Das Forschungsprojekt CoDiGreen (2010-2012) zielt auf eine Optimierung der Rückgewinnung von Energie und Nährstoffen in der Abwasserbehandlung in Braunschweig und Berlin. Dafür werden in Pilotversuchen die Auswirkungen einer Zugabe von Co-Substraten (Grassilage, Topinambur) und einer thermischen Druckhydrolyse des Überschussschlamms auf den Biogasertrag der Faulung untersucht. Zusätzlich wird die Co-Vergärung von Grassilage im großtechnischen Maßstab in einem Faulturm des Klärwerks Braunschweig-Steinhof getestet. Neben dem experimentellen Teil wird über eine Ökobilanz der ökologische Fußabdruck des Abwassersystems in Braunschweig und der Schlammbehandlung im Klärwerk Berlin-Wassmannsdorf analysiert, um Optimierungspotential zu erfassen und anhand ausgewählter Szenarien zu bewerten. Abschließend werden vergleichbare Konzepte der landwirtschaftlichen Wiederverwendung von Klarwasser und Schlamm in einer Marktstudie ermittelt und über eine Risikobewertung potentielle Gefahren dieses Systems identifiziert. Die Pilotversuche zeigen, dass sowohl die Zugabe von Co-Substraten als auch die thermische Hydrolyse einen substantiellen Gewinn an Biogasmenge und –qualität (CH4Gehalt) in einer mesophilen Faulung (Verweilzeit: 20d) ermöglichen kann. Die Methanerträge können um 10%, 9% und 13% durch thermische Hydrolyse von Überschussschlamm, Zugabe von Grassilage (+10% FS) und eine Kombination beider Maßnahmen gesteigert werden (sofern der Methanertrag lediglich auf den oTR des zugeführten Schlamms bezogen wird, betrug die Steigerung 10%, 31% und 38%). Eine zweistufige Faulung mit zwischengeschalteter Hydrolyse („DLD“) erbringt +19% CH4. Für anorganische und organische Schadstoffe werden dabei vorgeschriebene Grenzwerte der aktuellen Klärschlammverordnung nicht überschritten. Weiter zeigen Laboranalysen einen positiven Effekt auf die Entwässerbarkeit des Schlamms und den Bedarf an Polymeren. Leider können die vielversprechenden Ergebnisse der Co-Vergärung mit Gras in der Großtechnik nicht bestätigt werden. Für eine großtechnische Realisierung einer Co-Vergärung lässt sich abschätzen, dass für 100.000 EW ca. 30 ha extensiv bewirtschafteter Fläche erforderlich sind, um 10% oTR an Gras in Bezug zum oTR des Rohschlamms zu erzeugen. Leider können die vielversprechenden Ergebnisse der Co-Vergärung mit Gras in der Großtechnik nicht bestätigt werden, in der nur -8% Biogasertrag gemessen werden (+2% wenn der Methanertrag lediglich auf den oTR des zugeführten Schlamms bezogen wird). Obwohl die technische Machbarkeit der Graszugabe gezeigt werden kann, scheinen betriebliche Probleme (Größe der Fasern, hydraulische Durchmischung, niedrige Verweilzeit) die Umsetzung des maximalen Potentials der Graszugabe in der Großtechnik zu verhindern. Die Bewertung der Umweltwirkungen der Systeme in Berlin und Braunschweig zeigt eine hohe Eigenenergieerzeugung in beiden Systemen, so dass dadurch der Treibhauseffekt und andere relevante Umweltwirkungen vermindert werden. Dennoch kann noch Optimierungspotential bei der Energie- und Nährstoffrückgewinnung aufgezeigt werden, zu dessen Erschließung auf der Grundlage einer Szenarienanalyse Empfehlungen formuliert werden. Die Umweltvorteile der Wiederverwendung in Braunschweig zeigen sich vor allem in einer verminderten Emission von Nähr- und Schadstoffen in die Gewässer. Die Normalisierung der Umweltwirkungen unterstreicht die Bedeutung der Primärfunktion der Kläranlage (= Schutz der Oberflächengewässer), die durch Optimierung von Energiebedarf und Treibhausgasemissionen nicht eingeschränkt werden sollte. Die Risikobewertung der Braunschweiger Systems folgt dem HACCP-Konzept und quantifiziert Risiken für die menschliche Gesundheit durch Krankheitserreger und Schwermetalle in der Landwirtschaft und ökologische Risiken durch Schwermetalle. Potentielle Risiken der Wiederverwendung werden auf Grundlage quantitativer Modelle von Umweltverhalten und Exposition identifiziert (Viren, Cadmium für Menschen, Zink für Ökosystem) und sollten durch entsprechende Messprogramme überwacht werden. Schließlich werden basierend auf den Projektergebnissen Empfehlungen zur Optimierung der Energie- und Nährstoffrückgewinnung in der Abwasserbehandlung in Berlin und Braunschweig formuliert, um letztlich die negativen Umweltwirkungen zu minimieren und potentielle Risiken im Betrieb zu vermeiden.

