Brunnen werden seit Jahrtausenden zur Wassergewinnung genutzt. Doch erst seit wenigen Jahren spielt neben der Ergiebigkeit auch die Nachhaltigkeit von Brunnen eine Rolle, da Neubaugenehmigungen immer schwieriger und langwieriger zu erhalten sind. Durch optimale Auslegung des Brunnens und die Wahl des richtigen Standorts wird versucht, eine möglichst lange Betriebszeit zu erreichen. Trotz bester Voraussetzungen nimmt die Förderleistung von Brunnen im Laufe ihres Betriebes ab, das als Brunnenalterung bezeichnet wird. Die Alterungsrate ist abhängig von den geologischen und hydrochemischen Bedingungen, dem Brunnenausbau und dem Betrieb. Mithilfe vorbeugender oder reaktiver Instandhaltungsmaßnahmen wird versucht, die Leistung eines Brunnens möglichst lange zu erhalten oder wiederherzustellen. Die Wirtschaftlichkeit von Instandhaltungsmaßnahmen lässt zum „Lebensende“ eines Brunnens jedoch nach. Dann sollte der Ersatz des Brunnens geplant werden. Die vorliegende Arbeit ist Teil des durch das vom Kompetenzzentrum Wasser Berlin (KWB) durchgeführten Forschungsprojektes WELLMA, welches sich mit dem Betrieb und der Pflege von Trinkwasserbrunnen zur Optimierung der Leistung und der Wasserqualität beschäftigt. Hierfür sollte eine Methode getestet werden, die die Wirtschaftlichkeit von Regenerierungen eines Trinkwasserbrunnens mittels eines Vergleiches der Steigung der alterungsbedingten Betriebskosten und der Umlage des Gebrauchswertes bewertet. Ist die Steigung der Gebrauchswertumlage größer als die der alterungsbedingten Betriebskosten, lohnt sich eine weitere Regenerierung. Im gegenteiligen Fall wäre es wirtschaftlicher, den betroffenen Brunnen neu zu bauen. Außerdem sollte das wirtschaftliche Minimum der alterungsbedingten Betriebskosten prognostiziert werden, um daraus die Dauer der anstehenden Betriebsperiode ableiten zu können. Die Berechnung des methodischen Ansatzes erfolgte am Beispiel vier ausgewählter Brunnen der Berliner Wasserbetriebe. Zwei der vier Referenzbrunnen wurden aufgrund ihrer regelmäßigen präventiven Instandhaltung mit Wasserstoffperoxid (H2O2) ausgewählt, um zusätzlich deren Auswirkung auf die Wirtschaftlichkeit von Regeneriermaßnahmen beurteilen zu können. Die Berechnung der Referenzbrunnen bestätigte die Praxistauglichkeit des gewählten Verfahrens. Ausschlaggebende Parameter für die Kalkulation sind u.a. die spezifische Ergiebigkeit, die Anzahl der Betriebsstunden sowie die jährliche Abnahme der Fördermenge. Zudem bestätigte sich, dass durch den Einsatz von H2O2 eine Steigerung der spezifischen Ergiebigkeit erzielt wurde, in dessen Folge die Wahrscheinlichkeit auf eine weitere wirtschaftliche Regenerierung erhöht wird.

