Der Großteil von Seen und Flüssen in Deutschland befindet sich nicht in dem von der europäischen Wasserrahmenrichtlinie geforderten guten ökologischen Zustand. Die Ursache hierfür besteht in den meisten Gewässern nach wie vor in zu hohen Nährstoffbelastungen. Dadurch wird besonders im Sommer das Wachstum des Phytoplanktons (Algen) gefördert, das Wasser wird trübe, zeitweise sauerstoffarm und riecht unangenehm. Solche Gewässer stellen für viele Tiere und Pflanzen keinen geeigneten Lebensraum dar und sind für den Menschen unattraktiv. Die Hauptnährstoffe, um die es dabei geht, sind Stickstoff und Phosphor. Dabei galt Phosphor (P) lange Zeit als der begrenzende Faktor der Phytoplanktonbiomasse in Binnengewässern: Je geringer die PKonzentration desto geringer die Biomasse und desto besser die Gewässergüte. Dies ist bis heute Lehrbuchmeinung. In der Praxis wurde und wird daher auf eine Senkung der Phosphorkonzentrationen gesetzt, was in vielen, aber längst nicht allen Gewässern zum Erfolg führte. Deutlich weniger Studien zeigten, dass Stickstoff die Phytoplanktonbiomasse begrenzt, was allerdings auch darauf zurückzuführen ist, dass deutlich weniger Studien zum Einfluss von Stickstoff durchgeführt wurden. Eine systematische Analyse zur Bedeutung von Phosphor im Vergleich zu Stickstoff fehlte bisher. Bis heute wird daher die Bedeutung von Stickstoff als begrenzender Faktor der Phytoplanktonbiomasse weitgehend negiert. In NITROLIMIT I (2011 - 2013) wurde dagegen gezeigt, dass die Algenbiomasse in fast der Hälfte der Seen der Norddeutschen Tiefebene durch N begrenzt wird. In der Praxis wird bislang die gezielte Reduktion von Stickstoffeinträgen abgelehnt, weil man befürchtet, dass dies besonders in Seen durch Stickstofffixierung von Cyanobakterien ausgeglichen werden kann und sinkende Nitratkonzentrationen die Freisetzung von Phosphor aus den Gewässersedimenten steigern. Beides könnte einer Verbesserung der Gewässergüte entgegenwirken. Für diese Argumente fehlte jedoch eine fundierte wissenschaftliche Grundlage. Stickstoff wird sowohl in Seen als auch in Fließgewässern intensiv umgesetzt und kann über verschiedene mikrobielle Umsatzprozesse (insbesondere Denitrifikation) auch wieder aus dem System entfernt werden. Fließgewässer transportieren schließlich die nicht zurückgehaltenen Nährstoffe aus den Einzugsgebieten in die Ästuare, Küstengewässer und Meere, wo in weiten Bereichen Stickstoff der limitierende Nährstoff ist. Über den Umsatz und den Rückhalt von Stickstoff in großen Flüssen bestehen bis heute allerdings große Unsicherheiten. Zur Beantwortung der Frage „Ist Stickstoffreduktion ökologisch sinnvoll?“ bestand daher umfangreicher Forschungsbedarf. Die bisherige Strategie zur Verbesserung der Gewässergüte zielte auf Minderung der Phosphorkonzentration ab. Hierzu existieren Erfahrungswerte zu Wirkung und Kosten von Maßnahmen. Viele Maßnahmen zur Phosphorreduktion gehen zu einem gewissen Teil auch mit Stickstoffreduktion einher. Der Erfolg der Begleiterscheinung „Stickstoffreduktion“ wurde jedoch meist nicht analysiert. Fallstudien zur Verbesserung der Gewässergüte durch gezielte Stickstoffminderung wurden bisher nicht durchgeführt, weshalb Daten und Erfahrungen zu Kosten und Wirksamkeit solcher Maßnahmen fehlen. Unabhängig davon, ob eine Verbesserung der Gewässergüte über Phosphor- oder Stickstoffreduktion angestrebt wurde, fehlte bisher eine Strategie, nach der im Voraus Kosten, Wirksamkeit und Nutzen ermittelt und abgewogen werden. Daher bestand auch zur Beantwortung der Frage, „Ist Stickstoffreduktion wirtschaftlich vertretbar?“ deutlicher Forschungsbedarf.

