Urban emissions of antibiotics into the environment have the potential to adversely affect terrestrial and aquatic organisms. Developed standardized test methods allow the quantification of the resulting ecotoxicological risk, which strongly relies on a comprehensive situation analysis by predicting or measuring a representative antibiotic concentration of interest. Predicting the input loads of antibiotics to wastewater treatment plants using secondary input data (e.g. prescriptions) is a reasonable method if no analytical data is available. The absence of such data poses the question of an aquired reasonable sample quantity to capture local seasonal differences in prescriptions as well as flow conditions within the catchment area. Both, the theoretical and measurement based determination of environmental concentrations have been scarcely verified in practice. Hence, high resolution prescription data in combination with an extensive monitoring campaign at the wastewater treatment plant Dresden-Kaditz (WWTP) were used as a basis to evaluate the reliability of predicting and measuring urban antibiotic emissions. As expected, the recovery of antibiotic input loads strongly varies among substances. The group of macrolides as well as sulfamethoxazole and trimethoprim were almost fully recovered whereas nearly all substances of the beta-lactam family exhibit high elimination rates during the wastewater transport in the sewer system. Yet other antibiotics (e.g. fluoroquinolones) show distinct fluctuations through the year, which was not obvious from relatively constant prescriptions. The latter substances are an example that available data are not per se sufficient to predict the actual release into the environment which, in certain cases, emphasizes the necessity of adequate measuring campaings. The extensive data pool of this study was hence used to calculate the necessary number of samples to determine a representative annual mean load to the WWTP. Based on the applied approach, a minimum number of 20 to 40 samples per year is proposed to reasonably estimate a representative annual input load of antibiotics and other micropollutants. Regarding the WWTP, the mass flow analysis revealed that macrolides, clindamycin/ clindamycin-sulfoxide and trimethoprim were mainly released with the effluent, while penicillins, cephalosporins as well as sulfamethoxazole were partly degraded in the studied WWTP. Levofloxacin and ciprofloxacin are the only antibiotics under investigation with a significant mass fraction bound to primary, excess and digested sludge. In this context, the sludge concentrations are considered to be highly inconsistent which leads to questionable results. It remains unclear whether the inconsistencies are due to insufficiencies in sampling and/or analytical determination or if the fluctuations can be considered reasonable for digesters. Subsequently, verified antibiotic loads were evaluated regarding their ecotoxicological effects in the aquatic environment. Two approaches were applied (1) to address the ecological impact on individual trophic levels algae, daphnia and fish, and (2) to assess the possible synergistic potential of antibiotic combinations. Ciprofloxacin, levofloxacin and the group of cephalosporins showed to significantly affect the aquatic environment. They either have the highest impact on (one of) the lowest trophic level(s) or disproportionately increase the ecotoxicological risk due to their synergistic characteristics. In this regard, the deficiencies regarding the input prediction of these antibiotics is of particular concern. The underestimation of such critical mass flow conditions weakens the approach of assessing environmental risks on the basis of secondary data like prescriptions. Hence, efforts must be made to further develop the projection model by improving the quality of secondary data, identifying additional emitters and understanding possible retention and degradation dynamics of antibiotics within the sewer system. / In der Humanmedizin eingesetzte Antibiotika werden im menschlichen Körper nicht