Die vollständige Nutzung aller Kapazitäten eines komplexen Abwassersystems, bestehend aus Kanalnetzen, Speicher- und Kontrolleinrichtungen, Drucknetzen und Kläranlagen, speziell im Regenwetterfall ist eine zentrale Aufgabe zur Minimierung von Schmutzfrachtentlastungen in die Vorfluter. Mit dem Ziel der Reduzierung der Gewässerbelastung in Berlin wurde 2000 das Projekt „Integrated Sewage Management (Integriertes Abwasser Management)“ gestarted. Die zentrale Idee des Projektes ist der Einsatz integrierter Simulationssoftware zur Untersuchung verschiedenster Management-Szenarien und hierauf die Definition und Anwendung eines integrierten Steuerungskonzeptes für den Betrieb des Abwassersystems. Besondere Aufmerksamkeit ist auf die Mischkanalisation gerichtet, die auf Grund von Entlastungen über Regenüberläufe ein potentielles Risiko der Gewässerbelastung in sich birgt. Zugleich bietet hier der Einsatz von Steuerungseinrichtungen zur Aktivierung von zusätzlichem Kanalstauraum ein beträchtliches Optimierungspotenzial für das System. Der Artikel gibt einen Überblick über das laufende Projekt. Die Voruntersuchung zur Steuerungswürdigkeit des Systems, der Modellaufbau und die Kalibrierung, sowie die Ziele des Projektes werden dargelegt.

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.

The T-He age dating method uses the ratio of the concentration of radioactive tritium (3H) derived from atmospheric nuclear bomb testing and its decay product Helium (3He) in the groundwater to determine a groundwater age, i.e. the time passed since the water had its last contact with the atmosphere. At the Free University of Berlin, hydraulic and hydrochemical processes accompanying bank-filtration are currently examined at two very different locations: In metropolitan Berlin and the rural Oderbruch polder region. The city of Berlin enhances bank-filtration through well galleries located adjacent to the surface water system. The spatial and temporal development of the bank filtrate is studied in cooperation with the Berlin Waterworks and the Berlin Centre of Competence for Water at several exemplary piezometer transects. The system generally behaves highly transient due to continuously changing pumping regimes. At the gallery Lake Wannsee, the well filter screens are pumping water from 3 different glacial sand layers separated by aquitards. The well water is a mixture of very old deeper groundwater, medium old water from the middle layer and very young bank-filtered water. The Oderbruch is located north-east of Berlin aside the river Oder. Intensive melioration activities in the past 250 years converted the former swamp into a fertile, agricultural region and lead to the permanent infiltration of river water into the shallow, confined aquifer. Compared to Berlin, the infiltration is a long-term, very stable process. The groundwater is getting older with increasing distance and travel-time from the river. The concentration of “stable” tritium (sum of 3H and tritiogenic 3He) increase from the river inland reflecting the decrease of 3He in the atmosphere from the early 60’s onwards. Peak concentrations are encountered in 2.1 km river distance whereas further inland (3.4 km river distance) old water which infiltrated prior to the nuclear bombing peak is encountered. In addition, the groundwater has a high radiogenic 4Heterr concentration which also indicates that the groundwater is more than a few decades old. Even further inland, in the central polder areas, the groundwater is unconfined and continuously recharged to some extend by percolating water infiltrating through shrinkage fissures in the overlying dried alluvial loam. The water is a mixture of young seepage water and very old bank filtrate, the resulting “mixed” T-He age is getting younger again. The T-He method was successfully applied to support estimated groundwater ages derived from tracer analysis (e.g. 2H, 18O, EDTA, Gd) at both locations. In the Oderbruch, the T-He ages were used to calibrate a flow model. The method also proved to be a very good indicator for the identification of mixing processes.

