This report describes the main functionalities the SMART-Control web-based tool T1B Quantitative microbial risk assessment. The tool helps to quantify the pathogen occurrence in source water and their removal by various treatment steps at MAR facilities by using a probabilistic approach. The interactive web-based QMRA tool supports the evidence-based risk assessment to minimize water-related infectious diseases.

Subsurface travel time from the area of recharge to the point of abstraction during MAR is a critical parameter to ensure sufficient attenuation for hygienic parameters and other undesired substances. A new simulation tool has been developed by the SMART-Control project partners KWB and TUD for determination of groundwater hydraulic residence time (HRT) using seasonal temperature fluctuations observed in recharge water and MAR recovery wells. This tool represents a proxy for quick, costs-effective and reliable control of travel time during aquifer passage. Time series of seasonal temperature measurements observed in surface water and abstraction wells can be fitted to sinusoidal functions. Peak values represented as local maxima and local minima and turning points from the fitted sinusoidal curves are used for the approximation of travel times between surface water and abstraction well. The calculated values are adjusted by a thermal retardation factor. The developed tool is userfriendly and offers the possibility to use existing hystorical temperature measurements as well as online sensor data. Data acquisition is resolved through the internal connectivity with other web-tools developed within the SMART-Control project, providing thus an integrated simulation environment.

This report summarizes the work for monitoring of hydraulic residence time (HRT) carried out at the Managed Aquifer Recharge (MAR) site Berlin-Spandau waterworks. The newly installed monitoring system consists of realtime online sensor data and evaluation algorithms implemented as a web-based software tool. The combination of online data with processing tools allows time-efficient HRT evaluation. Apart from HRT estimations, the monitoring also included measurements by flow-through cytometry (FCM), meta-genomic DNA sequencing and classical microbial cultivation-based analysis. FCM cell counting allows to quantitatively detect microbial cells after staining with a DNA-binding fluorescent dye. The aim of FCM measurements was to gain insights on microbial dynamics along the flow path from the infiltration basin to the abstraction well. The FCM device was installed to measure in the infiltration basin, groundwater observation well and abstraction well in a continuously flowing sampling line that allowed for automatic and continuous monitoring in water. Microbial indicators of viruses, bacteria and protozoa were sampled and analysed by classical cultivation-based methods in parallel to the FCM measurements. The combination of FCM with cultivation-based methods aimed to establish an indicative reference cell count representing a hygienically safe water. The high-frequency flow cytometry data revealed decreasing order of total cell counts from surface water in the infiltration basin water to groundwater in the abstraction well. The fairly constant measurements in the abstraction well may allow to use FCM fingerprinting as a fast monitoring tool in combination with cultivation based methods. However, long-term measurements of FCM for at least 6 months are recommended to assess seasonal fluctuation in both source water and groundwater. Water samples were in addition characterised by DNA sequencing enabling a complete "meta genomic" analysis and taxonomic profiling including bacterial, archaea, viral, eukaryotic DNA. The DNA sequencing in combination with FCM measurements showed that total cell counts decreased along the flow path while the biodiversity increased.

In 2015, the town of El Port de la Selva in Spain implemented soil-aquifer treatment (SAT) using tertiary treated wastewater effluents to replenish the local potable aquifer. This study evaluated the initial phase of this indirect potable water reuse system including a characterization of hydraulic conditions in the aquifer and monitoring of microbial contaminants and 151 chemicals of emerging concern (CECs). The combined treatment resulted in very low abundances of indicator bacteria, enteric viruses and phages in the monitoring wells after three days of infiltration and a reduction of antibiotic microbial resistance to background levels of local groundwater. After tertiary treatment, 94 CECs were detected in the infiltration basin of which 15 chemicals exceeded drinking water thresholds or health-based monitoring trigger levels. Although SAT provided an effective barrier for many chemicals, 5 CECs were detected above health-based threshold levels in monitoring wells after short hydraulic retention times. However, additional attenuation is expected due to dilution prior to abstraction via downstream drinking water wells and during granular activated carbon (GAC) filtration, which was recently installed to mitigate residual CECs. Overall, the results demonstrate that indirect potable water reuse can be a reliable option for smaller communities, if related risks from microbial and chemical contaminants are adequately addressed by tertiary treatment and subsequent SAT, providing sufficient hydraulic retention times for pathogen decay and CEC removal.

