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.

Aufgrund einer unzureichenden Spurenstoffelimination in der konventionellen Abwasserbehandlung, bilden Klärwerke einen wichtigen Eintragspfad anthropogener organischer Spurenstoffe in Oberflächengewässer. Zum Abbau der Belastung durch organische Spurenstoffe im Klarlauf rüsten nach und nach Klärwerke mit einer vierten Reinigungsstufe auf. Dabei wird zur Entfernung der Spurenstoffe auf Aktivkohle oder Ozonung zurückgegriffen. Für die entsprechenden Modifikationen der Klärwerke werden zuvor häufig aufwendige Pilotuntersuchungen durchgeführt, um die entsprechenden Prozessparameter für die Auslegung zu bestimmen. Um diesen Prozess zu umgehen und die damit entstehenden Mehrkosten und Arbeitskräfte zu reduzieren oder gar einzusparen, sollten Pilotierungen durch schnelle, aussagekräftige Experimente im Labormaßstab ausgewechselt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Testmethode zu der Ozonung durchgeführt und der Einfluss der Zugabeart, der Temperatur, der Wassermatrix und des Gehalts an DOC und Nitrit untersucht. Für die Validierung der Simulationsumgebung und der Vorhersage des Spurenstoffabbaus in Abhängigkeit von den Einflussfaktoren wurden entsprechende Versuche in dem Institut für Wasserreinhaltung an der Technischen Universität Berlin durchgeführt. Die Testmethoden eines Batch-Verfahrens, bei der eine variierende Menge an hochkonzentrierter Ozonlösung in dem konstant gehaltenen Probevolumen gegeben wird, wurde mit der indirekten Messung der Ozonexposition durch Indigo (DIN 38408-3) gekoppelt und verschiedenen Variationen der Einflussparameter ausgesetzt. Neben der Indigomessmethode wurde auch die Alternative mit Nitritquench ausprobiert und festgestellt, dass diese sich dafür nicht eignet. Durch das Testen der Zugabeart konnte festgestellt werden, dass eine 1: 2 Dosierung einer 2-Punktinjektion am effektivsten für die Elimination der meisten Spurenstoffe ist. Des Weiteren führte eine Variation der Probentemperatur bei Batch-Versuchen zu einer Senkung der Ozonexposition und zu keinen nennenswerten Einflüssen auf die Spurenstoffelimination. Drei Kläranlagenabläufe aus unterschiedlichen Regionen Deutschlands mit unterschiedlichen pH-Werten, DOC- und Nitritkonzentrationen wurden verglichen. Dabei wurde festgestellt, dass die Korrektur des Ozoneintrags um einen Nitritfaktor und der Bezug auf den DOC zwar ein gutes Instrument darstellen, um unterschiedliche Wassermatrizen vergleichbar zu machen, jedoch nicht ganz ausreichend ist. Während die Kläranlagenabläufe ähnliche Ergebnisse der Spurenstoffelimination bei der Auftragung über SAK254 liefern, wurden bei der Auftragung von Spurenstoffs Abbau über EDOC,korr einige Diskrepanzen festgestellt, die nicht durch eine pH-Wert Korrektur wettgemacht werden konnten. Analog sah die Situation auch bei der Ozonexposition aus. Dies lässt sich durch die verschiedene Zusammensetzung des organischen Materials und der Menge an als Radikalfänger agierenden Stoffen im Kläranlagenablauf erklären. Nichtsdestotrotz erwies sich ein linearer Zusammenhang zwischen dem delta SAK254 und der Elimination jeden Spurenstoffes, der als ein robustes Instrument zu der zu erwartenden Entfernung bei einem bestimmten Ozoneintrag verwendet werden kann, allerdings nur, wenn pH-Wert ebenfalls mitberücksichtigt wird. Zur Vorhersage der Spurenstoffelimination wurden auch die theoretischen möglichen OHRadikalexpositionen aus den Ozonexpositionen berechnet. Dabei ergaben sich bei allen Kombinationsmöglichkeiten sehr große Varianzen, von denen keine den realen Messwert getroffen hat.

Ozonation is known as a suitable technical process to eliminate trace organic compounds (TrOC) in secondary effluent. To decide if ozonation is a suitable option as an upgrade of a specific wastewater treatment plant (WWTP), ozonation experiments in laboratory-scale can help to avoid the operation of expensive and labour intensive pilot plants. Such laboratory experiments should be conducted at similar conditions and by the same methods in order to achieve a better comparability of the results. In this study, potential impacts of sample dilution due to the addition of an ozone stock solution, water temperature, and concentration of suspended solids (TSS) on TrOC elimination and UVA254 reduction (delta UVA254) were investigated. The results show that a change in water temperature within a range of 10 to 30°C and sample dilution of less than 20% due to the addition of ozone stock solution at batch ozonation, respectively, does neither have a significant impact on achieved TrOC elimination nor or delta UVA254. Suspended solids affected the TrOC elimination and delta UVA254 at TSS concentrations of more than 30 mg/L, whereas at low TSS concentrations (< 4 mg/L), the impact of TSS was found to be neglectable.

