Within this research project different treatments (ozonation, coagulation) of secondary effluent and the fouling behavior during subsequent ultrafiltration were investigated at labscale. Coagulation with 4 mg Fe3+/L leads to a significant removal of fouling resistance and moreover pre-ozonation up to a dosage of 15 mg O3/L can clearly enhance the filtration process. In contrast rising ozone dosages produce more hydraulically irreversible fouling. The subsequent coagulation can only compensate ozone-induced stronger irreversible fouling to some extent.

Niederdruckmembranen (Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen) stellen eine leistungsfähige Technik zur weitergehenden Behandlung kommunaler Abwässer dar. Neben den Vorteilen eines kleinen Flächenbedarfs und eines verlässlichen Betriebes, birgt vor allem die hohe Ablaufqualität das Potential, die aufnehmenden Gewässer zu entlasten. Ein großes Problem beim Einsatz solcher Membranen ist das Membranfouling. Dieses führt zur raschen Abnahme der Filtrationsleistung, zur Erhöhung der Reinigungsfrequenz und des Chemikalieneinsatzes, was insgesamt hohe Betriebskosten verursacht. Sowohl gelöste organische Stoffe, als auch kolloidale und partikuläre Wasserinhaltsstoffe wurden als Hauptverursacher des Foulings von Niederdruckmembranen identifiziert. Durch gezielte Vorbehandlungen des Wassers kann das Membranfouling deutlich reduziert werden. Verschiedene Studien zeigen, dass eine vorgeschaltete Flockung zur Ausbildung eines porösen, hydraulisch gut rückspülbaren Filterkuchens führt. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass eine Kombination aus Ozonung und Flockung durch den Effekt der Mikroflockung eine Bildung größerer, stabilerer Flocken bewirkt und somit eine verbesserte Filtrierbarkeit des Wassers erreicht werden kann. Bisher fehlt jedoch die Möglichkeit, verlässliche Vorhersagen über das Foulingpotential von gereinigtem Abwasser zu treffen. Das Ziel dieser Studie ist es, auf Grundlage von Partikelgrößenanalysen im nm-Bereich, Abschätzungen über das Foulingverhalten von Kläranlagenablauf zu treffen. Darauf aufbauend soll die Vorbehandlung aus Ozonung und anschließender Flockung für die Minimierung des Foulingpotenzials der im Wasser enthaltenen Substanzen optimiert werden.

Der Einsatz von Niederdruckmembranen (Mikro- und Ultrafiltration) zur Aufbereitung von biologisch behandeltem Abwasser ermöglicht eine weitergehende Entfernung von Mikroorganismen und damit eine verbesserte hygienische Ablaufqualität. Membranfouling, also die Ablagerung von Wasserinhaltsstoffen auf oder in der Membran und eine damit verbundene Verringerung der Membranpermeabilität gelten dabei als ein wesentliches Problem. Gerade das irreversible Fouling verhindert einen vermehrten Einsatz dieser Aufbereitungstechnik. Untersuchungen zeigen, dass organische Makromoleküle in erheblichem Maße für das Fouling verantwortlich sind. Mittels Fluoreszenzanalytik und Größenausschlusschromatographie konnten Proteine hierbei als stark foulingverursachende Fraktion identifiziert werden. Filtrationsversuche mit Standard-Proteinlösungen über Niederdruckmembranen bestätigen deren Foulingpotenzial. Dies wird auf elektrostatische und hydrophobe Wechselwirkungen zwischen Membran und Protein (Porenverblockung /einschnürung) zurückgeführt bzw. mit intermolekularen Wechselwirkungen zwischen den Proteinen erklärt (Deckschichtbildung). Weiterhin hat der pH-Wert einer Proteinlösung starken Einfluss auf die Filtrierbarkeit. Bisherige Untersuchungen zeigen hier jedoch unterschiedliche Ergebnisse. Während Koehler et al. (1997) in Fouling-Maximum im Bereich des isoelektrischen Punktes (IEP) feststellen, zeigt Salgin (2007) ein stärkeres Fouling bei pH<IEP. Die genaue Ursache ist unklar und wird von verschiedenen Autoren in unterschiedlichem Maße den oben genannten Wechselwirkungen zugeschrieben. Der überwiegende Teil der Untersuchungen ist für die Membranfiltration in der Abwasseraufbereitung nur in beschränktem Maße relevant, da die eingesetzten Proteinkonzentrationen mit >100mg/L deutlich über dem Bereich des Klarlaufs einer kommunalen Kläranlage liegen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss unterschiedlicher Faktoren (pH-Wert, Hintergrundmatrix) auf die Filtrationseigenschaften und das Proteinfouling im geringeren Konzentrationsbereich (5 mg/L) untersucht. Bei der Untersuchung kam auch erstmals ein hochmodernes MALDI-TOF-MS mit zusätzlichem HighMassDetektor für die direkte Analyse der verwendeten Membranen zum Einsatz.

