsstufe im Herstellungsprozess der Filterkerzen bewirkt eine erhebliche Verbesserung des Virenrückhalts bis zu über 99.9999%. Die experimentellen Ergebnisse wurden dabei mit theoretischen Modellen verglichen, um Aussagen über die Mechanismen der Virenentfernung treffen zu können.

Einführung: Enterobacter (E.) cloacae subsp. cloacae sind wichtige Humanpathogene, insbesondere bei stationär untergebrachten Patienten. Sie sind in der Lage, Medizinprodukte zu kontaminieren, und es wurde über nosokomiale Krankheitsausbrüche in Verbindung mit der Kolonisation von chirurgischen Utensilien berichtet. Es ist daher wichtig, die Wirksamkeit und Effizienz von Desinfektionsmitteln gegenüber dieser Bakterienart zu bestimmen. Ziele: Die aktuelle Studie wurde durchgeführt, um nachzuweisen, ob Peressigsäure, Ethanol, Benzalkoniumchlorid und Natriumhypochlorit, welche weit verbreitet in kommerziellen Desinfektionsmitteln enthalten sind, eine ausreichende Wirksamkeit gegen multiresistente, von Patienten im Krankenhaus isolierte, E. cloacae aufweisen. Material und Methoden: Sechs multiresistente E. cloacae Isolate, die von Patienten in einem klinischen Umfeld gewonnen wurden, wurden getestet und mit dem E. cloacae Typstamm verglichen. Die Studien wurden in vitro mit Peressigsäure, Ethanol, Benzalkoniumchlorid und Natriumhypochlorit nach den Richtlinien der Desinfektionsmittel-Kommission des Verbundes für Angewandte Hygiene e.V. durchgeführt. Die Tests umfassten qualitative und quantitative Suspensionstests zur Bestimmung der bakteriziden Wirkung, den sogenannten Keimträgertest und die Bestimmung der minimalen Hemmkonzentrationen. Ergebnisse: Die Studienergebnisse zeigten, dass multiresistente E. cloacae Stämme genauso empfindlich gegenüber Desinfektionsmitteln waren wie der Typstamm. Organische Belastung interagierte stark mit Natriumhypochlorit und minderte dadurch seine Wirksamkeit, während Peressigsäure und Ethanol nicht durch organische Verunreinigung beeinflusst wurden. Die Kontaktzeit hatte nur einen geringen Einfluss auf die bakterizide Wirkung. Im Gegensatz dazu spielten bei Benzalkoniumchlorid organische Verunreinigung und die Kontaktzeit eine wichtige Rolle. Insgesamt waren die minimalen Hemmkonzentrationen und die bakterizid wirksamen Konzentrationen niedriger als die für kommerzielle Produkte gebräuchlichen Konzentrationen. In den Keimträgertests hatte das Trocknen auf einer glatten Oberfläche einen Einfluss auf das Überleben eines Stammes von E. cloacae. Die Ergebnisse zeigten auch, dass sich die Wirksamkeit der Desinfektionsmittel in den verschiedenen verwendeten Tests deutlich unterscheiden kann. Die Ergebnisse waren schwer mit anderen Studien zu vergleichen, da eine internationale Durchführungsrichtlinie für die Prüfung der Wirksamkeit von Desinfektionsmitteln gegen multiresistente Bakterien fehlt. Fazit: Peressigsäure, Ethanol, Benzalkoniumchlorid und Natriumhypochlorit eignen sich zur Desinfektion von multiresistenten E. cloacae. Die Wirksamkeit von Natriumhypochlorit und Benzalkoniumchlorid wird jedoch stark durch organische Stoffe beeinflusst. Dies unterstreicht die Bedeutung geeigneter Reinigungsmaßnahmen vor der Desinfektion. Wenn dies erfolgt ist, erweisen sich die getesteten Desinfektionsmittel gegen multiresistente E. cloacae genauso effektiv wie gegen den Typstamm.:1. Introduction ............................................................ 1 2. Literature Review ....................................................... 3 2.1 Enterobacteriaceae ..................................................... 4 2.1.1 General properties ................................................... 4 2.1.2 Enterobacter cloacae complex ......................................... 4 2.2 Multidrug-resistant bacteria and disinfectant “resistance” ............. 6 2.3 Disinfectant testing ................................................... 7 2.4 Active substances investigated in this study ........................... 8 2.4.1 Peracetic acid (PAA) ................................................. 8 2.4.2 Ethanol (ETH) ........................................................ 9 2.4.3 Benzalkonium chloride (BKC) .......................................... 9 2.4.4 Sodium hypochlorite (NaOCl) .......................................... 10 3. Materials and Methods ................................................... 11 3.1 Materials .............................................................. 11 3.2 Methods ................................................................ 14 3.2.1 Culture and storage of bacteria ...................................... 14 3.2.2 Preparation of disinfectants and the neutralizing agent .............. 14 3.2.3 Minimum inhibitory concentration (MIC) ............................... 15 3.2.4 Qualitative suspension test .......................................... 15 3.2.5 Quantitative suspension test.......................................... 16 3.2.6 Surface disinfection without mechanical action (germ carrier test) ... 