Due to intensive aeration in the activated sludge basins, a significant part of the organic matter in the wastewater often expressed as chemical oxygen demand (COD) is mineralized to the greenhouse gas CO2. Therefore the organic content in municipal wastewater is yet a widely untapped source of renewable energy. The Carismo project vision is to reduce the specific energy demand with a new treatment scheme based on a low energy microsieve separation process and at the same time, increase the specific energy recovery with an advanced separation of the organic fraction which is valorized in a digester. Therefore two treatment schemes were evaluated at lab scale and pilot scale with real wastewater. The raw wastewater contained a high COD concentration of 1000 mg/l. The first scheme treated the raw wastewater with a coagulation and flocculation step before a microsieve separation with a drum filter at 100 µm. The second scheme was similar to the first one with an additional MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) installed upstream the coagulation tank. The specific goal of the microsieve process was to increase the organic carbon extraction rate in scheme 1 to 60–80 %. The Pilot trial results showed an average COD extraction of 73–81 %. The average suspended solids (SS) removal was > 95 %. The soluble phosphorus removal was between 15 % and 70 % depending on the coagulant type and dose. With 20 mg Al/l, the effluent phosphorous concentration was around 2 mg/l. The MBBR upstream increased the COD transfer in the sludge by 3–8 %, but simultaneously the mineralization decreased the yield for the biogas process. This and the additional energy consumption of the aeration speaks against the separation process with an upstream MBBR.

“Life can multiply until all the phosphorus is gone, and then there is an inexorable halt which nothing can prevent. We may be able to substitute nuclear power for coal, and plastics for wood, and yeast for meat, and friendliness for isolation—but for phosphorus there is neither substitute nor replacement.” Schon Isaac Asimov erklärte die Bedeutung der Ressource Phosphor und bezeichnete sie als „life’s bottleneck“ in seinem gleichnamigen Essay von 1959. Phosphor gehört zu den wichtigsten Nährstoffen des Ökosystems Erde. Er ist ein unersetzlicher Baustein für alles Leben und stellt einen limitierenden Faktor für das Biomassepotential des Planeten Erde dar. Industriell werden Phosphaterze in Lagerstätten abgebaut, welche endlich und, sofern sedimentären Ursprungs, zunehmend mit toxischen Metallen wie Cadmium und Uran belastet sind. Durch das stetige Wachstum der Erdbevölkerung, wachsenden Wohlstand und dem damit einhergehendem steigenden Fleischkonsum, sowie den vermehrten Anbau von Pflanzen zur Energieproduktion steigt der Phosphorbedarf. Übersteigt der Phosphorbedarf die Abbau-, Aufbereitungs- bzw. Lieferkapazitäten, kommt es zu Engpässen, die unter anderem Auswirkungen auf die Ernährungssicherheit der importabhängigen Länder haben können. Da Deutschland keine natürlichen Phosphatvorkommen besitzt, muss jährlich eine enorme Menge an mineralisch gebundenen Phosphor importiert werden. In Form von phosphathaltigen mineralischen Düngemitteln wurden im Wirtschaftsjahr 2012/2013 rund 124.000 Mg P in der Landwirtschaft in Deutschland verwendet. Diese Menge müsste noch deutlich höher sein, wenn nicht bereits ein noch größerer Teil des Phosphatbedarfs der landwirtschaftlichen Nutzflächen mit Wirtschaftsdüngern und anderen organischen Reststoffen gedeckt würde. Um langfristig die Phosphatversorgung und damit die Ernährungssicherheit Deutschlands sicherzustellen, sollten neben Einsparpotenzialen bei der Verwendung auch Recyclingpotenziale nicht nur identifiziert und diskutiert, sondern auch ausgeschöpft werden. Seit mehreren Jahren gibt es umfangreiche Forschungsaktivitäten auf diesem Gebiet. Das Projekt Phosphorpotenziale im Land Berlin soll nun Aufschluss über die Phosphorströme in Berlin und deren Potenzial zur Rückgewinnung geben.

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.

Das Berliner Wissenschaftszentrum sorgt für Qualität und Kontinuität in der Beforschung wasserwirtschaftlicher Sachverhalte.

