Das Verbundprojekt „TestTools“ hat vielfältige Untersuchungen zur Verwendbarkeit unterschiedlicher Testmethoden hinsichtlich des Spurenstoffverhaltens in natürlichen und technischen Barrieren durchgeführt. Entsprechend der gewonnenen Ergebnisse können die folgenden knapp zusammengefassten Aussagen getätigt werden. Zur Pulveraktivkohle-(PAK)-Dosierung im Labor sollten benetzte, entgaste Stammsuspensionen, die in Reinstwasser angesetzt werden, in Verbindung mit Laborpipetten verwendet werden; mit geringem Zusatzaufwand können dabei auch der PAK-Wasser- und -Aschegehalt bestimmt werden. Die Kontaktherstellung mit der Testflüssigkeit sollte auf eindimensionalen Horizontalschüttlern erfolgen. Der Surrogatparameter UV254nm-Absorption eignet sich in den meisten Fällen unabhängig von der PAK-Sorte zur Prognose der Spurenstoffentfernung. Die neuartige Initialisierung des Equivalent Background Compound Models (EBCM) mittels Wasserqualitätsparametern (z. B. DOC) wurde validiert. Methylorange eignet sich als definiertes Surrogat für Adsorptionskonkurrenz durch Hintergrundorganik. UV254 eignet sich auch für kontinuierlich betriebene, großskalige Pilot- und Großanlagen zur Kontrolle und Überwachung der Spurenstoffentfernung. Eine Batchprozedur zur Vorhersage von Spurenstoffentfernungen auf PAK-Rezirkulations-Großanlagen wird vorgeschlagen. Rapid small-scale column tests (RSSCTs) werden im Vergleich mit großskaligen Daten trotz einiger Einschränkungen als geeignete Methode für schnelle und verlässliche Tests mit granulierter Aktivkohle (GAK) bestätigt. Größere RSSCTs bringen weniger Einschränkungen aber einen deutlich höheren Aufwand mit sich. GAK-Batchtests sind nur bedingt geeignet. Integrale Durchbruchskurven unterliegen deutlich weniger Schwankungen als direkte („aktuelle“) Durchbruchskurven. Abgleiche zwischen den Durchbrüchen in verschiedenen Wässern können mittels Auftragungen über spezifische Durchsätze von bestimmten Wasserqualitätsparametern (aus der größenausschluss-chromatographischen Trennung des DOC) erreicht werden. Surrogatparameter wie UV254 eignen sich nur bedingt zur Vorhersage, insbesondere bei stark adsorbierenden Spurenstoffen. Die Nützlichkeit künstlicher Surrogatparameter muss noch geklärt werden. Ozon-Laborversuche im Batch bzw. Semi-Batch-Methoden liefern vergleichbare Ergebnisse hinsichtlich der Spurenstoffelimination, haben jedoch unterschiedliche Vor- und Nachteile bei der praktischen Umsetzung. Der Feststoffeinfluss auf die ozon-induzierte Spurenstoffelimination ist gering und erst ab ca. 20 mg/L Trockensubstanz relevant. Temperatur und pH-Wert haben ebenfalls wenig bis keinen Einfluss; allerdings beeinflussen sie die ermittelten Ozonzehrungsverläufe. Über die UV254-Absorption (SAK254) können gute Vorhersagen der Spurenstoffelimination getätigt werden. Die Bromatbildung fiel in Batch- und Semi-Batch-Versuchen teils unterschiedlich aus; die Bildung von Bromat oder NDMA wird gegenüber Pilot- oder großtechnischen Anlagen tendenziell überschätzt. Von 18 kommunalen Kläranlagen wurden die Eliminationen verschiedener Spurenstoffe bzw. des delta SAK254 bezüglich des spez. Ozoneintrags ermittelt, was für Referenzzwecke nutzbar ist. Interne OH-Radikaltracer waren in allen 18 untersuchten Kläranlagen anzutreffen, was zur Ermittlung der OH-Radikalexposition als auch zur Qualitätssicherung genutzt werden kann. Die Modellierung basierend auf Ozon- und OH-Radikalexposition führte zu teils deutlichen Überschätzungen der Spurenstoffelimination. Die Ergebnisse einer Umfrage zeigen eine überwiegend sehr gute Informationslage bei den Stakeholdern. Zur biologischen Nachbehandlung des ozonierten Klarlaufs wird von den befragten Personen der Einsatz von Filtersystemen, insbesondere solchen mit granulierter Aktivkohle, empfohlen. Aufgrund der sehr komplexen Zusammenhänge in naturnahen biologischen Barrieren, wie beispielsweise der Uferfiltration oder der künstlichen Grundwasseranreicherung, sind schnelle Testmethoden nur bedingt aussagekräftig. Erkenntnisse der letzten Jahre deuten darauf hin, dass kleine Unterschiede in der Verfügbarkeit von Sauerstoff oder biologisch verfügbarem organischen Kohlenstoff bereits erhebliche Unterschiede in der Elimination bestimmter organischer Spurenstoffe haben. Neben den chemischen Parametern hat die Zusammensetzung der Mikrobiozönose einen entscheidenden Einfluss auf die Abbauleistung. Insgesamt eignen sich einfach durchzuführende Laborschnelltests daher nicht, die hohe Komplexität naturnaher Untergrundprozesse darzustellen. Lediglich eine gute Abbaubarkeit unter oxischen Verhältnissen lässt sich vergleichsweise gut anhand von Kleinsäulentests im Labormaßstab abbilden.