16 3.2.7 Statistical analysis ................................................. 17 4. Results ................................................................. 18 4.1 Minimum inhibitory concentrations ...................................... 18 4.2 Qualitative suspension tests ........................................... 18 4.3 Quantitative suspension tests .......................................... 21 4.4 Surface disinfection without mechanical action (germ carrier test) ..... 24 5. Discussion .............................................................. 28 6. Summary ................................................................. 31 7. Zusammenfassung ......................................................... 33 8. References .............................................................. 35 9. Appendix ................................................................ 49 Acknowledgments ............................................................ 50 / Introduction: Enterobacter (E.) cloacae subsp. cloacae are important human pathogens, particularly in hospitalized patients. They tend to contaminate various medical devices and nosocomial outbreaks have been reported to be associated with the colonization of surgical equipment. Therefore, it is critical to determine the efficacy and effectiveness of disinfectants against this bacterial species. Objectives: The current study was undertaken to prove whether single active ingredients (i.e. peracetic acid, ethanol, benzalkonium chloride, and sodium hypochlorite) of widely used commercial disinfectants provide proper efficacy against multidrug-resistant human isolates of E. cloacae. Material and Methods: Six multidrug-resistant E. cloacae isolates obtained from patients in a clinical setting were tested and compared to the E. cloacae type strain. The studies were performed in vitro using peracetic acid, ethanol, benzalkonium chloride and sodium hypochlorite following the guidelines specified by the Disinfectants Commission within the Association of Applied Hygiene. Tests included determination of minimum inhibitory concentrations, bactericidal values by qualitative and quantitative suspension tests, and so-called germ carrier tests. The influence of exposure time and organic load on bacteriostatic and bactericidal concentrations was evaluated for each disinfectant using the two-tailed Mann-Whitney U-test. Results: Study results showed that multidrug-resistant E. cloacae strains were equally susceptible to disinfectants as the type strain. Organic matter highly interfered with sodium hypochlorite thereby decreasing its efficacy whereas peracetic acid and ethanol were not influenced by organic soiling. Contact time had only a minor effect on bactericidal values. This was in contrast to benzalkonium chloride where organic soiling and contact time played an important role. On the whole, minimum inhibitory concentrations and bactericidal concentrations were lower than in-use concentrations of commercial products. Drying on smooth surfaces in the carrier tests had an effect on the survival of one E. cloacae strain. Results also showed that efficacious values determined by the different tests used may differ distinctly. Results were difficult to compare with other studies because an international practical standard for testing disinfectant efficacy against multidrug-resistant bacteria is missing. Conclusion: Peracetic acid, ethanol, benzalkonium chloride and sodium hypochlorite are suitable to disinfect multidrug-resistant E. cloacae but the effectiveness of sodium hypochlorite and benzalkonium chloride is strongly influenced by organic matter. This underlines the importance of proper cleaning measures before disinfection. When this is done, the tested disinfectants proved to be as efficient against multidrug-resistant E. cloacae as against the type strain.:1. Introduction ............................................................ 1 2. Literature Review ....................................................... 3 2.1 Enterobacteriaceae ..................................................... 4 2.1.1 General properties ................................................... 4 2.1.2 Enterobacter cloacae complex ......................................... 4 2.2 Multidrug-resistant bacteria and disinfectant “resistance” ............. 6 2.3 Disinfectant testing ................................................... 7 2.4 Active substances investigated in this study ........................... 8 2.4.1 Peracetic acid (PAA) ................................................. 8 2.4.2 Ethanol (ETH) ........................................................ 9 2.4.3 Benzalkonium chloride (BKC) .......................................... 9 2.4.4 Sodium hypochlorite (NaOCl) .......................................... 10 3. Materials and Methods ................................................... 11 3.1 Materials .............................................................. 11 3.2 Methods ................................................................ 