This report summarizes the results of Life Cycle Assessment, Water footprinting, and quantitative microbial and chemical risk assessment for selected demosites of water reuse in Europe, measuring the potential impacts of different types of water reuse on environment and human health. The case studies show that water reuse is often preferable from an environmental point of view in areas with water scarcity problems if compared to other alternatives such as water import or seawater desalination. Potential risks of water reuse for ecosystems or human health can be adequately managed if suitable processes for reclaimed water treatment are used and operated correctly. However, the study also shows the trade-offs between a higher level of reclaimed water treatment and increased environmental impacts from associated efforts in energy, chemicals and infrastructure. This inherent trade-off requires a site-specific assessment of reuse schemes to choose an adequate treatment scheme for risk management with reasonable global environmental impacts.

This review covers state-of-the-art technologies for advanced anaerobic digestion of municipal sewage sludge. It is based on an extensive review of literature and available data, focussing on processes which have been realized in full-scale plants. The review includes information on single-stage mesophilic digestion, thermophilic digestion, temperature-phased digestion, high-load digestion and other process modifications, as well as mechanical, thermal, chemical, and biological disintegration methods. All processes are described with a set of key performance indicators such as degradation rate of volatile solids, biogas yield, return load, effects on dewatering, and capital costs.

A total of 27 existing measures of stormwater management were studied across scales from building level (vegetated buildings, rainwater use) to city quarter level (infiltration, de-paving, artificial lakes and streams, decentralised treatment) and catchment level (centralised treatment, storage). For each measure, the same performance indicators were quantified based on literature, monitoring and simulation results regarding six potential benefits (water/energy saving potential, improvement of landscape quality, increase in biodiversity, reduced urban heat exposure, improvement of groundwater and surface water bodies), indirect resource use (life cycle assessment) and direct cost. Results show that each measure has its strengths and weaknesses. Thus, it is expected that different combinations of measures will lead to increased benefits for different locations/settings. The developed measurebenefit/cost-matrix may support the finding of such improved combinations and is currently tested in a research project regarding its potential for problem-oriented urban planning in Berlin, Germany.

Nutrients, phosphorus and nitrogen, from municipal and industrial water streams contribute to the pollution or reduce the ecological potential of receiving water bodies. Recovering or reducing the nutrient content of waste streams, thus reducing the amounts of phosphorous and nitrogen that ends up in the water bodies, will contribute to a better environment. The first part of this report describes two tests performed to treat the concentrate of the reverse osmosis process at the Torreele facility. The first test used a natural system based on willows; the second test was based on post-denitrification MBBR. The willows proved able to remove nutrients for more than 30%, resulting in a substantial cost benefit for discharge which could make it economical feasible when installed at full-scale to treat the total volume of RO concentrate. Contrary to the willows, that even remove part of the nitrogen in winter, the post-denitrification MBBR was only efficient when N-NO3- exceeded 30 mg/L. The variable N-NO3- N-NO3- concentration and salinity of RO concentrate seemed to be limiting factors for a good performance. The second part of this report summarizes the activities regarding the optimization of water and nutrient (nitrogen and phosphorus) management at the reuse site Braunschweig, Germany. A detailed analysis of supply and demand of both, water and nutrients, for the reuse site was conducted. The optimization potential is especially high for nitrogen management, since the simultaneous supply via the Braunschweig wastewater treatment plant and additional conventional nitrogen fertilizer application by farmers result in an oversupply of nitrogen, losses to environment and a low efficient reuse compared to the total potential of renewable nitrogen in wastewater or sludge. Following this analysis, two possible solutions are discussed (fertigation and technical nutrient recovery), which are practically relevant for the Braunschweig reuse scheme in mid- and long-term timescale. Results indicate a high potential to increase the efficiency of nitrogen recycling. Simultaneously irrigation adopted on water demand of plants can be achieved.