Ozone process control in secondary effluent used for elimination of trace organic compounds (TrOCs) requires the use of surrogates, such as the relative reduction of UV absorption at 254 nm (DUVA254) to adapt the ozone dose to a varying water quality. In the present study, a closed-loop process control based on two online UVA254 measurements was successfully implemented and tested under realistic conditions with ozone doses from 0.2 to 1.05 mg-O3/mg-DOC at a pilot scale ozonation system with subsequent coagulation filtration at a municipal wastewater treatment plant (DOC ~ 13 mg/L, UVA254 ~27m-1, and nitrite peaks of up to 1.6 mg-N/L). It could be shown that measuring the UVA254 at the ozonation effluent was superior to the measurement of UVA254 at the filter effluent in terms of response time due to changes in water quality, whereas online measurement at the filter effluent showed a better agreement with laboratory data and a reduced maintenance interval due to less particles. Additional online nitrite measurement is not necessary as the ozone consumption by nitrite directly impacts DUVA254.

Ozonation is known as a suitable technical process to eliminate trace organic compounds (TrOC) in secondary effluent. To decide if ozonation is a suitable option as an upgrade of a specific wastewater treatment plant (WWTP), ozonation experiments in laboratory-scale can help to avoid the operation of expensive and labour intensive pilot plants. Such laboratory experiments should be conducted at similar conditions and by the same methods in order to achieve a better comparability of the results. In this study, potential impacts of sample dilution due to the addition of an ozone stock solution, water temperature, and concentration of suspended solids (TSS) on TrOC elimination and UVA254 reduction (delta UVA254) were investigated. The results show that a change in water temperature within a range of 10 to 30°C and sample dilution of less than 20% due to the addition of ozone stock solution at batch ozonation, respectively, does neither have a significant impact on achieved TrOC elimination nor or delta UVA254. Suspended solids affected the TrOC elimination and delta UVA254 at TSS concentrations of more than 30 mg/L, whereas at low TSS concentrations (< 4 mg/L), the impact of TSS was found to be neglectable.

Direct addition of powdered activated carbon (PAC) to the inlet of a deep bed filter represents an energy- and space-saving option to remove organic micropollutants (OMPs) during advanced wastewater treatment or drinking water purification. In this lab-scale study, continuous dosing, preconditioning a filter with PAC and combinations thereof were investigated as possible dosing modes with respect to OMP adsorption efficiency. Continuous dosing resulted in decreasing effluent concentrations with increasing filter runtime due to adsorption onto accumulating PAC in the filter bed. Approximately constant removal levels were achieved at longer filter runtimes, which were mainly determined by the dose of fresh PAC, rather than the total PAC amount embedded. The highest effluent concentrations were observed during the initial filtration stage. Meanwhile, preconditioning led to complete OMP adsorption at the beginning of filtration and subsequent gradual OMP breakthrough. PAC distribution in the pumice filter was determined by the loss on ignition of PAC and pumice and was shown to be relevant for adsorption efficiency. Preconditioning with turbulent upflow led to a homogenous PAC distribution and improved OMP adsorption significantly. Combining partial preconditioning and continuous dosing led to low initial effluent concentrations, but ultimately achieved concentrations similar to filter runs without preconditioning. Furthermore, a dosing stop prior to the end of filtration was suitable to increase PAC efficiency without affecting overall OMP removals.

