Organische Spurenstoffe wie Rückstände von Arzneimitteln oder Kosmetika können auf Wasserlebewesen bereits in geringen Konzentrationen negative Auswirkungen haben [1]. In der Schweiz werden bis 2040 ausgewählte Abwasserreinigungsanlagen (ARA) mit Reinigungsstufen zur Spurenstoffelimination ausgerüstet. Heute sind bereits auf zehn Kläranlagen die neuen Reinigungsstufen in Betrieb. Für diesen ARA-Ausbau eignen sich Verfahren mit Ozon, Pulverkohle (PAK) oder granulierter Aktivkohle (GAK) [2]. Die Belastung der Gewässer durch organische Spurenstoffe geht dadurch deutlich zurück, was zu einer Verbesserung der Wasserqualität führt [1, 3]. Der Nutzen dieser Reinigungsstufen ist somit unbestritten. Deren Betrieb benötigt aber zusätzliche Betriebsmittel, was wiederum Treibhausgasemissionen und andere Umweltauswirkungen verursacht. ARA tragen nur im tiefen Prozentbereich zu den gesamten Schweizer Treibhausgasemissionen bei, und die Spurenstoffelimination ist lediglich eine von mehreren Reinigungsstufen. Dennoch sollten die mit dem Betrieb dieser zusätzlichen Reinigungsstufen verbundenen Auswirkungen auf die Umwelt möglichst gering ausfallen. Der vorliegende Artikel verdeutlicht, welche Faktoren stark zum CO2-Fussabdruck der verschiedenen Verfahren auf Schweizer Kläranlagen beitragen. Dieses Wissen kann bei der Planung und hauptsächlich bei der Betriebsoptimierung von Reinigungsstufen zur Spurenstoffelimination unterstützen. Viele CO2-sparende Massnahmen führen auch dazu, dass die Kosten für Betriebsmittel und Strom sinken. Klimafreundlicher Gewässerschutz kann sich also auch aus wirtschaftlicher Sicht lohnen.

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.

Spree und Havel sind langsam fließende Gewässer, deren Wassermenge besonders durch die Reduzierung des Braunkohletagebaus am Oberlauf der Spree seit 1990 kontinuierlich zurückgeht. Die Berliner Wasserbetriebe leiten in diese Vorfluter das biologisch gereinigte Abwasser (Klarwasser) ein, das die Gewässersituation in Bezug auf Keime, NährstofFe und organisehe Spurenstoffe beeinflusst. Maßnahmen an der Quelle zur Vermeidung oder Verminderung des StofFeintrages in den Wasserkreislauf, eine Abwasserreinigung mit Ozonung, Pulverkohle sowie Membranfiltration könnten hier eine verbesserte Entfernung bewirken. Die Berliner Wasserbetriebe und das Kompetenzzentrum Berlin haben gemeinsam mit der TU Berlin zur Spurenstoff- und Keimentfernung das Verfahren der Ozonung von gereinigtem Abwasser durchgeführt. Das Ziel der Ozonung ist es, die Spurenstoffe möglichst weitreichend zu entfernen. Gleichzeitig lag der Fokus darauf, neben den Indikatororganismen für Fäkalverunreinigungen auch Krankheitserreger, besonders die Viren zu untersuchen, und zu bewerten. Es ist besteht das Interesse eine zukunftsweisende und kompakte Technologie, die alle Ziele umfasst, zu realisieren.

Ozone process control in secondary effluent used for elimination of trace organic compounds (TrOCs) requires the use of surrogates, such as the relative reduction of UV absorption at 254 nm (DUVA254) to adapt the ozone dose to a varying water quality. In the present study, a closed-loop process control based on two online UVA254 measurements was successfully implemented and tested under realistic conditions with ozone doses from 0.2 to 1.05 mg-O3/mg-DOC at a pilot scale ozonation system with subsequent coagulation filtration at a municipal wastewater treatment plant (DOC ~ 13 mg/L, UVA254 ~27m-1, and nitrite peaks of up to 1.6 mg-N/L). It could be shown that measuring the UVA254 at the ozonation effluent was superior to the measurement of UVA254 at the filter effluent in terms of response time due to changes in water quality, whereas online measurement at the filter effluent showed a better agreement with laboratory data and a reduced maintenance interval due to less particles. Additional online nitrite measurement is not necessary as the ozone consumption by nitrite directly impacts DUVA254.