The Water supply and sanitation Technology Platform (WssTP) was initiated by the European Commission in 2004. It is led by industries in collaboration with academics, research organisations and water users to help structure the European Research Area and identify R&D needs for the water sector. In December 2008, the board of the WssTP identified the need to create a Task Force on Climate Change in order to build a working group focused on the issue and able to assist the EU Commission in the related Calls for Projects. The Task Force on Climate Change did a review on the research and technology development (RTD) needs related to each of the WssTP topics, highlighting the challenges they will face in a climate change context. This paper is based on the review carried out and presents its main conclusions. The RTD topics identified involve a broad range of expertise areas and can be divided into two main groups: mitigation and adaptation. The latter will be brought to the fore in this paper.

The research project CoDiGreen (2010-2012) targets the optimisation of energy and nutrient recovery in the wastewater treatment schemes of Braunschweig and Berlin. Therefore, pilot experiments are conducted to test the effect of addition of co-substrates (grass silage, topinambur) and the thermal hydrolysis of excess sludge on the biogas yield of anaerobic digestion. In addition, co-digestion of grass silage is also tested in a full-scale digestor of the wastewater treatment plant (WWTP) Braunschweig-Steinhof. Beside the experimental part, the environmental footprint of the wastewater treatment scheme in Braunschweig and the sludge treatment line in WWTP Berlin-Waßmannsdorf is analysed with Life Cycle Assessment (LCA) to identify potentials for optimisation and assess selected technical options in their effects on the environmental profile. Finally, a market review of the concept of agricultural reuse of effluent and sludge in Braunschweig is conducted to get an overview of the market situation, and a risk assessment is initiated to identify potential risks associated with this practice. The results of the pilot experiments show that both the addition of co-substrates and thermal hydrolysis can substantially increase the biogas yield and quality (CH4 content) during mesophilic digestion (HRT = 20d). Methane yields can be increased by 10%, 9% and 13% for thermal hydrolysis of excess sludge, addition of grass silage (+10% TS), and the combination of both (if the methane yield is only related to the VS of the sludge, the increase was 10%, 31% and 38%). A two-step digestion with intermediate hydrolysis (“DLD”) yields +19% CH4. No exceedance of legal requirements for inorganic and organic pollutants can be detected, whereas lab-analysis indicate positive impacts on sludge dewaterability and polymer demand for dewatering. For a full scale realisation of co-digestion it can be estimated that a 100.000 PE WWTP would require approximately 30 ha of extensively cultivated area to add +10% VS of grass substrate. However, the promising results of co-digestion with grass cannot be confirmed in full-scale trials, where only -8% of biogas yield can be measured (+2% if related to the VS of the sludge only). Even though the technical feasibility of grass addition can be shown, operational difficulties (fibre size, hydraulic mixing, low HRT) seem to prevent the realisation of the maximum potential of grass addition in full-scale. The environmental assessment of the systems in Berlin and Braunschweig reveals a high degree of energy production in both systems, lowering associated impacts of carbon footprint and other environmental impacts. However, potentials for optimisation are identified in terms of energy production and nutrient recovery, and recommendations for the future testing of technical options are given based on the scenario analysis within the LCA. Environmental benefits of the reuse approach in Braunschweig are quantified and relate mostly to the lower discharge of nutrients and other pollutants into surface waters. The normalised environmental profile underlines the primary functions of wastewater treatment (= protection of surface waters), which should not be compromised while optimising energy demand and carbon footprint.

In this study the applicability of the microsieve technology together with coagulation and flocculation for advanced phosphorus removal was investigated. A pilot unit including a microsieve with 10 µm mesh size is operated continuously with secondary effluent. By applying a pretreatment of 0.07-0.09 mmol/L coagulant and 1.5-2 mg/L cationic polymer total phosphorus values below 80 µg/L were achieved. Coagulation with polyalumium chloride (PACl) produced better effluent quality compared to FeCl3 as less suspended solids and less residual coagulant were found in the microsieve effluent. Also the transmittance of UV radiation through the water is improved by using PACl. The amount of backwash water was very low (< 3 %). Results after rebuilding the chemical pre-treatment showed that under optimized mixing conditions polymer doses << 1 mg/L are possible without losses in water quality and filtration performance. In total microsieving with chemical pretreatment is a viable option for high quality effluent polishing.

Pre-treatments minimizing membrane fouling are extensively studied, to extend membrane life span and decrease the operating costs. In this study, the effect of several pre-treatment options before tertiary membrane treatment was investigated with a submicron particle counter from Nanosight (UK). This device using the Nanoparticle Tracking Analysis method is able to measure the particle size distribution and the absolute particle concentration of particles between 50 and 1000 nm in secondary effluent. The goal of this study is to enhance the understanding of MF/UF membrane fouling by monitoring the submicron particle fraction in the water. Experiments were carried out at lab-scale. Reliability and reproducibility of the device were determined as well as the impact of the pre-filtration on the measurements. The impact of ozonation (0-15 mg O3/L) and/or coagulation (0-12 mg Fe3+/L) on particle size distribution and on the filtration performance was studied on a polyethersulfone ultrafiltration membrane. Results showed a clear relationship between the amount of nanoparticles below 200 nm and the filtration behavior. Lower particle concentrations in this size range resulted in lower flux decline due to reversible fouling. Coagulation and ozonation pre-treatment decreased the particle concentration below 200 nm. The combination of ozonation/coagulation shows synergistic effects and leads to an additional decrease of submicron particle content and further improvement of the filtration performance. Long term impact on hydraulic irreversible fouling still needs to be clarified.