In ariden Gebieten tritt Schwefelwasserstoff häufig im Grundwasser auf, wodurch dessen Nutzung für die Trinkwassergewinnung aufgrund des störenden Geruchs und Geschmacks stark beeinträchtigt wird. Die in der Praxis oft eingesetzte Belüftung erweist sich zumeist als ineffizient und führt zu Geruchsbelästigungen in der Umgebungsluft. Das Ziel der Arbeit, die im Rahmen eines deutsch-israelischen Forschungsprojekts angefertigt wurde, bestand darin, einen wirksamen und für den praktischen Einsatz bei der Wasseraufbereitung geeigneten Katalysator zur Entfernung von Schwefelwasserstoff zu entwickeln, hinsichtlich verschiedener Verfahrensparameter und relevanter Randbedingungen durch systematische Batch- und Säulenversuche zu erproben und zu optimieren. Wichtige Kriterien zur Charakterisierung der Katalysatoren waren die Kinetik des Sulfidumsatzes, die Langzeitstabilität und die Zusammensetzung der Reaktionsprodukte. Die Nachahmung natürlich vorkommender Strukturen (z. B. Häm-Gruppe) und deren Anpassung an eine katalytische Sulfidoxidation war der Grundgedanke am Anfang der Arbeit. Entsprechende Materialien, organische Metallkomplexe (Porphyrine) auf Kohlenstoffträgern (Acetylen Black), wurden bereits erfolgreich bei der Sauerstoffreduktion in Brennstoffzellen eingesetzt. Cobalttetraphenylporphyrin (CoTPP) zeigte von allen getesteten Materialien die beste katalytische Wirksamkeit zur Sulfidoxidation. Die Sulfidumsetzung lief sowohl bei höheren pH-Werten als auch mit zunehmender Temperatur schneller ab. Anhand von Untersuchungen zum Einfluss des pH-Werts konnte bestätigt werden, dass eine katalytische Wirksamkeit nur für die Oxidation der Sulfid-Spezies HS- und S2- besteht. Mit Aktivkohle konnte ebenfalls eine katalytische Sulfidumsetzung erzielt werden, jedoch lag die Aktivität hier im Vergleich zum CoTPP deutlich niedriger. Bei allen getesteten katalytisch wirksamen Materialien entstand als vorrangiges Reaktionsprodukt Schwefel, gebildete Schwefel-Sauerstoff-Verbindungen wie Sulfat und Thiosulfat waren von untergeordneter Bedeutung. Die Untersuchungen zeigten, dass Acetylen Black aufgrund der sehr geringen Teilchengröße technisch kaum einsetzbar ist, weshalb weitere Trägermaterialien erprobt wurden. Im Gegensatz zu Aktivkohle oder Anthrazit erwiesen sich Weichfilze, insbesondere der Sigratherm Kohlenstoff-Weichfilz (KFA-Filz), als sehr gut geeignete Trägermaterialien. Beim Einsatz von Aktivkohle lagerte sich der gebildete Schwefel in den Porenräumen ab, was zu einer erheblichen Verringerung der katalytischen Aktivität führte. Dagegen wurde unter Verwendung des modifizierten Filzmaterials auch bei sehr langen Laufzeiten (bis 3000 Stunden) keine Abnahme der katalytischen Wirksamkeit beobachtet. Durch diese Katalysatormatrix konnte somit die Deaktivierung des Katalysators durch elementaren Schwefel verhindert werden. Bei abschließenden Versuchen unter Verwendung einer kleintechnischen Versuchsanlage konnte gezeigt werden, dass der Katalysator für den großtechnischen Einsatz geeignet ist. Im Vergleich zur Aktivkohle sind zwar größere Investitionskosten notwendig, andererseits können mit dem CoTPP-Material deutlich längere Laufzeiten realisiert werden. Aufgrund seiner guten technischen Handhabbarkeit ist der modifizierte KFA-Filz sowohl in kleinen dezentralen Anlagen (ländliche Siedlungen) als auch in größeren Wasserwerken einsetzbar. Zusätzliche Chemikalien sind für den Betrieb eines solchen Filters nicht erforderlich. Eine weitere Verbesserung der Sulfidentfernung wird bei langen Filterlaufzeiten durch sulfidoxidierende Bakterien bewirkt. Das Ziel, einen effizienten, technisch einsetzbaren Katalysator zur oxidativen Sulfidentfernung aus Wässern zu entwickeln, wurde somit erreicht. / Hydrogen sulfide often occurs in groundwater of arid areas. Because of its malodour, H2S containing water cannot be used as drinking water without