The main aim of this study was a survey of micropollutants in stormwater runoff of Berlin (Germany) and its dependence on land-use types. In a one-year monitoring program, event mean concentrations were measured for a set of 106 parameters, including 85 organic micropollutants (e.g., flame retardants, phthalates, pesticides/biocides, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH)), heavy metals and standard parameters. Monitoring points were selected in five catchments of different urban land-use types, and at one urban river. We detected 77 of the 106 parameters at least once in stormwater runoff of the investigated catchment types. On average, stormwater runoff con-tained a mix of 24 µg L-1 organic micropollutants and 1.3 mg L-1 heavy metals. For organic micropol-lutants, concentrations were highest in all catchments for the plasticizer diisodecyl phthalate. Concentrations of all but five parameters showed significant differences among the five land-use types. While major roads were the dominant source of traffic-related substances such as PAH, each of the other land-use types showed the highest concentrations for some substances (e.g., flame retardants in commercial area, pesticides in catchment dominated by one family homes). Comparison with environmental quality standards (EQS) for surface waters shows that 13 micropollutants in storm-water runoff and 8 micropollutants in the receiving river exceeded German quality standards for receiving surface waters during storm events, highlighting the relevance of stormwater inputs for urban surface waters. © 2021 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland.

Im Rahmen einer etwa zweijährigen Studie wurde für Berlin erstmals das Ausmaß der Belastung von Regenabfluss mit Spurenstoffen durch ein einjähriges Monitoringprogramm in Einzugsgebieten unterschiedlicher Stadtstrukturtypen (Altbau, Neubau, Gewerbe, Einfamilienhäuser, Straßen) untersucht. Insgesamt wurden über 90 volumenproportionale Mischproben auf etwa 100 Spurenstoffe analysiert (z.B. Phthalate, Pestizide/Biozide, Flammschutzmittel, PAK, Schwer-metalle), von denen ein Großteil (>70) detektiert wurde. Die höchsten Konzen-trationen an organischen Spurenstoffen wurden für Phthalate gefunden (DIDP+DINP: Ø 12 µg/L), während Schwermetalle von Zink dominiert wurden (Ø 950 µg/L). Für die Mehrzahl der Stoffe gab es dabei signifikante Unterschiede zwischen den Stadtstrukturen. In einem Fließgewässer genommene Proben zeigen, dass für einige Substanzen (z.B. DEHP, Carbendazim, einige PAK) Umweltqualitätsnormen im Gewässer bei Regen überschritten werden können. Eine Hochrechnung der über das Regenwasser in die Gewässer gelangenden Spurenstofffrachten für Gesamt-Berlin hat ergeben, dass Frachten regenwasserbürtiger Spurenstoffe in der gleichen Größenordnung wie schmutzwasserbürtige Spurenstoffe liegen können.

Im Rahmen einer etwa zweijährigen Studie wurde für Berlin erstmals das Ausmaß der Belastung von Regenabfluss mit Spurenstoffen durch ein einjähriges Monitoringprogramm in Einzugsgebieten unterschiedlicher Stadtstrukturtypen unter- sucht. Das Programm umfasste mehr als 100 Spurenstoffe einschließlich 20 Biozide bzw. Pestizide. Die höchsten Konzen- trationen dieser Stoffgruppe wurden für Mecoprop (max: 6,9 µg/L) und Glyphosat (max: 4,6 µg/L) gefunden. Für die Mehr- zahl der Stoffe gab es dabei signifikante Unterschiede zwischen den Stadtstrukturen. Für einige Substanzen (z.B. Carbendazim, Terbutryn) und Einzugsgebiete wurden im Regenwasserabfluss Umweltqualitätsnormen (UQN) für Ge- wässer überschritten. Proben, die zusätzlich bei Regenwetter in einem Fließgewässer genommen wurden, zeigen, dass es auch im Gewässer zur Überschreitung von zulässigen Höchst- konzentrationen (ZHK-UQN) bei Regen kommen kann.

