The removal of trace organic compounds through membrane bioreactors (MBR) in comparison to a conventional wastewater treatment plant (WWTP) in a long term study was investigated. Two MBR pilot plants were operated in parallel to a full-scale WWTP, fed with the same municipal raw waste water. Bulk organic parameters such as COD and TOC, high polar compounds (phenazone-type pharmaceuticals, their metabolites and carbamazepine), and less polar estrogenic steroids (estradiol, estrone and ethinylestradiol) were quantified. The removal rate of phenazone, propyphenazone and formylaminoantipyrine by the conventional WWTP was below 15 %. Significant higher removal rates (60-70 %) started to be clearly monitored with the pilot plants after about 5 months. The removal of the drug metabolite acetylaminoantipyrine during conventional treatment was below 30 % and reached 70 % in both pilot plant. Higher removal rates coincided here with higher temperatures at the summer time. Carbamazepine was not removed during conventional and membrane activated sludge treatment.The conventional WWTP removed in average more than 90 % of the natural steroids estrone and estradiol and about 80 % of the synthetic ethinylestradiol. The elimination of estradiol and estrone by the MBR processes were of about 99 % and Ethinylestradiol was removed by about 95 %.

Two parallel membrane bioreactors (2m³ each) were operated over a period of 2 years. Both pilots were optimised for nitrification, denitrification, and enhanced biological phosphorous elimination, treating identical municipal waste water under comparable operating conditions. The only constructional difference between the pilots was the position of the denitrification zone (pre-denitrification in pilot 1 and post-denitrification in pilot 2). Despite identical modules and conditions, the two MBRs showed different permeabilities and fouling rates. The differences were not related to the denitrification scheme. In order to find an explanation for the different membrane performances, a one-year investigation was initiated and the membrane performance as well as the operating regime and characteristics of the activated sludge were closely studied. MLSS concentrations, solid retention time, loading rates, and filtration flux were found not to be responsible for the different performance of the submerged modules. These parameters were kept identical in the two pilot plants. Instead, the non-settable fraction of the sludges (soluble and colloidal material, i.e. polysaccharides, proteins and organic colloids) was found to impact fouling and to cause the difference in membrane performance between the two MBR. This fraction was analysed by spectrophotometric and size exclusion chromatography (SEC) methods. In a second step, the origin of these substances was investigated. The results point to microbiologically produced substances such as extracellular polymeric substances (EPS) or soluble microbial product.

This study investigates a post-denitrification process without the addition of an external carbon source combined with an enhanced biological phosphorus removal (EBPR) in a membrane bioreactor (MBR). Three trial plants, with two different process configurations, were operated on two different sites, and a variety of accompanying batch tests were conducted. It was shown that even without dosing of an external carbon source, denitrification rates (DNR) much above endogenous rates could be obtained in post-denitrification systems. Furthermore, the anaerobic reactor located a head of the process had a positive impact on the DNR. Given these surprising results, the project team decided to identify the carbon source used by the microorganisms in the postdenitrification process. Batch tests could demonstrate that lysis products do not play a major role as a C-source for postdenitrification. The following hypothesis was proposed to explain the observations: the glycogen, internally stored by the substrate accumulating bacteria, if anaerobic conditions are followed by aerobic conditions could act as carbon source for denitrification in post-denitrification system. First exploratory batch tests, where the glycogen evolution was monitored, corroborate this

Two configurations of membrane bioreactors were identified to achieve enhanced biological phosphorus and nitrogen removal, and assessed over more than two years with two parallel pilot plants of 2m³ each. Both configurations included an anaerobic zone a head of the biological reactor, and differed by the position of the anoxic zone: standard pre-denitrification, or postdenitrification without dosing of carbon source. Both configurations achieved improved phosphorus removal. The goal of 50mgP/L in the effluent could be consistently achieved with two types of municipal waste water, the second site requiring a low dose of ferric salt ferric salt < 3mgFe/L. The full potential of biological phosphorus removal could be demonstrated during phosphate spiking trials, where up to 1mg of phosphorus was biologically eliminated for 10mg BOD5 in the influent. The postdenitrification configuration enabled a very good elimination of nitrogen. Daily nitrate concentration a slow as 1mg N/L could be monitored in the effluent in some periods. The denitrification rates, greater than those expected for endogenous denitrification, could be accounted for by the use of the glycogene pool, internally stored by the denitrifying microorganisms in the anaerobic zone. Pharmaceuticals residues and steroids were regularly monitored on the two parallel MBR pilot plants during the length of the trials, and compared with the performance of the Berlin-Ruhleben WWTP. Although some compounds such as carbamazepine were persistent through all the systems, most of the compounds could be better removed by the MBR plants. The influence of temperature, sludge age and compound concentration could be shown, as well as the significance of biological mechanisms in the removal of trace organic compounds.