Die Modellierung der biogeochemischen Prozesse im Sediment mittels QSim (2.3.1) sollte durch den Aufbau eines vereinfachten, prozessbasierten Modellansatzes optimiert werden. Konkret sollte die Weiterentwicklung des Sedimentmoduls SEDFLUX des Gewässergütemodells QSim unterstützt werden, indem die Abbildung des Stickstoffumsatzes im Sediment unter verschiedenen Intensitäten vertikaler Advektion untersucht wird. Diese Arbeiten stellen eine konzeptuelle Prüfung („proof-ofconcept“) der im Kapitel 2.3.1 abgeleiteten Hypothesen zum Austausch zwischen Wasser und Sediment dar, sowie ihrer Effekte auf den Stoffumsatz in diesem Kompartiment. Die Modellergebnisse werden mit Hilfe von Vertikalprofilmessungen plausibilisiert. Die Nutzung vereinfachter Modellansätze ermöglicht die Untersuchung einzelner Prozesse sowie eine schnelle Anwendung auf verschiedene Gewässer. Als Simulationsumgebung wird das frei verfügbare Softwarepaket R-ecosim genutzt (Reichert 2014).

Die europäische Wasserrahmenrichtlinie (EU-WRRL) aus dem Jahr 2000 schreibt eine Verbesserung der Gewässerqualität auf einen „guten ökologischen Zustand“ vor. Bis 2015 konnte dieses Ziel jedoch nicht erreicht werden. Der Überschuss an Nährstoffen in Oberflächengewässern ist ein Aspekt, der zum Misserfolg des Vorhabens beitrug. Eine Rolle spielen hierbei die Nährstofffrachten, die aus urbanen Gebieten über die Kanalisation in die Gewässer gelangen. In dieser Arbeit werden daher Maßnahmen untersucht, die zur Reduktion der Nährstoffemissionen aus dem Kanalnetz dienen. Es wird eine Ökobilanz zu ausgewählten Maßnahmen der zentralen Regenwasserbewirtschaftung durchgeführt. Die Maßnahmen werden hinsichtlich ihres ökologischen Aufwandes (Materialbedarf, Transport, Energiebedarf, etc.) und ihres ökologischen Nutzens (Nährstoffreduktion) analysiert. Dabei wird zwischen Maßnahmen im Trenn- und Mischsystem unterschieden. Im Trennsystem wer-den ein Retentionsbodenfilter (RBF), drei unterschiedliche Regenklärbecken (RKB), ein Lamellenab-scheider (LA) und eine Nachrüstung eines RKB mittels Lamellen untersucht. Im Mischsystem erfolgt eine Analyse von einem Regenüberlaufbecken (RÜB), einem Stauraumkanal (SK) und drei Stauraum-aktivierungsmaßnahmen. Zu diesen gehören eine Abflusssteuerung durch eine eingebaute Drossel-anlage und zwei Umbaumaßnahmen zur Nutzung des Speichervolumens von Überlaufkanälen. Der Vollständigkeit halber wurden ein vereinfachtes Modell einer Großkläranlage, einer Schlammbehand-lung sowie einer Klärschlammverbrennungsanlage (KSVA) in die Betrachtung miteinbezogen. Um eine Aussage über potentielle Umweltauswirkungen treffen zu können, werden für die Wirkungsab-schätzung unter anderem das Treibhauspotential (GWP), die marine (MEP) und Süßwasser Eutro-phierung (FEP) sowie zwei Toxizitätspotentiale betrachtet. Zudem erfolgt eine Analyse zum kumulier-ten Energieaufwand (KEA) fossiler und nuklearer Energieträger. In den Ergebnissen stellt sich die Infrastruktur als maßgeblicher Faktor für den ökologischen Aufwand heraus. Zudem spielt insbesondere im Mischsystem die zusätzlichen Aufwendungen auf der Kläranla-ge eine große Rolle. Der Aufwand für den Betrieb und die Wartung der Maßnahmen hingegen ist vergleichsweise gering. Im Trennsystem besitzen der Retentionsbodenfilter und der Lamellenab-scheider die geringsten negativen Umweltauswirkungen. Der Bau von Regenklärbecken geht diesbe-züglich mit weitaus höheren Auswirkungen einher. Im Mischsystem sind die Maßnahmen der Stau-raumaktivierung mit geringeren Umweltauswirkungen behaftet, als die Maßnahmen zum Bau neuer Speichervolumina.