vollständig metabolisiert und gelangen über die Ausscheidungen in das kommunale Abwasser. In der Kläranlage erfolgt nur eine unvollständige Elimination dieser Stoffe, so dass der Kläranlagenablauf einen Hot Spot für Antibiotikaemissionen in die Umwelt darstellt. Das induzierte ökotoxikologische Risiko kann anhand standardisierter Testverfahren und allgemein anerkannter Bewertungsansätze für Einzelsubstanzen abgeschätzt werden. Erfolgt jedoch die Betrachtung von Antibiotikagemischen, wie es für den gereinigten Ablauf einer Kläranlage sinnvoll ist, sind aufgrund zumeist unspezifischer Wirkmechanismen und dem Mangel an repräsentativen Daten eine Reihe von Vereinfachungen und Annahmen zu treffen. Es besteht in der Folge die Gefahr einer Unterschätzung des durch Substanzgemische hervorgerufenen ökotoxikologischen Risikos. Eine vielversprechende Möglichkeit den Entscheidungsprozess über mögliche Vermeidungs- und Eliminationsmaßnahmen zu unterstützen besteht in der Priorisierung von Antibiotika entsprechend ihres Effektpotentials. Hierbei sind Substanzen zu identifizieren, die den größten Einfluss auf die Nahrungskette im Gewässer bzw. das höchste (negative) Synergiepotential mit anderen Substanzen aufweisen. Die Verringerung dieser Substanzen führt zu einer hohen ökologischen Effektivität und Effizienz der eingesetzten Mittel. Wie im Fall des klassischen Bewertungsansatzes, ist auch für den Priorisierungsansatz eine umfängliche und zuverlässige Situationsanalyse die Grundvoraussetzung für verwertbare Ergebnisse. Die Situationsanalyse beruht auf der analytischen Bestimmung bzw. der Abschätzung von emittierten Antibiotikafrachten zur Berechnung von repräsentativen Umweltkonzentrationen. Analytisch ermittelte Umweltkonzentrationen vieler Antibiotika weisen aufgrund saisonaler Verschreibungsmuster eine hohe zeitliche und räumliche Variabilität auf. Die für eine adäquate Erfassung der Situation notwendigen Messkampagnen sind kostenintensiv, wobei die tatsächlich notwendige Häufigkeit der Probenahme von zumeist nicht hinreichend bekannten substanzspezifischen Informationen, wie der chemischen Stabilität im Rohabwasser und der saisonal beeinflussten Applikation, abhängt. Alternativ können Antibiotikaeinträge in die Kanalisation anhand von Verschreibungsdaten abgeschätzt und mit Hilfe von Stoffflussanalysen (SFA) zur ökotoxikologischen Bewertung herangezogen werden. Eine vom Umfang befriedigende, direkte Gegenüberstellung von prognostizierten und analytisch ermittelten Frachten ist bisher jedoch nicht erfolgt, so dass die Verifizierung dieses Ansatzes noch aussteht. Für den Fall einer bestehenden Verschreibungspflicht für Antibiotika besitzen Verschreibungsdaten eine vergleichsweise hohe zeitliche und räumliche Informationsgüte. In Verbindung mit einer an diese Datenqualität angepassten Messkampagne, ergibt sich die Möglichkeit einer detaillierten SFA mit substanzspezifischer Bewertung der Eignung des Prognoseansatzes. Die am Beispiel der Stadt Dresden durchgeführte Bewertung des Prognoseansatzes fußt auf einer 15-monatigen Messkampagne und den für das Einzugsgebiet der Zentralkläranlage Dresden-Kaditz verfügbaren Verschreibungsdaten der AOK PLUS. Erwartungsgemäß ergibt der Abgleich von erwarteten und analytisch ermittelten Frachten eine starke Variation der für den Zulauf der Kläranlage ermittelten Wiederfindungsdaten verschiedener Substanzen. Die analytisch ermittelten Frachten von Sulfamethoxazol, Trimethoprim sowie der Gruppe der Makrolid-Antibiotika entsprechen nahezu den prognostizierten Mengen. Die Beta-Laktam-Antibiotika unterliegen bereits während des Abwassertransports einer umfänglichen, zumeist biologisch bedingten, Elimination, was zu hohen Unterbefunden im Zulauf der Kläranlage führt. Andere Substanzen hingegen (z.B. Fluorchinolone) weisen messtechnisch eine signifikante Jahresdynamik auf, die aufgrund der weitgehend konstanten Verschreibung in dieser Ausprägung nicht zu erwarten ist. Die Auswertung zuletzt genannter Substanzen zeigt deutlich, dass die Nutzung von Verschreibungsdaten nicht per se ausreicht, um die Emission von Antibiotika (und