The Implementation Plan (D2.1) is a document, which outlines how and where different digital solutions for water infrastructures will be demonstrated and assessed in the scope of WP2 of the DWC project. It is the first of three deliverables and followed by demonstration and assessment of performance and return of investment by means of key performance indicators (KPI) also defined in this deliverable. ; Version (v0.1.0) submitted to EC.

Das Verbundprojekt „TestTools“ hat vielfältige Untersuchungen zur Verwendbarkeit unterschiedlicher Testmethoden hinsichtlich des Spurenstoffverhaltens in natürlichen und technischen Barrieren durchgeführt. Entsprechend der gewonnenen Ergebnisse können die folgenden knapp zusammengefassten Aussagen getätigt werden. Zur Pulveraktivkohle-(PAK)-Dosierung im Labor sollten benetzte, entgaste Stammsuspensionen, die in Reinstwasser angesetzt werden, in Verbindung mit Laborpipetten verwendet werden; mit geringem Zusatzaufwand können dabei auch der PAK-Wasser- und -Aschegehalt bestimmt werden. Die Kontaktherstellung mit der Testflüssigkeit sollte auf eindimensionalen Horizontalschüttlern erfolgen. Der Surrogatparameter UV254nm-Absorption eignet sich in den meisten Fällen unabhängig von der PAK-Sorte zur Prognose der Spurenstoffentfernung. Die neuartige Initialisierung des Equivalent Background Compound Models (EBCM) mittels Wasserqualitätsparametern (z. B. DOC) wurde validiert. Methylorange eignet sich als definiertes Surrogat für Adsorptionskonkurrenz durch Hintergrundorganik. UV254 eignet sich auch für kontinuierlich betriebene, großskalige Pilot- und Großanlagen zur Kontrolle und Überwachung der Spurenstoffentfernung. Eine Batchprozedur zur Vorhersage von Spurenstoffentfernungen auf PAK-Rezirkulations-Großanlagen wird vorgeschlagen. Rapid small-scale column tests (RSSCTs) werden im Vergleich mit großskaligen Daten trotz einiger Einschränkungen als geeignete Methode für schnelle und verlässliche Tests mit granulierter Aktivkohle (GAK) bestätigt. Größere RSSCTs bringen weniger Einschränkungen aber einen deutlich höheren Aufwand mit sich. GAK-Batchtests sind nur bedingt geeignet. Integrale Durchbruchskurven unterliegen deutlich weniger Schwankungen als direkte („aktuelle“) Durchbruchskurven. Abgleiche zwischen den Durchbrüchen in verschiedenen Wässern können mittels Auftragungen über spezifische Durchsätze von bestimmten Wasserqualitätsparametern (aus der größenausschluss-chromatographischen Trennung des DOC) erreicht werden. Surrogatparameter wie UV254 eignen sich nur bedingt zur Vorhersage, insbesondere bei stark adsorbierenden Spurenstoffen. Die Nützlichkeit künstlicher Surrogatparameter muss noch geklärt werden. Ozon-Laborversuche im Batch bzw. Semi-Batch-Methoden liefern vergleichbare Ergebnisse hinsichtlich der Spurenstoffelimination, haben jedoch unterschiedliche Vor- und Nachteile bei der praktischen Umsetzung. Der Feststoffeinfluss auf die ozon-induzierte Spurenstoffelimination ist gering und erst ab ca. 20 mg/L Trockensubstanz relevant. Temperatur und pH-Wert haben ebenfalls wenig bis keinen Einfluss; allerdings beeinflussen sie die ermittelten Ozonzehrungsverläufe. Über die UV254-Absorption (SAK254) können gute Vorhersagen der Spurenstoffelimination getätigt werden. Die Bromatbildung fiel in Batch- und Semi-Batch-Versuchen teils unterschiedlich aus; die Bildung von Bromat oder NDMA wird gegenüber Pilot- oder großtechnischen Anlagen tendenziell überschätzt. Von 18 kommunalen Kläranlagen wurden die Eliminationen verschiedener Spurenstoffe bzw. des delta SAK254 bezüglich des spez. Ozoneintrags ermittelt, was für Referenzzwecke nutzbar ist. Interne OH-Radikaltracer waren in allen 18 untersuchten Kläranlagen anzutreffen, was zur Ermittlung der OH-Radikalexposition als auch zur Qualitätssicherung genutzt werden kann. Die Modellierung basierend auf Ozon- und OH-Radikalexposition führte zu teils deutlichen Überschätzungen der Spurenstoffelimination. Die Ergebnisse einer Umfrage zeigen eine überwiegend sehr gute Informationslage bei den Stakeholdern. Zur biologischen Nachbehandlung des ozonierten Klarlaufs wird von den befragten Personen der Einsatz von Filtersystemen, insbesondere solchen mit granulierter Aktivkohle, empfohlen. Aufgrund der sehr komplexen Zusammenhänge in naturnahen biologischen Barrieren, wie beispielsweise der Uferfiltration oder der künstlichen Grundwasseranreicherung, sind schnelle Testmethoden nur bedingt aussagekräftig. Erkenntnisse der letzten Jahre deuten darauf hin, dass kleine Unterschiede in der Verfügbarkeit von Sauerstoff oder biologisch verfügbarem organischen Kohlenstoff bereits erhebliche Unterschiede in der Elimination bestimmter organischer Spurenstoffe haben. Neben den chemischen Parametern hat die Zusammensetzung der Mikrobiozönose einen entscheidenden Einfluss auf die Abbauleistung. Insgesamt eignen sich einfach durchzuführende Laborschnelltests daher nicht, die hohe Komplexität naturnaher Untergrundprozesse darzustellen. Lediglich eine gute Abbaubarkeit unter oxischen Verhältnissen lässt sich vergleichsweise gut anhand von Kleinsäulentests im Labormaßstab abbilden.