Die Rückgewinnung von Cellulose mit dem Cellvation-Prozess verbessert die Umweltbilanz einer Kläranlage (KA) und senkt ihren Ausstoß an Treibhausgasen um 15 %. Dies wird vor allem durch betriebliche Vorteile auf der KA wie Senkung des Stromverbrauchs für die Belüftung und weniger Überschussschlammproduktion erreicht. Darüber hinaus kann die rückgewonnene Cellulose (Recell*) als Strukturmaterial andere Rohstoffe in bestimmten Produktionsprozessen ersetzen. Im EU-Projekt SMART-Plant konnte neben der zuverlässigen Leistung des Cellvation-Prozesses auch der Umweltvorteil erfolgreich demonstriert werden.

Against the background of resource conservation, many recycled products have been developed in context of phosphorus recovery. Due to their properties some of them can be used directly as fertilizers. Phosphorus is subject to complex sorption and precipitation processes in the soil, which have a significant influence on solubility and plant availability. Therefore, in this work comparative studies on the fixation of phosphorus of recycled and conventional fertilizers in soil and experiments on solution equilibrium and solution kinetics were carried out. For the investigation of the solution equilibrium and the solution kinetics, batch and pH-stat experiments were conducted. The determined concentrations and pH values were compared with model simulations in Visual MINTEQ. To investigate the fixation of phosphorus in the soil, 8-week incubation experiments were carried out, in which soils of different properties were mixed with a respective fertilizer per batch. For the experiments two struvite products (Crystal Green and Berliner Pflanze), a thermally processed ash (Ash Dec), a rock phosphate (Dolophos 26) and the conventional fertilizers TSP and DAP were selected. Solution equilibrium of all fertilizers in water was achieved after seven days of shaking. Conventional fertilizers showed significantly higher P solubilities in water than recycled fertilizers. Because there was a very high level of agreement with the Visual MINTEQ model simulations, the software is a good tool for first orientation of the dissolution behavior of different P fertilizer products. In terms of solution kinetics, the lowest half-life was observed for struvite, with an average of 9.5 minutes. While the half-life of Dolophos increased from pH 5 to 7, no pH dependence was observed in the dissolution kinetics of the recycled fertilizers. In the incubation experiment, a higher decrease in plant-available phosphorus with conventional fertilizers tended to be observed toward the end of the experiment. Although this could be an indication of increased fixation in soil, this cannot be attributed only to chemical sorption and precipitation processes due to the increased microbial activity. Therefore, under these experimental conditions no clear statements can be made on the fixation of phosphorus of conventional and recycled P-fertilizers in the soil. Further investigations are required here.

