This study investigates a post-denitrification process without the addition of an external carbon source combined with an enhanced biological phosphorus removal (EBPR) in a membrane bioreactor (MBR). Three trial plants, with two different process configurations, were operated on two different sites, and a variety of accompanying batch tests were conducted. It was shown that even without dosing of an external carbon source, denitrification rates (DNR) much above endogenous rates could be obtained in post-denitrification systems. Furthermore, the anaerobic reactor located a head of the process had a positive impact on the DNR. Given these surprising results, the project team decided to identify the carbon source used by the microorganisms in the postdenitrification process. Batch tests could demonstrate that lysis products do not play a major role as a C-source for postdenitrification. The following hypothesis was proposed to explain the observations: the glycogen, internally stored by the substrate accumulating bacteria, if anaerobic conditions are followed by aerobic conditions could act as carbon source for denitrification in post-denitrification system. First exploratory batch tests, where the glycogen evolution was monitored, corroborate this

Two configurations of membrane bioreactors were identified to achieve enhanced biological phosphorus and nitrogen removal, and assessed over more than two years with two parallel pilot plants of 2m³ each. Both configurations included an anaerobic zone a head of the biological reactor, and differed by the position of the anoxic zone: standard pre-denitrification, or postdenitrification without dosing of carbon source. Both configurations achieved improved phosphorus removal. The goal of 50mgP/L in the effluent could be consistently achieved with two types of municipal waste water, the second site requiring a low dose of ferric salt ferric salt < 3mgFe/L. The full potential of biological phosphorus removal could be demonstrated during phosphate spiking trials, where up to 1mg of phosphorus was biologically eliminated for 10mg BOD5 in the influent. The postdenitrification configuration enabled a very good elimination of nitrogen. Daily nitrate concentration a slow as 1mg N/L could be monitored in the effluent in some periods. The denitrification rates, greater than those expected for endogenous denitrification, could be accounted for by the use of the glycogene pool, internally stored by the denitrifying microorganisms in the anaerobic zone. Pharmaceuticals residues and steroids were regularly monitored on the two parallel MBR pilot plants during the length of the trials, and compared with the performance of the Berlin-Ruhleben WWTP. Although some compounds such as carbamazepine were persistent through all the systems, most of the compounds could be better removed by the MBR plants. The influence of temperature, sludge age and compound concentration could be shown, as well as the significance of biological mechanisms in the removal of trace organic compounds.

In Berlin gibt es nur noch wenige abgelegene kleine Einzugsgebiete (<1%), die nicht an das zentrale Abwassersystem angeschlossen sind. Aber in den neuen EU-Ländern ist der Anteil an der Bevölkerung, die nicht an eine zentrale Abwasserreinigung angeschlossen sind, noch deutlich höher. Besonders in dünn besiedelten Gebieten gibt es immer noch sehr viele Abwassersammelgruben (abflusslos oder mit Versickerung). Für empfindliche Einzugsgebiete (Badeseen, Wassersport, Fremdenverkehr) könnte für die Einleitung von gereinigtem Abwasser eine über die Mindestanforderung in der Abwasserverordnung hinausgehende weitergehende Nährstoffentfernung von der zuständigen Behörde gefordert werden. Das Membranbelebungsverfahren (MBR) könnte eine technische und auch wirtschaftliche Lösung bieten, um eine semi-zentrale Erschließung in Gebieten mit einem sensitiven Vorfluter (Gewässer) zu realisieren. Mittels eines Membranprozesses kann die vollständige Desinfektion und weitgehende biologische Phosphorentfernung bis auf 0.1mgP/L oder niedriger ohne Fällmittel erreicht werden (Gnirss et al., 2003a, Gnirss et al., 2003b). Damit kann der Standard der EU-Richtlinie für Badegewässer direkt im Ablauf der kleinen Kläranlage erreicht werden und die Eutrophierung im Oberflächenge-wässer reduziert werden. Die Umsetzung von MBR-Anlagen in kleinen oder mittleren Einzugsgebieten ist mittels schlüsselfertiger Containereinheiten möglich, wodurch die Investitionskosten gesenkt und die üblichen Unannehmlichkeiten von Kläranlagen wie Geruchs- und Lärmemissionen vermieden werden können. Dieser Artikel stellt die Vorteile und die Kosten der MBRTechnologie für die dezentrale Erschließung eines Siedlungsgebietes im Norden von Berlin vor und vergleicht sie mit dem konventionellen Verfahren. Dabei werden die technischen Grundlagen der Demonstrationsanlage ausführlich erläutert, und die wichtigsten Designkriterien für die MBR-Anlage und das Druckentwässerungsnetz vorgestellt.