At the Ruhleben wastewater treatment plant (WWTP) two membrane bioreactor (MBR) pilot plants have been operated since September 2001 by Veolia Water and Berliner Wasserbetriebe. The primary aim of the piloting is the investigation of biological phosphorus removal in conjunction with nitrification/denitrification in MBRs for later use in remote areas and small scale applications (WWTP serving a few thousand inhabitants) [Gnirss et al 2003a]. Both plants are fed with the same raw wastewater as it is treated in the conventional wastewater treatment plant. Instead of the mechanical treatment of the conventional plant, the raw wastewater passes a 1 mm punch hole screen prior to the biological treatment in the two MBR pilot plants. The two pilot plants are operated under parallel operating conditions (same raw wastewater, same sludge age and sludge concentration , etc.), but there are two different biological process configurations: pre-denitrification and postdenitrification without addition of a carbon source. Over the first year of operation, it has been observed that the unit with post-denitrification exhibited more rapid membrane fouling than the one with pre-denitrification. Preliminary LC-OCD (liquid chromatography-organic carbon detection) measurements carried out with the permeate compared to paper filtered sludge showed differences between the two units regarding the concentration of colloids and large macromolecules (as measured in the polysaccharide peak). Hence, an assessment and investigation of the fouling behaviour of the two MBR pilot plants was commenced. The results are presented in this report.

Two configurations of membrane bioreactors were identified to achieve enhanced biological phosphorus and nitrogen removal, and assessed over more than two years with two parallel pilot plants of 2 m3 each. Both configurations included an anaerobic zone ahead of the biological reactor, and differed by the position of the anoxic zone: standard pre-denitrification, or postdenitrification without dosing of carbon source. Both configurations achieved improved phosphorus removal. The goal of 50µgP/L in the effluent could be consistently achieved with two types of municipal wastewater, the second site requiring in addition a low dose of ferric salt ferric salt < 3mgFe/L. The full potential of biological phosphorus removal could be demonstrated during phosphate spiking trials, where up to 1mg of phosphorus was biologically eliminated for 10mg BOD5 in the influent. The post-denitrification configuration enabled a very good elimination of nitrogen. Daily nitrate concentration as low as 1 mgN/L could be monitored in the effluent in some periods. The denitrification rates, greater than those expected for endogenous denitrification, could be accounted for by the use of the glycogene pool, internally stored by the denitrifying microorganisms in the anaerobic zone.

Eine MBR-Laboranlage (210L) wurde mit zwei verschiedenen Reaktor-konfigurationen zur vermehrten biologischen PElimination (Bio-P) mit kommunalem Abwasser betrieben. Die beiden Reaktorkonfigurationen zeichneten sich neben einer vorgeschalteten anaeroben Zone für den Bio-P Prozess durch eine vorgeschaltete Denitrifikation bzw. eine nachgeschaltete Denitrifikation aus. Beide Reaktor-konfigurationen wurden bei einem Schlammalter von 15 Tagen mit vorgesiebtem (1mm) Rohwasser parallel zu einer konventionellen Kläranlage betrieben. Für Phosphor wurden sehr niedrige und stabile Ablaufkonzentrationen von 0,05-0,15 mgP/L mit beiden Konfigurationen erreicht. Die Phosphorgehalte der Schlämme lagen bei 2,4-3% P/TS. Während mit der vorgeschalteten Denitrifikation erwartete Ergebnisse von 86-90% Stickstoffentfernung erzielt wurden, erreichte die nachgeschaltete Denitrifikation eine unerwartet hohe N-Elimination von bis zu 96% (ohne zusätzliche C-Quelle). Eine Betriebsphase mit Phosphoraufstockung des Zulaufes (~40 mgP/L) führte bei einer Elimination von 20-25 mgP/L zu P-Gehalten im Schlamm von 67%P/TS. Neben dem Bio-P-Mechanismus waren hier jedoch auch Fällungs- und Adsorptionsmechanismen für die P-Aufnahme relevant.