treatment. Aeration as the most common treatment technique is less effective and leads to nasty odour of ambient air. Catalytic oxidation could be an alternative. The aim of this work was to develop and to optimize a technically applicable oxidation catalyst as well as to test its applicability under practical conditions. Various N4-chelates (e. g. porphyrins), which are frequently used for the reduction of oxygen in fuel cells, were evaluated for catalytic oxidation of sulfide at selected boundary conditions and process parameters using batch and column experiments. The new catalysts should be characterized in comparison with other materials. The oxidation kinetics, the long-time stability of the catalyst and the composition of oxidation products were the main criteria used for catalyst assessment. Cobalt tetraphenylporphyrin (CoTPP) showed the highest catalytic activity of all tested materials. The rate of sulfide transformation increased significantly with increasing temperature and at pH values higher than 6. A catalyst suitable for technical use in fixed-bed reactors was obtained by coating of a supporting material (carbon felt KFA) with the active substance. For all investigated materials, sulfur was found to be the main reaction product of the sulfide oxidation. In contrast to activated carbon, which showed catalytic activity for sulfide oxidation too, modified KFA felt materials were not blocked and deactivated by formed sulfur, even after long-term use. The new catalyst is well qualified for a stable oxidation of sulfide in water. In comparison to activated carbon, higher investment costs are required, but the carbon felt supported porphyrin has a significant longer lifetime. Because of its easy use, modified KFA felt is applicable both in small local plants and in large waterworks. There is no necessity to add chemicals or to install complex control equipment. As a positive side-effect, further improvement of sulfide elimination caused by sulfide-oxidizing bacteria was found during long filter run times.

Bei der Aufbereitung von Rohwässern zu Trinkwasser fallen in der Regel unvermeidbare Rückstände an, die den gesetzlichen Bestimmungen entsprechend entsorgt werden müssen. Schlammhaltige Wässer, die den größten Anteil an Wasserwerksrückständen einnehmen, entstehen bei der Spülung von Filtern und enthalten nahezu alle aus dem Rohwasser entfernten Stoffe und nicht im Trinkwasser verbleibende Aufbereitungschemikalien. Während früher in vielen Wasserwerken Teile des schlammhaltigen Filterspülwassers nach einem Sedimentationsvorgang wieder in den Aufbereitungsprozess zurückgeführt wurden, ist dies in Deutschland auf Grund einer möglichen Beeinträchtigung der Trinkwasserqualität bei mikrobiologisch belasteten Wässern (z. B. Oberflächenwasser) ohne eine adäquate Behandlung (z. B. Ultrafiltration) nicht mehr erlaubt. Somit müssen schlammhaltige Filterspülwässer anderweitig entsorgt werden, z. B. durch eine Einleitung in die Kanalisation. Die dabei auftretenden Auswirkungen auf Abwasserbehandlungsanlagen sind noch nicht ausreichend bekannt. In der vorliegenden Arbeit werden unterschiedliche Ultrafiltrationsmodule (Kapillarmembranmodul und getauchtes Modul) hinsichtlich ihrer Eignung zur Aufbereitung aluminiumhaltiger schlammhaltiger Filterspülwässer und damit zur Rückführung des entstehenden Filtrates in den Aufbereitungsprozess untersucht. Die grundsätzliche Eignung beider Modulsysteme wird nachgewiesen. Bei Verwendung von getauchten Modulen kann auf eine vorangehende Sedimentationsanlage verzichtet werden. Als kritisch muss unabhängig vom gewählten Modulkonzept die Entsorgung des anfallenden Retentates angesehen werden, da die gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte der Indirekteinleitung für mehrere Parameter nicht eingehalten werden. Bilanzierungen der relevanten Schadstoffe ergeben, dass der Schadstoffeintrag