Given the important cost reduction of the membrane bioreactor technology in the last years, this advanced treatment process has now become cost-competitive with other conventional technologies. A cost estimation analysis undertaken with few remaining unsewered and remote areas of Berlin showed that the implementation of semi-central sanitation scheme with a local membrane bioreactor plant would lead to similar costs than the connection to the central sewer, but with a superior effluent quality. For such small systems, some design issues have to be considered in order to optimise the costs and the operation regime, such as plant capacity increase, buffer capacity, process configuration and membrane flux.

Two configurations of membrane bioreactors were identified to achieve enhanced biological phosphorus and nitrogen removal, and assessed over more than two years with two parallel pilot plants of 2 m3 each. Both configurations included an anaerobic zone ahead of the biological reactor, and differed by the position of the anoxic zone: standard pre-denitrification, or postdenitrification without dosing of carbon source. Both configurations achieved improved phosphorus removal. The goal of 50µgP/L in the effluent could be consistently achieved with two types of municipal wastewater, the second site requiring in addition a low dose of ferric salt ferric salt < 3mgFe/L. The full potential of biological phosphorus removal could be demonstrated during phosphate spiking trials, where up to 1mg of phosphorus was biologically eliminated for 10mg BOD5 in the influent. The post-denitrification configuration enabled a very good elimination of nitrogen. Daily nitrate concentration as low as 1 mgN/L could be monitored in the effluent in some periods. The denitrification rates, greater than those expected for endogenous denitrification, could be accounted for by the use of the glycogene pool, internally stored by the denitrifying microorganisms in the anaerobic zone.

In den letzten Jahren hat die Untersuchung des Vorkommens und Verhaltens von Arzneistoffen und endokrin wirksamen Substanzen in der Umwelt zunehmend an Bedeutung gewonnen (Daughton and Ternes, 1999; Kümmerer, 2001; Heberer, 2002). Verschiedene Studien zeigten, dass abwasserbürtige Verbindungen zum Teil nicht oder nicht vollständig durch die Behandlung des Abwassers entfernt werden (Heberer, 2002; Ternes, 1998; Daughton and Ternes, 1999). Somit können unter anderem Humanpharmazeutika und deren Metabolite über Kläranlagenabläufe in die aquatische Umwelt gelangen. Da die Wirkschwelle solcher Verbindungen zum Teil schon in sehr geringer Konzentration erreicht wird (z.B. Ethinylestradiol - Purdom et al., 1994) oder die Datenlage hierzu unzureichend ist, gewinnt die Entfernung der Spurenstoffe während der Abwasserbehandlung immer mehr an Bedeutung. Membranbelebungsanlagen könnten hier einen verbesserten Rückhalt bewirken. Neben der biologischen Phosphor- und Stickstoffentfernung (Gnirss et al., 2003; Lesjean et al., 2002) war es Ziel dieses Forschungsprojektes, die Entfernung von ausgewählten organischen Spurenstoffen in zwei Membranbelebungsanlagen im Vergleich zu einem konventionellen Klärwerk zu untersuchen.

Eine MBR-Laboranlage (210L) wurde mit zwei verschiedenen Reaktor-konfigurationen zur vermehrten biologischen PElimination (Bio-P) mit kommunalem Abwasser betrieben. Die beiden Reaktorkonfigurationen zeichneten sich neben einer vorgeschalteten anaeroben Zone für den Bio-P Prozess durch eine vorgeschaltete Denitrifikation bzw. eine nachgeschaltete Denitrifikation aus. Beide Reaktor-konfigurationen wurden bei einem Schlammalter von 15 Tagen mit vorgesiebtem (1mm) Rohwasser parallel zu einer konventionellen Kläranlage betrieben. Für Phosphor wurden sehr niedrige und stabile Ablaufkonzentrationen von 0,05-0,15 mgP/L mit beiden Konfigurationen erreicht. Die Phosphorgehalte der Schlämme lagen bei 2,4-3% P/TS. Während mit der vorgeschalteten Denitrifikation erwartete Ergebnisse von 86-90% Stickstoffentfernung erzielt wurden, erreichte die nachgeschaltete Denitrifikation eine unerwartet hohe N-Elimination von bis zu 96% (ohne zusätzliche C-Quelle). Eine Betriebsphase mit Phosphoraufstockung des Zulaufes (~40 mgP/L) führte bei einer Elimination von 20-25 mgP/L zu P-Gehalten im Schlamm von 67%P/TS. Neben dem Bio-P-Mechanismus waren hier jedoch auch Fällungs- und Adsorptionsmechanismen für die P-Aufnahme relevant.

