The use of numerical models has become state of the art in planning, designing and analysing the urban sewage system. To evaluate the functioning of a complete system and to study the interaction of its subsystems integrated models can be used, incorporating catchment area, collection system, wastewater treatment plant and also receiving water and groundwater body. The paper introduces a structured, problem-oriented methodology for the setup of integrated models. Considering the case study of Berlin the introduced approach is illustrated. An emphasis is placed on the necessity for the selection of adequate model components. In Berlin this aspect is of particular importance for the modelling of wastewater transport through pressure mains that is governed predominantly by pump stations. Finally, the use of the Berlin model for the evaluation of a global pump station control concept is presented. It can be shown that besides the possibility of total system analysis and evaluation a major benefit from integrated modelling is the consideration of the interaction of the system’s subcomponents.

Biofoulingprozesse bereiten in kommunalen und industriellen wasserführenden Leitungssystemen große Probleme. Um dem rechtzeitig entgegenwirken zu können, müssen solche Belagsbildungen frühzeitig erkannt werden. In diesem Zusammenhang wurde eine neuentwickelte optische Messsonde von 3 in Berlin ansässigen Industriepartnern in Zusammenarbeit mit der TU-Berlin auf die praktische Eignung für die Detektion von Biofilmen, und damit hinsichtlich ihres Einsatzpotentials in der Wasserwirtschaft untersucht. Der eingesetzte optische Sensor zeichnet sich dadurch aus, dass gleichzeitig bis zu 4 verschiedene optische Parameter bei bis zu 4 verschiedenen Wellenlängen online erfasst werden können. In den Experimenten wurden Zusammenhänge zwischen den Messsignalen und der Biofilmbildung dokumentiert, durch begleitende chemisch/physikalische und mikrobiologische Untersuchungen verifiziert und erste Ansätze für den Einsatz einer solchen Sonde in wasserführenden Rohrsystemen erarbeitet. Die Versuche wurden in zwei Abschnitten durchgeführt, wobei jeweils ein durchströmter Rohrreakor zum Einsatz kam, der neben der Messsonde mit Referenzsonden ausgestattet war. Dadurch wurden zusätzliche Bewuchsflächen auf identischen optischen Fenstern geschaffen, die über einen längeren Zeitraum begleitend mikrobiologisch analysiert werden konnten. Im ersten Versuchsabschnitt wurde der Reaktor mit dem Ablauf der Kläranlage Ruhleben beschickt, um bei hoher Substratkonzentration in kurzer Zeit Informationen über das Ansprechverhalten der Messsonde zu erhalten und eine erste Abstimmung des optischen Systems vornehmen zu können. Zwischen dem gemessenen TOC und BDOC und der Zellzahlentwicklung (DAPI-Test) resultierten übereinstimmende Tendenzen, zwischen der Biofilmdicke und den optischen Parametern war eine grobe Korrelation erkennbar. In den im zweiten Versuchsabschnitt mit Trinkwasser durchgeführten Experimenten korrelierten die mit dem Fouling-Sensor gemessen optischen Daten gut mit den Zellzahlen, die auf den optischen Fenstern der Referenzsonden gemessen wurden. Ein Vergleich der spektroskopischen Laboruntersuchungen von Ablaufproben des Reaktors mit den Messdaten der optischen Sonde lässt den Schluss zu, dass die dokumentierten optischen Messwerte tatsächlich durch Belagseinflüsse und nicht durch das Freiwasser bedingt sind. Bei differenzierter Betrachtung der Ergebnisse korrelierten die Absorptionsdaten der Messsonde mit der mikrobiologisch gemessenen Zellzahlentwicklung in der Aufwuchsphase sehr gut, während die Streu- und Fluoreszenzparameter ein anderes dynamisches Verhalten zeigten. Schnelle Adsorptionsprozesse durch Wasserinhaltsstoffe wie z.B. Huminstoffe, die neben der relativ langsamen Zellvermehrung in der Aufwuchsphase charakteristisch sind, spiegelten sich besonders in einem relativ starken Anstieg des Fluoreszenzsignals wider. Bei geänderten experimentellen Bedingungen, wie z.B. Temperatur oder Nährstoffangebot, zeigten die optischen Parameter Absorption, Streuung und Fluoreszenz ein unterschiedliches Verhalten, das auch von der gewählten Wellenlänge abhängig ist. Beispielsweise zeigte die Streuung im nahen Infrarotbereich (NIR) im Gegensatz zur bei unterschiedlichen Wellenlängen gemessenen UV-Streuung einen deutlichen Anstieg. Eine Unterbrechung der Nährstoffgabe hatte parallel zu einer leichten Abnahme der Zellzahl auch eine leichte Abnahme der optischen Streuungs- und Absorptionsparameter zur Folge. In den Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass der eingesetzte optische Sensor ein großes Potenzial bei der Erfassung von Biofoulingprozessen besitzt, wobei die Messung mehrerer optischer Parameter bei unterschiedlichen Wellenlängen erforderlich ist. Diese ersten Untersuchungen zeigten auch sehr deutlich, dass hinsichtlich der Interpretation der gewonnenen Daten noch nicht alle Möglichkeiten des Sensors ausgeschöpft sind. So lassen die gemessenen Daten vermuten, dass mit den optischen Parametern weitere biochemische Parameter, wie zum Beispiel NAD/NADH, erfasst wurden, womit ein sehr guter Hinweis auf die Stoffwechselaktivität der Zellen im Biofilm gegeben wäre. Um der Wasserwirtschaft ein geeignetes Werkzeug zur Verfügung stellen zu können, müssen die bisherigen Ergebnisse bestätigt werden. Insbesondere ist zu zeigen, inwieweit beginnende und fortgeschrittene Stadien von Foulingprozessen in verschiedenen und komplexen Medien sicher erkannt und dokumentiert werden können. Außerdem müssen Zusammenhänge zwischen den optischen Parametern und den unterschiedlichen Vorgängen während der Biofilmbildung im Detail erfasst werden, um Algorithmen und Kalibrierfunktionen zu entwickeln, die für die Steuerung von Antifoulingmaßnahmen in der praktischen Wasserwirtschaft nutzbar sind.

