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Because EU water quality policy can result in infrastructure creation or adaptation at the local level across member states, compliance cases are worth examining critically from a sustainable spatial planning perspective. In this study, the 2000 EU Water Framework Directive’s (WFD) reach to local implementation efforts in average towns and cities is shown through the case study of nonconforming household wastewater infrastructure in the German state of Rhineland Palatinate. Seeing wastewater as a socio-technical infrastructure, we ask how the WFD implementation can be understood in the context of local infrastructure development, sustainability, and spatial planning concepts. In particular, this study examines what compliance meant for the centralization or decentralization of local wastewater infrastructure systems—and the sustainability implications for cities
from those choices.
Eine Vielzahl hydrophiler Xenobiotika wird in kommunalen Kläranlagen nur unvollständig abgebaut und stellt ein potentielles Risiko für aquatische Ökosysteme dar. Die Eliminationsleistung von Kläranlagen hat sich deshalb während des letzten Jahrzehnts zu einem Schwerpunkt in der aquatischen Umweltchemie entwickelt. Die vorliegende Arbeit untersucht in diesem Zusammenhang die Variation biologischer Abbauleistungen kommunaler Kläranlagen für polare Xenobiotika. Es soll überprüft werden, ob die Abbauleistung von Xenobiotika mit derer klassischer Nährstoffe in Beziehung gesetzt werden kann. Als zusätzlicher Faktor zur Erklärung von unterschiedlichen Eliminationsleistungen wurden Probenahmestrategien hinsichtlich der Erstellung von Massenbilanzen analysiert. Fünf Pharmaka sowie drei Aminopolycarbonsäuren wurden als Testsubstanzen ausgewählt. Diese umfassen ein Spektrum an mikrobiologischer Abbaubarkeit bedingt durch die Reaktivität ihrer unterschiedlichen molekularen Strukturen. Ein kombinierter Versuchsaufbau aus Respirometrie und Abbautests ermöglichte, neben der Bestimmung von Abbaukinetiken, auch die Charakterisierung von Belebtschlamm. Der Einfluss von Mischungsprozessen auf die Abbauleistungen von Kläranlagen wurde mittels hydraulischer Aufenthaltszeitverteilungen modelliert. Darauf basierend wurde eine Methode zur Beurteilung und Erstellung von Eliminationsleistungen aus Zulauf-Ablauf Massenbilanzen entwickelt. Die Resultate zeigen deutliche Unterschiede in den Belebtschlammcharakteristika und dem Abbaupotential von Xenobiotika zwischen verschiedenen Kläranlagen. Die aktive heterotrophe Biomasse wurde als steuernder Faktor für die Biodegradation der untersuchten leicht und moderat abbaubaren Xenobiotika identifiziert. Dies kann als Hinweis auf kometabolische Abbauprozesse durch unspezifische Enzymaktivitäten gewertet werden. Die beobachtete Abnahme der Eliminationsleistung mit steigendem Schlammalter konnte anhand modifizierter Kinetiken pseudo-erster Ordnung beschrieben werden. Die Modellierung von Mischungsprozessen mittels hydraulischer Aufenthaltszeitverteilungen macht deutlich, mit welcher Unsicherheit Massenbilanzen in Kläranlagen behaftet sind. Die Ergebnisse demonstrieren, dass dies vor allem auf inadäquate Probenahmestrategien zurückzuführen ist. Insbesondere Massenbilanzen auf der Basis von kurzen Probenahmezeiträumen und 24-h Mischproben resultieren in fehlerhafte Eliminationsraten. Der vorgestellte Ansatz benutzt die Verteilungen von Aufenthaltszeiten als Leitprinzip, um Zulauf- und Ablauffrachten zueinander in Beziehung zu setzen. Die Methode kann als Grundlage zur akkuraten Schätzung von Eliminationsleistungen herangezogen werden und bietet eine Erklärung für das Vorkommen negativer Eliminationsleistungen.
The development of our society contributed to increased occurrence of emerging substances (pesticides, pharmaceuticals, personal care products, etc.) in wastewater. Because of their potential hazard on ecosystems and humans, Wastewater Treatment Plants (WWTPs) need to adapt to better remove these compounds. Technology or policy development should however comply with sustainable development, e.g. based on Life Cycle Assessment (LCA) metrics. Nevertheless, the reliability or consistency of LCA results can sometimes be debatable. The main objective of this work was to explore how LCA can better support the implementation of innovative wastewater treatment options, in particular including removal benefits. The method was applied to support solutions for pharmaceuticals elimination from wastewater, regarding: (i) UV technology design, (ii) choice of advanced technology and (iii) centralized or decentralized treatment policy. The assessment approach followed by previous authors based on net impacts calculation seemed very promising to consider both environmental effects induced by treatment plant operation and environmental benefits obtained from pollutants removal. It was therefore applied to compare UV configuration types. LCA outcomes were consistent with degradation kinetics analysis. For the comparison of advanced technologies and policy scenarios, the common practice (net impacts based on EDIP method) was compared to other assessments, to better consider elimination benefits. First, USEtox consensus was applied for the avoided (eco)toxicity impacts, in combination with the recent method ReCiPe for generated impacts. Then, an eco-efficiency indicator (EFI) was developed to weigh the treatment efforts (generated impacts based on EDIP and ReCiPe methods) by the average removal efficiency (overcoming (eco)toxicity uncertainty issues). In total, the four types of comparative assessment showed the same trends: (i) ozonation and activated carbon perform better than UV irradiation, and (ii) no clear advantage distinguished between policy scenarios. It cannot be however concluded that advanced treatment of pharmaceuticals is not necessary because other criteria should be considered (risk assessment, bacterial resistance, etc.) and large uncertainties were embedded in calculations. Indeed, a significant part of this work was dedicated to the discussion of uncertainty and limitations of the LCA outcomes. At the inventory level, it was difficult to model technology operation at development stage. For impact assessment, the newly developed characterization factors for pharmaceuticals (eco)toxicity showed large uncertainties, mainly due to the lack of data and quality for toxicity tests. The use of information made available under REACH framework to develop CFs for detergent ingredients tried to cope with this issue but the benefits were limited due to the mismatch of information between REACH and USEtox method. The highlighted uncertainties were treated with sensitivity analyses to understand their effects on LCA results. This research work finally presents perspectives on the use of transparently generated data (technology inventory and (eco)toxicity factors) and further development of EFI indicator. Also, an accent is made on increasing the reliability of LCA outcomes, in particular through the implementation of advanced techniques for uncertainty management. To conclude, innovative technology/product development (e.g. based on circular economy approach) needs the involvement of all types of actors and the support from sustainability metrics.