Aufgrund einer unzureichenden Spurenstoffelimination in der konventionellen Abwasserbehandlung, bilden Klärwerke einen wichtigen Eintragspfad anthropogener organischer Spurenstoffe in Oberflächengewässer. Zum Abbau der Belastung durch organische Spurenstoffe im Klarlauf rüsten nach und nach Klärwerke mit einer vierten Reinigungsstufe auf. Dabei wird zur Entfernung der Spurenstoffe auf Aktivkohle oder Ozonung zurückgegriffen. Für die entsprechenden Modifikationen der Klärwerke werden zuvor häufig aufwendige Pilotuntersuchungen durchgeführt, um die entsprechenden Prozessparameter für die Auslegung zu bestimmen. Um diesen Prozess zu umgehen und die damit entstehenden Mehrkosten und Arbeitskräfte zu reduzieren oder gar einzusparen, sollten Pilotierungen durch schnelle, aussagekräftige Experimente im Labormaßstab ausgewechselt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Testmethode zu der Ozonung durchgeführt und der Einfluss der Zugabeart, der Temperatur, der Wassermatrix und des Gehalts an DOC und Nitrit untersucht. Für die Validierung der Simulationsumgebung und der Vorhersage des Spurenstoffabbaus in Abhängigkeit von den Einflussfaktoren wurden entsprechende Versuche in dem Institut für Wasserreinhaltung an der Technischen Universität Berlin durchgeführt. Die Testmethoden eines Batch-Verfahrens, bei der eine variierende Menge an hochkonzentrierter Ozonlösung in dem konstant gehaltenen Probevolumen gegeben wird, wurde mit der indirekten Messung der Ozonexposition durch Indigo (DIN 38408-3) gekoppelt und verschiedenen Variationen der Einflussparameter ausgesetzt. Neben der Indigomessmethode wurde auch die Alternative mit Nitritquench ausprobiert und festgestellt, dass diese sich dafür nicht eignet. Durch das Testen der Zugabeart konnte festgestellt werden, dass eine 1: 2 Dosierung einer 2-Punktinjektion am effektivsten für die Elimination der meisten Spurenstoffe ist. Des Weiteren führte eine Variation der Probentemperatur bei Batch-Versuchen zu einer Senkung der Ozonexposition und zu keinen nennenswerten Einflüssen auf die Spurenstoffelimination. Drei Kläranlagenabläufe aus unterschiedlichen Regionen Deutschlands mit unterschiedlichen pH-Werten, DOC- und Nitritkonzentrationen wurden verglichen. Dabei wurde festgestellt, dass die Korrektur des Ozoneintrags um einen Nitritfaktor und der Bezug auf den DOC zwar ein gutes Instrument darstellen, um unterschiedliche Wassermatrizen vergleichbar zu machen, jedoch nicht ganz ausreichend ist. Während die Kläranlagenabläufe ähnliche Ergebnisse der Spurenstoffelimination bei der Auftragung über SAK254 liefern, wurden bei der Auftragung von Spurenstoffs Abbau über EDOC,korr einige Diskrepanzen festgestellt, die nicht durch eine pH-Wert Korrektur wettgemacht werden konnten. Analog sah die Situation auch bei der Ozonexposition aus. Dies lässt sich durch die verschiedene Zusammensetzung des organischen Materials und der Menge an als Radikalfänger agierenden Stoffen im Kläranlagenablauf erklären. Nichtsdestotrotz erwies sich ein linearer Zusammenhang zwischen dem delta SAK254 und der Elimination jeden Spurenstoffes, der als ein robustes Instrument zu der zu erwartenden Entfernung bei einem bestimmten Ozoneintrag verwendet werden kann, allerdings nur, wenn pH-Wert ebenfalls mitberücksichtigt wird. Zur Vorhersage der Spurenstoffelimination wurden auch die theoretischen möglichen OHRadikalexpositionen aus den Ozonexpositionen berechnet. Dabei ergaben sich bei allen Kombinationsmöglichkeiten sehr große Varianzen, von denen keine den realen Messwert getroffen hat.