Das Element Phosphor ist für alle Lebewesen essentiell. Es ist insbesondere für den Energiestoffwechsel (ATP, ADP), das Speichern und Auslesen von Erbinformationen (DNA, RNA) sowie den Knochenbau unverzichtbar und kann weder synthetisiert noch substituiert werden. Für die Pflanzen- und Tierproduktion werden aus diesem Grund erhebliche Mengen an Phosphor benötigt. Wird dem Ackerboden durch das Pflanzenwachstum und die anschließende Ernte Phosphor entzogen, so muss dieser zum Erhalt der Ertragsfähigkeit den landwirtschaftlichen Flächen wieder zugeführt werden. Die weitverbreitete direkte Ausbringung von Klärschlamm wird zunehmend kritisch hinterfragt und ist in vielen EU Ländern deutlich rückläufig bzw. verboten. Neben der Hygieneproblematik sind hier insbesondere erhöhte Schwermetallgehalte sowie organische Schadstoffe als kritisch anzusehen. Die Zufuhr von Phosphor auf landwirtschaftliche Flächen geschieht zum Teil durch die Anwendung von Wirtschaftsdüngern aber auch durch die Zufuhr mineralischer Phosphordünger aus externen Quellen auf Rohphosphatbasis. Rohphosphate enthalten Schadstoffe wie As, Cd, Cr, Pb, Hg und U, die über den Dünger in die Nahrungskette gelangen können [1].Insbesondere Cd und U (bis zu 1.000 ppm) liegen in bedeutenden Konzentration vor [2]. Bei einer Weltjahresproduktion von 210 Millionen Tonnen und geschätzten Reserven von 67 Milliarden Tonnen ergibt sich zwar eine statische Reichweite von 320 Jahren [3]. Neu erschlossene Rohphosphatquellen sind allerdings in der Regel durch steigende Förderkosten sowie durch z.T. hohe Schadstoffgehalte gekennzeichnet. Die EU ist auf den Import von Rohphosphaten oder Phosphordüngemitteln angewiesen, da es nicht über relevante Vorkommen verfügt. Die erschlossenen Hauptvorkommen sind in China, Marokko/West Sahara, Südafrika und den USA lokalisiert. Es ergibt sich also zukünftig für die EU eine komplexe Situation auf dem Weltmarkt, da sie vollständig auf Importe angewiesen ist, und die wenigen Exportländer zum Teil einen erheblichen Eigenbedarf haben und teilweise politisch instabil sind. Aus den aufgeführten Gründen befassen sich schon seit einiger Zeit wissenschaftlich orientierte Institutionen und Unternehmen mit den Rückgewinnungspotentialen von Phosphor aus Abfallströmen. Eine Vielzahl von technischen Rückgewinnungsprozessen für Phosphor steht zur Verfügung. Trotzdem ist der Anteil von mineralischen Recyclingdüngern im Vergleich zum Phosphoreinsatz aus Mineraldüngern sehr gering. Durch das EU-Forschungsprojekt P-REX soll die Implementierung und Verbreitung technischer Phosphorrückgewinnungsverfahren vorangetrieben werden. Langfristiges Ziel ist die EU-weite Umsetzung von effektiver und nachhaltiger P-Rückgewinnung und Recycling aus dem Abwasserpfad unter Berücksichtigung regionaler Bedingungen und Bedarfe. Um dies zu erreichen werden verschiedene interdisziplinäre Ansätze verfolgt: (i) Einige vielversprechende und praxisnahe Technologien zur Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm und Klärschlammasche befinden sich zurzeit im Übergang von der Verfahrensentwicklung zur Verfahrensdemonstration oder sind bereits im Industriemaßstab im Betrieb. Die wissenschaftliche Begleitung technischer Prozesse im wirtschaftlich tragfähigen Großmaßstab soll anhand realer Daten und Erfahrungen offene Fragen im Bereich des Prozessdesigns, des Betriebs und der Leistungsfähigkeit der Prozesse klären. (ii) Die Produkte der verschiedenen Recyclingprozesse sollen systematisch untersucht und bewertet werden. Die wichtigsten Kriterien sind dabei die Pflanzenverfügbarkeit (Düngewirksamkeit) des Phosphors und ökotoxikologische Effekte (Unschädlichkeit). (iii) Marktbarrieren und Marktpotentiale für neue Recyclingtechnologien und Recyclingprodukte werden analysiert. (iv) Basierend auf den Erfahrungen und Ergebnissen sollen Strategien und Empfehlungen für eine umfassende und effiziente P-Rückgewinnung aus dem Abwasserpfad entwickelt werden. Dies schließt Ansätze für eine gezielte Marktentwicklung für unterschiedliche Regionen und Randbedingungen ein. Die Empfehlungen sollen auf EU Ebene in der Form eines Dossiers sowie eines Leitfadens vermittelt werden.

