In recent decades, emerging contaminants (ECs) have surfaced as one of the key environmental problems threatening ecosystems and public health. Most emerging contaminants are present in low concentrations, and therefore often remain undetected and are also referred to as ‘micropollutants’. Despite this, many ECs raise considerable concerns regarding their impacts on human and environmental health. DEMEAU (Demonstration of promising technologies to address emerging contaminants in water and wastewater), a European Seventh Framework Programme (EU-FP7, 2013-2015) project, aimed to tackle ECs in drinking and wastewater by advancing the uptake of knowledge, prototypes, practices and removal technologies. The project followed a solutions-oriented approach using applied research and demonstration sites, and explored four promising technologies for EC removal and/or degradation: Managed Aquifer Recharge (MAR), Hybrid Ceramic Membrane Filtration (HCMF), Automatic Neural Net Control Systems (ANCS) and Advanced Oxidation Techniques (AOT). Furthermore, Bioassays (BA) were investigated as an effect-based monitoring tool. This article shares new findings for each approach and their potential for widespread integration in the drinking- and wastewater sector. Research results from DEMEAU demonstration sites show that opportunities for synergies among these developments offer the most promising and effective methods for tackling ECs in the water sector.

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.

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.

The implementation of tertiary treatment at large wastewater treatment plants (WWTP) may be required in many WWTPs in Germany due to water quality targets defined in the Water Framework Directive (EU-WFD) and Bathing Water Directive (EU-BWD) of the European Union. Furthermore, potential environmental risks of organic micropollutants (OMP) from anthropogenic sources (i.a. pharmaceuticals, sweeteners) could require additional treatment steps for tertiary treatment in future. EU-WFD requires a “good ecological status” of all water bodies, which can lead to a need of enhanced phosphorus removal at large WWTP (>100’000 pe), targeting an effluent quality <100µg/L TP. Moreover, if a WWTP discharges upstream of bathing water, EU-BWD requirements have to be met. Hence implementing a disinfection step might be necessary. Different options for enhanced P-removal and disinfection have already been analyzed in their economic and environmental impacts (KWB 2013). Based on these results, both targets can be adequately met by coagulation with subsequent dual media filtration (DMF) and UV-disinfection (UV). On this basis, the present study focusses on the additional integration of a process for OMP-removal into a tertiary treatment scheme. Considered technologies for OMP-removal are oxidation by ozonation and adsorption by activated carbon (AC) either by dosing powdered activated carbon (PAC) or using filtration units with granulated activated carbon (GAC), respectively. These technologies increase the additional demand of energy and chemicals for tertiary wastewater treatment. WWTPs are already one of the major contributors of electricity demand at municipality level (UBA 2008), and further treatment steps may add up significantly in this environmental impact. In the present study, different options and process configurations for OMP-removal are integrated in a tertiary treatment with advanced P-removal and UV-disinfection, and the entire tertiary treatment train is then analysed in its environmental impacts using the methodology of Life Cycle Assessment (LCA). The goal of the LCA is to reveal the trade-off between local environmental benefits by higher effluent quality and global environmental impacts, e.g. an increasing CO2-footprint. With the methodology of LCA different tertiary treatment schemes are analysed in a holistic approach “from cradle to grave” (ISO 2006), which includes direct effects at water bodies through discharge, and indirect effects resulting from infrastructure, chemical and electricity demand by tertiary treatment and additional sludge treatment. The baseline scenario is defined as treatment of secondary effluent of an existing WWTP located in Berlin, Germany (1’500’000 pe) by DMF with coagulation and UV (Figure 1.1). Sludge from backwash of filtration units is considered in the LCA by a simplified model for sludge treatment and mono-incineration (SMIP). For integration of OMP-removal into tertiary treatment, 7 possible scenarios are compared in their environmental impacts (Figure 1.2): (1) Ozone+DMF+UV, (2) PAC-dosing+DMF+UV, (3) PAC-cycle+DMF+UV, (4) DMF+GAC-filter+UV, (5) DMF w/ GAC-layer+UV, (6) Ozone+DMF w/ GAC-layer+UV, or (7) parallel treatment by ozonation and PAC+DMF+UV, respectively. Each scenario is analysed with a low, medium, and high dosage of ozone or AC, displaying the whole range of economic feasibility and effluent quality targets (Table 1.1). The specific dosage of ozone and PAC are referred to DOC-concentration of the secondary effluent (12.8mg/l DOC). Data used for advanced P-removal and UV-disinfection are based on a previous study (Remy et al. 2014) using planning data from the WWTP operator considering process efficiency, infrastructure, energy and chemical demand. Data for OMP-removal technology are based on pilot plants and planning data from WWTP operator. For LCA, impact categories of ReCiPe Midpoint method are taken into account (Goedkopp et al. 2008), e.g. global warming potential (GWP) or freshwater eutrophication potential (FEP), and cumulative energy demand (CED) of fossil and nuclear resources (VDI 2012), and USEtox indicators (Rosenbaum et al. 2008) freshwater ecotoxicity (ETP) and human toxicity potential (HTP). Environmental benefits of tertiary treatment scenarios on the global scale can be seen in the FEP and ETP indicators. TP from secondary effluent is reduced from 320µg/l to 55µg/l TP after tertiary treatment. The global USEtox indicator ETP includes preliminary impact factors for seven measured OMPs (6 pharmaceuticals, 1 herbicide), neglecting potential toxic effects of metabolites or transformation products as limitation of the multi-fate model. Removal of OMP has a positive effect on ETP in all scenarios. However, background processes and heavy metal loads play a major role in the contribution to the global ecotoxicity indicator. On the contrary, a higher energy and chemical consumption lead to a significant increase of CED and GWP due to OMP-removal (Figure 1.3). Comparing baseline scenario (DMF+UV) with the gross GWP of a large WWTP, the CO2-footprint will increase by +11% (82g CO2-eq/m³). Ozonation increases the GWP by 23% to 37% depending on ozone dosage. Main contributors for GWP are electricity and liquid oxygen demand for ozonation. Highest effects on GWP are detected for the scenario “PAC-cycle+DMF+UV” with an additional CO2-footprint of 36% or 110%, respectively, which is mainly caused by emissions during production of AC. In summary, OMP-removal can double the GWP of an existing large WWTP in the worst case and thus contributes significantly to global environmental effects. Production of AC is a crucial parameter for scenarios using GAC or PAC. Hence, a sensitivity analysis is performed changing raw materials for AC production. AC production is modelled according to available data from Bayer et al. (2005) using 3kg of hard coal as resource for activation process and generating 1kg of virgin AC. Other possible resources for AC production can be lignite or coconut shells. Varying the type of resource reveals a high uncertainty in GWP. Considering scenario “PAC+DMF+UV” a possible reduction of -23% of net GWP using coconut shells or even an increase of net GWP by +32% using lignite is possible. Since specific discharge limits for OMP removal are not defined yet, a direct comparison between the considered scenarios is not possible, as they lead to different effluent qualities in OMP concentration. Thus, in theory a low dosage of PAC (1.0g/gDOC) may be sufficient to achieve certain effluent targets, whereas ozonation could require a high dosage (1.0g/gDOC) for the same quality, or vice versa.

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.

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.