Die vorliegende wissenschaftliche Studie untersucht Potenziale und Grenzen der Hydrothermalen Karbonisierung (HTC) von entwässertem Klärschlamm zur Verbesserung der Energie- und Klimabilanz der Klärschlammentsorgung in Berlin. Für vier Berliner Klärwerke wurden Laborversuche zur HTC mit entwässertem Klärschlamm durchgeführt, um die Produkte HTC-Filtrat und hochentwässerter Klärschlamm zu charakterisieren. Mit diesen Daten und den Prozessangaben des HTC-Anbieters Terranova wurden Energieund Treibhausgasbilanzen für vier Klärwerke erstellt, die neben dem Referenzzustand 2013 für verschiedene Entsorgungswege auch die Implementierung eines HTC-Prozesses vorsehen. Abschließend wurde das HTC-Verfahren in einem technischen Pilotversuch mit zwei Berliner Klärschlämmen getestet und ebenfalls bilanziert. Die Laborversuche bestätigten die hohe Belastung des HTC-Filtrats mit CSB und N. Die organische Fracht im HTC-Filtrat zeigt im Biomethantest gute anaerobe Abbaubarkeit und einen entsprechenden Faulgasertrag. Der verbleibende CSB ist noch weiter aerob abbaubar (Zahn-Wellens-Test), so dass letztlich zwischen 1-14% der CSB-Fracht im Filtrat (7,4-14,5 g/L) als refraktär angesehen werden. Eine merkliche Rücklösung von Phoshor und Schwermetallen lässt sich erst bei stark sauren Bedingungen während der HTC (pH < 3) feststellen. Die Pilotversuche mit Klärschlamm aus Waßmannsdorf und Münchehofe in der Anlage des Anbieters Terranova konnten aufgrund von Problemen bei der Klärschlammaufgabe nicht kontinuierlich durchgeführt werden. Zudem wurde bei der abschließenden Entwässerung nicht der hohe prognostizierte TR-Gehalt im Klärschlamm erreicht (> 65% TR). Damit bleiben erhebliche Zweifel an der Betriebsstabilität und den prognostizierten Entwässerungsergebnissen bestehen. Die Energie- und Klimabilanz auf Basis der Labordaten und Herstellerangaben zeigt, dass die Einführung eines HTC-Prozesses für alle betrachteten Szenarien deutliche Vorteile bieten kann. Dabei spielt vor allem der erhöhte Faulgasertrag aus dem Prozesswasser (+16-19%) und der hohe Heizwert des hochentwässerten Klärschlamms eine Rolle. Die zusätzlichen Aufwendungen für den Prozess (Erdgas, Strom, Säure) und die höhere Rückbelastung des Klärwerks werden durch die Gutschriften ausgeglichen. Die Abwärme für den HTC-Prozess ist auf allen Klärwerken mit Faulung zu über 90% vorhanden, im Klärwerk Ruhleben sollte dazu eine separate Faulstufe für das HTC-Filtrat vorgesehen werden. Die Bilanzierung auf Basis der Daten aus den Pilotversuchen zeigt jedoch, dass die Vorteile der HTC deutlich geringer ausfallen, wenn Faulgasertrag im Filtrat und Entwässerbarkeit nicht erreicht werden. Der refraktäre CSB aus dem HTC-Filtrat kann im Ablauf der Klärwerke maximal zu einer Erhöhung des CSB-Ablaufwerts von 7-12 mg/L führen, was bei einzelnen Klärwerken eine Überschreitung der Überwachungswerte zur Folge haben kann. Dieser Aspekt ist bei der weiteren Betrachtung des HTC-Verfahrens unbedingt zu berücksichtigen. Eine Kombination von Phosphorrückgewinnung und HTC lässt sich über eine Rückgewinnung aus der Asche der Monoverbrennung oder eine vorgeschaltete P-Extraktion erreichen. Die abgeschätzten Betriebskosten der HTC-Anlage können ggf. durch Einsparungen bei der Schlammentsorgung ausgeglichen werden, wobei die Investitionskosten für eine HTC-Anlage noch unbekannt sind.

The practice of using the wastewater of the city of Braunschweig for irrigation on the surface areas of the Braunschweig Wastewater Association, over decades, starting in 1954, has changed from being a disposal of raw wastewater to a sprinkle irrigation of biologically treated wastewater including the use of the nutrients from sewage sludge. Future requirements on the disinfection of wastewater and also the expansion of agricultural crop growing portfolios could require the installation of a wastewater disinfection system. For this various processes have been tested in pilot trials. Generally, UV disinfection with long project run times and high average usage of the processing capacity are advantageous whereas short project run times or a lower utilisation of the maximum capacity rather favour a dosing of performic acid. A near-natural secondary treatment on the other hand proved itself to be not reliable enough.