Die vorliegende Diplomarbeit wurde im Rahmen des Forschungsprojekts „Monitoring, Modellierung und Impakt-Bewertung von Mischwasserüberläufen“ (MIA-CSO) mit Unterstützung des Institutes für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft (ISWA) der Universität Stuttgart verfasst. Das MIA-CSO-Projekt wird am Kompetenzzentrum Wasser Berlin (KWB) durchgeführt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Kalibrierung eines Schmutzfrachtmodells eines Mischwassersystems anhand von Messdaten bezüglich der Abflussmenge und deren Wasserqualität. Die Messdaten entstammen einer Messkampagne, die aktuell von den Berliner Wasserbetrieben (BWB) durchgeführt wird. Das untersuchte Einzugsgebiet befindet sich in Wedding, einem Bezirk von Berlin. In dem ca. 480 ha großen Einzugsgebiet wohnen in etwa 70.000 Einwohner. Das Gebiet wird durch eine Mischkanalisation mit einer Länge von ca. 90 km entwässert, in der ein bewegliches Wehr in einem der beiden Hauptsammler eingebaut ist. Dieses Wehr kann bei starken Regenfällen ein zusätzliches Stauraumvolumen von ca. 3.000 m³ generieren. Durch dieses Wehr wird die Hydraulik des Kanalnetzes stark beeinflusst und erschwert die Kalibrierung des NiederschlagAbfluss-Modells zusätzlich. Die Simulationen wurden mit der Software InfoWorks™ CS durchgeführt, die von Innovyze® (USA) entwickelt wurde. Bevor die Kalibrierung durchgeführt werden konnte, wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, um die relevanten Modelparameter zu identifizieren. Damit die Schmutzfrachten simuliert werden können, mussten die Modellparameter für jeden Schmutzstoff im Trocken- und Regenwetterfall angepasst werden. Die zu simulierenden Schmutzstoffe waren: absetzbare Feststoffe (AFS), chemischer Sauerstoffbedarf (CSB), Phosphor (P) und Ammonium (NH4). Zuerst wurden die Parameter für die Abflussmenge und dessen Wasserqualität im Trockenwetterabfluss angepasst. Für den Transport der Feststoffe wurde das Ackers-White-Modell verwendet und kalibriert. Dies war besonders wichtig, da Ablagerungen von Feststoffen im flachen Berliner Kanalnetz einen großen Einfluss auf die Schmutzfrachtsimulation haben. Zur Simulation des Regenabflusses wurde das einfache Fixed Percentage Runoff-Modell für die Abflussbildung sowie das Desbordes-Modell für die Abflusskonzentration verwendet. Die aus der Kalibrierung von mehreren Regenereignissen gewonnen Parameter wurden für die Bildung eines mittlerer Parametersatzes benutzt. Zum Schluss wurden die Parameter des Wash-Off- und des Gully Pot- Modells, welche die Wasserqualität des Regenwassers beschreiben, angepasst. Die Ergebnisse dieser Diplomarbeit zeigen, dass es möglich ist eine gute Übereinstimmung zwischen gemessenen und simulierten Konzentrationen sowie der Schmutzfracht zu erreichen. Die gewonnenen Erkenntnisse aus dieser Arbeit werden für das MIA-CSO-Projekt verwendet, dessen Ziel die Erstellung eines modellbasierten Planungsinstruments ist.

In dieser Arbeit werden die Managementmaßnahmen zur Sanierung des Berliner Halensees beurteilt. Der Halensee liegt am westlichen Ende des Kurfürstendamms und wird als Naherholungsort und Badegewässer genutzt. Er wird ausschließlich von Regenwasser gespeist, das von den umliegenden Straßen in die Trennkanalisation und von dort in den See fließt. Durch diesen Regenwasserzufluss wird der See stark mit Keimen und eutrophierenden Nährstoffen sowie einer Reihe von Schadstoffen belastet. Vor allem wegen der Keimbelastung wurde 2003 ein Badeverbot für den Halensee durch die Stadt Berlin verhängt. Um diese Belastung zu reduzieren wurde in den 90er Jahren ein Teil des Einzugsgebietes an der AVUS (Stadtautobahn) abgekoppelt und 2007 ein Retentionsbodenfilter (RBF) zur Filterung eines Großteils des Zuflusses gebaut. Eine Besonderheit des Halensees ist der Zufluss von Straßentausalz im Winter, wodurch das Tiefenwasser halin geschichtet ist. Diese Dichteschichtung hat einen starken Einfluss auf die Limnologie des Sees und dadurch auch auf potentielle, weitere Managementmaßnahmen. Im Sommerhalbjahr sinkt durch die Schichtung der vertikale