Das Element Phosphor ist für alle Lebewesen essentiell. Es ist insbesondere für den Energiestoffwechsel (ATP, ADP), das Speichern und Auslesen von Erbinformationen (DNA, RNA) sowie den Knochenbau unverzichtbar und kann weder synthetisiert noch substituiert werden. Für die Pflanzen- und Tierproduktion werden aus diesem Grund erhebliche Mengen an Phosphor benötigt. Wird dem Ackerboden durch das Pflanzenwachstum und die anschließende Ernte Phosphor entzogen, so muss dieser zum Erhalt der Ertragsfähigkeit den landwirtschaftlichen Flächen wieder zugeführt werden. Die weitverbreitete direkte Ausbringung von Klärschlamm wird zunehmend kritisch hinterfragt und ist in vielen EU Ländern deutlich rückläufig bzw. verboten. Neben der Hygieneproblematik sind hier insbesondere erhöhte Schwermetallgehalte sowie organische Schadstoffe als kritisch anzusehen. Die Zufuhr von Phosphor auf landwirtschaftliche Flächen geschieht zum Teil durch die Anwendung von Wirtschaftsdüngern aber auch durch die Zufuhr mineralischer Phosphordünger aus externen Quellen auf Rohphosphatbasis. Rohphosphate enthalten Schadstoffe wie As, Cd, Cr, Pb, Hg und U, die über den Dünger in die Nahrungskette gelangen können [1].Insbesondere Cd und U (bis zu 1.000 ppm) liegen in bedeutenden Konzentration vor [2]. Bei einer Weltjahresproduktion von 210 Millionen Tonnen und geschätzten Reserven von 67 Milliarden Tonnen ergibt sich zwar eine statische Reichweite von 320 Jahren [3]. Neu erschlossene Rohphosphatquellen sind allerdings in der Regel durch steigende Förderkosten sowie durch z.T. hohe Schadstoffgehalte gekennzeichnet. Die EU ist auf den Import von Rohphosphaten oder Phosphordüngemitteln angewiesen, da es nicht über relevante Vorkommen verfügt. Die erschlossenen Hauptvorkommen sind in China, Marokko/West Sahara, Südafrika und den USA lokalisiert. Es ergibt sich also zukünftig für die EU eine komplexe Situation auf dem Weltmarkt, da sie vollständig auf Importe angewiesen ist, und die wenigen Exportländer zum Teil einen erheblichen Eigenbedarf haben und teilweise politisch instabil sind. Aus den aufgeführten Gründen befassen sich schon seit einiger Zeit wissenschaftlich orientierte Institutionen und Unternehmen mit den Rückgewinnungspotentialen von Phosphor aus Abfallströmen. Eine Vielzahl von technischen Rückgewinnungsprozessen für Phosphor steht zur Verfügung. Trotzdem ist der Anteil von mineralischen Recyclingdüngern im Vergleich zum Phosphoreinsatz aus Mineraldüngern sehr gering. Durch das EU-Forschungsprojekt P-REX soll die Implementierung und Verbreitung technischer Phosphorrückgewinnungsverfahren vorangetrieben werden. Langfristiges Ziel ist die EU-weite Umsetzung von effektiver und nachhaltiger P-Rückgewinnung und Recycling aus dem Abwasserpfad unter Berücksichtigung regionaler Bedingungen und Bedarfe. Um dies zu erreichen werden verschiedene interdisziplinäre Ansätze verfolgt: (i) Einige vielversprechende und praxisnahe Technologien zur Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm und Klärschlammasche befinden sich zurzeit im Übergang von der Verfahrensentwicklung zur Verfahrensdemonstration oder sind bereits im Industriemaßstab im Betrieb. Die wissenschaftliche Begleitung technischer Prozesse im wirtschaftlich tragfähigen Großmaßstab soll anhand realer Daten und Erfahrungen offene Fragen im Bereich des Prozessdesigns, des Betriebs und der Leistungsfähigkeit der Prozesse klären. (ii) Die Produkte der verschiedenen Recyclingprozesse sollen systematisch untersucht und bewertet werden. Die wichtigsten Kriterien sind dabei die Pflanzenverfügbarkeit (Düngewirksamkeit) des Phosphors und ökotoxikologische Effekte (Unschädlichkeit). (iii) Marktbarrieren und Marktpotentiale für neue Recyclingtechnologien und Recyclingprodukte werden analysiert. (iv) Basierend auf den Erfahrungen und Ergebnissen sollen Strategien und Empfehlungen für eine umfassende und effiziente P-Rückgewinnung aus dem Abwasserpfad entwickelt werden. Dies schließt Ansätze für eine gezielte Marktentwicklung für unterschiedliche Regionen und Randbedingungen ein. Die Empfehlungen sollen auf EU Ebene in der Form eines Dossiers sowie eines Leitfadens vermittelt werden.

