Publikationen
Auf dieser Seite ist eine Auswahl themenrelevanter Fachpublikationen und Beiträge zusammengestellt, welche im Kontext des Nutzwasserprojektes entstanden sind.
2025
Ahmadi et al. 2025: Risk-Based Chemical Contaminant Framework to Comply with the EU Nonpotable Reuse Regulation
Javad Ahmadi, Uwe Hübner, Benedikt M. Aumeier, Frederik Zumkeller, Jörg E. Drewes. 2025. In ES&T Water. doi.org/10.1021/acsestwater.4c01256
Considering climate change impacts, nonpotable water reclamation offers a drought-proof water supply to support agriculture and enhance food security. To comply with the new EU water reuse regulation, this study developed a risk-based framework for chemical management in nonpotable water reuse, addressing indicator chemicals, relevant environmental end points, and risk mitigation strategies. Over two years, different effluent qualities (tertiary effluent + UV; secondary effluent + ultrafiltration (UF) + biological activated carbon (BAC) filtration + UV) and tap water (benchmark) were applied to irrigate raw-eaten crops at a demonstration site in Schweinfurt, Germany. Of six crops, tomatoes and celeriac showed the highest detection frequencies of trace organic chemicals (TOrCs). However, even with disinfected tertiary effluent, crop consumption did not pose a human health risk. Soil analysis and mass balance calculations indicated minimal groundwater contamination risk, highlighting soil’s role as a natural barrier against TOrCs. Benzotriazole, despite its high concentration in secondary effluent (∼170,000 ng L–1), was infrequently detected in crops (max. 17 ng g–1 in celeriac), occurred moderately in soil (3–1000 ng g–1), and in percolation water (550 ng L–1). An advanced multibarrier treatment such as tertiary filtration + ozonation + BAC is recommended if an elevated chemical risk exists.
2024
Ho, Ahmadi et al. 2024: Assuring reclaimed water quality using a multi-barrier treatment train according to the new EU non-potable water reuse regulation
Johannes Ho, Javad Ahmadi, Carolin Schweikart, Uwe Hübner, Christoph Schwaller, Andreas Tiehm, Jörg E. Drewes. 2024. In Water Research, Volume 267. doi.org/10.1016/j.watres.2024.122429
In this study, we evaluated the ability of various pilot-scale treatment train combinations to meet the microbial requirements of the new European non-potable water reuse regulation, specifically regarding overall and process-specific pathogen removal. The study utilized non-disinfected secondary effluent from the wastewater treatment plant in Schweinfurt, Germany, as feedwater for two pilot-scale treatment trains. The first, a reference treatment train (Train A), consisted of filtration and UV disinfection as specified for reclaimed water class A in the EU regulation 2020/741. The second, an advanced treatment train (Train B), included ceramic ultrafiltration (UF), ozonation, biological activated carbon filtration (BAC), and final UV disinfection. Treatment train A, which applied an average UV dose of 400-600 J m-2 following secondary treatment and filtration, failed to meet the EU regulations for pathogen removal in non-potable reuse for more than 90% of the validation samples. This shortcoming was likely due to elevated turbidity levels (1–5 NTU), reduced transmittance, and inadequate UV fluence. These findings suggest that the operational conditions for disinfection should be more clearly specified in the reuse regulations to ensure consistent pathogen inactivation during both validation and regular operation. In contrast, treatment train B successfully met the requirements of the EU regulations by reducing indicator organisms to below the detection limit. The UF membrane demonstrated a substantial effect on the overall log reduction values (LRVs) throughout the water reclamation system. It also enhanced the efficiency of downstream processes, such as ozonation and UV disinfection, by lowering total suspended solids (TSS) and turbidity. However, even without the UF membrane, treatment train B (CAS-ozonation-BAC-UV) was still able to meet EU regulations for pathogen removal in non-potable reuse applications (water quality class A). Furthermore, the study observed that the inclusion of a biologically activated carbon (BAC) filter necessitates a final disinfection step (e.g., UV disinfection) to prevent the potential breakthrough of pathogens that may proliferate in the BAC filter. Additionally, it is recommended that process validation be performed using at least two different virus surrogates, rather than just one or total coliphage as currently required.