Im Berliner Stadtgebiet gibt es Siedlungsgebiete, die bisher nicht an ein Klärwerkangeschlossen sind, da eine zentrale Erschließung nicht wirtschaftlich ist. Für dieseGebiete könnte eine dezentrale Lösung mit dem Membranbelebungsverfahreneingesetzt werden. Dann würden die gleichen Überwachungsanforderungen wie inder Abwasserreinigung in Berlin bereits gültig, sicher erfüllt bzw. überschritten. FürPhosphor könnten sogar zukünftig zu erwartende strengere Überwachungswertebereits erreicht werden (50 µg/L). Das Membranbelebungsverfahren wird bereitsseit den 90er Jahren eingesetzt und hat den Stand der Technik erreicht. Für diePhosphorelimination wird in Membranbelebungen eine Simultanfällung durchgeführt,wodurch zuverlässig Ablaufwerte <1mg/L erreicht werden können. Die Fällung führtjedoch zu einer um ca. 25% erhöhten Schlammproduktion (für ß~1,5), einem hohenChemikalienbedarf und einer Aufsalzung des Vorfluters. Das Ziel des Forschungsprojektes ist es die vermehrte biologischePhosphorentfernung (Bio-P) im Membranbelebungsverfahren bei einemSchlammalter von 8 bis 26 Tagen zu untersuchen. Die Zielkonzentration fürGesamtphosphor wurde mit 50µgP/L festgelegt. Auch der Prozess der Stickstoffentfernung sollte optimiert werden. Dabei wird die vorgeschalteteDenitrifikation mit der nachgeschalteten Denitrifikation ohne Kohlenstoffdosierung Post-Denitrifikation) verglichen.

Veolia Water und die Berliner Wasserbetriebe betreiben im Klärwerk Berlin-Ruhleben zwei Membranbelebungsanlagen zur biologischen Phosphor- und Stickstoffelimination, die mit dem gleichen Abwasser belastet werden. Die zwei parallelen Pilotanlagen werden mit identischen Betriebsbedingungen aber unterschiedlicher Anordnung der anoxen Zone gefahren. Im Betrieb der Anlagen kann trotz identischen Betriebsbedingungen stets ein Unterschied im Fouling-verhalten zwischen beiden Pilotanlagen und über die Zeit beobachtet werden. Aus zwei Jahren Betriebserfahrung mit den beiden Pilotanlagen wurde deutlich, dass die Unterschiede nicht auf Trockensubstanzkonzentration oder Schlammalter sondern vorwiegend auf andere Parameter, wie z.B. den eingestellten Permeatflux, zurückzuführen sind. Neben den im belebten Schlamm enthaltenen Feststoffen können im biologischen Prozess produzierte Kolloide und gelöste Substanzen die Filtrations-leistungen von Membranen beeinflussen. Da die Feststoffkonzentration beider Anlagen weitestgehend identisch ist, werden im Rahmen dieses Projektes vor allem Kolloide und gelöste Substanzen in der Klarphase des belebten Schlammes untersucht und mit der Foulingrate der eingesetzten Module verglichen. Die vorgestellten Untersuchungen sind Teil eines umfassenden Projektes von Anjou Recherche zum Foulingverhalten von Membranen in Membranbelebungsreaktoren.

In den letzten Jahren hat die Untersuchung des Vorkommens und Verhaltens von Arzneistoffen und endokrin wirksamen Substanzen in der Umwelt zunehmend an Bedeutung gewonnen (Daughton and Ternes, 1999; Kümmerer, 2001; Heberer, 2002). Verschiedene Studien zeigten, dass abwasserbürtige Verbindungen zum Teil nicht oder nicht vollständig durch die Behandlung des Abwassers entfernt werden (Heberer, 2002; Ternes, 1998; Daughton and Ternes, 1999). Somit können unter anderem Humanpharmazeutika und deren Metabolite über Kläranlagenabläufe in die aquatische Umwelt gelangen. Da die Wirkschwelle solcher Verbindungen zum Teil schon in sehr geringer Konzentration erreicht wird (z.B. Ethinylestradiol - Purdom et al., 1994) oder die Datenlage hierzu unzureichend ist, gewinnt die Entfernung der Spurenstoffe während der Abwasserbehandlung immer mehr an Bedeutung. Membranbelebungsanlagen könnten hier einen verbesserten Rückhalt bewirken. Neben der biologischen Phosphor- und Stickstoffentfernung (Gnirss et al., 2003; Lesjean et al., 2002) war es Ziel dieses Forschungsprojektes, die Entfernung von ausgewählten organischen Spurenstoffen in zwei Membranbelebungsanlagen im Vergleich zu einem konventionellen Klärwerk zu untersuchen.