14 3.2.1 Culture and storage of bacteria ...................................... 14 3.2.2 Preparation of disinfectants and the neutralizing agent .............. 14 3.2.3 Minimum inhibitory concentration (MIC) ............................... 15 3.2.4 Qualitative suspension test .......................................... 15 3.2.5 Quantitative suspension test.......................................... 16 3.2.6 Surface disinfection without mechanical action (germ carrier test) ... 16 3.2.7 Statistical analysis ................................................. 17 4. Results ................................................................. 18 4.1 Minimum inhibitory concentrations ...................................... 18 4.2 Qualitative suspension tests ........................................... 18 4.3 Quantitative suspension tests .......................................... 21 4.4 Surface disinfection without mechanical action (germ carrier test) ..... 24 5. Discussion .............................................................. 28 6. Summary ................................................................. 31 7. Zusammenfassung ......................................................... 33 8. References .............................................................. 35 9. Appendix ................................................................ 49 Acknowledgments ............................................................ 50

Diese Arbeit untersucht den Einsatz von keramischen Materialien in der Trinkwasseraufbereitung mittels Filtration und fokussiert dabei die Entfernung von Viren. Herkömmliche, auf Kieselgur basierende Tiefenfilter (Filterkerzen) mit Porengrößen im unteren Mikrometerbereich, werden hinsichtlich ihres Rückhaltevermögens gegenüber Kolloiden (Viren sowie Polystyrolpartikel) untersucht, um deren Einsatzfähigkeit in der Entfernung von Mikroorganismen im Allgemeinen abschätzen zu können. Ferner wird gezeigt, wie durch ein einfaches Verfahren solche Filter modifiziert werden können, um auch kleinste Viren mit ca. 30 nm Durchmessern aus dem Rohwasser zu entfernen. Die Zugabe von MgO während der Granulierungsstufe im Herstellungsprozess der Filterkerzen bewirkt eine erhebliche Verbesserung des Virenrückhalts bis zu über 99.9999%. Die experimentellen Ergebnisse wurden dabei mit theoretischen Modellen verglichen, um Aussagen über die Mechanismen der Virenentfernung treffen zu können.:Contents Chapter I Introduction 1 Chapter II Removal or inactivation of microorganisms, in particular viruses, for drinking water purposes with focus on small-scale, decentralised systems: A literature review 7 II. I Physical and chemical treatments 8 II. II Filtration processes 10 II. III Conclusions 15 Chapter III Mechanisms of adsorption in depth filtration 17 III.I Surface charge and the electrical double layer 18 III.II van der Waals interactions 22 III.III DLVO theory 23 III.IV Non-DLVO forces 25 III.V Extended DLVO Theory 27 Chapter IV Virus adsorption studies 29 IV.I A literature review 30 IV.I.I Virus concentration by adsorption-elution 33 IV.I.II Improved virus adsorption in filtration 35 IV.II The electrostatic enhanced adsorption approach 37 Chapter V Viruses 39 V.I Literature review 40 V.I.I Structure and morphology 40 V.I.II The viral life cycle 41 V.I.III Human pathogenic viruses in the aquatic environment 42 V.II Experimental 46 V.II.I The choice of viruses for adsorption studies 46 V.II.II Propagation and enumeration of the bacteriophages 48 V.II.III Characterisation of bacteriophages 51 V.III Results and discussion 54 V.III.I Production of high-titre and high-purity phage stocks 54 V.III.II Characteristics of bacteriophages 59 V.III.III Detection of a viral contaminant - the ‘Siphophage’ 64 Chapter VI The diatomaceous earth-based depth filter 69 VI.I Literature review 70 VI.I.I Diatomaceous earth 70 VI.I.II Retention of microorganisms in the DE-based depth filter 71 VI.II Experimental 73 VI.II.I Manufacturing the depth filter 73 VI.II.II Physical characterisation 74 VI.II.III Performing filter retention tests 75 VI.II.IV Latex retention test 76 VI.II.V Studying adsorption kinetics in a batch experiment 79 VI.II.VI Applying (X-)DLVO theory 80 VI.III Results and discussion 83 VI.III.I Characterisation of the depth filter 83 VI.III.II Latex removal in the depth filter 86 VI.III.III Filter performance on virus removal 94 VI.III.IV Batch-sorption experiments 99 VI.IV Summary and conclusions 102 Chapter VII The magnesium oxide modified depth filter 103 VII.I Experimental 104 VII.I.I Choice of the adsorbent material 104 VII.I.II Manufacturing the MgO-modified filter and characterisation methods 105 VII.II Results and discussion 106 VII.II.I The adsorbent: Magnesium oxide powder 106 VII.II.II Physical characterisation of modified depth filters 108 VII.II.III Virus removal in depth filters containing MgO 113 VII.II.IV Ageing behaviour of MgO modified filters 118 VII.II.V Discussion on the removal mechanisms 130 VII.III Summary and conclusions 134 Chapter VIII Summary, conclusions and outlook 135 VIII.I Summary and conclusions 136 VIII.II Outlook 137 Abbreviations, symbols and physical constants 139 Reference list 142