The aim of this thesis, carried out within the course of the EU-funded research Project POWERSTEP, is to investigate the applicability of duckweed in wastewater treatment in removing nitrogen based on the principle of the APS duckweed plant system. The motivation for this investigation is the intended combination of the Hydrotech drum filter with the APS duckweed plant system at case study one of the POWERSTEP project. The goal is to demonstrate and market a new wastewater treatment concept heading towards energy positive wastewater treatment plants. The investigations within the scope of the thesis were carried out on a laboratory scale to identify suitable duckweed species, the optimal duckweed mat density, relative growth rate (RGR), doubling time and the ammonium removal under the given conditions at the case study. From the four tested duckweed species Lemna Minor, Lemna Minuta, Landoltia Punctata and Spirodela Polyrhiza, the species Lemna Minor and Landoltia Punctata adapted best to the given wastewater composition. In a mix population of Lemna Minor and Landoltia Punctata a mat density of 0.075 g·cm-2 was determined to be best in suppressing competitive submerged algae growth and enabling duckweed relative growth rates of 0.072 d-1 and doubling times of 9.93 days. Based on the APS duckweed plant system, mean daily ammonium removal of 0.56 g N·m-2·d-1 and a daily ammonium degradation efficiency of 72.75% to a mean ammonium effluent of 12.26 mg·l-1 was shown at a lab-scale for a retention time of 24 hours. Based on the results of this research, it can be concluded that the principle of the APS duckweed plant system under the use of Lemna Minor and Landoltia Punctata can be applied to remove ammonium from wastewater achieving high reduction rates.

Within the context of EU-funded research project Powerstep the transferability of the innovative treatment concept CARISMO should be investigated on a full-scale wastewater treatment plant in a rural area. This concept contains an increased separation of primary sludge through wastewater filtration to use this in the digester for energy production. After filtration the flow to the SBR is reduced in COD load. As a consequence modifications of biocenosis and sludge structure are expected. Aim of this master thesis is to shift and evaluate the process during running operations. During commissioning only one out of two SBR was shifted. The fact allows a direct comparison to standard operations. Efficiency of filtration is shown by a balance of substance flow.

Different types of managed aquifer recharge (MAR) schemes are widely distributed and applied on various scales and for various purposes in the European countries, but a systematic categorization and compilation of data has been missing up to now. The European MAR catalogue presented herein contains various key parameters collected from the available literature. The catalogue includes 224 currently active MAR sites found in 23 European countries. Large quantities of drinking water are produced by MAR sites in Hungary, Slovakia, the Netherlands, Germany, Finland, Poland, Switzerland and France. This inventory highlights that, for over a century, MAR has played an important role in the development of European water supply and contributes to drinking-water production substantially. This development has occurred autonomously, with “trial-and-error” within the full range of climatically and hydrogeologically diverse conditions of the European countries. For the future, MAR has the potential to facilitate optimal (re)use and storage of available water resources and to take advantage of the natural purification and low energy requirements during MAR operations. Particularly with respect to the re-use of wastewater treatment-plant effluent and stormwater, which is currently underdeveloped, the use of MAR can support the public acceptance of such water-resource efficient schemes. Particularly for the highly productive and urbanized coastal zones, where the pressure on freshwater supplies increases by growing water demand, salinization and increased agricultural needs for food production (such as along the Mediterranean and North Sea coasts), MAR is expected to be increasingly relied on in Europe.

Zusammenfassung: Momentan wird die Forderung nach einer Erweiterung von Kläranlagen um eine Stufe zur weitergehenden Elimination organischer Spurenstoffe in der Fachwelt kontrovers diskutiert. Als effiziente Verfahren werden hierfür die Oxidation durch Ozonung und die Adsorption an Aktivkohle betrachtet. Neben der Verbesserung des Gewässer- und Ressourcenschutzes bedarf die Einführung dieser Verfahren zusätzlicher Energie und erzeugt weitere damit verbundene negative Umweltauswirkungen (zum Beispiel Ausstoß von Treibhausgasen). Bei der hier durchgeführten Ökobilanz werden diese möglichen negativen Umweltauswirkungen der Verfahren zur Spurenstoffeliminierung genauer quantifiziert. Dabei werden weitere Ziele einer weitergehenden Abwasserreinigung (weitestgehende Entfernung von Phosphor mit Flockungsfiltration und saisonale UVDesinfektion) bei allen Varianten mit einbezogen, um auch den Anteil der Spurenstoffelimination an den gesamten Auswirkungen einer zukünftigen weitergehenden Abwasserreinigung zu erfassen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Ozonung oder der Einsatz von Pulveraktivkohle bzw. Kornaktivkohleadsorbern je nach geforderter Effizienz der Spurenstoffentfernung einen hohen zusätzlichen Primärenergieaufwand (+ 10-103 %) und auch ein hohes zusätzliches Treibhauspotenzial (+ 8-100 %) im Vergleich zu einer Modellkläranlage der Größenklasse 5 erzeugt. Entscheidend für den zusätzlichen Aufwand sind neben der Qualität des zu behandelnden Klärwerksablaufs (organische Stoffe als DOC) auch die Reinigungsziele für die Spurenstoffelimination und damit die notwendige Dosierung von Ozon oder Aktivkohle. Dieser Aspekt sollte zukünftig in der Diskussion über die Qualitätsziele der weitergehenden Abwasserreinigung berücksichtigt werden.

