Energy efficient operation of variable speed submersible pumps : simulation of a ground water well field

Due to their lower energy consumption, permanent magnet synchronous motor (PMSM) submersible pumps have been introduced in ground water well field operation. Besides direct savings of energy, the introduction of PMSM pumps together with the required variable frequency converters offers new operational scenarios to meet the seasonally varying water demand. In this work, potential energy savings of variable speed submersible pumps were investigated. A ground water well field consisting of 13 wells and their transport pipes was modeled in the hydraulic modeling software EPANET 2.0. Using MS visual basic for applications, EPANET was coupled with MS Excel and a genetic algorithm to identify the most energy efficient combination of pump speeds. For the simulated well field, the total specific energy demand required for pumping was significantly lower in partial load operation as compared to nominal pump speed operation. For low and moderate flow scenarios, energy savings in the range of 20% compared to nominal speed operation can be achieved. These findings were confirmed by a monitoring campaign in the well field. Combining hydraulic simulation and optimization using genetic algorithms, the best efficiency scenario for operation of ground water well fields can be found.German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy (BMWi, grant number 03ET1190B) and the German Technical and Scientific Association for Gas and Water (DVGW

TestTools – Development and validation of fast test methods on organic micro-pollutant behavior in engineered and natural barriers of the urban water cycle

Gedruckt erschienen im Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-3034-4Das 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 ozoninduzierte 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 ΔSAK254 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.The joint project “TestTools” studied the applicability of various test methods for the behaviour of organic micro-pollutants in different natural and technological barriers. The following short summary gives an overview on the most relevant results. Dosage of powdered activated carbon (PAC) in laboratory experiments should be conducted by using stock suspensions in pure water which have been subject to sufficient wetting and degassing, in combination with laboratory pipettes; during stock suspension preparation, the PAC water and ash contents can be determined with relatively little additional effort. Upon dosage, mixture should be accomplished with one-dimensional horizontal lab shakers. The surrogate parameter of UV254nm absorption allows for predicting organic micro-pollutant removals independent of the PAC product in most cases. The novel initialization of the equivalent background compound model (EBCM) via water quality parameters (e.g. DOC) was validated. Methyl orange is suitable as a defined surrogate for the simulation of background organics adsorption competition. UV254 allows for monitoring and controlling continuously operated pilot/large-scale PAC plants. A lab batch procedure is recommended for projections of organic micro-pollutant removals on full-scale PAC recirculation plants. Rapid small-scale column tests (RSSCTs) could be confirmed as a suitable method for fast and reliable testing of granular activated carbon (GAC) by comparisons with large-scale data, despite some restrictions. Large RSSCTs reduce these restrictions but induce substantially increased efforts. GAC batch tests are only partly suitable. Integral breakthrough curves are subject to reduced fluctuations compared to direct (“current”) breakthrough curves. Depictions over specific throughputs of water quality parameters (from size exclusion chromatography of the DOC) allow for alignments of breakthrough curves obtained in different types of waters. Surrogate parameters such as UV254 are only little useful for breakthrough predictions of organic micro-pollutants (usefulness decreasing with increasing adsorbability). The usefulness of artificial surrogates should be further clarified. Ozonation lab tests in batch and semi-batch setups produce comparable results regarding organic micro-pollutant eliminations, but they have different (dis)advantages with respect to practical implementation. The impacts of suspended solids on ozoneinduced organic micro-pollutant eliminations are small and only relevant at concentrations greater 20 mg/L dry mat-ter. The influences of temperature and pH are also small or non-existent; however, they affect the established ozone consumption profiles. UV254 allows for good predictions of organic micro-pollutant eliminations. Bromate formation was partly different in batch and semi-batch setups; bromate and NDMA formations are generally over-estimated compared to pilot or full-scale plants. The organic micro-pollutant and UV254 eliminations at 18 domestic wastewater treatment plants were determined; the established data can be used for reference applications. Internal OH radical tracers were found in all 18 effluents, which can be used for assessing the OH radical exposure as well as for quality control purposes. Ozone exposure-/OH radical exposure-based modelling led to partly noticeable overestimations of organic micro-pollutant eliminations. The results of a survey demonstrated a predominantly very high knowledgeability on ozonation in relevant stakeholders. As post-treatment steps, the participants recommend filter systems, in particular granular activated carbon filters. For natural/biological barriers like bank filtration or managed aquifer recharge, rapid laboratory test methods are only partly informative, because of the occurring complex processes in such systems. Recent findings highlight that even minor variations in oxygen availability or biologically available organic carbon can cause substantial differences of organic micro-pollutant eliminations. In addition to the chemical parameters, the composition of the micro-biocenosis has critical impacts on transformation rates. Overall, simple and rapid laboratory tests are not suitable for simulating highly complex underground processes. Only the transformation of substances which are well-degradable under oxic conditions can be reproduced relatively satisfactorily in small-scale lab columns.BMBF, 02WRS1368, TestTools – Entwicklung und Validierung von schnellen Testmethoden zum Spurenstoffverhalten in technischen und natürlichen Barrieren des urbanen Wasserkreislauf