The Swedish water sector faces many challenges in terms of climate change, worn out facilities and distribution systems as many of them were built in the 50-, 60- and 70s, but also increased cyber security concerns. Collaborations between different actors are therefore required to address these challenges. This thesis work's purpose is to examine the opportunities a collaboration between water treatment plants could bring for the water sector to achieve a more sustainable drinking water production. The purpose is also to examine the most efficient way to establish a collaboration between them through digital means. A workshop and several interviews with representatives from different water treatment plants were conducted to gather information on possibilities of data/information sharing between them, but also to make a security classification of data/information generated at the water treatment plants. The representatives included process engineers, process technicians, security associates and an associate at Svenskt vatten, an interest organization for the water sector. The result showed that data/information sharing is already taking place in the sector under limited conditions. Smaller VA organizations have more challenges due to lack of skilled workers, partners and time. It is difficult for many in the sector to know where to turn to when in need of help, particularly for smaller VA organizations who usually are the ones with fewer contact networks. It is not to say that only smaller VA organizations are affected but they are more likely to lack contact with other water organizations. The majority of water treatment plants agree on that data/information on treatment processes would be allowed to share under limited conditions. The information classification is a matter for each plant due to different security realities which determines the information classification. This makes it difficult to decide on what parameters could be shared by every water treatment plant. This needs to be investigated further in order to determine what data/information could be shared by most water treatment plants on a platform. Most participants thought that a platform of some kind would be the best solution to simplify data/information sharing between water treatment plants. The suggested platform is a good start for making contacts between water treatment plants and has the potential to enable storage and sharing of data/information in the future. / Den svenska VA sektorn står inför många utmaningar så som klimatförändringar, slitna anläggningar och distributionsnät då många av dem byggdes under 50-, 60- och 70-talet. Även oron kring cybersäkerheten ökar. Samarbeten mellan olika aktörer krävs för att lösa dessa utmaningar. Syftet med examensarbetet är att undersöka de möjligheter som samarbeten mellan vattenverk skulle medföra för att nå en mer hållbar dricksvattenproduktion. Syftet är också att undersöka det mest effektiva sättet att få till ett samarbete mellan vattenverken med digitala medel. En workshop och flertalet intervjuer genomfördes med olika representanter från vattenverk för att samla information om möjligheten med att dela data/information mellan dem. Men också för att göra en säkerhetsklassning av data/information som genereras på vattenverken. Representanterna inkluderade processingenjörer, processtekniker, säkerhetsansvariga samt en medarbetare från Svenskt vatten, en intresseorganisation för vattensektorn. Resultatet visade att delning av data/information redan sker inom sektorn, dock under begränsade former. Mindre VA organisationer har fler utmaningar på grund av brist på anställda med rätt kompetens, samarbetspartners och tid. Många inom sektorn har utmaningar när det kommer till att söka och få hjälp, särskilt för de mindre VA organisationerna som vanligtvis har färre kontakter. Men de är inte bara de små som är påverkade av detta problem, men det är vanligare att de inte har kontakter med andra VA organisationer. De flesta vattenverken ansåg att data/information från reningssteg skulle vara möjligt att dela under begränsade former. Informationssäkerhetsklassning är en enskild fråga för varje vattenverk som baseras på de hot som varje vattenverk står inför. Detta medför att det är svårt att bestämma vilken data/information som kan delas av varje vattenverk. Detta område behöver vidare utredas innan ett beslut kan fattas om vilken data/information alla vattenverk ska dela på en plattform. De flesta deltagarna tyckte att en plattform av något slag skulle vara lösningen för att förenkla delning av data/information mellan vattenverken. Den föreslagna plattformen är en bra start för vattenverk att skapa kontakter och har potentialen att möjliggöra lagring och delning av data/information i framtiden.