Beside inputs from wastewater treatment plants, untreated stormwater runoff can also be an important source of pollutants affecting urban surface waters. To evaluate the relevance of micropollutants in urban stormwater runoff for the city of Berlin, an event-based, one-year monitoring program was conducted in five homogeneous catchments of different urban structure types. Volume proportional samples were analysed for a comprehensive set of ~100 micropollutants (e.g. biocides/pesticides, plasticisers, flame retardants, PAH, heavy metals) as well as standard parameters (TSS, total P, phosphate, ammonium, COD, BOD). Micropollutant concentrations found in stormwater runoff were extrapolated to annual loads for the city of Berlin (impervious connected area of ~170 km2) based on the concentration patterns found in each of the five specific city structure types. Results show that micropollutants of several substance types can enter Berlin surface waters at loads in the order of 10-700 kg/yr via stormwater runoff. These loads are in a similar order of magnitude as micropollutants that enter Berlin surface waters via (treated) sewage, such as pharmaceutical residues carbamazepine or ibuprofen.

Im Rahmen einer etwa zweijährigen Studie wurde für Berlin erstmals das Ausmaß der Belastung von Regenabfluss mit Spurenstoffen durch ein einjähriges Monitoringprogramm in Einzugsgebieten unterschiedlicher Stadtstrukturtypen (Altbau, Neubau, Gewerbe, Einfamilienhäuser, Straßen) untersucht. Insgesamt wurden etwa 90 volumenproportionale Mischproben auf über 100 Spurenstoffe analysiert (zum Beispiel Phthalate, Pestizide/ Biozide, Flammschutzmittel, polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe, Schwermetalle), von denen ein Großteil (über 70) detektiert wurde. Die höchsten Konzentrationen an organischen Spurenstoffen wurden für Phthalate gefunden (DIDP - DINP: durchschnittlich über 12 µg/L), während Schwermetalle von Zink dominiert wurden (durchschnittlich 950 µg/L). Für die Mehrzahl der Stoffe gab es dabei signifikante Unterschiede zwischen den Stadtstrukturen. Für einige Substanzen (zum Beispiel DEHP, Carbendazim, einige polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe) wurden im Regenwasserabfluss Umweltqualitätsnormen (UQN) für Gewässer überschritten. Zusätzlich bei Regenwetter in einem Fließgewässer genommene Proben zeigen, dass es auch im Gewässer zur Überschreitung von zulässigen Höchstkonzentrationen (ZHK-UQN) bei Regen kommen kann. Eine Hochrechnung der über das Regenwasser in die Gewässer gelangenden Spurenstofffrachten für Gesamt-Berlin hat ergeben, dass etwa 1,5 Tonnen an organischen Spurenstoffen über Regenabfluss jährlich in die Berliner Gewässer gelangen. Ein Vergleich mit modellierten Frachten abwasserbürtiger Spurenstoffe, die über Kläranlagenablauf in die Berliner Gewässer gelangen, zeigt, dass Frachten regenwasserbürtiger Spurenstoffe in der gleichen Größenordnung wie schmutzwasserbürtige Spurenstoffe liegen können.

To support decision makers in planning effective combined sewer overflow (CSO) management strategies an integrated modelling and impact assessment approach has been developed and applied for a large urban area in Berlin, Germany. It consists of an urban drainage model, a river water quality model and a tool for the quantification of adverse dissolved oxygen (DO) conditions in the river, one of the main stressors for urban lowland rivers. The coupled model was calibrated successfully with average Nash- Sutcliffe-efficiencies for DO in the river of 0.61 and 0.70 for two validation years. Moreover, the whole range of observed DO concentrations after CSO down to 0 mg L-1 is simulated by the model. A local sensitivity analysis revealed that in the absence of CSO dissolved oxygen principally depends on phytoplankton dynamics. Regarding CSO impacts, it was shown that 97% of the observed DO deficit can be explained by the three processes (i) mixing of river water with CSO spill water poor in DO, (ii) reduced phytoplankton activity due to CSO-induced turbidity and (iii) degradation of organic matter by heterotrophic bacteria. As expected, process (iii) turned out to be the most important one. However depending on the time lag after CSO the other processes can become dominant. Given the different involved processes, we found that different mitigation schemes tested in a scenario analysis can reduce the occurrence of critical DO deficits in the river by 30-70%. Overall, the study demonstrates that integrated sewer-river-models can be set up to represent CSO impacts under complex urban conditions. However, a significant effort in monitoring and modelling is a requisite for achieving reliable results.