Im Berliner Stadtgebiet gibt es Siedlungsgebiete, die bisher nicht an ein Klärwerkangeschlossen sind, da eine zentrale Erschließung nicht wirtschaftlich ist. Für dieseGebiete könnte eine dezentrale Lösung mit dem Membranbelebungsverfahreneingesetzt werden. Dann würden die gleichen Überwachungsanforderungen wie inder Abwasserreinigung in Berlin bereits gültig, sicher erfüllt bzw. überschritten. FürPhosphor könnten sogar zukünftig zu erwartende strengere Überwachungswertebereits erreicht werden (50 µg/L). Das Membranbelebungsverfahren wird bereitsseit den 90er Jahren eingesetzt und hat den Stand der Technik erreicht. Für diePhosphorelimination wird in Membranbelebungen eine Simultanfällung durchgeführt,wodurch zuverlässig Ablaufwerte <1mg/L erreicht werden können. Die Fällung führtjedoch zu einer um ca. 25% erhöhten Schlammproduktion (für ß~1,5), einem hohenChemikalienbedarf und einer Aufsalzung des Vorfluters. Das Ziel des Forschungsprojektes ist es die vermehrte biologischePhosphorentfernung (Bio-P) im Membranbelebungsverfahren bei einemSchlammalter von 8 bis 26 Tagen zu untersuchen. Die Zielkonzentration fürGesamtphosphor wurde mit 50µgP/L festgelegt. Auch der Prozess der Stickstoffentfernung sollte optimiert werden. Dabei wird die vorgeschalteteDenitrifikation mit der nachgeschalteten Denitrifikation ohne Kohlenstoffdosierung Post-Denitrifikation) verglichen.

Veolia Water und die Berliner Wasserbetriebe betreiben im Klärwerk Berlin-Ruhleben zwei Membranbelebungsanlagen zur biologischen Phosphor- und Stickstoffelimination, die mit dem gleichen Abwasser belastet werden. Die zwei parallelen Pilotanlagen werden mit identischen Betriebsbedingungen aber unterschiedlicher Anordnung der anoxen Zone gefahren. Im Betrieb der Anlagen kann trotz identischen Betriebsbedingungen stets ein Unterschied im Fouling-verhalten zwischen beiden Pilotanlagen und über die Zeit beobachtet werden. Aus zwei Jahren Betriebserfahrung mit den beiden Pilotanlagen wurde deutlich, dass die Unterschiede nicht auf Trockensubstanzkonzentration oder Schlammalter sondern vorwiegend auf andere Parameter, wie z.B. den eingestellten Permeatflux, zurückzuführen sind. Neben den im belebten Schlamm enthaltenen Feststoffen können im biologischen Prozess produzierte Kolloide und gelöste Substanzen die Filtrations-leistungen von Membranen beeinflussen. Da die Feststoffkonzentration beider Anlagen weitestgehend identisch ist, werden im Rahmen dieses Projektes vor allem Kolloide und gelöste Substanzen in der Klarphase des belebten Schlammes untersucht und mit der Foulingrate der eingesetzten Module verglichen. Die vorgestellten Untersuchungen sind Teil eines umfassenden Projektes von Anjou Recherche zum Foulingverhalten von Membranen in Membranbelebungsreaktoren.

Enhanced biological phosphorous (Bio-P) removal process was adapted to membrane bioreactor(MBR). One bench-scale pilot plant (BSP, 200-250L) and two medium-scale pilot plants (2//MSP,1000-3000L each) were operated under several configurations, including pre-denitrification and post-denitrification without addition of carbon source, and two solid retention times (SRT) of 15 and 26d, inparallel to the full-scale Bio-P removal activated sludge plant of Berlin-Ruhleben (12-18d SRT). Thetrials showed that efficient Bio-P removal can be achieved with MBR systems, in both pre- and post-denitrification configurations. Bio-P dynamics could be clearly demonstrated through batch-tests, online measurements, profile analyses, P-spiking trials, and mass balances. High P-removalperformances were achieved even with high SRT of 26d (around 9mgP/L was removed withP/TS~2.6%). Under similar operation conditions of sludge age and mass organic load, the MBRsystem achieved slightly higher P-removal than the conventional technology. This was due to therejection of particles and colloids through the microfiltration membrane. When spiking with phosphate,high Bio-P removal of up to 35-40mg/L could be achieved without addition of external carbon source,and P/TS stabilised around 7.5%.