Integrating organic micro-pollutant removal into advanced phosphorus removal

Der vorliegende Abschlussbericht fasst die Ergebnisse des Forschungsvorhabens IST4R (Integration der Spurenstoffentfernung in Technologieansätze der 4. Reinigungsstufe) zusammen, in dem verschiedene Verfahrenskombination von Aktivkohle und Ozonung zur Entfernung von anthropogenen Spurenstoffen als weitergehende Abwasserreinigung untersucht wurden. Dabei stand insbesondere die Integration dieser Verfahren in die Flockungsfiltration zur weitestgehenden Entfernung von Phosphor und abfiltrierbaren Stoffen im Fokus, die eine Planungsvariante zum zukünftigen Ausbau der Berliner Klärwerke darstellt. Ein wesentliches Ziel war die Bewertung der Verfahrensalternativen (1) Direktdosierung von Pulveraktivkohle, (2) Festbettadsorption an granulierte Aktivkohle und (3) Ozonung zur Spurenstoffentfernung, um zukünftige Anforderungen an Oberflächengewässer zu erfüllen. Die mittels Pilotversuchen gewonnenen Ergebnisse verdeutlichen, dass sowohl Ozonung als auch Aktivkohle sinnvoll mit der Flockungsfiltration kombiniert werden können. Alle untersuchten Verfahrensvarianten sind geeignet, den Spurenstoffeintrag kommunaler Kläranlagen signifikant zu verringern und gleichzeitig die Zielwerte für die suspendierten Stoffe (TSS < 1 mg/L) und Gesamtphosphor (TP < 0,1 mg/L) sicher einzuhalten. Es erfolgt eine zusätzliche Entfernung von CSB und DOC. Die Entfernung der einzelnen Spurenstoffe ist stoffspezifisch. Sie ist außerdem abhängig von der Konzentration des im Wasser vorliegenden gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC) und der Dosis von Aktivkohle bzw. Ozon, aber unabhängig von der Ausgangskonzentration der Spurenstoffe. Für ausgewählte Indikatorsubstanzen wurden Dosis-Wirkungsbeziehungen für die Adsorption an Aktivkohle und die Reaktion mit Ozon ermittelt und an den Pilotanlagen überprüft. Der spezifische Absorptionskoeffizient bei 254 nm (SAK254) ist eine geeignete Größe zur Steuerung und Überwachung der Spurenstoffentfernung und sowohl für die Ozonung als auch die Adsorption an Aktivkohle aussagekräftig. Eine Regelung der Ozonung mittels SAK254 wurde im Pilotmaßstab getestet. Die Pilotuntersuchungen wurden darüber hinaus durch ein toxikologisches Monitoring begleitet, bei dem unterschiedliche, etablierte Untersuchungsmethoden eingesetzt, aber keine Hinweise auf humantoxikologische bzw. ökotoxikologische Risiken aufgezeigt wurden, auch nicht durch Oxidationsprodukte der Ozonung. Um eine vollständige ökotoxikologische Bewertung zu ermöglichen, müssen die Methoden weiter entwickelt werden. Neben den verfahrenstechnischen Untersuchungen wurden für die Verfahrensvarianten auch eine Kostenschätzung und Ökobilanz erstellt. Sowohl die Gesamtkosten als auch die Umweltwirkungen einer weitergehenden Phosphorentfernung mit Flockungsfiltern erhöhen sich deutlich, wenn mittels Ozon oder Aktivkohle zusätzlich auch Spurenstoffe entfernt werden sollen.The research project IST4R aimed at investigating different process combinations of activated carbon adsorption and ozonation with tertiary filtration for the removal of organic micro-pollutants (OMP) from wastewater treatment plant effluents. Its main focus was the integration of OMP elimination into treatment options for phosphorus removal for future implementation in Berlin. The investigations were carried out both in laboratory and pilot-scale. The results demonstrate that both activated carbon adsorption and ozonation can be well combined with flocculation and subsequent rapid filtration. All investigated process combinations are capable of significantly eliminating OMP with a concomitant removal of suspended solids and total phosphorus. Additionally, both dissolved organic carbon and chemical oxygen demand are reduced. The elimination of OMP is specific for different substances and processes. The concentration of background organic matter has a strong influence on OMP removal for both activated carbon adsorption and ozonation. The UV light absorption at a wavelength of 254 nm (UV254) is a useful surrogate parameter to control and monitor OMP removal with substance specific correlations. Process control using UV254 was successfully tested in pilot-scale. A monitoring using established human- and eco-toxicological methods was conducted for the different process combinations but no indications for toxic effects towards aquatic organisms or humans were observed. Besides operational parameters, investment and operating costs as well as environmental impacts were estimated using life-cycle assessment (LCA). Both costs and environmental impacts of advanced wastewater treatment are significantly increased compared to conventional wastewater treatment.Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt Berlin - kofinanziert durch die Europäische Union aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE), 11325UEPII, Integration der Spurenstoffentfernung in Technologieansätze der 4. Reinigungsstufe bei Klärwerken (IST4R