Organische Spurenstoffe, wie Pharmazeutikrückstände, werden durch die konventionellen Reinigungsschritte der kommunalen Kläranlagen nur unzureichend entfernt und können in die aquatische Umwelt sowie ins Trinkwasser gelangen. Ozon stellt eine Möglichkeit zur Elimination dieser Spurenstoffen aus Kläranlagenabläufen dar. Dabei werden Wasserinhaltsstoffe direkt durch Ozon und indirekt über °OH-Radikale oxidiert und transformiert. Für die Ausstattung einer Kläranlage mit einer Ozonanlage erfolgt oft eine aufwändige und langwierige Pilotierung. Daher ist eine Testmethode im Labormaßstab von Nöten, anhand derer Auslegungsparameter für die Dimensionierung einer Ozonanlage abgelesen werden können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein einheitliches Testverfahren entwickelt und der Einfluss der Probenlagerung, der Wassertemperatur bei Versuchsdurchführung, der Wassermatrix und des Gehalts an DOC, Nitrit und abfiltrierbaren Stoffen untersucht. Des Weiteren wurden Methoden zur Vorhersage der Spurenstoffelimination mit Ozon überprüft und bewertet. Die Testmethode eines Semi-Batch-Verfahrens, bei der eine Wasserprobe mit einem Sauerstoff/ Ozon-Gemisch begast wird, wurde mit einem Batch-Verfahren, bei dem eine hochkonzentrierte Ozonlösung der Probe zugegeben wird, verglichen. Batchversuche können mit konstanten oder variablen Verdünnung durchgeführt werden. Dabei wird zu einer gleichbleibenden Menge an Probenlösung eine variierende Menge an Ozonstarkwasser gegeben und diese Lösung bei der konstanten Verdünnung auf einen festgelegten Wert mit voll entsalztem Wasser aufgefüllt, während bei der variablen Verdünnung keine Zugabe von voll entsalztem Wasser erfolgt, so dass variierende Gesamtvolumina entstehen. Zur Bewertung der Ozonung wurde der spektrale Absorptionskoeffizient bei 254nm benutzt, da er den Gehalt an Organik in einer Wasserprobe wiederspiegelt. Es wurde festgestellt, dass beide Versuchs- und Verdünnungsmethoden übereinstimmende Ergebnisse der SAK254-Reduktion und Spurenstoffelimination liefern, das Batchverfahren jedoch einen erheblich geringeren Proben- und Zeitaufwand benötigt. Durch eine zweiwöchige Probenlagerung bei 7 °C konnte ein Anstieg des pH-Wertes beobachtet werden, der jedoch nur eine geringe Erhöhung der Elimination mancher Spurenstoffe, wie Benzotriazol, bewirkte. Des Weiteren führte eine Variation der Wassertemperatur bei der Ozonung von 10 - 30 °C bei Batch-Versuchen zu keiner signifikanten Veränderung der SAK254-Reduktion und Spurenstoffelimination. Zwei Kläranlagenabläufe und Trinkwasser mit unterschiedlichen DOC- und Nitritkonzentrationen wurden verglichen. Dabei wurde festgestellt, dass die Korrektur des Ozoneintrags um die Ozonzehrung durch Nitrit und der Bezug auf den DOC ein gutes Instrument darstellt, um unterschiedliche Wassermatrizen vergleichbar zu machen. Während die Kläranlagenabläufe ähnliche Ergebnisse der Spurenstoffelimination liefern, wurde im Trinkwasser eine erhöhte Entfernung von Acesulfam, Benzotriazol, Candesartan, Gabapentin und Valsartansäure gemessen. Dies lässt sich durch die verschiedene Zusammensetzung des organischen Materials und der Menge an als Radikalfängern agierenden Stoffen im Kläranlagenablauf erklären. Zwischen der Spurenstoffelimination in filtriertem (0,45 µm, Cellulosenitrit) und unfiltrietem (AFS = 4 mg/L) Kläranlagenablauf wurde kein Unterschied festgestellt, während eine Zudosierung von suspendierten Stoffen (30 -75 mg/L) eine Verminderung der SAK254-Reduktion sowie der Spurenstoffelimination um bis zu 20% zur Folge hatte. Dies wird durch die Abreaktion des Ozons und der °OH-Radikale an den Partikeln erklärt. Zur Vorhersage der Spurenstoffelimination konnten Diclofenac, Benzotriazol, Valsartan und Iomperol als Indikatorsubstanzen im Kläranlagenablauf identifiziert werden, über die die Elimination weiterer Spurenstoffe genügend genau abgeschätzt werden kann. Darüber hinaus konnte ein linearer Zusammenhang zwischen delta SAK54 und der Elimination jedes Spurenstoffes aufgestellt werden, mit dem die zu erwartende Entfernung bei einem bestimmten Ozoneintrag berechnet werden kann.