Der Einfluss des Biofilms, der Inkrustation, der Fließgeschwindigkeit und der Wasserqualität auf die Freisetzung von PAK wurde in Batch-, Drehkolbenreaktorversuchen und an einem Rohrleitungssystem untersucht. Chlorung von tauchgeteerten Edelstahlcoupons mit Biofilm führten zu einer fast vollständigen Ablösung des Biofilms und einer Zunahme der Freisetzung von Fluoren, Phenanthren und Fluoranthen. Die PAK-Freisetzung von tauchgeteerten Edelstahlcou-pons in einer Lösung von Trinkwasser mit 0,1% Natriumazid als Hemmstoff der Atmungskette, der den Biofilm nicht ablöst, führten zu einer Zunahme aller untersuchten PAK in der gleichen Größenordnung wie ohne Bio-film. In chloriertem Teerleachat wurden unter der teilweisen Anwendung einer einfachen Methode der kontinu-ierlichen Extraktion folgende PAK-Derivate analysiert: Chloracenaphthen, 1-Chlorpyren, 9-Fluorenon, Anthron. Da Reaktionsprodukte von Phenanthren und Fluoranthen nicht gefunden werden konnten, wird eine Weiterreaktion zu 9-Fluorenon vorgeschlagen, die durch die Pechoberfläche katalysiert wird. Instationäre Korrosion und nicht vorhandener aerober Abbau sind die Gründe für eine PAK-Zunahme während Stagnationphasen. / The influence of biofilm, encrustation, flow velocity and water quality on the release of PAHs was investigated in batch, continuously flown reactor experiments and in a pipe rig system. Chlorination of coal-tar coated stainless steel slides with biofilm resulted in an almost complete removal of the biofilm and an increase of the release of fluorene, phenanthrene and fluoranthene. PAH release of coal-tar coated stainless steel slides exposed to a solution of drinking water with 0,1% sodium azide as an inhibitor of the respiratory chain which did not remove the biofilm led to an increase of all observed PAHs up to the same magnitude as without biofilm. In chlorinated coal-tar leachate the following derivatives were detected while partly utilizing an easy method for a continuously extrac-tion: chloroacenaphthene, 1-chloropyrene, 9-fluorenone, anthrone. While reaction products of phenanthrene and fluoranthene could not be found a further reaction to 9-fluorenone catalysed by the coal-tar surface is proposed. Instationary corrosion and no aerobic degradation are the reasons for PAH increase during stagnation periods.

According to estimates of the United Nations Environment Programme (UNEP), more than 1.8 billion people will be living in countries or regions with absolute water scarcity by 2025. The pressure on water resources is increased not only in arid and semiarid regions, but also in fast growing megacities around the world as a result of, amongst other factors, the changing nutritional and consumer behavior (rising living standards). Over 90 % of the annual water consumption of the newly industrializing and developing countries in the arid and semiarid climate zone is used for agricultural irrigation to ensure the nutrition of the population. Thus, since the beginning of the 20th century, the planned/controlled reuse of wastewater has developed into a central task of the sustainable water resources management. Wastewater represents a valuable resource in view of its composition (e. g. nutrients P, N for soil fertilizing) and its reliable, weather-independent availability in every household. The establishment of a closed-loop water management can enhance the efficiency of water usage. Therefore, activities in research and development are currently focused on decentralized and semi-centralized concepts, since their structures offer better conditions for the establishment of closed-loop systems and innovations in wastewater technology can be implemented more easily. In general, the hygienic quality requirements for wastewater reuse are predominantly oriented towards the planned usage. These are, in turn, regulated by thresholds and guidance values, e. g. for faecal indicator bacteria (e. g. faecal coliforms: E. coli), in widely differing norms and legal provisions specific to the respective countries. In Germany since 2005, small wastewater treatment plants can obtain the discharge class +H by the German Institute for Civil Engineering (DIBt: Deutsches Institut für Bautechnik) if secondary effluents contain less than 100 faecal coliforms (E. coli) per 100 mL. This ensures a safe effluent seepage in karst and water protection areas. Due to the infectious risk caused by a multitude of pathogens (bacteria, viruses, worm eggs, protozoa) which are still contained in wastewater after mechanical-biological treatment, specific disinfection methods are indispensable for their satisfactory reduction. Demands on disinfection methods for wastewater reclamation are quite complex. They should be characterized by a high and constant disinfection efficiency at low or moderate formation of disinfection by-products. The reclaimed wastewater should be able to be stored safely. Moreover, the disinfection method should be technically simple, scaleable, space-saving, subjected to low maintenance and realized at moderate investment and operating costs without applying