Der vorliegende Abschlussbericht fasst die Ergebnisse des Forschungsvorhabens IST4R (Integration der Spurenstoffentfernung in Technologieansätze der 4. Reinigungsstufe) zusammen, in dem verschiedene Verfahrenskombination von Aktivkohle und Ozonung zur Entfernung von anthropogenen Spurenstoffen als weitergehende Abwasserreinigung untersucht wurden. Dabei stand insbesondere die Integration dieser Verfahren in die Flockungsfiltration zur weitestgehenden Entfernung von Phosphor und abfiltrierbaren Stoffen im Fokus, die eine Planungsvariante zum zukünftigen Ausbau der Berliner Klärwerke darstellt. Ein wesentliches Ziel war die Bewertung der Verfahrensalternativen (1) Direktdosierung von Pulveraktivkohle, (2) Festbettadsorption an granulierte Aktivkohle und (3) Ozonung zur Spurenstoffentfernung, um zukünftige Anforderungen an Oberflächengewässer zu erfüllen. Die mittels Pilotversuchen gewonnenen Ergebnisse verdeutlichen, dass sowohl Ozonung als auch Aktivkohle sinnvoll mit der Flockungsfiltration kombiniert werden können. Alle untersuchten Verfahrensvarianten sind geeignet, den Spurenstoffeintrag kommunaler Kläranlagen signifikant zu verringern und gleichzeitig die Zielwerte für die suspendierten Stoffe (TSS < 1 mg/L) und Gesamtphosphor (TP < 0,1 mg/L) sicher einzuhalten. Es erfolgt eine zusätzliche Entfernung von CSB und DOC. Die Entfernung der einzelnen Spurenstoffe ist stoffspezifisch. Sie ist außerdem abhängig von der Konzentration des im Wasser vorliegenden gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC) und der Dosis von Aktivkohle bzw. Ozon, aber unabhängig von der Ausgangskonzentration der Spurenstoffe. Für ausgewählte Indikatorsubstanzen wurden Dosis-Wirkungsbeziehungen für die Adsorption an Aktivkohle und die Reaktion mit Ozon ermittelt und an den Pilotanlagen überprüft. Der spezifische Absorptionskoeffizient bei 254 nm (SAK254) ist eine geeignete Größe zur Steuerung und Überwachung der Spurenstoffentfernung und sowohl für die Ozonung als auch die Adsorption an Aktivkohle aussagekräftig. Eine Regelung der Ozonung mittels SAK254 wurde im Pilotmaßstab getestet. Die Pilotuntersuchungen wurden darüber hinaus durch ein toxikologisches Monitoring begleitet, bei dem unterschiedliche, etablierte Untersuchungsmethoden eingesetzt, aber keine Hinweise auf humantoxikologische bzw. ökotoxikologische Risiken aufgezeigt wurden, auch nicht durch Oxidationsprodukte der Ozonung. Um eine vollständige ökotoxikologische Bewertung zu ermöglichen, müssen die Methoden weiter entwickelt werden. Neben den verfahrenstechnischen Untersuchungen wurden für die Verfahrensvarianten auch eine Kostenschätzung und Ökobilanz erstellt. Sowohl die Gesamtkosten als auch die Umweltwirkungen einer weitergehenden Phosphorentfernung mit Flockungsfiltern erhöhen sich deutlich, wenn mittels Ozon oder Aktivkohle zusätzlich auch Spurenstoffe entfernt werden sollen.

To cope with occurring traces of organic contaminants in the effluent of waste water treatment plants, ozonation is a suitable technical treatment method. However, there is an ongoing discussion about the necessity of a posttreatment of ozonation effluents to remove possible toxic ozonation by-products. This study compares a dual media filter (DMF) and a biological activated carbon filter (BAC), which were used for ozonation post-treatment, and were also designed as coagulation filters for tertiary phosphor removal. The results of this study demonstrate that both rapid filters performed similarly in respect to DOC reduction and oxygen demand, and could also be used for tertiary phosphorus removal without any impairments. A comparison of a serial mode of the DMF and the BAC with a slow sand filter, which was used as a surrogate for an infiltration pond, showed that this two-stage process could increase the degradation of the DOC, but was not able to remove the entire biodegradable DOC.

