This report describes different options for tertiary treatment of secondary effluent from municipal wastewater treatment plants for the purpose of water reuse. For each of the treatment trains, associated environmental impact (represented by energy demand and related global warming potential) and risk reduction potential (i.e. removal of chemical and microbial contaminants) are described based on the results of the DEMOWARE case studies. This should inform water professionals about impacts and benefits of different options for producing reclaimed water, enabling an informed decision on an adequate treatment train depending on the water quality targets for the respective reuse purpose.

This report summarizes the results of Life Cycle Assessment, Water footprinting, and quantitative microbial and chemical risk assessment for selected demosites of water reuse in Europe, measuring the potential impacts of different types of water reuse on environment and human health. The case studies show that water reuse is often preferable from an environmental point of view in areas with water scarcity problems if compared to other alternatives such as water import or seawater desalination. Potential risks of water reuse for ecosystems or human health can be adequately managed if suitable processes for reclaimed water treatment are used and operated correctly. However, the study also shows the trade-offs between a higher level of reclaimed water treatment and increased environmental impacts from associated efforts in energy, chemicals and infrastructure. This inherent trade-off requires a site-specific assessment of reuse schemes to choose an adequate treatment scheme for risk management with reasonable global environmental impacts.

This report presents the assessment of the planned water reuse scheme at Le Jaunay reservoir (Vendée) in its potential risks for human health and ecosystems, and also in its overall environmental impacts. Methods of risk assessment (quantitative microbial and chemical risk assessment) and Life Cycle Assessment are used to characterize the potential hazards associated with the use of reclaimed water, but also the environmental benefits compared to other options for additional drinking water supply. The assessments show that water reuse can be operated without unacceptable risks for humans and the environment, and that it is competitive to other options of water supply in its energy demand and greenhouse gas emissions. Data quality should be improved in a demonstrator phase to validate the outcomes of this first assessment.

This report summarizes the definitions and schemes that will be used for the process assessment within POWERSTEP. A general approach is described to screen potential schemes for wastewater treatment plants (WWTPs) in their energy profile with the energy audit software OCEAN, focussing on reference schemes as benchmark and potential POWERSTEP schemes with innovative process modules

This review covers state-of-the-art technologies for advanced anaerobic digestion of municipal sewage sludge. It is based on an extensive review of literature and available data, focussing on processes which have been realized in full-scale plants. The review includes information on single-stage mesophilic digestion, thermophilic digestion, temperature-phased digestion, high-load digestion and other process modifications, as well as mechanical, thermal, chemical, and biological disintegration methods. All processes are described with a set of key performance indicators such as degradation rate of volatile solids, biogas yield, return load, effects on dewatering, and capital costs.

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).

The aim of this master thesis was to investigate the transferability of the innovative treatment concept CARISMO on a full-scale wastewater treatment plant in a rural area. The idea of CARISMO is integrated in the EU-funded research project Powerstep and focuses on an increased separation of solid substances and their use for energy production with digestion. In the course of this work, principles and conditions for the change of occupancy were determined. Furthermore, preliminary tests were carried out to analyse the wastewater characteristics and the necessary resources for the projected flocculation and filtration stage. The technical feasibility and cost-effectiveness of the treatment concept has been shown with balances of material flows, energy and costs.