Bank filtration schemes for the production of drinking water are increasingly affected by constituents such as sulphate and organic micropollutants (OMP) in the source water. Within the European project AquaNES, the combination of bank filtration followed by capillary nanofiltration (NF) is being demonstrated as a potential solution for these challenges at pilot scale. As the bank filtration process reliably reduces total and dissolved organic carbon (TOC/DOC), biopolymers, algae and particles, membrane fouling is reduced resulting in a long term stability of operation of the NF. With the new developed membrane module for capillary NF a reduction of sulphate, selected micropollutants (depending on size & charge) and hardness can be achieved together with further removal of DOC. Dissolved iron and manganese concentrations in bank filtrate were not a problem for the capillary NF under anoxic conditions with a good cleaning concept including backwash with anoxic permeate, forward flush and chemical cleaning.

Bank filtration schemes for the production of drinking water are increasingly affected by constituents such as sulphate and organic micropollutants (OMP) in the source water. Within the European project AquaNES, the combination of bank filtration followed by capillary nanofiltration (capNF) is being demonstrated as a potential solution for these challenges at pilot scale. As the bank filtration process reliably reduces total organic carbon and dissolved organic carbon (DOC), biopolymers, algae and particles, membrane fouling is reduced resulting in long term operational stability of capNF systems. Iron and manganese fouling could be reduced with the possibility of anoxic operation of capNF. With the newly developed membrane module HF-TNF a good retention of sulphate (67–71%), selected micropollutants (e.g., EDTA: 84–92%) and hardness (41–55%) was achieved together with further removal of DOC (82–87%). Fouling and scaling could be handled with a good cleaning concept with acid and caustic. With the combination of bank filtration and capNF a possibility for treatment of anoxic well water without further pre-treatment was demonstrated and retention of selected current water pollutants was shown.

Durch systematische Geländeuntersuchungen über 15 Monate an zwei Brunnengalerien der Berliner Wasserbetriebe wurde untersucht, ob und inwieweit kontinuierliche Temperaturmessungen entlang der Fließstrecke des Grundwassers geeignet sind, die Aufenthaltszeit so zuverlässig zu bestimmen, dass ein kritisches Unterschreiten der 50-Tage-Linie erkannt und entsprechende betriebliche Gegenmaßnahmen im Routinebetrieb eingeleitet werden können. Die Temperaturmessung erfolgte kontinuierlich mittels Datenloggern in Entnahmebrunnen und Grundwassermessstellen und zusätzlich manuell bei wöchentlichen Probenahmen. Zeitreihen konservativer Tracer (Chlorid, Bromid, d18O und d2H) dienten der Validierung der aus den Temperaturmessungen bestimmten thermischen Retardations- und Dispersionskoeffizienten. Trotz signifikanter Unterschiede zwischen den beiden untersuchten Standorten erwiesen sich die Temperaturmessungen als geeignetes Instrument zur Bestimmung der Verweilzeiten. Aus den untersuchten Tracern konnten darüber hinaus Aussagen zum Mischungsverhältnis von angereichertem und autochthonem Grundwasser abgeleitet werden.

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.

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.

Different technologies for tertiary wastewater treatment are compared in their environmental impacts with Life Cycle Assessment (LCA). Targeting low phosphorus concentration (50-120 µg/L) and disinfection of WWTP secondary effluent, this LCA compares high-rate sedimentation, microsieve, dual media filtration (all with UV disinfection), and polymer ultrafiltration or ceramic microfiltration membranes for upgrading the large-scale wastewater treatment plant Berlin-Ruhleben. Results show that mean effluent quality of membranes is highest, but at the cost of high electricity and chemicals demand and associated emissions of greenhouse gases (GHG) or other air pollutants. In contrast, gravity-driven treatment processes require less electricity and chemicals, but can reach significant removal of phosphorus. In fact, the latter options will only lead to a minor increase of GHG emissions and energy demand compared to the existing pumping station or UV treatment.