For advanced phosphorus (P) removal sorption processes were studied in benchscale to offer a post-treatment step in addition to the relatively unknown biological Premoval in membrane bioreactors (MBR) for decentralized wastewater treatment. First three commercially available sorbents, granulated ferric hydroxide GFH, activated alumina ATE and an iron hydroxide/oxide FER, were screened for their affinity and capacity in removing phosphorus from MBR filtrates. GFH features the highest loading and affinity for P and additionally removes organics followed by ATE. For example, in determination of isotherms at a P-equilibrium concentration of 0.5 mg/L the loading on GFH amounts to 20 mg/g, on ATE to 9 mg/g and on FER only to 3.8 mg/g. Very early FER was excluded from the trials due to its low capacity and desorption of bonding agents leading to an increase instead of a removal of dissolved organic carbon. Different influencing parameters were studied in the P-sorption on GFH and ATE. Lowering the pH from 8 to 5 improved the P-sorption only by 30 %. A pH-adjustment for optimization is not recommendable due to the strong buffering of MBR filtrates by the carbonate/hydrogen carbonate system. A decrease in temperature had no effect in P-sorption on GFH at low initial P-concentrations, while the loading on ATE was reduced compared to room temperature. Therefore, an improvement is not expected by an outdoor operation of sorption filters. No main influencing competition by other organic or inorganic compounds could be determined on P-sorption in MBR filtrates. Due to the negatively charged sorbent surfaces the specifically sorbing phosphorus has an decisive advantage over unspecifically sorbed anions like chloride and sulfate. In time depending experiments lacking of calcium had a kinetic effect on P-sorption, but calcium is present in sufficient amount for P-sorption in MBR filtrates. In sorption filter tests using bed volumes (BV) around 90 mL a limit value of 50 µg/L P is reached in the effluent at 8,000 bed volumes for GFH and 4,000 for ATE sing a influent concentration of 0.3 mg/L P. At a lower influent concentration of 0.1 mg/L P the breakthrough at the limit can be extended to above 15,000 BV for GFH and 8,000 for ATE. While GFH affords a contact time of 10 min, around 30 min contact time is needed in sorption filters filled with ATE to achieve a late breakthrough. A partial regeneration and P-reloading on GFH and ATE can be achieved by using 0.6 M NaOH in differential recirculating flow reactors. But for several reasons the regeneration can not be transferred to sorption filters directly. Due to the long operation time of sorption filters at low influent concentrations = 0.3 mg/L P the regeneration and reloading could not be studied in sorption filters here. Therefore, the cost estimations could only be based on a few scenarios. Using ATE or GFH, total costs are in the range of 8 - 30 Cents/m³ depending on the possibility of regeneration and reuse of sorbents. If no regeneration can be achieved, an application of ATE would be favoured due to its lower price. Based on an effective regeneration a sorption technique using GFH would be preferable. This is emphasized by the high affinity of GFH for P, which is especially required at low effluent P-concentrations from MBR. As an outlook it is recommended to verify the sorption performance and to study the breakthrough behavior in a pilot scale (H = 1 m, d = 300 mm). Furthermore, the investigations on regeneration have to be intensified and conducted in sorption filters to assess influencing parameters like the effect of the previous sorption time on regeneration, the regeneration time and concentration of regenerate. The frequency of regeneration and reuse of sorbent until disposal can only be stated by future longterm trials in sorption filters. Due to the low volume flow rate in the small studied sorption filter, which showed no pressure drop during the trials, it is hard to predict if a backwashing is necessary in larger scale. Whether the particle-free MBR filtrate is advantageous for filter operation, in a long-term scale microorganism growth might occur and result in clogging of sorption filters. In this view a regeneration seems to be advantageous and might replace both backwashing and disinfection rinsing.

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%.

The complete utilization of the capacities of a complex sewage system, consisting of networks, storage and control assets, pressurized network and waste water treatment plants, especially for storm weather events is a central task to minimize the pollutant load discharged in the receiving waters. With the objective of a minimization of water pollution load within the urban area of Berlin (Germany) the project “Integrated Sewage Management” has been launched in 2000. The central points of this project are the application of integrated simulation tools for the examination of different management scenarios and after that the definition and installation of an integrated operation concept for the system. This paper presents a first phase of the project, the modelling of the combined sewerage system of a pilot catchment area in the center of Berlin, results of simulation mainly focused on the real time control potential of the system and first steps of transferring this into an operation concept.