überwiegend diffus mit dem Rohwasser in das Wasserwerk erfolgt. Zur Untersuchung von Auswirkungen der Einleitung aluminiumhaltiger schlammhaltiger Filterspülwässer aus der Oberflächenwasseraufbereitung auf die Abwasserbehandlung wurden labortechnische Versuche zur Ermittlung des Phosphatadsorptionspotenzials durchgeführt. Neben der Abhängigkeit der Phosphatadsorptionskapazität vom pH-Wert wurde der Einfluss der Feststoffkonzentration des schlammhaltigen Filterspülwassers in Versuchen mit Modellwasser nachgewiesen. Eine Erhöhung der Feststoffkonzentration wirkt einer möglichst hohen Ausnutzung des Adsorptionspotenzials entgegen. Während für die Ultrafiltrationsbehandlung gegenüber der Indirekteinleitung ein Kostenvorteil ermittelt wird, ist die für die Nutzung des Phosphatadsorptionsanteils verfügbare Schlammmenge für einen alleinigen Einsatz in der Kläranlage bei gleichen Einzugsgebieten nicht ausreichend. / In most water treatment plants (WTPs), during the water purification process, residuals are generated that have to be disposed according to current regulations. Most of the residuals are derived from filter backwash processes (i. e. spent filter backwash water, SFBW) and contain substances that are removed from the raw water. In addition, in the spent filter backwash water, chemicals can be found that are required for the operation of the water treatment process and do not remain in the drinking water. Over recent decades, SFBW has been returned to the beginning of the water treatment plant (WTP) after a sedimentation process in order to reduce the amount of water being discharged. Concerns over the recycling of microorganisms, of heavy metals or precursors for disinfection by-products, have led to a significant reduction of the number of WTPs that directly return filter backwash water to the water treatment process. According to German technical standards, the reuse of SFBW might only be possible after the application of groundwater infiltration or an equivalent technique. Because of an almost complete recovery of particles and microorganisms, ultrafiltration treatment is a proven alternative to groundwater recharge of SFBW. In this work, different ultrafiltration modules for the treatment and reuse of SFBW are compared. Capillary as well as submerged membrane modules are suitable for the treatment of SFBW. If submerged membrane modules are used, no sedimentation period prior to ultrafiltration treatment is necessary. As a consequence of the accumulation of particulate matter including heavy metals and other compounds in the retentate during ultrafiltration treatment, threshold values of several regulations cannot be met, and either the discharge of retentate into the sewer will be charged or alternative disposal options must be considered. Mass balances for an entire WTP showed most of these contaminants to originate from non-point sources in the watershed. Lab-scale experiments are performed for the examination of the phosphate adsorption potential of SFBW derived from surface water treatment using aluminum-based coagulants. Besides a strong influence of the pH-value present in the SFBW, an influence of the TSS-concentration of SFBW on phosphate adsorption capacity could be demonstrated. Elevated TSS-concentrations resulted in a lower phosphate adsorption capacity of the investigated SFBW. While ultrafiltration treatment with subsequent reuse of SFBW might be cheaper than the discharge to the sewer system, the amount of SFBW required for a complete phosphate removal in the wastewater treatment plant is to large and therefore, no economic advantage of phosphate adsorption could be demonstrated

