The Data Management Plan (DMP) is a guidance document which introduces a series of clear rules and procedures to improve data management during the project and foster the reuse of publications and data in open access. ; Version submitted to EU (v0.1.0)

Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Phorwärts“ wurde auf Basis aktuell erhobener Daten die konventionelle Phosphatdüngemittelherstellung (vom Abbau des Phosphaterzes in der Mine bis zur Anwendung auf dem Feld) mit ausgewählten Verfahren der P-Rückgewinnung aus dem Abwasserpfad ökobilanziell verglichen. Die verschiedenen Düngemittel wurden hinsichtlich ihrer Kontaminationen wie den Schwermetallen, den organischen Schadstoffen und den Pharmaka-Rückständen zusätzlich in einer vergleichenden Risikobewertung der Düngemittelanwendung für die Wirkungspfade Bodenorganismen, Grundwasser und im Hinblick auf die menschliche Gesundheit untersucht. Eine Kostenschätzung der verschiedenen Produktionswege komplettiert den Vergleich der konventionellen Phosphatdüngemittelproduktion mit der Produktion von Recyclingdüngern aus der Kläranlage. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass eine technische Phosphatrückgewinnung aus dem Abwasserpfad unter bestimmten Bedingungen ökologisch und wirtschaftlich sinnvoll ist. Neben dem eigentlichen Phosphatrückgewinnungsverfahren sind in hohem Maße die lokalen Randbedingungen bezüglich der Ergebnisse der vergleichenden Bewertung entscheidend. Unter Berücksichtigung der kommenden gesetzlichen Randbedingungen der Dünge- und der Klärschlammverordnung wird in Zukunft voraussichtlich die Monoverbrennung als primäre Option für die Klärschlammentsorgung dienen und die Phosphatrückgewinnung vorwiegend aus der Klärschlammasche erfolgen. Da bei der Rückgewinnung aus der Klärschlammasche hohe Rückgewinnungsraten, die den Vorgaben der Klärschlammverordnung genügen, erzielt werden können, ist ab dem Kalenderjahr 2029 mit etwa 30.000 bis 40.000 Tonnen Phosphor pro Jahr in Form von Phosphatrezyklaten zu rechnen. Inwieweit und zu welchen Preisen diese Rezyklate durch den Markt angenommen werden, kann aus heutiger Sicht noch nicht abgeschätzt werden.

Objectives: (i) To ensure that knowledge developed during the project is properly captured and dissemination is effectively targeted and carried out systematically (ii) To promote a continuous knowledge exchange and transfer for project outcomes with interested stakeholders beyond the consortium (iii) To formulate fact based policy recommendations that stimulate the transition towards a circular economy (iv) To create public awareness concerning the need for a circular economy and the actions required to move towards its realisation

This study analyses reference and innovative POWERSTEP schemes for municipal WWTP in their environmental and economic impacts using life-cycle tools of Life Cycle Assessment and Life Cycle Costing. Based on hypothetical scenarios at defined boundary conditions for WWTP size, influent quality, and effluent discharge limits, multiple process schemes have been modelled in a mass and energy flow model with a benchmarking software for WWTPs. This process data forms the basis to calculate operational efforts, and it is amended by infrastructure data for material demand and related investment costs. In addition, specific data has been added based on results of the POWERSTEP project (e.g. for N2O emissions) or information from literature. The results show that innovative schemes with advanced primary treatment operate with a superior electricity balance compared to current state-of-the-art schemes for municipal wastewater treatment as a reference, increasing electrical self-sufficiency from 27-82% to 80-170%. The POWERSTEP schemes reach this goal without compromising effluent quality targets of the schemes, i.e. reaching the same effluent quality than before. Concentrated influent with high COD levels supports the POWERSTEP approach and enables highly energy efficient schemes. However, nitrogen removal has to be realized with mainstream anammox after enhanced carbon extraction from concentrated influent. This process is still under development, and its performance and stability should be further validated in full-scale references. Sidestream N removal, advanced control of COD extraction and partial bypass of primary treatment are other options to guarantee nitrogen removal after enhanced carbon extraction with conventional denitrification. In the life-cycle perspective, POWERSTEP schemes significantly decrease primary energy demand of WWTP operation by 29-134% compared to the reference. In favourable conditions, their superior electricity balance can fully compensate life-cycle energy demand for chemical production, sludge disposal and infrastructure, resulting in real energy-positive WWTP schemes. Greenhouse gas emissions can also be substantially reduced with POWERSTEP (- 6 to 43%) due to savings in grid electricity production. GHG benefits of POWERSTEP are smaller than energy benefits on a relative scale, because direct emissions such as N2O from biological N removal and mono-incineration also deliver a major contribution to overall GHG emission profiles, and they are not reduced with POWERSTEP. In contrast, POWERSTEP schemes with mainstream anammox will most likely increase N2O emissions, compensating a large part of the electricity-related benefits in GHG emissions. Total annual costs are in a comparable range for both reference and POWERSTEP schemes. While the latter decrease operational costs by 3-16% due to lower purchase of grid electricity, they require higher investment for primary treatment, increasing capital costs by 4-17%. Overall, effects of POWERSTEP on operational and capital costs off-set each other and result in a net increase of total annual costs of 2-7%, which is within the uncertainty range of this cost calculation. Higher electricity prices (> 0.12 €/kWh) will increase the positive impact of POWERSTEP on operating costs, resulting in fully costcompetitive eco-efficient WWTP schemes at power prices of 0.25 €/kWh. Final recommendations are derived on the way to develop eco-efficient WWTP schemes of the future.