Im Rahmen einer etwa zweijährigen Studie wurde für Berlin erstmals das Ausmaß der Belastung von Regenabfluss mit Spurenstoffen durch ein einjähriges Monitoringprogramm in Einzugsgebieten unterschiedlicher Stadtstrukturtypen (Altbau, Neubau, Gewerbe, Einfamilienhäuser, Straßen) untersucht. Insgesamt wurden etwa 90 volumenproportionale Mischproben auf über 100 Spurenstoffe analysiert (zum Beispiel Phthalate, Pestizide/ Biozide, Flammschutzmittel, polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe, Schwermetalle), von denen ein Großteil (über 70) detektiert wurde. Die höchsten Konzentrationen an organischen Spurenstoffen wurden für Phthalate gefunden (DIDP - DINP: durchschnittlich über 12 µg/L), während Schwermetalle von Zink dominiert wurden (durchschnittlich 950 µg/L). Für die Mehrzahl der Stoffe gab es dabei signifikante Unterschiede zwischen den Stadtstrukturen. Für einige Substanzen (zum Beispiel DEHP, Carbendazim, einige polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe) wurden im Regenwasserabfluss Umweltqualitätsnormen (UQN) für Gewässer überschritten. Zusätzlich bei Regenwetter in einem Fließgewässer genommene Proben zeigen, dass es auch im Gewässer zur Überschreitung von zulässigen Höchstkonzentrationen (ZHK-UQN) bei Regen kommen kann. Eine Hochrechnung der über das Regenwasser in die Gewässer gelangenden Spurenstofffrachten für Gesamt-Berlin hat ergeben, dass etwa 1,5 Tonnen an organischen Spurenstoffen über Regenabfluss jährlich in die Berliner Gewässer gelangen. Ein Vergleich mit modellierten Frachten abwasserbürtiger Spurenstoffe, die über Kläranlagenablauf in die Berliner Gewässer gelangen, zeigt, dass Frachten regenwasserbürtiger Spurenstoffe in der gleichen Größenordnung wie schmutzwasserbürtige Spurenstoffe liegen können.

One way of coping with water shortness is through reusing wastewater. In order to enhance potable water production in sites dealing with water shortness, treated wastewater can be fed into an intermediate storage system, generally a natural water reservoir from which drinking water is produced. This procedure is called indirect potable reuse. Although this technique may be an innovative way of coping with water shortness, little is known about the effect of this procedure concerning environmental and human health. In order to find more about the environmental and health human risks arising from indirect potable reuse technologies a risk assessment was carried over in the French Department of Vendée. This site deals with water shortness from May to October through a significantly enhanced water consumption in the coastal aera of this department caused by the increase of tourism activities and intensified crop irrigation. To achieve this task 35 different organic micropollutants, in its majority pesticides and pharmaceuticals were studied. Therefore, a risk assessment on water reuse technologies was performed at the site of concern. Furthermore, the impact of two tertiary treatments developed within the framework of the European DEMOWARE project on minimising arising risks was also taken into account. Results showed that 16 substances present a potential risk to the environment and/or to human health at the WWTP effluent. Similar results were achieved in fresh water, in this case 14 compounds have a risk quotient higher than 1 indicating a risk for both, health and environment. Furthermore, outcomes from the tertiary treatments risk characterisation showed that none of the studied tertiary techniques is cappable of reducing environmental and health risks for all substances to acceptable levels (RQ < 1). Same results were achieved for the risk characterisation in fresh water.