2022
Spieler et al. 2022: Genehmigungsanforderungen an die Wiederverwendung von aufbereitetem Wasser
Martin Spieler, Lukas Muffler, Jörg E. Drewes. 2022. In Umweltrechtliche Beiträge aus der Wissenschaft und Praxis. Jahrgang 12. Ausgabe 1, Seite 37-46. DOI: 10.3242/kae2022.07.005
Zusammenfassung
Nicht nur die Folgen des Klimawandels, sondern auch die Rechtsetzung der Europäischen Union haben eine Auseinandersetzung mit den rechtlichen Rahmenbedingungen einer Wasserwiederverwendung insbesondere zum Zweck der landwirtschaftlichen Bewässerung in Deutschland erforderlich gemacht. In dem Beitrag werden zunächst die technischen Möglichkeiten zum Einsatz von Nutzwasser zusammengefasst. Unter der Voraussetzung, dass anspruchsvolle Anforderungen an die Qualität des Nutzwassers gesetzlich geregelt werden, besteht im Vergleich zur heutigen Praxis der Bewässerung kein generell gesteigertes Risiko. Danach werden genehmigungsrechtliche Anforderungen an die Wasserwiederverwendung formuliert, und es erfolgen Überlegungen zu sinnvollen Anpassungen im deutschen Recht auf der Grundlage der heute geltenden wasserrechtlichen Anforderungen an die Zulassung der Wiederverwendung von Wasser.
Schwaller et al. 2022: Effects of varying flux and transmembrane pressure conditions during ceramic ultrafiltration on the infectivity and retention of MS2 bacteriophages
Christoph Schwaller, Magdalena Knabl, Brigitte Helmreich, Jörg E. Drewes. 2022. In Separation and Purification Technology. Volume 299. doi.org/10.1016/j.seppur.2022.121709
Membrane ultrafiltration (UF) constitutes a promising technology to remove viruses including phages from water. However, the removal efficiency of viruses such as MS2 phages strongly depends on operational parameters, such as flux and transmembrane pressure (TMP) conditions during UF. Initially, we investigated during this lab-scale study if the infectivity of MS2 phages was impaired at very high fluxes and the associated high TMPs during ceramic membrane UF The ratio of plaque forming units (PFU) indicating infectious MS2 phages and the total amount (infectious and non-infectious) of MS2 phages measured via digital polymerase chain reaction (dPCR) remained constant at varying fluxes. Hence, we concluded that the infectivity of MS2 phages was not significantly affected. Secondly, a trend analysis of PFUs and dPCR results during varying flux/TMP. conditions was performed. It was found that with increasing fluxes/TMPs, the retention of MS2 phages significantly increased Enhanced aggregation of the MS2 phages was expected to improve the size exclusion effect during ceramic UF while enlargement of ceramic membrane pores could be ruled out. Our findings partially contradict investigations with polymeric UF membranes. Possible underlying mechanisms were comprehensively discussed.
Hiller et al. 2022: Removal of antibiotic microbial resistance by micro-and ultrafiltration of secondary wastewater effluents at pilot scale
Christian X. Hiller, Christoph Schwaller, Christian Wurzbacher, Jörg E. Drewes. 2022. Science of The Total Environment, Volume 838. doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.156052
Low-pressure membrane filtration was investigated at pilot scale with regard to its removal of antimicrobial resistance genes (ARGs) in conventional secondary treated wastewater plant effluents. While operating microfiltration (MF) and ultrafiltration (UF) membranes, key operational parameters for antimicrobial resistance (AMR) studies and key factors influencing AMR removal efficiencies of low-pressure membrane filtration processes were examined. The main factor for AMR removal was the pore size of the membrane. The formation of the fouling layer on capillary membranes had only a small additive effect on intra- and extrachromosomal ARG removal and a significant additive effect on mobile ARG removal. Using feeds with different ARGs abundances revealed that higher ARG abundance in the feed resulted in higher ARG abundance in the filtrate. Live-Dead cell counting in UF filtrate showed intact bacteria breaking through the UF membrane. Strong correlations between 16S rRNA genes (as surrogate for bacteria quantification) and the sul1 gene in UF filtrate indicated ARBs likely breaking through UF membranes.