Untreated stormwater runoff can be an important source of pollutants affecting urban surface waters. To investigate the relevance of micropollutants in urban stormwater runoff for the city of Berlin, an event-based, one-year monitoring program for sampling of separate storm sewers was conducted. Monitoring points were selected in five homogeneous catchments of different urban structure types to consider catchment-specific differences. Volume proportional samples (one composite sample per event) were analysed for a comprehensive set of ~100 micropollutants determined from literature review (e.g. plasticisers [phthalates], biocides/pesticides, flame retardants [organophosphates, polybrominated diphenylethers], PAH, heavy metals) as well as standard parameters (TSS, total P, phosphate, ammonium, COD, BOD). For selected storm events, time resolved samples were analysed to investigate the concentration dynamics and evaluate first flush characteristics. Results of event mean concentrations show catchment-specific differences for the majority of detected micropollutants. Furthermore, results of time-resolved samples indicate that most parameters do not show clear first flush effects with concentrations of several micropollutants even remaining constant during the course of the storm event (e.g. mecoprop, carbendazim, TBEP).

Im Rahmen einer etwa zweijährigen Studie wurde für Berlin erstmals das Ausmaß der Belastung von Regenabfluss mit Spurenstoffen durch ein einjähriges Monitoringprogramm in Einzugsgebieten unterschiedlicher Stadtstrukturtypen (Altbau, Neubau, Gewerbe, Einfamilienhäuser, Straßen) untersucht. Insgesamt wurden über 90 volumenproportionale Mischproben auf etwa 100 Spurenstoffe analysiert (z.B. Phthalate, Pestizide/Biozide, Flammschutzmittel, PAK, Schwermetalle), von denen ein Großteil (>70) detektiert wurde. Die höchsten Konzentrationen an organischen Spuren- stoffen wurden für Phthalate gefunden (DIDP+DINP: Ø 12 µg/L), während Schwermetalle von Zink dominiert wurden (Ø 950 µg/L). Für die Mehrzahl der Stoffe gab es dabei signifikante Unterschiede zwischen den Stadtstrukturen. In einem Fließgewässer genommene Proben zeigen, dass für einige Substanzen (z.B. DEHP, Carbendazim, einige PAK) Umweltqualitätsnormen im Gewässer bei Regen überschritten werden können. Eine Hochrechnung der über das Regenwasser in die Gewässer gelangenden Spurenstofffrachten für Gesamt-Berlin hat ergeben, dass Frachten regenwasserbürtiger Spurenstoffe in der gleichen Größenordnung wie schmutzwasserbürtige Spurenstoffe liegen können.

Micropollutant concentrations found in stormwater runoff were extrapolated to annual loads at the scale of the city of Berlin (impervious connected area of ~170 km2). Extrapolation was done by city structure, i.e., it was assumed that concentration patterns found in one of five specific city structure types is representative for every area of this structure type. Preliminary results show that micropollutants of several substance types can enter Berlin surface waters at loads in the order of kg/yr via stormwater runoff: plasticizers (e.g., sum of Di-iso-decylphthalate and Di-iso-nonylphthalate at 770 kg/yr), flame retardants (e.g., tris(2-butoxyethyl) phosphate (TBEP) at 89 kg/yr), biocides from different sources (e.g., Glyphosate at 17 kg/yr and Mecoprop at 30 kg/yr), vulcanizing accelerator benzothiazole (as sum of benzothiazole and metabolites methylthiobenzothiazole and hydroxybenzothiazole at 65 kg/yr) and combustion byproduct polycyclic aromatic hydrocarbons PAH 16 (sum of 16 EPA PAH at 107 kg/yr). These loads are in a similar order of magnitude as micropollutants that enter Berlin surface waters via (treated) sewage, such as pharmaceutical residues carbamazepine and ibuprofen with estimated annual loads of 436 kg/yr and 35 kg/yr, respectively.

Untreated stormwater runoff can be an important source of pollutants affecting urban surface waters. For example, in Berlin each year 78% or 54 million m³ of stormwater are discharged mostly untreated into receiving surface waters. Beside “classic” stormwater pollutants (e.g. suspended solids, COD, phosphorous or heavy metals), trace organic substances such as biocides, plasticizers, flame retardants and traffic related micropollutants (e.g. vulcanizing accelerators originating from tire wear or combustion by-products such as PAHs) started to come into focus in recent years (Zgheib et al. 2012, Gasperi et al. 2014). To evaluate for the first time city-wide annual loads of these trace organic substances entering urban surface waters through stormwater discharge, an event-based, one-year monitoring program was set up in the city of Berlin.