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.

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.

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.

German: In den vergangenen Jahren hat sich die Datenlage zum Zustand der Abwasserkanalisation und zur Wirkung unterschiedlicher Sanierungsverfahren stetig verbessert. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurden durch das Kompetenzzentrum Wasser Berlin und die Berliner Wasserbetriebe Prognosemodelle zur Bewertung unterschiedlicher Sanierungsszenarien sowie zur Lokalisierung schadhafter Kanäle entwickelt. Die vorliegende Studie zeigt den Weg von Bestands- und Zustandsdaten des Kanalnetzes zu einem an die lokalen Randbedingungen angepassten Simulationswerkzeug für die strategische Kanalsanierungsplanung. Dabei werden Methoden zur modellgestützten Ergänzung von Datenlücken sowie die entwickelten Modellkomponenten für Kanalalterung und -sanierung vorgestellt. Darüber hinaus werden Ergebnisse ausgewählter Sanierungsszenarien und die wichtigsten Prognoseunsicherheiten diskutiert. Der entwickelte Ansatz unterstützt die Kanalsanierungs- und Investitionsplanung von Kommunen und hilft, den Zustand der Abwasserinfrastruktur langfristig zu erhalten oder zu verbessern.

The H2020 innovation project digital-water.city (DWC) aims at boosting the integrated management of water systems in five major European cities – Berlin, Copenhagen, Milan, Paris and Sofia – by leveraging the potential of data and digital technologies. The goal is to quantify the benefits of a panel of 15 innovative digital solutions and achieve their long-term uptake and successful integration in the existing digital systems and governance processes. One of these promising technologies is a new generation of sensors for measuring combined sewer overflow occurrence, developed by ICRA and IoTsens. Recent EU regulations have correctly identified CSOs as an important source of contamination and promote appropriate monitoring of all CSO structures in order to control and avoid the detrimental effects on receiving waters. Traditionally there has been a lack of reliable data on the occurrence of CSOs, with the main limitations being: i) the high number of CSO structures per municipality or catchment and ii) the high cost of the flow-monitoring equipment available on the market to measure CSO events. These two factors and the technical constraints of accessing and installing monitoring equipment in some CSO structures have delayed the implementation of extensive monitoring of CSOs. As a result, utilities lack information about the behaviour of the network and potential impacts on the local water bodies. The new sensor technology developed by ICRA and IoTsens provides a simple yet robust method for CSO detection based on the deployment of a network of innovative low-cost temperature sensors. The technology reduces CAPEX and OPEX for CSO monitoring, compared to classical flow or water level measurements, and allows utilities to monitor their network extensively. The sensors are installed at the overflows crest and measure air temperature during dry-weather conditions and water temperature when the overflow crest is submerged in case of a CSO event. A CSO event and its duration can be detected by a shift in observed temperature, thanks to the temperature difference between the air and the water phase. Artificial intelligence algorithms further help to convert the continuous measurements into binary information on CSO occurrence. The sensors can quantify the CSO occurrence and duration and remotely provide real-time overflow information through LoRaWAN/2G communication protocols. The solution is being deployed since October 2020 in the cities of Sofia, Bulgaria, and Berlin, Germany, with 10 offline sensors installed in each city to improve knowledge on CSO emissions. Further 36 (Sofia) and 9 (Berlin) online sensors will follow this winter. Besides its main goal of improving knowledge on CSO emissions, data in Sofia will also be used to identify suspected dryweather overflows due to blockages. In Berlin, data will be used to improve the accuracy of an existing hydrodynamic sewer model for resilience analysis, flood forecasting and efficient investment in stormwater management measures. First results show a good detection accuracy of CSO events with the offline version of the technology. As measurements are ongoing and further sensors will be added, an enhanced set of results will be presented at the conference.

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.

Bei Regenwetter können von Gebäuden verschiedene anorganische und organische Stoffe in die Gewässer gelangen. Um solche Stoffeinträge zu bilanzieren, wurden in Berlin die Stoffemissionen in zwei Untersuchungsgebieten erfasst und mittels Modellierung die Emissionsdynamik und Belastungen in Gewässern abgeschätzt. Die Ergebnisse zeigen beispielsweise, dass vor allem von den Westfassaden der Wirkstoff Diuron emittiert. Obwohl im vorgestellten Untersuchungsgebiet nur 1 % der Stoffemission in den Regenkanal bzw. das Gewässer gelangt, können vor allem bei kleinen Gewässern kritische Konzentrationen auftreten. Die überwiegende Fracht verblieb im Gebiet oder versickerte. Um solche Stoffbelastungen zu vermeiden, bieten sich verschiedene Maßnahmen an der Quelle oder nachgeschaltet an. Die entwickelten Vorschläge sind für die Praxis umsetzungsorientiert ausgelegt und zielen auf Fassaden, Dächer und die Grundstücksentwässerung.