Um einen guten Gewässerschutz zu gewährleisten und damit die Ziele der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie umzusetzen, müssen auch die stofflich oft unterschätzten Niederschlagsabflüsse aus dem Trennsystem behandelt werden. Der Gesetzgeber hat im neuen Wasserhaushaltsgesetz § 55 geregelt, dass Niederschlagswasser entweder ohne Vermischung über eine Kanalisation abgeleitet werden soll, ortsnah versickert oder direkt (in Gräben) abgeführt wird. Der Neubau von Mischsystemen ist nicht mehr zugelassen. Die Belastung der Gewässer durch direkte Einleitung von Niederschlagswasser steigt, da dessen Verschmutzung u.a. durch das steigende Verkehrsaufkommen zunimmt. Vor allem Straßenabflüsse von Kreuzungen und auch Abflüsse von viel genutzten Parkplatzflächen können eine hohe Schadstoffbelastung aufweisen. Seit einigen Jahren wird deshalb in den meisten Bundesländern „behandlungsbedürftigem“ Niederschlagswasser unterschieden. Behandlungsbedürftiges Niederschlagswasser stammt überwiegend von Verkehrsflächen, die nach Angaben des Statistischen Bundesamtes annähernd 50 % der versiegelten Flächen in Deutschland ausmachen. Der Schadstoffeintrag von Wohn- oder Gewerbeflächen ist dagegen weitaus geringer. Daher steht die Behandlung von Niederschlagswasser von Verkehrsflächen zunehmend im Fokus. Anlagen zur Niederschlagswasserbehandlung werden bislang überwiegend „zentral“ am Auslass der Kanalisation angeordnet, die unterschiedlich belastete Flächen gemeinsam entwässern. Als zentrale Niederschlagswasserbehandlung kommen bisher Regenrückhaltebecken (RRB), die vorwiegend hydraulisch wirken, Regenklärbecken (RKB) mit und ohne Dauerstau, Retentionsbodenfilter (RBF) sowie Abscheideanlagen nach RiStWag zum Einsatz. Zur Nachrüstung bestehender Becken kommen Lamellenabscheider und technische Filteranlagen zur Anwendung. Besonders im dicht besiedelten urbanen Raum ist eine zentrale Behandlung von Straßenabflüssen aus Platzgründen nicht immer möglich. Um dennoch behandlungsbedürftiges Niederschlagswasser zu reinigen, stellen dezentrale Reinigungsanlagen eine Alternative und Ergänzung dar. Es existieren unterschiedliche Systeme auf dem Markt, welche auf dem Prinzip der Abscheidung durch Sedimentation, Filtration und Adsorption oder auf einer Kombination dieser Verfahren basieren. Als neue Sonderformen stehen Trägermaterialien wie Zeolithe, Zero-valentes Eisen (GEH) z.B. für die Behandlung von Niederschlagswasser, das von Kupferdächern stammt zur Verfügung. In einigen Projekten wurden dezentrale Reinigungsanlagen zur Behandlung von Straßenabflüssen bereits untersucht, meistens unter kontrollierten Randbedingungen. zwischen „nicht behandlungsbedürftigem“ und Um an die gewonnenen Ergebnisse anzuknüpfen und weitere Erfahrungen über ihre Leistung in situ und deren Betriebsaufwand zu sammeln, wurde am Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft der TU Berlin in enger Kooperation mit der Ingenieurgesellschaft Prof. Dr. Sieker mbH (IPS), dem Kompetenzzentrum Wasser Berlin (KWB), den Berliner Wasserbetrieben (BWB) und der Berliner Stadtreinigung (BSR) das Projekt „Dezentrale Reinigung von Straßenabflüssen“ bearbeitet. Die Ziele des Projektes bestanden darin, Aussagen über verschiedene Technologien zur dezentralen Reinigung von Straßenabflüssen hinsichtlich der stofflichen Rückhalteleistung und dem Betriebsverhalten zu treffen. Dafür wurden im öffentlichen Straßenraum in Berlin (Clayallee) sowie auf einem Betriebshof der Berliner Stadtreinigung verschiedene Systeme untersucht. Zusätzlich erfolgte eine Untersuchung der Anlagen unter definierten und reproduzierbaren Bedingungen an einem Teststand. Die Ergebnisse wurden mit den Erkenntnissen der in situ Untersuchung verglichen. Weiterhin wurden abschätzende Modellierungen auf Einzugsgebietsebene, eine Kostenvergleichsrechnung sowie eine Ökobilanz erstellt. Das Projekt lief vom 01.11.2012 bis zum 30.09.2015.

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.

This report summarizes the definitions and schemes that will be used for the process assessment within POWERSTEP. A general approach is described to screen potential schemes for wastewater treatment plants (WWTPs) in their energy profile with the energy audit software OCEAN, focussing on reference schemes as benchmark and potential POWERSTEP schemes with innovative process modules