anderer Pharmazeutika) sowie die sich daraus ergebenden Umweltkonzentrationen mit ausreichender Sicherheit prognostizieren zu können. Für eine nachgelagerte ökotoxikologische Bewertung ist in diesen Fällen die Durchführung von Messungen unumgänglich. Zur effizienten Planung derartiger Kampagnen wurde der umfassende Datenpool dieser Studie hinsichtlich der erforderlichen Probenanzahl zur Bestimmung einer repräsentativen mittleren Jahresfracht ausgewertet. Es ergibt sich ein Minimum von 20 bis 40 homogen über das Jahr verteilten Proben, um die jährlich in die Kläranlage eingetragene Fracht an Antibiotika bzw. anderer Mikroschadstoffe mit ausreichender Sicherheit abschätzen zu können. Im Rahmen der SFA in der Kläranlage Dresden-Kaditz wird deutlich, dass Makrolide, Clindamycin und dessen Humanmetabolit Clindamycin-Sulfoxid sowie Trimethoprim in der nahezu keiner Elimination unterliegen, wohingegen Penizilline, Cefalosporine und auch Sulfamethoxazol teilweise bis vollständig abgebaut werden. Mit Levofloxacin und Ciprofloxacin handelt es sich um die einzigen untersuchten Antibiotika, welche zu einem signifikanten Massenanteil an Primär-, Überschuss- und Faulschlamm gebunden vorgefunden werden. Aufgrund der hohen Relevanz dieses Eliminationspfades für die zuvor genannten Antibiotika bedarf die Beobachtung von z. T. widersprüchlichen Schwankungen einer kritischen Betrachtung der Ergebnisse. Es ist nicht abschließend geklärt, ob die beobachteten Fluktuationen auf eine unzureichende Qualität der Probenahme und/oder der Analytik zurückzuführen sind oder sich die Schwankungen in einem für Faulbehälter tolerierbaren Bereich befinden. Im Anschluss an die verifizierten Antibiotikaemissionen erfolgte die Priorisierung der betrachteten Antibiotika nach ihrem ökotoxikologischen Effektpotential. Zum einen wurde der ökologische Einfluss auf verschiedene, die Nahrungskette bildende trophische Ebenen (Alge, Daphnie, Fisch) untersucht. In Anlehnung an die humanmedizinische Kombinationstherapie erfolgte im zweiten Ansatz die Beurteilung der Antibiotika hinsichtlich ihres möglichen Potentials zur Verstärkung von negativen Effekten durch das gleichzeitige Auftreten mit anderen Substanzen. Für Ciprofloxacin, Levofloxacin und die Gruppen der Makrolide und Cefalosporine konnten signifikante Beeinträchtigungen der aquatischen Umwelt nachgewiesen werden. Diese Stoffe und Stoffgruppen führten im Rahmen der untersuchten Substanzen entweder zur höchsten Schadwirkung gegenüber der niedrigsten trophischen Ebene oder besitzen das höchste Synergiepotential in Kombination mit anderen Substanzen. Die Auswertung der SFA bestätigt die grundsätzliche Eignung der Verschreibungsdaten sowie des entwickelten Prognosemodells zur Vorhersage von Antibiotikaemissionen im urbanen Raum. Die Stoffflussanalyse stellt somit ein strategisches, im Vergleich zur Messung kostengünstiges Instrument zur Identifikation von Hot Spots der Antibiotikaemission dar und erleichtert die Entscheidungsfindung für monetär aufwendige Reduktionsmaßnahmen am Ort der Entstehung oder in der Kläranlage (z.B. 4. Reinigungsstufe). Die Vorgehensweise zur Priorisierung von Substanzen hinsichtlich ihres ökotoxikologischen Effektpotentials eignet sich sehr gut, Antibiotika mit dem höchsten Schadpotential zu identifizieren. Die Verschneidung der Kenntnis dieser Substanzen mit den Ergebnissen der SFA macht deutlich, dass mit Ausnahme der Makrolide, alle ökotoxikologisch priorisierten Antibiotika eine mangelhafte Prognosefähigkeit aufweisen. Die unvollständige Abbildung kritischer Stoffströme, wie z.B. Frachtspitzen, führt insbesondere im Fall der ökotoxikologisch priorisierten Substanzen zu einer Minderung der Aussagekraft des auf Verschreibungsdaten beruhenden Prognoseansatzes. An diesem Punkt ist in zukünftigen Betrachtungen anzusetzen, um die Qualität von Verschreibungsdaten zu verbessern, potentiell nicht erfasste Emittenten in die Betrachtungen einzubeziehen, sowie die Dynamik der Rückhalte- und Eliminationsprozesse in der Kanalisation adäquat beschreiben zu können. Die ergänzende Betrachtung weiterer Anlagentechnologien (z.B. Festbettreaktoren) kann zur Bestätigung der am Beispiel der Kläranlage Dresden-Kaditz gewonnenen Ergebnisse beitragen bzw. Unterschiede bei der Elimination von Antibiotika das Potential, die Problematik der Antibiotika und anderer Mikroschadstoffe bereits während der Planung von Abwasseranlagen berücksichtigen zu können.

