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.

Für die Klärschlammbehandlung und -entsorgung von vier Kläranlagen (Ruhleben, Waßmannsdorf, Schönerlinde und Münchehofe) in Berlin wurden Energie- und Treibhausgasbilanzen jeweils mit und ohne Einbindung der Hydrothermalen Karbonisierung (HTC) erstellt. Als Methode diente die Ökobilanz mittels der Software Umberto 5.6. Hierzu wurden Stoffstrommodelle zur Quantifizierung der relevanten Stoff- und Energieströme bei der Schlammbehandlung, Prozesswasserbehandlung und Faulgasverwertung jeweils ohne und mit HTC (Reaktor, Entwässerung, Prozesswasserrückführung in Faulung bzw. Klärwerk) erstellt. Als Input-Daten dienten Messwerte der BWB, Laborversuche und Herstellerangaben. Aus den Ergebnissen wurden der kumulierte fossile Energieaufwand und das Treibhauspotential berechnet. Neben der Frage, inwieweit und durch welche wesentlichen Parameter die HTC die Bilanzen verbessert, wurde die Auswirkung der Ansäuerung bei der HTC, der Unterschied zwischen zwei HTC-Verfahren (TerraNova- und AVA-CO2) sowie die Ergebnisse einiger Pilotversuche hinsichtlich der Bilanzen ausgewertet. Bei den Klärwerken mit Faulung wurde eine deutliche Verbesserung der Energieund Treibhausgasbilanz durch die HTC bei Annahme einer guten Entwässerbarkeit (TR 65 %) festgestellt, in Ruhleben allerdings nur bei Ergänzung einer anaeroben HTC-Prozesswasserbehandlung mit Faulgasnutzung, dafür jedoch mit der größten Verbesserung. Hier kann der HTC-Wärmebedarf durch effiziente BHKWAbwärmenutzung zu 35 % gedeckt werden, bei den übrigen Klärwerken sind es >90 %. Die Verbesserung der Bilanzen kommt primär durch die zusätzliche Stromproduktion bzw. Braunkohlesubstitution bei der Verbrennung infolge des höheren Heizwertes, die Stromgewinnung durch das zusätzliche Faulgas (+16-19 %) und die reduzierten N2O-Emissionen bei der Monoverbrennung zustande. Die Coverbrennung zeigt stets deutlich bessere Energiebilanzen als die Monoverbrennung. Die Ansäuerung bei der HTC bewirkt eine geringere Methanausbeute aus dem Prozesswasser sowie eine geringe HTC-Kohle-Massenausbeute und damit eine Verschlechterung der Bilanzen. Bezüglich der Ursachen besteht noch Klärungsbedarf. Das AVA-CO2-Verfahren hat nur eine geringfügige Methanausbeute, verbunden mit einem höheren Erdgasbedarf, jedoch einen höheren Heizwert und Massenausbeute der HTC-Kohle. Dadurch ist es dem TerraNova-Verfahren hinsichtlich der Bilanzen nur bei der Coverbrennung überlegen, bei der Monoverbrennung ist es umgekehrt. In den Pilotversuchen fiel der Entwässerungsgrad geringer aus als angenommen (TS 44-51 %). Dadurch sinkt der nutzbare Heizwert und die Bilanzen verschlechtern sich entsprechend. Weitere Pilotversuche sind empfehlenswert. Refraktäre Verbindungen im Prozesswasser verursachen eine zusätzliche CSBBelastung des Ablaufs (+7-12 mg/l). In Waßmannsdorf würde der Überwachungswert überschritten, in den übrigen Klärwerken würde er im Mittel eingehalten.

Für die Gewinnung von Braunkohle ist die Absenkung des Grundwasserspiegels im Rheinischen Braunkohlerevier notwendig. Die große Ausdehnung der Tagebaue, sowohl in der Fläche als auch in der Tiefe, erfordert dabei eine über mehrere Jahrzehnte anhaltende Entwässerung der Lockergesteinsschichten. Hierfür werden Sümpfungsbrunnen verwendet, die bis in eine Tiefe von 750 m reichen. Im gesamten Rheinischen Braunkohlerevier werden von der RWE Power AG ca. 1.500 solcher Brunnen zur Entwässerung der Tagebaue eingesetzt.

The recovery of phosphorus (P) from sewage sludge, sludge liquor, or ash from monoincineration can be realized with different processes which have been developed, tested or already realized in full-scale in recent years. However, these pathways and processes differ in their amount of P that can be recovered in relation to the total P content in sludge, in the quality of the recovered P product, and in their efforts in energy, chemicals, fuels, and infrastructure required for P recovery. This study analyses selected processes for P recovery from sludge, liquor, or ash in their potential environmental impacts, following the method of Life Cycle Assessment (LCA, ISO 14040/44). Based on available process data from technology providers and end users, these processes are implemented in a hypothetical reference system for sludge digestion, dewatering and disposal in mono-incineration, including potential side-effects on mainstream wastewater treatment with the return load from sludge dewatering. Recovered products (e.g. P or N fertilizer, electricity, district heating) are accounted as credits for substituting equivalent industrial products. Depending on the maturity of the investigated process, collected process data of process efficiency, product quality, and energy and material demand originates from full-scale plants, pilot trials, or prospective modeling (status in 2014). This data is validated with the technology providers, transferred to the reference system and evaluated with a set of environmental indicators for energy demand, global warming, acidification, abiotic resource depletion, eutrophication, and human and ecotoxicity. Results show that pathways and processes for P recovery differ heavily in their amount of recovered P, but also in energy and related environmental impacts (e.g. greenhouse gas emissions). As direct struvite precipitation in sludge or liquor relies on the dissolved amount of P in digested sludge, these processes are only applicable in wastewater treatment plants with biological P removal. Here, they can recover 4-18% of total P in sludge with a relatively low effort in energy and chemicals, reducing return load to the mainstream process and eventually improving sludge dewaterability in case of direct precipitation in sludge. Acidic leaching of P from digested sludge can yield up to 48% of P for recovery, but requires a significant amount of chemicals for control of pH (leaching and precipitation) and for minimizing heavy metal transfer into the product. The quality of products from sludge and liquor is good with low content on heavy metals, leading to a low potential toxicity for humans and ecosystems. Leaching of monoincineration ash with sulphuric acid yields 70% P with moderate chemical demand, but the leached ash and co-precipitated materials have to be disposed, and the product contains some heavy metals. Complete digestion of ash in phosphoric acid and multi-stage cleaning with ion exchangers yields high recovery of 97% P in a high-quality product (H3PO4) and several coproducts, having an overall low environmental impact. Thermo-chemical treatment of ash can recover up to 98% P with moderate energy input in case of integration into an existing monoincineration facility, but the product still contains high amounts of selected heavy metals (Cu, Zn). Metallurgic treatment of dried sludge or ash can also recover up to 81% of P, but the process has still to be tested in continuous pilot trials to validate product quality, energy demand, and energy recovery options. Sensitivity analysis shows that other pathways of sludge disposal (e.g. co-incineration combined with upstream P extraction, direct application in agriculture) may also be reasonable from an environmental point of view depending on local boundary conditions and political targets. In general, the use of life-cycle based tools is strongly recommended to evaluate and select suitable strategies for regional or national concepts of P recovery from sewage sludge.