Diffuse nitrate (NO3) contamination from intense agriculture adversely impacts freshwater ecosystems, and can also result in nitrate concentrations exceeding limits set in drinking water regulation, when receiving surface waters are used for drinking water production. Implementation of near-natural mitigation zones such as reactive swales or wetlands have been proven to be promising measures to reduce nitrate loads in agricultural drainage waters. However, the behavior of these systems at low temperatures and its dependence on system design is not well known until now. In this study, the behavior of a full scale (length: 45 m) reactive swale treating drainage water of an agricultural watershed in Brittany (France) with high nitrate concentrations in the receiving river, was monitored for one season (6 months). As flow in this field scale system is usually restricted to winter and spring months (December – May), it usually operates at low water temperatures of 5°C - 10°C. Tracer tests revealed shorter than designed retention times due to high inflows and preferential flow in the swale. Results show a correlation between residence time and nitrate reduction with low removal (<10%) at short residence times (<0.1 d), increasing to >25% at residence times >10h (0.4 d). Performance was compared to results of two technical scale reactive swales (length: 8 m) operated for 1.5 years at two different residence times (0.4 and 2.5 days), situated at a test site of the German Federal Environmental Agency (UBA) in Berlin (Germany). Similar nitrate reduction was observed for comparable temperature and residence time, showing that up-scaling is a suitable approach to transfer knowledge gathered from technical scale experiments to field conditions. For the design of new mitigation systems, one recommendation is to investigate carefully expected inflow volumes in advance to ensure a sufficient residence time for effective nitrate reduction at low temperatures.

In recent years, organic micropollutants have been detected in urban storm runoff in several European studies. As rain water runoff in Berlin and other German and European cities is often discharged untreated in separated sewer systems, urban stormwater is a large potential source of micropollutants affecting receiving surface waters. As a consequence, it is important to know the local extent of the issue to be able to evaluate potential measures. In this study, a one year monitoring programme is conducted in the city of Berlin to estimate yearly loads of micropollutants from urban stormwater entering Berlin surface waters. Five different catchment types typical for Berlin were determined after analysis of GIS data (old building areas <1930, newer building areas >1950, single houses with gardens, roads and commercial areas) and monitoring points were selected fulfilling a number of criteria (including representativeness of catchment type, accessibility, sufficient flow, manhole size). Samples are taken using automatic samplers and a sampling strategy was developed to obtain best possible representative composite samples representing the average concentration of the sampled storm event. Results will then be used with measured flow data to calculate micropollutant loads of individual catchment types. A runoff model for Berlin applied to the individual catchment types and coupled with pollutant concentration relationships will be used to extrapolate results to city scale.

Diffuse nitrate (NO3-) contamination from intense agriculture adversely impacts freshwater ecosystems, and can also pose a risk to human health if receiving surface waters are used for drinking water production. Implementation of near-natural mitigation zones such as reactive swales or wetlands have been proven to be promising measures to reduce nitrate loads in agricultural drainage waters. However, the behaviour of these systems at low temperatures and its dependence on system design is not well known until now. In this part of the Aquisafe project, the behaviour of a full scale (length: 45 m) infiltration ditch and two parallel wetlands (surface flow wetland and infiltration wetland) treating drainage water of two agricultural watersheds in Brittany (France) with high nitrate concentrations in the receiving river, were constructed and monitored for 3 flow seasons in 2011, 2012 and 2013 to evaluate field scale performance of these systems. As the flow in both sites is usually restricted to winter and spring months (December – May), systems usually operate at low water temperatures of 5°C - 10°C. Tracer tests revealed shorter than designed retention times (average values for whole flow season 2013: 1.1 h for infiltration ditch, 4.3 h for infiltration wetland and 8.4 h for surface wetland) due to high inflows and preferential flow. This likely is the main reason for observed low average retention of nitrate loads of 1.5-3% during the whole flow season. However, increase of relative nitrate retention to up to 80% during low flow conditions at the end of flow season in May with higher HRT and increasing temperatures show that investigated systems generally work. Results show a stronger correlation between residence time and nitrate reduction for all three systems compared to correlation with temperature. Retention times necessary in existing systems to achieve nitrate retention >30% were 1 day for infiltration ditch and 3 days for wetlands. Performance was compared to results of two technical scale reactive swales (length: 8 m) operated for 1.5 years at two different residence times (0.4 and 2.5 days), situated at a test site of the German Federal Environmental Agency (UBA) in Berlin (Germany). Similar nitrate reduction was observed for comparable temperature and HRT values (during low flow conditions at end of flow season 2013), showing that up-scaling is a suitable approach to transfer knowledge gathered from technical scale experiments to field conditions. For the design of new mitigation systems, expected inflow volumes have to be investigated carefully in advance to ensure a sufficient residence time for effective nitrate reduction at low temperatures.