According to estimates of the United Nations Environment Programme (UNEP), more than 1.8 billion people will be living in countries or regions with absolute water scarcity by 2025. The pressure on water resources is increased not only in arid and semiarid regions, but also in fast growing megacities around the world as a result of, amongst other factors, the changing nutritional and consumer behavior (rising living standards). Over 90 % of the annual water consumption of the newly industrializing and developing countries in the arid and semiarid climate zone is used for agricultural irrigation to ensure the nutrition of the population. Thus, since the beginning of the 20th century, the planned/controlled reuse of wastewater has developed into a central task of the sustainable water resources management. Wastewater represents a valuable resource in view of its composition (e. g. nutrients P, N for soil fertilizing) and its reliable, weather-independent availability in every household. The establishment of a closed-loop water management can enhance the efficiency of water usage. Therefore, activities in research and development are currently focused on decentralized and semi-centralized concepts, since their structures offer better conditions for the establishment of closed-loop systems and innovations in wastewater technology can be implemented more easily. In general, the hygienic quality requirements for wastewater reuse are predominantly oriented towards the planned usage. These are, in turn, regulated by thresholds and guidance values, e. g. for faecal indicator bacteria (e. g. faecal coliforms: E. coli), in widely differing norms and legal provisions specific to the respective countries. In Germany since 2005, small wastewater treatment plants can obtain the discharge class +H by the German Institute for Civil Engineering (DIBt: Deutsches Institut für Bautechnik) if secondary effluents contain less than 100 faecal coliforms (E. coli) per 100 mL. This ensures a safe effluent seepage in karst and water protection areas. Due to the infectious risk caused by a multitude of pathogens (bacteria, viruses, worm eggs, protozoa) which are still contained in wastewater after mechanical-biological treatment, specific disinfection methods are indispensable for their satisfactory reduction. Demands on disinfection methods for wastewater reclamation are quite complex. They should be characterized by a high and constant disinfection efficiency at low or moderate formation of disinfection by-products. The reclaimed wastewater should be able to be stored safely. Moreover, the disinfection method should be technically simple, scaleable, space-saving, subjected to low maintenance and realized at moderate investment and operating costs without applying external toxic chemicals. Established methods in decentralized wastewater disinfection are mainly based on membrane and UV technologies. However, these methods are currently working under high operating costs (high maintenance and cleaning efforts). Furthermore, the high investment costs of the membrane filtration are disadvantageous. In addition, both methods do not provide a disinfection residual. Thus, further research is required for the development and testing of alternative disinfection technologies. Against this background, the applicability of the electrolysis and UV/electrolysis hybrid technology for the decentralized wastewater reclamation was investigated and assessed in this dissertation. Results have shown that the electrochemical disinfection of biologically treated wastewater represents an efficient method at temperatures of > 6 °C, pH values of < 8.5 and DOC con-centrations of < 22 mg L-1. Under these conditions, an E. coli reduction of four log levels was achieved