Schwaller et al. 2022: CFD simulations of flow fields during ultrafiltration: Effects of hydrodynamic strain rates with and without a particle cake layer on the permeation of mobile genetic elements
Christoph Schwaller, Kevin Fokkens, Brigitte Helmreich, Jörg E. Drewes. 2022. Chemical Engineering Science. Volume 254. doi.org/10.1016/j.ces.2022.117606
Membrane ultrafiltration (UF) combined with inline dosing of powdered activated carbon (PAC) are popular hybrid processes for water reclamation. However, hydrodynamic forces can allow mobile genetic elements (MGEs) that are larger than the membrane pore size to penetrate through UF membranes. The flow fields in the feed channel of a dead-end UF membrane module were modelled using computational fluid dynamics (CFD) in order to analyze shear and elongational strain rates and associated potential hydrodynamic effects by a PAC particle layer on MGE retention. The most significant magnitudes of strain rates occurred within a distance of tens of nanometers from the membrane surface, meaning that this is where significant deformation of MGEs occurs. Since flow fields were not considerably altered at the membrane surface, the presence of the PAC particle layer was expected to have a negligible impact on the permeation of MGEs through UF membrane pores.
2021
Spieler et al. 2021: Wasserrechtliche Rahmenbedingungen der Wasserwiederverwendung in Deutschland Teil 3: Gewässerveränderungen des Grundwassers
Martin Spieler, Lukas Muffler, Jörg E. Drewes. 2021. Korrespondenz Abwasser. Volume 68(5).
Die Auswirkungen des Klimawandels resultieren bereits heute in Einschränkungen der quantitativen und qualitativen Wasserverfügbarkeit in einigen Regionen Deutschlands. Angesichts dieser Entwicklung und insbesondere aufgrund flächendeckender fallender Grundwasserstände muss über den Verbrauch von Wasser und insbesondere von Grundwasser neu nachgedacht werden. Um diesen Trends entgegenzuwirken bietet sich eventuell auch eine Wiederverwendung von aufbereitetem Abwasser an. Die EU hat mit der Verabschiedung einer neuen Verordnung über Mindestanforderungen an die Wasserwiederwendung die gesetzlichen Rahmenbedingungen für diese Art der Wassernutzung geschaffen. Dieser Beitrag befasst sich in drei Teilen unter Berücksichtigung der Randbedingungen in Deutschland mit den wasserrechtlichen Anforderungen an die Wasserwiederverwendung. Neben der grundsätzlichen Bewertung der Wasserwiederverwendung (unter Berücksichtigung der neuen Verordnung der EU) und der Betrachtung der Erforderlichkeit und Voraussetzungen von Genehmigungen (Teile 1 und 2) wird zu den Anforderungen Stellung genommen, um schädliche Gewässerveränderungen des Grundwassers zu vermeiden (Teil 3).
Spieler et al. 2021: Wasserrechtliche Rahmenbedingungen der Wasserwiederverwendung in Deutschland Teil 2: Rechtliche Anforderungen
Martin Spieler, Lukas Muffler, Jörg E. Drewes. 2021. Korrespondenz Abwasser. Volume 68(1).
Die Auswirkungen des Klimawandels resultieren bereits heute in Einschränkungen der quantitativen und qualitativen Wasserverfügbarkeit in einigen Regionen Deutschlands. Angesichts dieser Entwicklung und insbesondere aufgrund flächendeckend fallender Grundwasserstände muss über den Verbrauch von Wasser und insbesondere von Grundwasser neu nachgedacht werden. Um diesen Trends entgegenzuwirken bietet sich eventuell auch eine Wiederverwendung von aufbereitetem Abwasser an. Die EU hat mit der Verabschiedung einer neuen Verordnung über Mindestanforderungen an die Wasserwiederwendung kürzlich die gesetzlichen Rahmenbedingungen für diese Art der Wassernutzung geschaffen. Dieser mehrteilige Beitrag befasst sich unter Berücksichtigung der Randbedingungen in Deutschland mit den wasserrechtlichen Anforderungen an die Wasserwiederverwendung. Neben der grundsätzlichen Bewertung der Wasserwiederverwendung (unter Berücksichtigung der neuen Verordnung der EU) und der Betrachtung der Erforderlichkeit und Voraussetzungen von Genehmigungen wird zu den Anforderungen Stellung genommen, um schädliche Gewässerveränderungen des Grundwassers zu vermeiden.