Austausch zwischen Tiefenwasser und Oberflächenwasser beinahe auf das Niveau der molekularen Diffusion von Salzen im Bereich von 10-8 m2/s. Die Tiefenschicht wird zwar bei der folgenden Herbstmischung etwas in ihrer Stärke reduziert, die untersten ~2 m bleiben aber bestehen. Erst bei neuerlicher Straßensalzung im Winter gelangt frisches, salzhaltiges Wasser in den tiefsten Bereich. Eine Analyse der Salz- und Wasserbilanz hat gezeigt, dass durch Einmischen von oberflächennahem Wasser in das zufließende Salzwasser das Tiefenwasser im Winter komplett ausgetauscht und in den folgenden Monaten mit dem oberflächennahen Wasser gemischt werden kann. Bezüglich Stoffdynamik konnte nachgewiesen werden, dass sich gelöste, reduzierte Stoffe im anaeroben Tiefenwasser über das Sommerhalbjahr akkumulieren und teilweise im Herbst und Winter in den restlichen Wasserkörper gemischt werden. Dabei gelangt allerdings nur 10 bis 15 % des im Tiefenwasser gelösten Phosphors in das Oberflächenwasser, was wahrscheinlich dadurch erklärt werden kann, dass der Großteil vorher mit oxidiertem Eisen gefällt wird. Allerdings kann das ausgeprägte Zehrungspotenzial der im Tiefenwasser akkumulierten, reduzierten Substanzen zu einer starken Sauerstoffabnahme im Winter auf unter 2 mg/l an der Seeoberfläche führen, was einen stark negativen Effekt auf die Ausbildung einer natürlichen aquatischen Fauna haben dürfte. Mit der Auswertung der langjährigen Standardmessungen der Berliner Senatsverwaltung für Gesundheit, Umwelt und Verbraucherschutz konnte keine Wirkung durch die Abkopplung der AVUS festgestellt werden. Der Retentionsbodenfilter hingegen scheint einen deutlichen positiven Effekt auf die Wasserqualität zu haben, so konnten statistisch signifikante Verbesserungen bei der Sichttiefe und der Phosphorbelastung nachgewiesen werden. Über ein angepasstes Phosphor-Modell nach Vollenweider wurde gezeigt, dass die durch den RBF erwartete Abnahme der Gleichgewichtskonzentration des Phosphors von ~0,08 auf ~0,04 mg/l vermutlich bereits erreicht ist. Eine Anwendung des Modells auf weiterführende Managementmaßnahmen weist darauf hin, dass eine weitere Abnahme der Phosphorkonzentration (i) um 0.006 - 0.009 mg/l durch jährliches Abpumpen und Behandeln der Tiefenschicht und (ii) um 0.014 mg/l durch Anschluss weiterer Regenwasserzuflüsse an den RBF erreicht werden könnte. Allerdings würde der See in beiden Fällen knapp im eutrophen Bereich bleiben. Durch die anhaltende Produktivität dürfte auch die Problematik des hohen Zehrungspotenzials des Tiefenwassers in allen Szenarien erhalten bleiben. Eine deutliche Verringerung der Sauerstoffproblematik könnte allenfalls durch eine Abpumpung des Tiefenwassers kurz vor der Herbstmischung erreicht werden.

Trinkwasserbrunnen unterliegen natürlichen Alterungsprozessen, unter anderem der Verockerung (Wiacek 2006). Es wurden mehrere Biofilmproben aus der Rohwasserleitung des Wasserwerks Stolpe-Berlin entnommen (Kapitel 1.4/ 2.2.1). Die Proben die von der TU-Berlin zur Verfügung gestellt wurden, wurden kultiviert und anschließend mit mikrobiologischen Methoden charakterisiert (Kapitel 3.4). Vier Stämme, die verstärkt Eisenablagerungen und dunkle Kolonien aufwiesen, wurden für Folgeversuche (Kapitel 3.2/ 3.3) eingesetzt. Alle Versuchsergebnisse deuten daraufhin, dass Eisenhydroxid einen großen Einfluss auf die Wirkung des H2O2 auf Biofilme hatte (Kapitel 3). Es hat sich ergeben, dass eisenoxidierende Bakterien und mit ihnen assoziierte Bakterien (Kapitel 3.6) effektiv zu bekämpfen sind, wenn die sie umgebenden Eiseninkrustierungen vorher gelöst werden (Kapitel 4.1.5). Sowohl in den Plattenversuchen, als auch in den Versuchen mit den Biofilmen, haben Oxalsäure und die EDTA-Lösung die besten Ergebnisse erzielt, in bezug auf die sich lösenden Eiseninkrustierung und der nachfolgenden Reduzierung der Zellzahlen mit H2O2. Auch wenn diese Stoffe nicht in verockerten Trinkwasserbrunnen eingesetzt werden können, dienten sie doch dazu, die negative Wirkung des Eisenhydroxids bei der Biofilmbehandlung mit H2O2 zu verdeutlichen.