Within the project OXERAM state of the art membrane filtration was applied as a tertiary treatment step for advanced phosphorus removal in a municipal wastewater treatment plant. Two membrane types, ceramic and polymeric, were tested in pilot scale, using commercial membrane modules. Due to the drawback of membrane fouling, leading to comparably high investment and operating costs, pre-treatment with ozone was tested. Ozonation was expected to increase the sustainable flux for both membrane types. For both membranes types high filtrate quality was achieved. A mean total phosphorus concentration below 25 µg/L was achieved over two years. Additionally disinfection is reached and therefore the European bathing water standards were met. The effect of ozonation and coagulation on various water quality parameters were evaluated and are presented in this report. Ultrafiltration modules (0.02 µm) made of polyether sulfone (PES) were tested comparing different capillary diameters (0.9 vs. 1.5 mm) leading to different package densities (respectively 40 and 60 m2 per module). Both types were operated in parallel and the experience showed a more robust operation with 1.5 mm capillaries when applying high fluxes targeting high recoveries. Both evaluation parameters, total fouling rate and membrane regeneration by cleaning in place, suggested the 1.5 mm module for the application at the WWTP Ruhleben. Optimizing the operation set up and cleaning strategy proved that recoveries = 95 % could be achieved and therefore a second filtration unit treating the backwash water is obsolete. The design with max 75 L/(m2h), 60 minutes of filtration, and a backwash duration of 40 s is the proposed set up for WWTP Ruhleben. A daily acidic chemical enhanced backwash combined with a weekly caustic cleaning step proved to manage the fouling affinity and a cleaning in place interval of 1 – 3 months was demonstrated in a long term run. The usage of ozone did not improve the overall filtration performance, because the benefit of a higher filterability is compensated by a higher additional fouling resistance after each backwash. Therefore the mean trans-membrane pressure remains in the same range. These results were only collected with the combination of ozonation and PES ultrafiltration membranes. Lab scale tests conducted at the Chair of Water Quality, TU Berlin, confirm this outcome but showed different results for other membrane materials and pore sizes. The potential to reduce the total fouling rate combining ozonation with coagulation prior ceramic membrane filtration was shown. A microfiltration membrane (0.1 µm) consisting of Al2O3 and a surface of 25 m2 was tested in pilot scale. Applying a dose of 15 mgO3/L (z = 1.18 mgO3/mgDOC) could reduce the total fouling rate by half even when doubling the flux from 60 L/(m2h) to 120 L/(m2h). Critical flux experiments showed that the application of 7.5 mgO3/L (z = 0.7 mgO3/mgDOC) was sufficient to recognize the beneficial effect of pre-ozonation. Treating the secondary effluent of WWTP Ruhleben a sustainable flux around 130 – 140 L/(m2h) was identified when applying pre-ozonation of 7.5 mgO3/L (z = 0.7 mgO3/mgDOC) and 8 mgFe/L for coagulation. It was not possible to demonstrate this process set up in a long term run, due to technical malfunctions. An economic evaluation showed however that for the case of WWTP Ruhleben a sustainable flux > 500 L/(m2h) is required to be competitive against tertiary treatment with polymeric membranes without ozone. This high value can be explained by the high module cost for ceramic membranes and the high DOC content of the secondary effluent, leading to increased effort for ozonation.

Im Projekt OXERAM wurden verschiedene Technologien im Hinblick auf die Anforderungen an die 4. Reinigungsstufe, vor allem Phosphorentfernung, in Pilot- und Laborversuchen untersucht. Ferner wurden die Leistungsfähigkeit der Verfahren sowohl durch eine Ökobilanz als auch eine Kostenrechnung bewertet. Der vorliegende Bericht fasst diese Ergebnisse aus den Jahren 2010 bis 2013 zusammen. Die Vorgehensweise und eine ausführliche Ergebnisdiskussion sind in den Kapiteln 2 - 6 beschrieben.

A pilot plant with a full scale monolithic ceramic membrane was operated at Ruhleben wastewater treatment plant (WWTP), Berlin Germany, for more than 12 months. Filtration performance according to the applied pre-treatment (dose of ozone and coagulant) were investigated. Trial runs with and without ozone, varying the operational parameters such as flux, coagulant dosage, and filtration time were conducted in order to identify the benefits of pre-ozonation. The reduction of the total fouling rate by ~70 % when applying a specific ozone dose between 1.0 and 1.4 mg mgDOC–1 highlights the potential of ozonation as pre-treatment step. Using LC-OCD measurements, the effect of ozone on the biopolymer concentration and the DOC fraction was demonstrated.