Das Projekt Nitrolimit hatte das Ziel, sich mit der Stickstofflimitation in Binnengewässern zu beschäftigen. Die Frage „Ist Stickstoffreduktion ökologisch sinnvoll und wirtschaftlich vertretbar?“ war zu beantworten. Das KWB arbeitete als einer der Projektpartner in Nitrolimit an der Modellierung der Gewässergüte von Flusssystemen am Beispiel der Berliner Stadtspree mittels QSim. Es wurde gezeigt, dass das Phytoplanktonwachstum dort derzeit nicht durch Nährstoffe, sondern vorwiegend durch Licht limitiert ist. Dennoch kann Phosphor bei einem entsprechend niedrigen Nährstoff- und Phytoplankton-Grundniveau zur steuernden Größe werden. Damit bestätigt das Modell die Hypothese, dass auch in urbanen, stark nährstoffbelasteten Gewässern eine Nährstofflimitation erreicht werden kann. Obwohl aus der Arbeit keine konkrete Grenzkonzentration abgeleitet werden kann, bedeutet das Ergebnis für die Praxis, dass bei entsprechenden Gewässern eine bedeutende Nährstoffreduktion notwendig ist, um einen positiven Effekt auf die Gewässergüte zu erreichen. Bei der Suche nach einer geeigneten Strategie für die Verbesserung des ökologischen Zustandes eines Gewässers wurde in Nitrolimit am Beispiel der unteren Havel die Strategie verfolgt, sowohl ökologische wie auch sozioökonomische Aspekte zu berücksichtigen. Wichtige Grundlage dafür waren Informationen zu Kosten und Wirksamkeit von einzelnen Maßnahmen zur Reduktion der Stickstoffeinträge aus den Bereichen Landwirtschaft und urbane Systeme. Diese Informationen wurden in Form eines Maßnahmenkatalogs in einer Datenbank zusammengefasst. Das KWB war hier verantwortlich für die Maßnahmen aus dem urbanen Bereich und veröffentlichte diese Ergebnisse separat als Nitrolimit Diskussionspapier Band 2. Über eine Ökobilanz wurden zudem nicht-monetäre ökologische Auswirkungen von weitergehenden Stickstoffeliminierungsverfahren für Großkläranlagen beschrieben. Dabei wurden alle direkten und indirekten ökologischen Auswirkungen von fünf Verfahren auf Großkläranlagen in einer ganzheitlichen Betrachtungsweise untersucht und verglichen. So konnten die direkten Effekte der verbesserten Ablaufqualität hinsichtlich der N-Fracht den zusätzlichen Aufwendungen durch die vorgelagerten Prozesse (resultierend aus dem veränderten Strom- und Chemikalienverbrauch und der benötigten Infrastruktur) gegenübergestellt werden. Es zeigte sich, dass die einzelnen Maßnahmen bei vergleichbaren Wirkungen auf die N-Fracht sehr unterschiedliche zusätzliche Aufwendungen in Energieverbrauch und Treibhausgasemissionen erfordern. Letztendlich war es möglich, Szenarien für die Verbesserung des Zustandes der Unteren Havel vorzuschlagen und zu analysieren. Es haben dafür mehrfach Gespräche mit den Stakeholder aus Berlin und Brandenburg (SenStadtUm, BWB, LUGV) stattgefunden, um die Entwicklung der Szenarien abzustimmen. Das KWB prüfte und validierte in enger Zusammenarbeit mit dem IGB und der TUB die Ergebnisse des Nährstoffmodells MONERIS für die verschiedenen Szenarien.