external toxic chemicals. Established methods in decentralized wastewater disinfection are mainly based on membrane and UV technologies. However, these methods are currently working under high operating costs (high maintenance and cleaning efforts). Furthermore, the high investment costs of the membrane filtration are disadvantageous. In addition, both methods do not provide a disinfection residual. Thus, further research is required for the development and testing of alternative disinfection technologies. Against this background, the applicability of the electrolysis and UV/electrolysis hybrid technology for the decentralized wastewater reclamation was investigated and assessed in this dissertation. Results have shown that the electrochemical disinfection of biologically treated wastewater represents an efficient method at temperatures of > 6 °C, pH values of < 8.5 and DOC con-centrations of < 22 mg L-1. Under these conditions, an E. coli reduction of four log levels was achieved at a concentration of free chlorine ranging from 0.4 mg L-1 to 0.6 mg L-1 and at an after-reaction time of 15...20 min. However, it becomes simultaneously apparent that low temperatures, high pH values and high DOC concentrations are limiting parameters for this disinfection method to reclaim biologically treated wastewater. A high energy consumption of the electrolysis cell equipped with boron-doped diamond (BDD) electrodes (2...2.6 kWh m-3) represents a further unfavourable effect. Moreover, the undesired formation of chlorate (c = 1.3 mg L-1) and perchlorate (c = 18 mg L-1) at BDD electrodes can be considered as critical, since these disinfection by-products are, amongst others, human-toxicologically relevant. The concentration of adsorbable organically bound halogens (AOX) and trihalomethanes (THMs) proved to be marginal to moderate. Due to the synergistic effect of the combined application of UV irradiation (primary disinfection method) and electrolysis, the disadvantages of the single methods can be compensated. Decisive drawbacks of UV irradiation are photo and dark repair mechanisms of reversibly damaged bacteria. It was observed that the reactivation of reversibly UV-damaged E. coli even occurs at low temperatures (T = 10 °C) and strongly differing pH values (pH = 5.7...8.1) as well as at low light intensities and in darkness to an extent excluding a safe usage and storage of the reclaimed wastewater. The reactivation processes might be lowered by increased UV fluences. However, this is limited by high concentrations of total suspended solids (TSS). In spite of high UV fluences of > 400 J m-1, no complete removal of E. coli bacteria can be achieved at TSS concentrations of > 17 mg L-1. Therefore, it is indispensable to prevent bacterial reactivation caused by photo and dark repair processes. This topic was studied in the current work by electrochemically produced oxidants using an electrolysis cell positioned downstream of the UV unit. Results have shown that photo and dark reactivation were completely prevented by oxidants in a total concentration of 0.5...0.6 mg L-1 at a TSS concentration of 8...11 mg L-1, at pH values ranging from 5.7 to 8.1 and at temperatures ranging from 10 °C to 30 °C (t = 24....72 h). Even at a high TSS concentration of 75 mg L-1, the reactivation of E. coli (ctotal oxidants = 1.8 mg L-1) and, up to a TSS concentration of 32 mg L-1, the reactivation of total coliforms (except E. coli, ctotal oxidants = 1.0 mg L-1) can be prevented at a high initial germ concentration of 2…3 105 per 100 mL. The lowest energy consumption could be observed when mixed oxide electrodes (MOX electrodes) were applied. This result and the fact that no chlorate and perchlorate were observed at MOX electrodes argue for the application of these electrodes in practice. All in all, the UV/electrolysis hybrid technology represents an energy-efficient method for reclamation of biologically treated wastewater with TSS concentrations ranging from < 11 to 32 mg L-1 (E = 0.17…0.24 kWh m-3, MOX electrodes). Thereby, the reclaimed wastewater meet the hygienic quality requirements for a multitude of reuse categories starting from agricultural irrigation to urban and recreational reuse. Moreover, the requirements of the discharge class +H (100 faecal coliforms (E. coli) per 100 mL) are complied with reliably. The operational stability of the UV/electrolysis hybrid technology should also be ensured within the required maintenance intervals (t > 6 months). The undesired formation of coverings caused by biofouling processes on quartz glass surfaces could be prevented by electrochemically produced oxidants in a total concentration of 1 mg L-1 within an experimental duration of 5.5 months. However, the application of the UV/electrolysis hybrid technology is limited by increased particle concentrations and faecal loadings (initial E. coli concentration). The resulting enhanced demand of electrochemically produced oxidants for the prevention of bacterial reactivation results in a considerable increase of the electric charge input and energy consumption.