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AbstractAutochthonous carbon fixation by algae and subsequent deposition of particulate organic matter can have significant effects on redox conditions and elimination of trace organic chemicals (TOrCs) in managed aquifer recharge (MAR). This study investigated the impacts of different algae loadings (0–160 g/m2) and infiltration rates (0.06–0.37 m/d) on overall oxygen consumption and elimination of selected TOrCs (diclofenac, formylaminoantipyrine, gabapentin, and sulfamethoxazole) in adapted laboratory sand columns. An infiltration rate of 0.37 m/d in conjunction with an algae load of 80 g/m2 (dry weight) sustained oxic conditions in the sand bed and did not affect the degradation of TOrCs. Thus, the availability of easily degradable organic carbon from algae did not influence the removal of TOrCs at an influent concentration of 1 µg/L. In contrast, a lower infiltration rate of 0.20 m/d in combination with a higher algae loading of 160 g/m2 caused anoxic conditions for 30 days and significantly impeded the degradation of formylaminoantipyrine, gabapentin, sulfamethoxazole, and diclofenac. Especially the elimination of gabapentin did not fully recover within 130 days after pulsed algae deposition. Hence, measures like micro-sieving or nutrient control are required at bank filtration or soil aquifer treatment sites with low infiltration rates.

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. ; The research project IST4R aimed at investigating different process combinations of activated carbon adsorption and ozonation with tertiary filtration for the removal of organic micro-pollutants (OMP) from wastewater treatment plant effluents. Its main focus was the integration of OMP elimination into treatment options for phosphorus removal for future implementation in Berlin. The investigations were carried out both in laboratory and pilot-scale. The results demonstrate that both activated carbon adsorption and ozonation can be well combined with flocculation and subsequent rapid filtration. All investigated process combinations are capable of significantly eliminating OMP with a concomitant removal of suspended solids and total phosphorus. Additionally, both dissolved organic carbon and chemical oxygen demand are reduced. The elimination of OMP is specific for different substances and processes. The concentration of background organic matter has a strong influence on OMP removal for both activated carbon adsorption and ozonation. The UV light absorption at a wavelength of 254 nm (UV254) is a useful surrogate parameter to control and monitor OMP removal with substance specific correlations. Process control using UV254 was successfully tested in pilot-scale. A monitoring using established human- and eco-toxicological methods was conducted for the different process combinations but no indications for toxic effects towards aquatic organisms or humans were observed. Besides operational parameters, investment and operating costs as well as environmental impacts were estimated using life-cycle assessment (LCA). Both costs and environmental impacts of advanced wastewater treatment are significantly increased compared to conventional wastewater treatment. ; Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt Berlin - kofinanziert durch die Europäische Union aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE), 11325UEPII, Integration der Spurenstoffentfernung in Technologieansätze der 4. Reinigungsstufe bei Klärwerken (IST4R)

Abstract
In urban areas, water often flows along a partially closed water cycle in which treated municipal wastewater is discharged into surface waters which are one source of raw waters used for drinking water supply. A number of organic micro-pollutants (OMP) can be found in different water compartments. In the near future, climatic and demographic changes will probably contribute to an increase of OMP and antibiotic-resistant pathogens in aquatic ecosystems. The occurrence of OMP, possible adverse effects on aquatic organisms and human health and the public perception must be carefully assessed to properly manage and communicate potentially associated risks and to implement appropriate advanced treatment options at the optimum location within the water cycle. Therefore, the interdisciplinary research project ASKURIS focuses on identification and quantification, toxicological assessment and removal of organic micro-pollutants and antibiotic-resistant pathogens in the Berlin water cycle, life cycle-based economic and environmental assessment, public perception and management of potential risks.