Enhanced nutrients removal in membrane bioreactors (ENREM) combines enhanced biological phosphorus removal (EBPR), post-denitrification without additional carbon supply, and membrane filtration in a relatively compact wastewater treatment process [Gnirss et al. 2003]. Since 2006, a demonstration plant of 10 m³ is serving a peripheral area of Berlin to treat the wastewater of about 250 people, following an anaerobic – aerobic – anoxic process scheme [Gnirss et al. 2008]. Post-denitrification without additional carbon supply is quite uncommon because the lack of carbon as electron donor usually results in low endogenous denitrification rates (DNR) below 0.6 mgNO3-N/(goTS h), leading to larger reactor volumes and thus higher investment costs [Kujawa & Klapwijk 1999]. In contrast to that, the ENREM process showed enhanced denitrification rates of 1-2 mgNO3-N/(goTS h), raising the question which carbon source is used to obtain these rates [Adam 2004; Lesjean et al. 2005; Vocks et al. 2005]. To address this question, several batch experiments were conducted using acetate as reactor feed, which is completely consumed by the biomass within the anaerobic phase. These experiments ruled out soluble carbon sources such as extracellular polymeric substances (EPS), lysis/hydrolysis products, or adsorption of acetate [Vocks et al. 2005; Bracklow et al. 2007]. The analysis of polyhydroxyalkanoates (PHAs) and glycogen as intracellular carbon storage compounds typical for EBPR systems showed no clear trend for the anoxic phase. Furthermore, the results showed a carbon recovery rate for the anaerobic phase of only 50-70 %, accounting for PHAs, glycogen, carbon dioxide, soluble COD, and acetate. The experiments also showed that the DNR can be increased by adding higher acetate dosages at the beginning of the process [Nicke 2005; Baumer 2006; Stüber 2007]. These observations led to the assumption that an unknown intracellular carbon storage compound might be formed during the anaerobic phase which serves as carbon source for enhanced denitrification [Lesjean et al. 2008; Vocks 2008]. This study was conducted to prove the theory of an unknown intracellular carbon storage compound used for enhanced denitrification and to identify this compound. In-vivo nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) has proven to be an adequate tool to analyse metabolic pathways of microorganisms and to identify also unknown compounds [Pereira et al. 1996; Maurer et al. 1997; Jeon & Park 2000; Lemos et al. 2003]. However, NMR requires the use of a single carbon source (monosubstrate) which can be labelled by 13C isotopes. Hence, this study included the adaption of the ENREM process to acetate as monosubstrate in lab scale. A 6 L sequencing batch membrane bioreactor (SBMBR) was inoculated with sludge from the ENREM demonstration plant and stepwise adapted to acetate as single carbon source. The reactor was operated successfully for a period of 190 days and showed phosphorus and nitrogen dynamics typical for the ENREM process. Furthermore, carbon mass balances showed the same recovery rates of 50-70 % like in previous studies, and fluorescence in-situ hybridisation (FISH) showed a high abundance of phosphorus accumulating organisms (PAOs), thus indicating a successful adaption of all ENREM process characteristics to monosubstrate. The continuous long-term operation with a readily biodegradable monosubstrate rules out the presence of slowly biodegradable COD (sbCOD) as carbon source for denitrification.

Für die steigenden Anforderungen an die Ablaufqualität von Abwasserreinigungsanlagen sind Membranbelebungsanlagen (MBR-Anlagen) durch ihre hohen Reinigungsleistungen bezüglich den Nährstoffen wie Phosphor und Stickstoff sowie die Zurückhaltung von Bakterien eine geeignete Lösung. Ziel dieser Untersuchung war es, auf der Grundlage zweier in Berlin mit kommunalem Abwasser betriebenen MBR-Anlagen die Kosten semizentraler MBRAnlagen in Abhängigkeit von ihrer Größe und ihrer Reinigungsleistung zu vergleichen. Es handelt sich bei diesen Anlagen um eine Demonstrationsanlage für 130 EW und eine Pilotanlage für 50 EW, wobei sich die Technisierungsgrade und Reinigungsziele der beiden Anlagen stark unterscheiden. Ein Upscaling machte den Vergleich zwischen MBR-Anlagen mit Größen von 50 bis 5.000 EW möglich. Die Investitionskosten wurden anhand der einzelnen Anlagenteile aufgegliedert und für größere Anlagen mit Hilfe der Kapazitätsmethode abgeschätzt. In die Betrachtung der Betriebskosten gingen Personal-, Schlammentsorgungs-, Energie- und Chemikalienkosten sowie die Kosten für Wartung und Instandhaltung und die Abwasserabgabe ein. Aus den ermittelten Investitions- und Betriebskosten wurden mit einer dynamischen Kostenvergleichsrechnung die durchschnittlichen Jahreskosten berechnet. Um die Reinigungsleistung zu bewerten, wurde eine Einteilung in Reinigungsklassen mit unterschiedlichen Eliminationsraten für den chemischen Sauerstoffbedarf, Stickstoff und Phosphor vorgenommen, in die die MBR-Anlagen eingeordnet wurden. Die Untersuchung ergab, dass die vergleichsweise hohen spezifischen Kosten der betriebenen Anlagen mit zunehmender Anlagengröße stark abfallen. Sie sinken bei einer Anlagengröße von 1.000 EW auf ca. 2 €/m³. Die Erreichung einer hohen Ablaufgüte kann durch unterschiedliche Technologien erzielt werden. Es ist dafür bei den untersuchten MBR-Anlagen ein hoher Chemikalienaufwand oder ein hoher Energieaufwand nötig.