Urban water courses are considerably degraded in terms of their hydrology, riparian and channel morphology, substrate heterogeneity and habitat features as well as water and sediment quality. In addition, the combined sewer overflows and the ecotoxicological impacts of its components lead to a change of the physical-chemical and microbial mass balance affecting the biocenoses of higher trophic levels. Combined sewer overflows are therefore an additional stress to the ecological status of the urban course of the River Spree and of its channels, which is damaged already by both preload and background load of the aquatic environment. With regard to the assessment of the ecological water status, the European Water Framework Directives gives priority to the aquatic biocenoses in their capacity as ecological quality parameters. Against this background, an immission-oriented approach for the assessment of combined sewer overflows has to describe also their impacts on the biocenoses of the macrozoobenthos, the fish fauna, the macrophytes and the phytoplancton. Initially, the most important factors, mechanisms and processes determining the mass balance of a water course are described. Particular attention is given to the mass balance of eutrophic lowland streams and rivers and of river-lake–systems. In this context, the abiotic mass balance is discussed together with the biotic use of resources. After introducing the basic processes of the mass balance, the impacts of the anthropogenic use on these processes are subsequently described with regard to Berlin’s specific water resources environment. The result is a compilation of the hydraulic, physical-chemical and ecological parameters relevant to Berlin’s water resources serving for water quality assessment purposes. Starting from the ecological processes disturbed by the anthropogenic use, the potential effects of the combined sewer overflow are examined. The parameters selection is concentrated on the essential processes connected to combined sewer overflow issues. Based on the large number of stress factors and their interactive impact system, those influences of the combined sewer discharge are worked out which have to be categorised as particularly jeopardising and which are important target values for the future water quality simulation. Due to the high background load, the highest priority has to be given to the acute load caused by nutrients and carbon load peaks resulting from combined sewer discharges, since they overcharge the self-cleaning potential of the urban course of the River Spree and its channels. Even if the organic substances and the chemical contaminants discharged lead to chronic loads, the main objective is to avoid to the greatest possible extent the temporary but extremely hypoxic conditions, since combined sewer overflows cause fish die-offs when the water resources situation is already critical. Primarily, the water quality modelling has to be concentrated on the realistic mapping of the highly dissolved concentration charts of the target parameters oxygen and ammonia, since the degree of the biocenoses’ damage is rather determined through discharge duration, discharge intensity and frequency than through the medium rates of pollutant loads.

The goal of this study is the identification of ecological advantages and disadvantages of alternative sanitation systems in comparison to conventional wastewater treatment. The methodology of Life Cycle Assessment (LCA) is adopted as an evaluation tool for the ecological assessment of various sanitation scenarios for a hypothetical middle-sized settlement in Germany (ca 5000 inhabitants). The scenarios include a reference system with conventional drainage and treatment in an activated sludge plant with anaerobic sludge digestion and sewage gas production. In the alternative scenarios, urine is source-separated in the toilet, collected and applied as fertilizer. Faeces are either collected by gravity drainage and composted together with biowaste or collected by a vacuum system and co-digested with biowaste to gain biogas for energy production. The remaining greywater is treated in a soil filter or in a technical plant (Sequencing batch reactor). All relevant processes of the investigated scenarios are modelled in detail for the Life Cycle Inventory, based on data from pilot plants and literature. This implies the processing of the different waste fractions, transport and energy supply, mineral fertilizer substitution, and sludge incineration. Beside the operational expenditures, the construction phase is included with material and energy demands. The resulting substance flow model is evaluated with a set of environmental indicators relating to the demand of energy, non-renewable resources, climate change, eutrophication, acidification, and various toxicity potentials. As a result, the alternative scenarios cause less environmental burden in almost all impact categories. The source-separation of human excreta disburdens the wastewater treatment process and lowers nutrient emissions into surface waters. The secondary fertilizer from urine and faeces has lower heavy metal content than an average mineral fertilizer. Depending on the system configuration, alternative sanitation systems can have a lower demand for fossil fuels and subsequently cause fewer emissions of climate-active gases. Only the increased emission of acidifying gases represents a considerable drawback compared to the conventional system. A normalisation of all indicators to the average environmental burden of a single person in Germany reveals that the decisive categories for the overall comparison are related to eutrophication, acidification, and terrestrial ecotoxicity. Energy-related indicators have a smaller contribution, but they can be important in terms of world-wide scarce fossil resources and climate change. The advantages of alternative sanitation systems can only be realized if the secondary functions of mineral fertilizer substitution and energy supply are fully utilized. Important key parameters for future LCA studies of alternative sanitation systems are identified, which may simplify the data acquisition. The construction phase has only a minor relevance for the ecological assessment and may therefore be neglected in future studies. In all, the data quality of this LCA study can be further improved, because many processes of alternative systems have not yet been investigated or realized in full-scale. Hence, the development of a universal decision support method could not be realized in a reasonable way due to the lack of adequate long-term process data and the high influence of case-specific boundary conditions on the technical implementation. However, this LCA study gives a first assessment of potential ecological benefits and drawbacks of alternative sanitation systems.