Das saisonale Auftreten von erdig/modrigen Geruchsstoffen beeinträchtigt die organoleptische Qualität von Trinkwasser aus Talsperren weltweit. Grund für diese Beeinträchtigungen sind biogene Geruchsstoffe, die in oligo- bis mesotrophen Trinkwassertalsperren vorwiegend von benthischen Cyanobakterien freigesetzt werden. Als wichtigste Vertreter der biogenen Geruchsstoffe in den untersuchten sächsischen Trinkwassertalsperren wurden Geosmin und 2-Methylisoborneol (2-MIB) identifiziert, die bereits in Konzentrationen von wenigen ng/L organoleptisch wahrgenommen werden. Zur Entfernung der Geruchsstoffe während der Trinkwasseraufbereitung wird meist die Adsorption an Pulveraktivkohle als zusätzlicher Aufbereitungsschritt eingesetzt. In natürlichen Wässern wird die Adsorptionskapazität vor allem durch die direkte Konkurrenz niedermolekularer, gut adsorbierbarer Fraktionen des organischen Hintergrundes reduziert. Es konnte gezeigt werden, dass die Adsorption mit verschiedenen Modellansätzen für die Gemischadsorption von Spurenstoffen und organischem Hintergrund beschrieben werden kann. Diese Modelle, die für Gleichgewichtszustände entwickelt wurden, können auch angewendet werden, wenn sich das Adsorptionsgleichgewicht noch nicht eingestellt hat, wie es oftmals bei den in der Praxis realisierten Kontaktzeiten der Fall ist. Bei Auswahl einer Aktivkohle mit guter Entfernungsleistung für die Geruchsstoffe liegen die Kosten für die benötigte Aktivkohlemenge zur Reduzierung der Geruchsstoffkonzentration um 90 % bei 0,009 - 0,05 €/m³. Der Einsatz UV-basierter erweiterter Oxidationsverfahren, wie UV/O3, UV/H2O2, Vakuum-UV (VUV) sowie VUV/O3, stellt eine Alternative für die Entfernung von Geosmin und 2-MIB dar. Die eingehende Untersuchung dieser Verfahren zeigte, dass die indirekte Oxidation durch gebildete Hydroxylradikale zu einer effektiven Umsetzung der Geruchsstoffe und zahlreicher weiterer Spurenstoffe führt. Zusätzlich wird das Rohwasser aufgrund der keimtötenden Wirkung von UV-Strahlung (und Ozon) gleichzeitig desinfiziert. Allerdings sind bei den Verfahren UV/O3 und UV/H2O2 für einen kosteneffizienten Geruchsstoffabbau hohe Oxidationsmittelkonzentrationen notwendig, die zu unerwünschten Nebenprodukten oder Residuen führen können. Die VUV-Bestrahlung stand besonders im Fokus der Untersuchungen, da dieser Wellenlängenbereich sowohl zur photoinitiierten Oxidation von Spurenstoffen als auch zur Generierung von Ozon in der Gasphase eingesetzt werden kann. Ozongenerierung und Bestrahlung (im UV- oder VUV-Bereich) wurden in einem speziellen UV-Reaktor mit nur einer Strahlungsquelle realisiert. Mit diesem innovativen UV-System mit interner Ozongenerierung konnte eine Reduzierung der Geosminkonzentration um 90 % mit einem Energieverbrauch unter 1 kWh/m³ und Energiekosten unter 0,09 €/m³ erreicht werden. Außerdem wird Nitrit, das durch VUV-Bestrahlung gebildet wird, durch die Zugabe des intern erzeugten Ozons oxidiert. Unter den untersuchten UV-basierten Verfahren ist die Kombination VUV/O3 mit interner Ozongenerierung für die Entfernung von saisonal auftretenden Geruchsstoffen in der Trinkwasseraufbereitung aus Talsperrenwässern am besten geeignet. Die Verfahrenskombination zeichnet sich durch ein geringes Risiko hinsichtlich der Bildung unerwünschter Nebenprodukte, den Verzicht auf den Einsatz von Chemikalien und die Vermeidung von Rückständen sowie einen vergleichsweise geringen Energieverbrauch und Wartungsaufwand aus. / The seasonal occurrence of earthy/musty odours affects the organoleptic quality of drinking water from reservoirs worldwide. In oligo-mesotrophic drinking water reservoirs this impairment is mainly caused by biogenic odour compounds released by benthic cyanobacteria. The most important odour compounds in the investigated Saxon drinking water reservoirs were geosmin und 2-methylisoborneol (2-MIB), which exhibit a threshold odour concentration of several ng/L. The application of powdered activated carbon is widely used for the removal of odour compounds during drinking water treatment. However, the adsorption capacity in natural waters is reduced due to