Der Großteil der bundesdeutschen Binnengewässer wird bis 2015 nicht den guten ökologischen Zustand erreichen, der von der EU-Wasserrahmenrichtlinie gefordert wird. Bisher ging man davon aus, dass die Gewässergüte in erster Linie durch Phosphor bestimmt wird. In jüngster Zeit mehrten sich aber Hinweise, dass in vielen Gewässern auch Stickstoff eine entscheidende Steuergröße der Phytoplanktonentwicklung darstellt. Daher wird die Reduzierung von Stickstoffeinträgen gefordert. Die Kosten für Maßnahmen zur Reduktion der Stickstoffeinträge aus punktuellen (beispielsweise Kläranlagen) und diffusen Quellen (beispielsweise aus der Landwirtschaft) werden um ein Vielfaches höher geschätzt im Vergleich zu Maßnahmen zur Reduktion von Phosphoreinträgen. Ob Maßnahmen zur Stickstoffreduktion ökologisch wirksam werden, kann aufgrund unzureichender Kenntnisse zur Herkunft, Umsetzung und Wirkung von Stickstoff derzeit nicht eingeschätzt werden. Daher fordern öffentliche und wirtschaftliche Maßnahmenträger nachdrücklich eine Klärung des Nutzens von Stickstoffelimination. An diesem Punkt setzt NITROLIMIT an. Es sollte eine fundierte wissenschaftliche Grundlage zur Beurteilung des Einflusses von Stickstoff auf die Gewässergüte geschaffen, die Kosten und Nutzen von Maßnahmen zur Verringerung von Stickstoffeinträgen analysiert und darauf basierend Empfehlungen für eine nachhaltige Gewässerbewirtschaftung erarbeitet werden.

The surplus of nutrients in surface waters due to anthropogenic influences makes eutrophication an important issue in water quality in Europe. According to the Water Framework Directive of the European Union (EU-WFD) an improvement of all water bodies to a “good ecological status” is aimed. One aspect for achieving the goal is an additional reduction of nutrient immissions. In particular, the study has a focus on advanced nitrogen removal at large scale wastewater treatment plants (WWTP) in the area of Berlin and Brandenburg, Germany. A comprehensive life cycle assessment (LCA) of a generic WWTP with 1.47 million population equivalent (pe) is carried out. The WWTP includes a secondary treatment with upstream denitrification. Sludge treatment is realized by anaerobic digestion with biogas utilization and sludge disposal in a mono-incineration plant. On basis of the generic WWTP, five scenarios for an advanced nitrogen removal are analyzed and compared within the LCA: an expansion of the denitrification reactor (ExpDeni), a retrofit to a step-feed nitrogen removal (SFNR), a biologically active filtration (BAF) as post-treatment step as well as two processes for sludge liquor treatment by deammonification (Anammox) and by an SBR-reactor (SBR). Data for energy and chemical demand, effluent quality and infrastructure are based on an existing plant from Berlin and data of nitrogen removal processes on simulations and planning data for this particular WWTP. For the life cycle impact assessment, the following categories are considered: global warming potential (GWP), acidification potential (AP), marine (MEP) and freshwater eutrophication (FEP) as well as human (HTP) and freshwater ecotoxicity (FETP). Additional, the cumulative energy demand (CED) of fossil and nuclear energy resources is taken into account. For the generic WWTP two results have to be emphasized: the influence of high energy demand on potential environmental impacts and the relevance of the primary function of nutrient removal due to a high influence in eutrophication impact categories MEP and FEP. Hence, reducing electricity demand and an increased use of renewable energy resources will lead to reduced impacts. Comparing the nitrogen removal processes, SFNR is preferable to ExpDeni because of reduced energy demand (SFNR: -6%, ExpDeni: +9%) which leads to an improved environmental profile throughout all categories. Focusing on sludge liquor processes, Anammox may be recommended due to mainly lower additional impacts to SBR-process. Main issues at SBR are the high energy consumption (almost twice as high as energy demand of Anammox) and addition of methanol as carbon source. The BAF has the highest impacts in CED (+33%) and GWP (+14%) due to high energy demand for pumping and backwashing (+5%) and methanol dosing. However, favorable side-effects such as a reduction of phosphorus and heavy metal loads lead to a significant reduction in FEP (-18%) and FETP (-9%). All in all, SFNR is recommended in an overall comparison, Anammox has the second best environmental profile. BAF can be recommended if other effects in wastewater treatment are aimed at. Due to lack of data concerning trace organics, uncertainties in toxicity potential are still apparent. Besides, uncertainties in estimating N2O-emission factors have a high effect on the result of GWP. Further investigations on N2O emissions from biological treatment steps should be done to reduce the uncertainties. Finally, LCA is a powerful tool for revealing potential environmental impacts for supporting a sustainable way of decision making process.