Pre-treatments minimizing membrane fouling are extensively studied, to extend membrane life span and decrease the operating costs. In this study, the effect of several pre-treatment options before tertiary membrane treatment was investigated with a submicron particle counter from Nanosight (UK). This device using the Nanoparticle Tracking Analysis method is able to measure the particle size distribution and the absolute particle concentration of particles between 50 and 1000 nm in secondary effluent. The goal of this study is to enhance the understanding of MF/UF membrane fouling by monitoring the submicron particle fraction in the water. Experiments were carried out at lab-scale. Reliability and reproducibility of the device were determined as well as the impact of the pre-filtration on the measurements. The impact of ozonation (0-15 mg O3/L) and/or coagulation (0-12 mg Fe3+/L) on particle size distribution and on the filtration performance was studied on a polyethersulfone ultrafiltration membrane. Results showed a clear relationship between the amount of nanoparticles below 200 nm and the filtration behavior. Lower particle concentrations in this size range resulted in lower flux decline due to reversible fouling. Coagulation and ozonation pre-treatment decreased the particle concentration below 200 nm. The combination of ozonation/coagulation shows synergistic effects and leads to an additional decrease of submicron particle content and further improvement of the filtration performance. Long term impact on hydraulic irreversible fouling still needs to be clarified.

Treated municipal wastewater may contain pathogenous micro-organisms and persistent trace organics leading to problems when being discharged into the surface waters. The investigations of the research project PILOTOX aimed at their elimination from treated municipal wastewater through subsequent oxidation by ozone. For this purpose, the TU Berlin (department of Water Quality Control) in cooperation with the Berliner Wasserbetriebe at the WWTP Berlin-Ruhleben, carried out several tests with a pilot plant by the company WEDECO aiming at the ozonation of the effluent. The results show that ozonation is a suitable procedure to remove and transform respectively, substantial quantities of the pharmaceutical residues detected in the effluent of the Ruhleben WWTP and, at the same time, to achieve a germ reduction complying with the threshold values stipulated in the European directive on bathing water. It was found that many trace organics such as the anti-epilepticum carbamazepin or the hormone estron can be removed at a very low ozone dosage to below their analytic detection limit. The X-ray contrast media however, turned out to be more resistant: even at a high ozone dosage, their concentrations could be reduced only partially. In this context, the tests detected that through the combination of H2O2 and ozone, an elevated elimination rate for the substances iopamidol and iohexol can be achieved. The elimination of the analysed trace organics correlated with the decrease of the water’s UV activity. Thus, it is advisable to use the rapidly and simply traceable parameter SAK254 as process control parameter to determine the necessary ozone dosage. In addition, it could be proven that ozonation increases the biological degradability of water components. Laboratory test looking at recontamination levels however, indicate that the threshold values stipulated in the EU directive on bathing water will not be exceeded if the ozone-treated effluent is mixed with water originating from the River Spree. A study regarding the water’s acute and chronic toxicity, to its gene toxicity and endocrine impacts, revealed that – compared to the untreated effluent - no eco-toxicological risk potential can be detected in the ozone-treated water samples.The specific treatment cost covering the large-scale application of ozone treatment at the WWTP Ruhleben range between 1,0 cent/m3 and 2,2 cent/m3, of which the investment costs account for a percentage of 20-30 %.

Recent research projects have shown a good suitability of the ozonation process to transform trace concentrations of most pharmaceuticals in wastewater treatment plant (WWTP) effluents. The concentrations of carbamazepine and 17a-ethinylestradiol, for instance, were reduced below their detection limits by use of ozone dosages resulting in a specific ozone consumption of 0.5 mg O3/ mg DOC0. At the same time a good disinfection performance was achieved. The given hygienic requirements of the EU bathing water directive (e.g. 2000 N / 100 ml faecal coliforms) are fulfilled without the formation of bromate (< 10 µg/L). As technical control parameter of the ozonation process usually the residual ozone in the liquid phase or in the off-gas are used. However, at very low specific ozone consumptions, ozone reacts instantaneously with dissolved compounds and can not be detected. Hence alternative parameters should be used for effective operation control. The present paper evaluates the relation between UVA decrease and the removal of different compounds (endocrine disrupting compounds, pharmaceuticals, iodinated Xray contrast media), microbial parameters and bromate formation. The results can be used as a guideline for the control of the oxidation performance at large scale ozonation units.

The secondary effluent of Berlin's sewage treatment plant Ruhleben was oxidized by dosages of 2.5-22 mg/L ozone and varying operation conditions to remove pharmaceutical compounds and disinfect water in parallel. The majority of analysed neutral and acidic drugs were efficiently removed to the detection limit at ozone consumptions equal to a dosage of < 10 mg/L O3. However, certain compounds like clofibric acid, ketaprofen and traced metabolites required higher dosages of > 10-15 mg/LO3 for complete removal. A series of four iodinated organic contrast media (ICM) persisted the ozone treatment even at high consumption rates. Related to disinfection, the legal requirements (EU bathing water directive) could be fulfilled by a consumption of < 10 mg/L O3. For a combined oxidation by ozone and H2O2 (perozone) higher conversion rates for clofibric acid, naproxen and ketaprofen could be obtained at lower dosage (6 mg/L O3). For two ICM, namely iopamidol and iohexol, this was the case at higher ozone consumption. The removal of adsorbable organic iodine (AOI) > 10% could not be achieved by any treatment. The initial genotoxicity of the secondary effluent was stated by four independent tests. Due to the application of ozone, this genotoxicity was completely removed. The presented results confirm that ozonation can be a suitable advanced wastewater treatment at varying operation conditions to lower effluent concentrations of pharmaceuticals and active micro-organsisms.