Das Verbundprojekt „TestTools“ hat vielfältige Untersuchungen zur Verwendbarkeit unterschiedlicher Testmethoden hinsichtlich des Spurenstoffverhaltens in natürlichen und technischen Barrieren durchgeführt. Entsprechend der gewonnenen Ergebnisse können die folgenden knapp zusammengefassten Aussagen getätigt werden. Zur Pulveraktivkohle-(PAK)-Dosierung im Labor sollten benetzte, entgaste Stammsuspensionen, die in Reinstwasser angesetzt werden, in Verbindung mit Laborpipetten verwendet werden; mit geringem Zusatzaufwand können dabei auch der PAK-Wasser- und -Aschegehalt bestimmt werden. Die Kontaktherstellung mit der Testflüssigkeit sollte auf eindimensionalen Horizontalschüttlern erfolgen. Der Surrogatparameter UV254nm-Absorption eignet sich in den meisten Fällen unabhängig von der PAK-Sorte zur Prognose der Spurenstoffentfernung. Die neuartige Initialisierung des Equivalent Background Compound Models (EBCM) mittels Wasserqualitätsparametern (z. B. DOC) wurde validiert. Methylorange eignet sich als definiertes Surrogat für Adsorptionskonkurrenz durch Hintergrundorganik. UV254 eignet sich auch für kontinuierlich betriebene, großskalige Pilot- und Großanlagen zur Kontrolle und Überwachung der Spurenstoffentfernung. Eine Batchprozedur zur Vorhersage von Spurenstoffentfernungen auf PAK-Rezirkulations-Großanlagen wird vorgeschlagen. Rapid small-scale column tests (RSSCTs) werden im Vergleich mit großskaligen Daten trotz einiger Einschränkungen als geeignete Methode für schnelle und verlässliche Tests mit granulierter Aktivkohle (GAK) bestätigt. Größere RSSCTs bringen weniger Einschränkungen aber einen deutlich höheren Aufwand mit sich. GAK-Batchtests sind nur bedingt geeignet. Integrale Durchbruchskurven unterliegen deutlich weniger Schwankungen als direkte („aktuelle“) Durchbruchskurven. Abgleiche zwischen den Durchbrüchen in verschiedenen Wässern können mittels Auftragungen über spezifische Durchsätze von bestimmten Wasserqualitätsparametern (aus der größenausschluss-chromatographischen Trennung des DOC) erreicht werden. Surrogatparameter wie UV254 eignen sich nur bedingt zur Vorhersage, insbesondere bei stark adsorbierenden Spurenstoffen. Die Nützlichkeit künstlicher Surrogatparameter muss noch geklärt werden. Ozon-Laborversuche im Batch bzw. Semi-Batch-Methoden liefern vergleichbare Ergebnisse hinsichtlich der Spurenstoffelimination, haben jedoch unterschiedliche Vor- und Nachteile bei der praktischen Umsetzung. Der Feststoffeinfluss auf die ozon-induzierte Spurenstoffelimination ist gering und erst ab ca. 20 mg/L Trockensubstanz relevant. Temperatur und pH-Wert haben ebenfalls wenig bis keinen Einfluss; allerdings beeinflussen sie die ermittelten Ozonzehrungsverläufe. Über die UV254-Absorption (SAK254) können gute Vorhersagen der Spurenstoffelimination getätigt werden. Die Bromatbildung fiel in Batch- und Semi-Batch-Versuchen teils unterschiedlich aus; die Bildung von Bromat oder NDMA wird gegenüber Pilot- oder großtechnischen Anlagen tendenziell überschätzt. Von 18 kommunalen Kläranlagen wurden die Eliminationen verschiedener Spurenstoffe bzw. des delta SAK254 bezüglich des spez. Ozoneintrags ermittelt, was für Referenzzwecke nutzbar ist. Interne OH-Radikaltracer waren in allen 18 untersuchten Kläranlagen anzutreffen, was zur Ermittlung der OH-Radikalexposition als auch zur Qualitätssicherung genutzt werden kann. Die Modellierung basierend auf Ozon- und OH-Radikalexposition führte zu teils deutlichen Überschätzungen der Spurenstoffelimination. Die Ergebnisse einer Umfrage zeigen eine überwiegend sehr gute Informationslage bei den Stakeholdern. Zur biologischen Nachbehandlung des ozonierten Klarlaufs wird von den befragten Personen der Einsatz von Filtersystemen, insbesondere solchen mit granulierter Aktivkohle, empfohlen. Aufgrund der sehr komplexen Zusammenhänge in naturnahen biologischen Barrieren, wie beispielsweise der Uferfiltration oder der künstlichen Grundwasseranreicherung, sind schnelle Testmethoden nur bedingt aussagekräftig. Erkenntnisse der letzten Jahre deuten darauf hin, dass kleine Unterschiede in der Verfügbarkeit von Sauerstoff oder biologisch verfügbarem organischen Kohlenstoff bereits erhebliche Unterschiede in der Elimination bestimmter organischer Spurenstoffe haben. Neben den chemischen Parametern hat die Zusammensetzung der Mikrobiozönose einen entscheidenden Einfluss auf die Abbauleistung. Insgesamt eignen sich einfach durchzuführende Laborschnelltests daher nicht, die hohe Komplexität naturnaher Untergrundprozesse darzustellen. Lediglich eine gute Abbaubarkeit unter oxischen Verhältnissen lässt sich vergleichsweise gut anhand von Kleinsäulentests im Labormaßstab abbilden.