To cope with the occurrence of organic micropollutants (OMPs) in the urban water cycle, different technologies have been tested to upgrade wastewater treatment plants for OMP removal. Measures are either based on adsorption onto activated carbon or ozonation. To ensure an economic and effective operation of the OMP removal, an automatic control system, which adapts the dosage to the varying water quality of the secondary effluent, is necessary. An online OMP measurement is not possible because of the high analytical afford, thus other surrogates have to be used for control purposes instead. One promising surrogate is the reduction of the ultraviolet absorption at 254 nm (delta UVA254) at the ozonation stage, which correlates very well with the OMP removal. In this study, the results of the successful application of the delta UVA254 for a closed-loop control at an ozonation pilot plant for OMP removal are presented with a focus on implementation issues like coping with delay time and the choice of measurement points. OMP removal was assessed for three different delta UVA254 setpoints, of which two of them also were performed as an advanced ozone process. It could be shown that changes of the ozone demand, e.g. by a varying concentration of the dissolved organic carbon (DOC) or nitrite, can be detected and countered by an adaption of the applied ozone dose.

In den letzten Jahren wurde eine Vielzahl von Machbarkeitsstudien für die Aufrüstung von Kläranlagen mit einer weitergehenden Reinigungsstufe zur Reduzierung der Einleitung von organischen Spurenstoffen in Oberflächengewässer durchgeführt. Die eingesetzten technischen Maßnahmen basieren meistens auf der adsorptiven Wirkung von granulierter (GAK) bzw. pulverförmiger Aktivkohle (PAK) oder der Oxidation mittels Ozon. Während Spurenstoffe bei der Adsorption an die Aktivkohle physisch aus dem Wasser entfernt werden, so werden diese bei der Reaktion mit Ozon in andere Moleküle transformiert. Daher ist eine Spurenstoffelimination in diesem Zusammenhang als Primärelimination aufzufassen. Für einen ökonomischen und effizienten Betrieb dieser technischen Maßnahmen sind geeignete Steuer- und Regelungskonzepte erforderlich. Da eine Onlinemessung der Zielsubstanz(en) aufgrund des analytischen Aufwands nicht möglich ist, werden andere Indikatoren für die Dosisanpassung an eine variierende Wasserqualität benötigt. Ein häufig verwendeter Indikator zur Abschätzung der Spurenstoffelimination ist die auf den gelösten organischen Kohlenstoff (DOC) bezogene Ozonzehrung (mg O3 / mg DOC), die beispielsweise für eine frachtproportionale Steuerung verwendet werden kann. Diese Steuerung erlaubt jedoch keine direkte Prozesskontrolle und zur Berücksichtigung des stark ozonzehrenden Nitrits (3,4 mg O3 / mg-N) kann ein zusätzlicher Messaufwand nötig sein. Eine Alternative dazu bildet die relative Abnahme des spektralen Absorptionskoeffizienten SAK254 (delta SAK254), für welche in mehreren Studien wie z.B. [1-5] eine Korrelation mit der Spurenstoffeliminierung verschiedener Substanzen beschrieben wurde. Das erzielte delta SAK254 wird dabei von der effektiven Ozonzehrung im Wasser beeinflusst, so dass eine veränderte Wasserqualität entsprechend detektiert und durch eine Anpassung der Ozondosis ausgeglichen werden kann. Die Verwendung einer Regelung mit dem Ziel eine konstante SAK254 – Reduzierung und damit auch eine entsprechend konstante Spurenstoffelimination zu gewährleisten, bietet daher auch den Vorteil einer direkten Prozesskontrolle. Auf eine zusätzliche Onlinemessung des Nitrits kann ebenfalls verzichtet werden. Die Verwendung des delta SAK254 könnte auch für eine Pulveraktivkohledosierung interessant sein, da in den Arbeiten von [6; 7] ebenfalls ein Zusammenhang zwischen dem delta SAK254 und der Spurenstoffelimination gezeigt werden konnte.

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.