Thermal alkaline pretreatment (TAP) of waste activated sludge (WAS) before anaerobic digestion (AD) was reviewed. Focus of the review was on impact of TAP process parameters on biomethane yield (BY) and kinetics of AD and downstream dewatering. With higher initial biodegradability of untreated WAS, effect of TAP on BY decreases. Depending on initial biodegradability, BY increase of 22–97% is expected. Treatment temperatures below 100 °C showed to be as effective as temperatures higher than 100 °C in terms of BY increase. Alkali dosage and resulting initial pH have a significant effect on BY increase and showed to have an optimum range of 40–60 mg NaOH per g total solids (TS) of sludge. It is advised that alkali is dosed based on solids content in WAS and monitored by pH. Treatment time of 1.5–5 h is sufficient for an effective low temperature TAP (T < 100 °C), with longer treatment times showing no positive impact on BY increase. Load of sludge liquor with organics and nutrients increases with more intensive TAP conditions. Despite kinetic enhancement of hydrolysis step in AD, more research is needed to clarify if TAP improves kinetics of entire AD process which determines required digester volume. Impact of TAP on dewaterability of digestate is ambiguous and needs more investigation using standardized methods, also with regards to potential effects on polymer demand. Findings of experimental studies were reflected against available data from commercialized TAP process of Pondus®, throughout review. Finally, important process design parameters of TAP such as input TS and point of alkali dosage are discussed and recommendations for future research are presented. © 2021

Studien zur Entwicklung der Abwasserinfrastruktur in Deutschland zeigen, dass die derzeitigen Investitionen nicht ausreichen, um die fortschreitende Alterung der Kanalisation aufzuhalten. Um Prognosen zur zukünftigen Entwicklung des baulichen Zustands machen und daraus Investitionsentscheidungen ableiten zu können, wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens SEMA-Berlin in enger Kooperation mit den Berliner Wasserbetrieben verschiedene Alterungsmodelle für die lokalen Gegebenheiten getestet und hinsichtlich ihrer Genauigkeit bewertet. Mit diesen Modellen kann der Zustand nicht inspizierter Kanalabschnitte simuliert und die zukünftige Entwicklung des Netzzustandes prognostiziert werden. Die Modelle berücksichtigen Ergebnisse von mehr als hunderttausend Kamerabefahrungen sowie Daten zu individuellen Kanaleigenschaften und Umgebungsfaktoren der Stadt Berlin. Zwei der getesteten Modelle, die den Zustand der Kanalisation mit besonders hoher Genauigkeit wiedergeben können, wurden nun in die Praxis überführt, um i) die bedarfsgerechte Planung von Kanalinspektionen und ii) die langfristige Kanalsanierungs- und Investitionsplanung zu unterstützen. Für den ersten Anwendungsfall werden mit Hilfe von „Maschinellem Lernen“ prioritäre Kanalabschnitte identifiziert und visualisiert. Die Modellergebnisse ermöglichen eine bedarfsgerechte Inspektion von dringend sanierungsbedürftigen Kanälen und eine georeferenzierte Verschneidung mit anderen Bauaktivitäten. Für den zweiten Anwendungsfall werden mit Hilfe eines statistischen Alterungsmodells langfristige Prognosen zur Zustandsentwicklung des Kanalnetzes unter Berücksichtigung verschiedener Investitionsszenarien erarbeitet. Das eigentliche Kanalalterungsmodell wird dafür mit Modellbausteinen für verschiedene Sanierungsverfahren kombiniert, die die Wirkung von Reparaturen, Schlauchlining oder Erneuerung auf den baulichen Zustand simulieren. Neben dem baulichen Zustand des Netzes berechnet das Werkzeug für den Betreiber wichtige Kennzahlen zu Sanierungskosten, zum Netzalter und zur Restnutzungsdauer der Kanäle. Dabei werden auch Unsicherheiten in den Prognoseergebnissen quantifiziert. Die Modellwerkzeuge sind wichtige Bausteine für eine effiziente Sanierungsplanung und den Werterhalt der städtischen Abwasserinfrastruktur und wurden inzwischen in die Praxis überführt. Eine Übertragung der durch das Kompetenzzentrum Wasser und die Berliner Wasserbetriebe entwickelten Ansätze und Werkzeuge auf andere Kommunen und Betreiber ist vorgesehen.