Schwaller et al. 2021: Inline dosing of powdered activated carbon and coagulant prior to ultrafiltration at pilot-scale – Effects on trace organic chemical removal and operational stability
Christoph Schwaller, Grit Hoffmann, Christian X. Hiller, Brigitte Helmreich, Jörg E. Drewes. 2021. Chemical Engineering Journal. Volume 414. doi.org/10.1016/j.cej.2021.128801
Abstract:
Hybrid membrane processes such as inline dosing of powdered activated carbon (PAC) prior to ultrafiltration membranes (UF) have already shown promising potential for the abatement of trace organic chemicals (TOrCs). However, questions regarding the optimization of the operational stability by the employment of coagulation and its interferences with inline dosed PAC, have not yet been comprehensively investigated. Within the scope of this pilot-scale study, inline dosing of different sized PAC types at different dosages was combined with or without the addition of polyaluminium chloride (PACl) coagulant prior to UF. As expected, when PAC was not employed, negligible TOrC removal was observed, whereas all the operational modes with the application of PAC inline dosing showed significant TOrC removal. Coagulation with PACl clearly reduced the build-up of transmembrane pressure, especially owing to maintaining hydraulic backwash efficiency. The operational mode of precoating the UF with PACl combined with continuous inline dosing of PAC exhibited particularly good TOrC removal results along with optimized membrane fouling mitigation. In contrast, the simultaneous and continuous dosing of PAC and PACl is not recommended, in particular owing to detrimental effects of the coagulant on TOrC removal efficiency by PAC.
Schwaller et al. 2021: Estimating the agricultural irrigation demand for planning of non-potable water reuse projects
Christoph Schwaller, Yvonne Keller, Brigitte Helmreich, Jörg E. Drewes. 2021. Agricultural Water Management. Volume 244. doi.org/10.1016/j.agwat.2020.106529
Abstract:
Water reclamation and reuse represent a promising approach to mitigate water related use conflicts especially in the agricultural sector where challenges with regard to water management are increasingly exacerbated by the effects of climate change. However, for the conceptualization and implementation of non-potable water reuse projects for agricultural purposes a comprehensive understanding of the irrigation requirements is required. But this information is frequently not readily available. Within the scope of this study modelling based on the approach implemented within the CROPWAT 8.0 software was applied in order to determine the irrigation requirements for an agricultural area in Gochsheim, Lower Franconia (Germany) since locally recorded data were missing, inconsistent or incomplete. The model was validated not only by available locally recorded groundwater extraction rates for agricultural irrigation purposes but also by comparison with findings from the literature. Based thereon, the annual and daily crop specific net irrigation requirements of ten commonly cultivated crops were computed – those comprised celery, lettuce, onions, potatoes, cabbage and others. The crops showed crop-specific typical annual as well as daily net irrigation requirements, e.g. celery with an annual and daily demand of 228–602 mm and 5–20 mm, respectively. Particularly important for the planning of a water reuse project was the determination of the overall daily peak gross irrigation requirement. The modelling approach revealed a value of 14.3 mm/day for this area, which represents the technically as well as economically most feasible benchmark, and a good approximation to the historical recorded overall daily peak gross irrigation demand.
2020
Spieler et al. 2020: Wasserrechtliche Rahmenbedingungen der Wasserwiederverwendung in Deutschland - Teil 1: Rechtliche Grundlagen
Martin Spieler, Lukas Muffler, Jörg E. Drewes. 2020. Korrespondenz Abwasser. Volume 67(12).
Die Auswirkungen des Klimawandels resultieren bereits heute in Einschränkungen der quantitativen und qualitativen Wasserverfügbarkeit in einigen Regionen Deutschlands. Angesichts dieser Entwicklung und insbesondere aufgrund flächendeckend fallender Grundwasserstände muss über den Verbrauch von Wasser und insbesondere von Grundwasser neu nachgedacht werden. Um diesen Trends entgegenzuwirken bietet sich eventuell auch eine Wiederverwendung von aufbereitetem Abwasser an. Die EU hat mit der Verabschiedung einer neuen Verordnung über Mindestanforderungen an die Wasserwiederwendung kürzlich die gesetzlichen Rahmenbedingungen für diese Art der Wassernutzung geschaffen. Dieser mehrteilige Beitrag befasst sich unter Berücksichtigung der Randbedingungen in Deutschland mit den wasserrechtlichen Anforderungen an die Wasserwiederverwendung. Neben der grundsätzlichen Bewertung der Wasserwiederverwendung (unter Berücksichtigung der neuen Verordnung der EU) und der Betrachtung der Erforderlichkeit und Voraussetzungen von Genehmigungen wird zu den Anforderungen Stellung genommen, um schädliche Gewässerveränderungen des Grundwassers zu vermeiden.