at a concentration of free chlorine ranging from 0.4 mg L-1 to 0.6 mg L-1 and at an after-reaction time of 15...20 min. However, it becomes simultaneously apparent that low temperatures, high pH values and high DOC concentrations are limiting parameters for this disinfection method to reclaim biologically treated wastewater. A high energy consumption of the electrolysis cell equipped with boron-doped diamond (BDD) electrodes (2...2.6 kWh m-3) represents a further unfavourable effect. Moreover, the undesired formation of chlorate (c = 1.3 mg L-1) and perchlorate (c = 18 mg L-1) at BDD electrodes can be considered as critical, since these disinfection by-products are, amongst others, human-toxicologically relevant. The concentration of adsorbable organically bound halogens (AOX) and trihalomethanes (THMs) proved to be marginal to moderate. Due to the synergistic effect of the combined application of UV irradiation (primary disinfection method) and electrolysis, the disadvantages of the single methods can be compensated. Decisive drawbacks of UV irradiation are photo and dark repair mechanisms of reversibly damaged bacteria. It was observed that the reactivation of reversibly UV-damaged E. coli even occurs at low temperatures (T = 10 °C) and strongly differing pH values (pH = 5.7...8.1) as well as at low light intensities and in darkness to an extent excluding a safe usage and storage of the reclaimed wastewater. The reactivation processes might be lowered by increased UV fluences. However, this is limited by high concentrations of total suspended solids (TSS). In spite of high UV fluences of > 400 J m-1, no complete removal of E. coli bacteria can be achieved at TSS concentrations of > 17 mg L-1. Therefore, it is indispensable to prevent bacterial reactivation caused by photo and dark repair processes. This topic was studied in the current work by electrochemically produced oxidants using an electrolysis cell positioned downstream of the UV unit. Results have shown that photo and dark reactivation were completely prevented by oxidants in a total concentration of 0.5...0.6 mg L-1 at a TSS concentration of 8...11 mg L-1, at pH values ranging from 5.7 to 8.1 and at temperatures ranging from 10 °C to 30 °C (t = 24....72 h). Even at a high TSS concentration of 75 mg L-1, the reactivation of E. coli (ctotal oxidants = 1.8 mg L-1) and, up to a TSS concentration of 32 mg L-1, the reactivation of total coliforms (except E. coli, ctotal oxidants = 1.0 mg L-1) can be prevented at a high initial germ concentration of 2…3 105 per 100 mL. The lowest energy consumption could be observed when mixed oxide electrodes (MOX electrodes) were applied. This result and the fact that no chlorate and perchlorate were observed at MOX electrodes argue for the application of these electrodes in practice. All in all, the UV/electrolysis hybrid technology represents an energy-efficient method for reclamation of biologically treated wastewater with TSS concentrations ranging from < 11 to 32 mg L-1 (E = 0.17…0.24 kWh m-3, MOX electrodes). Thereby, the reclaimed wastewater meet the hygienic quality requirements for a multitude of reuse categories starting from agricultural irrigation to urban and recreational reuse. Moreover, the requirements of the discharge class +H (100 faecal coliforms (E. coli) per 100 mL) are complied with reliably. The operational stability of the UV/electrolysis hybrid technology should also be ensured within the required maintenance intervals (t > 6 months). The undesired formation of coverings caused by biofouling processes on quartz glass surfaces could be prevented by electrochemically produced oxidants in a total concentration of 1 mg L-1 within an experimental duration of 5.5 months. However, the application of the UV/electrolysis hybrid technology is limited by increased particle concentrations and faecal loadings (initial E. coli concentration). The resulting enhanced demand of electrochemically produced oxidants for the prevention of bacterial reactivation results in a considerable increase of the electric charge input and energy consumption.