Anthropogenic organic micro-pollutants and pathogens in the urban water cycle : assessment, barriers and risk communication (ASKURIS)

Gedruckt erschienen im Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-2814-3Im Forschungsprojekt ASKURIS wurden das Auftreten und die Entfernung organischer Spurenstoffe und resistenter Krankheitserreger in urbanen Wasserkreisläufen erforscht. Neueste analytische Methoden wurden eingesetzt, um entlang des Wasserkreislaufes bekannte Substanzen in kleinsten Konzentrationen zu quantifizieren und unbekannte Spurenstoffe zu identifizieren. Deren Entfernung durch bestehende und zusätzliche technische Barrieren (Aktivkohle und/oder Ozon) wurde an unterschiedlichen Stellen des Wasserkreislaufes untersucht. Für eine Bewertung der technischen Barrieren wurden Kosten und Auswirkungen auf die Umwelt bilanziert. Toxische Effekte auf Mensch und Umwelt wurden untersucht, um ein eventuelles Risiko abschätzen zu können. Mit empirischen, sozialwissenschaftlichen Methoden wurde die Wahrnehmung von Risiken in der Bevölkerung analysiert. Die Forschungsergebnisse aus ASKURIS wurden in das Risikomanagementsystem des größten deutschen Wasserver- und -entsorgers integriert.A partially closed water cycle may exist in urban areas, whereby treated municipal wastewater is discharged into surface waters used as a source for the drinking water supply. A number of organic micro-pollutants (OMP) can be found in the different water compartments. In the near future, climatic and demographic changes probably contribute to an increase of OMP in aquatic eco-systems. The occurrence of OMP, possible adverse effects on aquatic organisms and human health and the public perception must be carefully assessed to properly manage and communicate potential risks and to implement advanced treatment options (activated carbon or ozone) at the optimum point within the water cycle. Therefore, the interdisciplinary research project ASKURIS focused on the identification and quantification of OMP, on the toxicological assessment and removal of organic micro-pollutants and antibiotic-resistant pathogens in the Berlin water cycle, on life-cycle based economic and environmental assessments, the public perception and management of potential risks.BMBF, 02WRS1278, RiSKWa - Verbundprojekt ASKURIS: Anthropogene Spurenstoffe und Krankheitserreger im urbanen Wasserkreislauf: Bewertung, Barrieren und Risikokommunikatio

Microplastic in the water cycle : sampling, sample preparation, analyses, occurrence and assessment

Gedruckt erschienen im Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-3162-4Das interdisziplinäre Forschungsprojekt MiWa widmete sich grundlegenden Fragestellungen zur Analytik und Wirkung von Mikroplastik-Partikeln im Wasserkreislauf. Es wurden Methoden der Umweltprobennahme, der Probenaufbereitung und verschiedene Detektionsverfahren zur Charakterisierung und Quantifizierung von Mikroplastik intensiv untersucht, miteinander verglichen und weiterentwickelt. Öko- und humantoxikologische Untersuchungen dienten dem Zweck, die potenziell von Mikroplastik ausgehende Gefährdung für die aquatische Umwelt und den Menschen zu analysieren und zu bewerten. Eine Harmonisierung und Standardisierung von Methoden der Probennahme, Probenaufbereitung und Mikroplastik-Detektion sind trotz der erheblichen Fortschritte derzeit nur teilweise möglich. Die ökotoxikologischen Studien zeigen zwar die Aufnahme von Mikroplastik-Partikeln durch einige Organismen, jedoch konnte bisher keine schädigende Wirkung nachgewiesen werden. Dabei wurden für eine Auswahl aquatischer Modellspezies sowohl Szenarien direkter als auch indirekter Exposition innerhalb einer Nahrungskette betrachtet. Interaktionen mit menschlichen Modellzellen wurden bislang nur bei Mikroplastik-Partikeln mit Größen weit unterhalb von 1 µm (also Nanoplastik) beobachtet. Eine umfassende Bewertung ist bislang nicht möglich.The interdisciplinary research project MiWa focused on principle knowledge gaps of analytical detection and effects of microplastic in fresh water cycles. Methods for environmental sampling, sample preparation and different analytical identification and quantification were intensively investigated, compared and further developed. Toxicological studies were conducted to assess potential risks of microplastic particles towards the environment and human health. Harmonization and standardization are still only partially possible despite various improvements. The eco-toxicological experiments confirmed the intake of microplastic particles by different organisms but no hazardous effects could be found. Both direct ingestions and indirect exposition within food webs were tested. Interactions with exemplary human cells were only observed for particle sizes far below 1 µm (thus nanoplastic). An assessment is currently only possible to a limited extent.BMBF, 02WRS1378, Mikroplastik im Wasserkreislauf (MiWa