Im Projekt E-VENT wurden innovative Verfahren der kommunalen Abwasserreinigung und Klärschlammbehandlung untersucht, um damit den Energieverbrauch von Klärwerken und die damit verbundenen Emissionen von Treibhausgasen (THG) zu senken. Nach einem Screening verschiedener Technologien wurden dazu Labor- und Pilotversuche zur thermischen Hydrolyse von Klärschlamm und zur Abwasserbehandlung mit granuliertem Belebtschlamm im Nereda®Verfahren durchgeführt. Aufbauend auf den Versuchsergebnissen wurden für ein Berliner Klärwerk verschiedene Varianten für einen zukünftigen Neubau modelliert und bewertet, um das Potential der innovativen Verfahren zur Senkung von THG-Emissionen unter den spezifischen Randbedingungen in Berlin abzuschätzen. Abschließend wurden auch die Investitions- und Betriebskosten der neuen Verfahren mit einer konventionellen Referenzvariante verglichen. Die Versuche zur thermischen Hydrolyse zeigen, dass der Faulgasertrag aus dem Klärschlamm damit deutlich erhöht werden kann (bis zu +26%). Gleichzeitig erhöht sich aber auch die Rückbelastung des Faulschlammzentrats mit Phosphor, Stickstoff und refraktären organischen Stoffen. Neben dem erhöhten Aufwand zur Behandlung des Zentrats kann vor allem der refraktäre organische Anteil die Ablaufqualität der Klärwerke deutlich verschlechtern, besonders bei Thermo-Druck-Hydrolyse. Bei thermo-alkalischer Hydrolyse konnte im Pilotversuch ein Mehrgasertrag von +19% im Jahresmittel sowie eine moderate Belastung des entstehenden Zentrats gezeigt werden, das die Ablaufwerte des Klärwerks nicht signifikant verschlechtert. Im Pilotversuch zum Nereda®-Verfahren wurde ein stabiler Betrieb mit granuliertem Belebtschlamm erreicht, der eine gute biologische Reinigungsleistung für Phosphor und Stickstoff zeigte. Die hohen Anforderungen an die Ablaufwerte konnten jedoch nicht zuverlässig erreicht werden. Wie auch im konventionellen Belebtschlammverfahren ist dabei die Verfügbarkeit von Kohlenstoff (CSB/N-Verhältnis) ein möglicher limitierender Faktor für die biologischen Prozesse und die erreichbare Ablaufqualität. Darüber hinaus wurde ein erhöhter Anteil von Feststoffen im Ablauf des Nereda®-Verfahrens festgestellt, der zur Erreichung der vorgegebenen Zielwerte eine Nachreinigung über Filtration erforderlich macht. Vor einer großtechnischen Umsetzung sind daher weitere Untersuchungen in größerem Maßstab notwendig, um die zuverlässige Einhaltung der geforderten Überwachungswerte zu prüfen. Die Messung von Lachgas ergab relativ hohe Emissionsfaktoren dieses starken THG für die Nereda®-Pilotanlage. Die Bewertung der Verfahren für einen zukünftigen Neubau des Klärwerks Stahnsdorf zeigen, dass die innovativen Verfahren die Energiebilanz gegenüber einer konventionellen Referenz weiter verbessern können. Dabei werden die möglichen Vorteile einer thermo-alkalischen Hydrolyse im Faulgasertrag durch den Mehraufwand auf dem Klärwerk und auch durch geringere Energierückgewinnung in der Klärschlammentsorgung im Modell ausgeglichen. Beim Nereda®Verfahren sinkt der Verbrauch an Strom und Fällmitteln und verbessert so die Energiebilanz und senkt die damit verbundenen Emission von Treibhausgasen. Dabei ist zu beachten, dass wichtige Eingangsdaten weiter validiert werden sollten, um zu einer abschließenden Bewertung dieser Verfahren zu kommen. Die Schätzung der Investitions- und Betriebskosten ergab, dass die innovativen Verfahren Kostenvorteile bieten können. Insgesamt zeigte das Projekt, dass die hier untersuchten innovativen Verfahren ein Potential zur Senkung der THG-Emissionen der Abwasserreinigung bieten. Für den betrachteten Neubau des Klärwerk Stahnsdorf konnten dieser THG-Fußabdruck um bis zu 72% gesenkt werden, was einer Einsparung von 3700 Tonnen CO2Äquivalenten entspricht. Bei einer zukünftigen Einführung solcher innovativen Verfahren ist jedoch immer die zuverlässige Einhaltung der vorgegebenen Ablaufwerte als Primärziel der Abwasserreinigung zu garantieren und dafür in großtechnischem Maßstab zu überprüfen.