POWERSTEP aims to demonstrate energy-positive wastewater treatment, which requires the utilization of the internal carbon in the wastewater to produce biogas. An increased carbon extraction for biogas production challenges conventional nitrogen removal, in which denitrifying bacteria depend on an easily accessible source of carbon. Hence, POWERSTEP focuses on novel concepts for nitrogen removal in the mainstream line, with a minimum requirement of carbon. Within work package (WP) 2 of POWERSTEP, Mainstream nitrogen removal, three different tasks have been performed that represents three different options for nitrogen removal after advanced carbon extraction. In task 2.1 Advanced control strategies, it was demonstrated in Case study Westewitz WWTP that, with an advanced control system where polymer addition in the primary treatment was based on minimum carbon source requirement for denitrification, a high degree of carbon extraction could be achieved while still meeting the effluent demands for nitrogen, utilizing the conventional nitrification-denitrification pathway. In task 2.2 Mainstream deammonification, the concept using a specific group of autotrophic bacteria, commonly referred to as anammox bacteria, for removal of ammonia to nitrogen gas was demonstrated in full scale prototype in Case study Sjölunda WWTP. Since anammox bacteria are not dependent on carbon for nitrogen removal, the full potential of carbon recovery for biogas production can be reached. In task 2.3 Mainstream duckweed reactor, the potential of using duckweed for high production of vegetal organic biomass for biogas production and simultaneously achieve nitrogen removal, was demonstrated in Case study Westewitz WWTP. This deliverable provides a guideline, where the different options to remove nitrogen within municipal wastewater after advanced carbon extraction are presented based on the performed tasks in WP2 of POWERSTEP, and in comparison with conventional processes. Special emphasis is made on resources (energy, footprint, chemicals) and performances (removal stability, flexibility, sludge production). The outcome from POWERSTEP (tasks 2.1.-2.3) and comparisons with conventional processes showed that in order to meet the full potential of carbon recovery and turning the wastewater treatment plant truly energy positive while still meeting high nitrogen removal requirements, there is a need to implement anammox removal technology. However, the full scale demonstration showed that even if the potential is clearly there, the technology is not yet mature enough to be commonly implemented during cold (<15°C), diluted (low NH4N concentrations) and unfavourable (high) COD to N conditions in the wastewater, why further full scale demonstrations are highly recommended. Under more favourable, and especially warmer wastewater conditions, the anammox technology is today ready for the early frontrunners. Finally, the power of an advanced control strategy for conventional nitrification and denitrification should not be underestimated. With an optimised extraction of primary organic carbon, a large increase of biogas and energy recovery can be obtained without jeopardizing the nitrogen limits. This strategy is ready for implementation and should be evaluated on all wastewater treatment plants.