the competition of well adsorbable, low molecular weight organic compounds. It could be shown that the adsorption process can be described with various model approaches for the competitive adsorption of micropollutants in presence of natural organic matter. These model approaches, which were developed for equilibrium adsorption, can be applied for the non-equilibrium adsorption as well, for example for contact times realized in the waterworks. If an activated carbon with a high adsorption capacity for odour compounds is applied, the costs for the amount of activated carbon necessary to reduce the odour concentration by one order of magnitude are about 0.009 - 0.05 €/m³. UV-based advanced oxidation processes like UV/O3, UV/H2O2, Vacuum-UV (VUV) and VUV/O3 are an alternative for the removal of geosmin and 2-MIB. Thus, these processes were investigated in detail showing that an effective elimination of the odour compounds and other micropollutants is achieved via indirect oxidation by formed hydroxyl radicals. Additionally, the raw water is disinfected by the germicidal effect of UV irradiation (and ozone). However, for a cost efficient degradation of odour compounds by UV/O3 or UV/H2O2 high oxidant concentrations are necessary, which lead to the formation of undesired by-products and residuals. The focus of the presented doctoral thesis was on the treatment with VUV irradiation because this wavelength range can be applied for photoinitiated oxidation as well as for the generation of ozone in the gas phase. Ozone generation and irradiation (in the UV or VUV range) can be combined in a specific UV reactor using a single irradiation source. Using this innovative UV system with internal ozone generation the reduction of the concentration of geosmin by one order of magnitude can be achieved with an energy consumption below 1 kWh/m³ and operational costs below 0.09 €/m³. Furthermore, the addition of ozone leads to a noticeable oxidation of nitrite, which is formed under VUV irradiation. Within the investigated UV based processes, the combination VUV/O3 with internal ozone generation is the most suitable for the removal of seasonally occurring odour compounds during drinking water treatment from reservoir water. The process is characterized by the minimization of the risk for the formation of undesired by-products without the application of chemicals, the reduction of the formation of residues as well as low energy consumption and maintenance requirements.

Das Auftreten von Braunwasser in Trinkwasserverteilungsnetzen ist eine Beeinträchtigung der Trinkwasserqualität, die durch mobilisierte partikuläre Ablagerungen verursacht wird. Die Partikel gelangen durch verschiedene Prozesse, wie z. B. der Korrosion metallischer Leitungen und den Eintrag am Wasserwerk, kontinuierlich in sehr geringen Massenströmen in das Rohrnetz. Durch die Akkumulation der Partikel an Rohroberflächen können sich Ablagerungsmengen bilden, die bei ansteigenden Strömungsgeschwindigkeiten resuspendiert werden und zu unerwünschten Braunwassererscheinungen führen. Die vorliegende Arbeit behandelt die experimentelle Untersuchung des Transportes von Partikeln, die für Trinkwassernetze typisch sind, in Rohrströmungen. Es werden Einflussfaktoren identifiziert, die für den Partikeltransport von Bedeutung sind. Ein neu entwickeltes dynamisches Modell beschreibt den Transport von Partikeln und die Ablagerungsbildung in Rohrströmungen und vermaschten Rohrnetzen. Das Modell wurde in einer Anwendersoftware implementiert und an einem Trinkwasserverteilungsnetz für das Nachvollziehen der beobachteten Ablagerungsbildung eingesetzt. Im Vergleich zu bestehenden dynamischen Modellen werden partikelbezogene Prozesse unter Berücksichtigung der für trinkwasserbürtige Partikel und Ablagerungen typischen Eigenschaften mathematisch genauer beschrieben. Stationäre und dynamische Ereignisse