Schwaller et al. 2020: Forschungsvorhaben: „Nutzwasser – Gewinnung und Einsatzmöglichkeiten am Beispiel der Schweinfurter Trockenplatte“
Christoph J. Schwaller, Brigitte Helmreich, Heiko Gerdes, Jörg E. Drewes. 2020.
Zusammenfassung:
Im Rahmen der 24-monatigen Projektlaufzeit wurden neben der Etablierung des Stakeholder-Prozesses potentiell nutzbare alternative Wasserressourcen (z.B. gesammeltes Niederschlagswasser, weitergehend aufbereitetes Klarwasser der Kläranlage Schweinfurt, Grundwasser der Senkungsanlage Grafenrheinfeld, industrielle Produktionsabwässer, Baggerseen, etc.) sowie der landwirtschaftliche und urbane Wasserbedarf quantitativ ermittelt, hinsichtlich ihres Potentials bewertet und partiell einander gegenübergestellt. Es hat sich gezeigt, dass für eine zuverlässige Abdeckung des landwirtschaftlichen Bewässerungsbedarfs die Sammlung von Niederschlagswasser von den verfügbaren Gewerbedachflächen alleine nicht ausreichend wäre. Das quantitative Potential von weitergehend aufbereitetem Klarwasser aus der Kläranlage Schweinfurt ist demgegenüber mit einer durchschnittlich jährlich anfallenden Menge von rund 9,6 Millionen m3 deutlich höher. Durch die Wiederverwendung von einem geringen Anteil des weitergehend aufbereiteten Klarwassers ließen sich bereits der komplette landwirtschaftliche und urbane Bewässerungsbedarf in einem extremen Trockenjahr zuverlässig substituieren. Allerdings wäre dabei sicherzustellen, dass die Qualität des weitergehend aufbereiteten Wassers mit den Nutzungen sowie Umweltstandards vereinbar ist. Auch die lokalen Baggerseen repräsentieren substantielle, bereits existierende Wasserspeicher. Aus den ermittelten Wasserqualitäten der jeweiligen alternativen Wasserressourcen konnte durch den Abgleich mit bestehenden nationalen, internationalen sowie nutzerspezifischen Anforderungen eine entsprechende Aufbereitungstechnologie abgeleitet werden. Die über die identifizierte weitergehende Aufbereitungstechnologie (Ultrafiltration kombiniert mit Ozonung oder Pulveraktivkohle) potentiell erzeugbare Nutzwasserqualität wurde basierend auf einer Modellierung abgeschätzt und das davon ausgehende Risiko bei einer Bewässerungsanwendung für die Schutzgüter Boden, Grund-/Oberflächenwasser, Pflanze und menschliche Gesundheit eruiert. Basierend auf den Erkenntnissen aus den regelmäßigen Arbeitsgruppentreffen wurden Konzepte sowie Handlungsempfehlungen zur Nutzwasseranwendung im landwirtschaftlichen und urbanen Bereich entwickelt und die Randbedingungen und Zielsetzungen für ein mögliches Demonstrationsprojekt ausgearbeitet. Für die dafür erforderliche Verfahrensanpassung sowie für ein Nutzwasserkonzept zur landwirtschaftlichen Bewässerung in Gochsheim und Schwebheim wurden bereits erste grobe Kostenschätzungen vorgenommen.
2019
Drewes et al. 2019: Risk management in water reuse – International perspective and approaches for Germany
Jörg E. Drewes, Veronika Zhiteneva, Sema Karakurt, Christoph Schwaller, Uwe Hübner. 2019. Zbl. Geol. Paläont. Teil I, Jg. 2019, Heft 1, 59–65. Stuttgart
Abstract:
Water reuse is being widely practiced in Germany today. Due to changing boundary conditions including climate change impacts, there is a growing interest in regions across Germany experiencing seasonal water shortage and increasing conflicts in water usage to also consider alternative water supply options including agricultural and urban water reuse applications. These water reuse practices are well established in many countries worldwide. Regarding a proper risk management there is ample experience internationally which can be adopted for water reuse applications in Germany. This paper provides an overview on water quality issues associated with water reuse and summarizes state-of-the-art approaches of risk management.