To cope with occurring traces of organic contaminants in the effluent of waste water treatment plants, ozonation is a suitable technical treatment method. However, there is an ongoing discussion about the necessity of a posttreatment of ozonation effluents to remove possible toxic ozonation by-products. This study compares a dual media filter (DMF) and a biological activated carbon filter (BAC), which were used for ozonation post-treatment, and were also designed as coagulation filters for tertiary phosphor removal. The results of this study demonstrate that both rapid filters performed similarly in respect to DOC reduction and oxygen demand, and could also be used for tertiary phosphorus removal without any impairments. A comparison of a serial mode of the DMF and the BAC with a slow sand filter, which was used as a surrogate for an infiltration pond, showed that this two-stage process could increase the degradation of the DOC, but was not able to remove the entire biodegradable DOC.

In work package 4 the influence of different treatments (ozonation, coagulation) on macromolecular organic substances (biopolymers) in secondary effluent and the effects on subsequent ultrafiltration were investigated at lab-scale. Furthermore, fouling mechanisms were intensively investigated and an analytical method was developed to observe the formation of ozonation by-products. Analyses with LC-OCD showed a significant reduction of major organic foulants (biopolymers) for coagulation while ozonation appears to transform macromolecules into compounds smaller than approx. 50 nm. With ultrafiltration tests (PES membranes) it could be shown that coagulation is capable to reduce total fouling resistance to some extent and additional ozonation can further enhance the membrane filtration process. However ozonation as a pretreatment step caused more irreversible fouling. The lowest irreversible fouling was achieved with coagulation. LC-OCD analyses showed that the transformation of organic matter by ozonation is mainly responsible for the observed increased irreversible fouling of ultrafiltration membranes. Tests with different membranes showed comparable results for pretreated secondary effluent concerning total fouling resistance. Total fouling resistance was reduced with additional ozonation compared to coagulation without ozonation. In contrast to the observations with all tested UF membranes, for the tested microfiltration membranes irreversible fouling was reduced with additional ozonation. In general, the pore size seems to be strongly influencing irreversible fouling if ozonation is used for pretreatment of membrane filtration. Intensive investigations of fouling mechanisms using filtration laws identified cake filtration as the dominant filtration process for coagulation while additional ozonation leads to increased pore blocking/in pore fouling. Experiments with secondary effluents from different sewage treatment plants in Berlin showed comparable fouling behavior for all observed pretreatments. Thus membrane filtration results generated with samples from WWTP Ruhleben seem to be transferable to other WWTPs in Berlin. MALDI-TOF-MS analyses of secondary effluent were not suitable to identify major organic foulants, neither in solution nor on top of the membrane after filtration. Consequently, MALDI-TOF-MS was primarily used for investigations of theoretical aspects of fouling by using model fouling substances. An analytical procedure for bromate was successfully developed with LC-MS/MS at TUB. With the procedure it was possible to quantify samples up to a limit of quantification of 0.5 µg bromate per liter. Higher concentrations of bromate (> 10 µg/L) were produced only at specific ozone consumptions higher than 0.9 mgO3/mgDOC0.

To cope with occurring traces of organic contaminants in the effluent of waste water treatment plants, ozonation is a suitable technical treatment method. However, there is an ongoing discussion about the necessity of a posttreatment of ozonation effluents to remove possible toxic ozonation by-products. This study compares a dual media filter (DMF) and a biological activated carbon filter (BAC), which were used for ozonation post-treatment, and were also designed as coagulation filters for tertiary phosphor removal. The results of this study demonstrate that both rapid filters performed similarly in respect to DOC reduction and oxygen demand, and could also be used for tertiary phosphorus removal without any impairments. A comparison of a serial mode of the DMF and the BAC with a slow sand filter, which was used as a surrogate for an infiltration pond, showed that this two-stage process could increase the degradation of the DOC, but was not able to remove the entire biodegradable DOC.