bezüglich Wasserqualität und Ablagerungsbildung können jetzt durch die Berücksichtung zahlreicher zeitabhängiger Einflussfaktoren nachvollzogen werden. / The occurrence of discoloured water in drinking water distribution systems is a disturbance of the water quality, which is induced by mobilised particulate deposits. Different processes result in the continuous entry of small mass flow rates of particles into the piping, for instance the corrosion of metallic pipes as well as the entry at the water works outlet. By the accumulation of these particles, significant amounts of deposits can be formed and at higher flow rates be resuspended, which leads to unwanted events with discoloured water. This study examines the experimental investigation of the transport of particles, which are typical for drinking water distribution systems, in pipe flow. Influencing factors are identified, which are of importance for the particle transport. With a newly developed model, the transport of particles and the deposit formation in pipe flow and in piping is described. The model is implemented into a software application and deployed at a drinking water distribution system to understand the observed deposit formation. In comparison with existent dynamic water quality models, particle-related processes are described mathematically in more details, under consideration of characteristics typical for particles and deposits in drinking water distribution systems. Hence, observed steady-state and dynamic events can be followed using several influencing time-dependent factors.

Der Einfluss des Biofilms, der Inkrustation, der Fließgeschwindigkeit und der Wasserqualität auf die Freisetzung von PAK wurde in Batch-, Drehkolbenreaktorversuchen und an einem Rohrleitungssystem untersucht. Chlorung von tauchgeteerten Edelstahlcoupons mit Biofilm führten zu einer fast vollständigen Ablösung des Biofilms und einer Zunahme der Freisetzung von Fluoren, Phenanthren und Fluoranthen. Die PAK-Freisetzung von tauchgeteerten Edelstahlcou-pons in einer Lösung von Trinkwasser mit 0,1% Natriumazid als Hemmstoff der Atmungskette, der den Biofilm nicht ablöst, führten zu einer Zunahme aller untersuchten PAK in der gleichen Größenordnung wie ohne Bio-film. In chloriertem Teerleachat wurden unter der teilweisen Anwendung einer einfachen Methode der kontinu-ierlichen Extraktion folgende PAK-Derivate analysiert: Chloracenaphthen, 1-Chlorpyren, 9-Fluorenon, Anthron. Da Reaktionsprodukte von Phenanthren und Fluoranthen nicht gefunden werden konnten, wird eine Weiterreaktion zu 9-Fluorenon vorgeschlagen, die durch die Pechoberfläche katalysiert wird. Instationäre Korrosion und nicht vorhandener aerober Abbau sind die Gründe für eine PAK-Zunahme während Stagnationphasen. / The influence of biofilm, encrustation, flow velocity and water quality on the release of PAHs was investigated in batch, continuously flown reactor experiments and in a pipe rig system. Chlorination of coal-tar coated stainless steel slides with biofilm resulted in an almost complete removal of the biofilm and an increase of the release of fluorene, phenanthrene and fluoranthene. PAH release of coal-tar coated stainless steel slides exposed to a solution of drinking water with 0,1% sodium azide as an inhibitor of the respiratory chain which did not remove the biofilm led to an increase of all observed PAHs up to the same magnitude as without biofilm. In chlorinated coal-tar leachate the following derivatives were detected while partly utilizing an easy method for a continuously extrac-tion: chloroacenaphthene, 1-chloropyrene, 9-fluorenone, anthrone. While reaction products of phenanthrene and fluoranthene could not be found a further reaction to 9-fluorenone catalysed by the coal-tar surface is proposed. Instationary corrosion and no aerobic degradation are the reasons for PAH increase during stagnation periods.