Energy and resource recovery from municipal wastewater is a pre-requisite for an efficient and sustainable water management in cities of the future. However, a sound evaluation of available processes and pathways is required to identify opportunities and short-comings of the different options and reveal synergies and potentials for optimisation. For evaluating environmental impacts in a holistic view, the tool of Life Cycle Assessment (LCA, ISO 14040/44) is suitable to characterize and quantify the direct and indirect effects of new processes and concepts. This paper gives an overview of new processes and concepts for upgrading existing wastewater treatment plants towards energy positive and resource efficient wastewater treatment, based upon an evaluation with LCA using data from pilot and full-scale assessments of the considered processes.

The theoretical work presented here analyses various process chains for the energetic utilisation of municipal sewage sludge in their energy and greenhouse gas balance taking into account the hydrothermal carbonisation (HTC), based on the operating data of an HTC pilot plant. In the comparison with reference processes for sewage sludge dewatering (centrifuge, chamber filter press) the HTC with this offers energetic advantages with the treatment of digested sludge through high energy credit notes in the incineration and relatively small additional expenditure if the process can be operated via waste heat. For raw sludges without digestion the HTC offers no advantages as the energe tic advantage of the high calorific value are balanced out through additional outlays (natural gas, increased return loading). Decisive factors with the energetic evaluation of the HTC process are here the internal heat management and the biogas yield from the HTC process water. To be noted is, however, that the refractory COD in the process water can lead, via the return loading of the wastewater treatment plant, to considerably increased COD discharge values, which the introduction of an HTC in many cases would prevent. Along with the energy balance the HTC technology for sewage sludge should therefore be comprehensively evaluated in large-scale trials in order to investigate more accurately the economic efficiency and environmental relevance of the process.

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.

Energy and resource recovery from raw municipal wastewater is a pre-requisite for an efficient and sustainable wastewater treatment in the future. This paper evaluates several processes for upgrading existing wastewater treatment plants or new concepts towards energy positive and resource efficient wastewater treatment in their life-cyle impacts on the energy balance. In addition, future challenges for integrating both energy and resource recovery in wastewater treatment schemes are identified and discussed.

For improved exploitation of the energy content present in the organic matter of raw sewage, an innovative concept for treatment of municipal wastewater is tested in pilot trials and assessed in energy balance and operational costs. The concept is based on a maximum extraction of organic matter into the sludge via coagulation, flocculation and microsieving (100 µm mesh size) to increase the energy recovery in anaerobic sludge digestion and decrease aeration demand for carbon mineralisation. Pilot trials with real wastewater yield an extraction of 70–80% of total chemical oxygen demand into the sludge while dosing 15–20 mg/L Al and 5–7 mg/L polymer with stable operation of the microsieve and effluent limits below 2–3 mg/L total phosphorus. Anaerobic digestion of the microsieve sludge results in high biogas yields of 600 NL/kg organic dry matter input (oDMin) compared to 430 NL/kg oDMin for mixed sludge from a conventional activated sludge process. The overall energy balance for a 100,000 population equivalent (PE) treatment plant (including biofilter for post-treatment with full nitrification and denitrification with external carbon source) shows that the new concept is an energy-positive treatment process with comparable effluent quality than conventional processes, even when including energy demand for chemicals production. Estimated operating costs for electricity and chemicals are in the same range for conventional activated sludge processes and the new concept.

Integrated planning of stormwater management requires a quantitative description of positive and negative effects of possible measures. We suggest quantifying these effects with generic performance indicators within eight categories: building physics and services, landscape quality, urban climate, biodiversity, groundwater, surface water, direct costs and indirect environmental costs. First results indicate that the defined performance indicators allow an objective pre-selection of measures based on their ability to reach local stormwater management goals. The final selection of measures should be based on an evaluation for a specific city quarter (to reduce indicator uncertainty) and reviewed by local stake holders.

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.