In Berlin, drinking water is exclusively abstracted from groundwater. For this reason, well monitoring is important to ensure a good water quality and a high well capacity. The project WellMa, which stands for well management, aims at the optimization of the operation and maintenance of drinking water abstraction wells. During the first work package of the preparatory project phase WellMa1, available data of 615 wells in Berlin were evaluated. Since ochre formations appear most frequently, the context between iron-related clogging and hydrochemistry, well construction and operation was examined. Based on the statistical analysis, TV camera inspections were identified to be the most reliable marker to indicate the iron-related clogging status of a well. The results were classified into four stages and set into relation to relevant chemical, operational and constructional parameters to determine trends and correlations. Outliers lie below or above the detected trends, as given by the generated boxplots. Seven parameters have to be taken into account: iron, manganese and nitrate-nitrogen concentrations, top of the first filter, distance to the next surface water, mean discharge rate and monthly operation hours. Wells, whose outlier parameter based on one of the following criteria, were excluded from further investigations: (i) clogging state 1, which should be lower according to the outlier parameter, at a high remaining specific capacity, (ii) nitrate-nitrogen values that should lead to higher clogging degrees lying slightly out of the range given by the boxplot, (iii) classification of the clogging degree shortly after construction, regeneration or H2O2 treatment and (iv) missing information about clogging state in the BWB well files and missing TV inspection videos to verify deviating values. The analysis demonstrates a complex interaction between the single parameters. High nutrient inflow because of river bank filtration, leakages of the casing, high discharge rates or unconfined conditions superimpose the distance to the surface of a deep screened well. Since the encrustations are mediated by bacteria, the composition and permeability of the biofilm varies depending on the engaged microorganism. Furthermore, the thickness and dimension are influenced by the available time for bacterial growth, the inflow velocity, number of switchings or position of the water levels.

The MIA-CSO project is currently led by the department “Point and non.point source pollution control of surface water” in the KWB. Its overall objective is to develop a model-based planning instrument for impact based CSO control. To that aim, an integrated monitoring in the river Spree and in the Berlin sewer system will be carried out in order to calibrate two numerical models before they are used for CSO impact assessment. A module shall be developed to allow the statistical analysis of the model results. This module will be based on Uncertainty and Sensitivity Analysis (UA and SA). The principle of such analysis is to investigate the effects of model input uncertainties on model outputs: UA establishes a mapping of model assumption into model inferences and SA is the study of how uncertainty in a model output can be apportioned to different sources of uncertainty in the model inputs. This study focuses on Sensitivity Analysis. First of all, four of the main SA techniques are described and explained mathematically. The first technique is a screening method called the Morris algorithm. This qualitative method allows one to classify the inputs in order of importance. The most important ones can then be selected for further study. Furthermore, this technique gives an idea of the linearity or nonlinearity of the effects for every input. The second technique, based on Regression Analysis, works under the assumption that the model is linear or monotonous. It gives a qualitative indication of the relative effects of each input. The third and fourth techniques, called Fourier Amplitude Sensitivity Test and the Sobol’ method, aim at calculating indicators of the relative effects of each input, called the sensitivity effects. They work without any assumption on the model and they can traduce the effects of interactions between the model inputs. Using the free software SimLab, three methods are tested in this study: Morris, FAST and Sobol’. They are applied on catchment Berlin XII in Friedrichshain, under the framework of ATV-A 128, a linear, empirical model used for designing storage tanks in combined sewer systems. After a calibration step, rules are expounded in order to define how to use these techniques and how to have reliable results. Then, the Sensitivity Analysis itself is performed for Berlin XII. Among the nine inputs of interest, the Morris screening allows to choose the four most important ones (the CODconcentration in the wastewater, the COD-concentration in the rainwater, the specific water need and the total impervious area). While the five other inputs are considered constant, FAST and Sobol’ are performed and give the exact relative effects of the four inputs. It appears that two inputs are more important than the two others. For these inputs (COD-concentration in the rainwater and specific water need), further uncertainty study should be done and the lack of data should be corrected.