Projekt 14178/06

Verbund Bewachsene Bodenfilter: Pflanzenkläranlagen im Einzugsgebiet stehender Oberflächengewässer

Projektträger

AKUT Umweltschutz Ingenieurgesellschaft mbH
Sydower Feld 4
16359 Biesenthal
Telefon: 03337/41908

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bei stehenden oder sehr langsam fließenden Gewässern stellt die Phosphorelimination ein ungelöstes Problem kleiner Kläranlagen dar. Die Ziele dieses Vorhabens waren die Überprüfung der Eignung Bewachsener Bodenfilter als kostensparende Lösung für die Sanierung von Kläranlagen im Einzugsgebiet empfindlicher Oberflächengewässer, die Erprobung eines neuen Verfahrens zur Reduzierung der Restkonzentrationen von Phosphor im Kläranlagenablauf, die Reduzierung des Abfallaufkommens im Wasser- und Abwasserbetrieb durch Verwertung von Eisenschlämmen aus der Trinkwasseraufbereitung für die weitergehende Phosphor (P)-Eliminierung, die Entwicklung eines innovativen Steuerungssystems zur hydraulischen Regelung und Überwachung kleiner Kläranlagen, die Erprobung innovativer Messtechnik sowie der Nachweis des Stands der Technik bei vertikal durchströmten Bewachsenen Bodenfiltern zur Erhöhung der Übertragbarkeit.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur Umsetzung der oben genannten Ziele wurden praxisgerechte Untersuchungen an zwei kommunalen Kläranlagen durchgeführt. Die Teichkläranlage Wiedersberg im Einzugsgebiet der TW-Talsperre Dröda, Sachsen, wurde vom Land als Pilotanlage für den Trinkwasserschutz als Pflanzenkläranlage für 145 Einwohnerwerte (EW) umgebaut. Die Anlage ist speziell auf die Keim- und P-Elimination ausgelegt. Die Restkonzentration an Phosphor wurde mit Hilfe eines nachgeschalteten Filters unter Verwendung von Sanden aus der TW-Enteisenung minimiert. Vom ZWAV wurden im Rahmen des Vorhabens alle Reinigungsstufen intensiv beprobt. Vergleichende Untersuchungen wurden an der Kläranlage Kappe im Kreis Oberhavel, Brandenburg, für 200 EW von den SZ durchgeführt. Bei dieser Anlage wurde vom TAZ ein Bewachsener Bodenfilter zur Absicherung der P-Gehalte im Ablauf einer technischen Kläranlage einge-setzt. Zusätzlich wurden verschiedene Untersuchungen an Bodensäulen durchgeführt, um die Sorption-seigenschaften von Filtersanden, gebrauchtem Wasserwerkskies und anderen Recyclingprodukten zu testen. Die Akkumulation und Verteilung von Phosphor, Eisen, Aluminium und Kalzium sowie von Schwermetallen in verschiedenen Bodenfiltern wurde direkt aus den Bodenproben bestimmt.
HHL Elektronik, Berlin, entwickelte einen angepassten Datenlogger mit Fernsteuerungsfunktionen zur hydraulischen Regelung, Messung und Aufzeichnung von Daten. Zur Beschickung verschiedener Felder des vertikal durchströmten Bodenfilters wurden die online erfassten Parameter: O2-Gehalt im Ablauf sowie die Wasserspannung des Bodens erprobt. Zusätzlich waren kurzzeitig eine Redox- und NH4-Sonde im Einsatz. Auf der Kläranlage Wiedersberg konnten verschiedene Betriebseinstellungen mit den hinter-einander geschalteten Bodenfiltern getestet werden. So wurde der Rücklauf in die Vorklärung zwecks vorgeschalteter Denitrifikation geprüft und die Verbesserung der Denitrifikation durch Beimischung abgesetzten Wassers aus der Vorklärung in den nachgeschalteten Horizontalfilter untersucht. Tracerversuche dienten der Überprüfung der Verweilzeiten in den einzelnen Bodenfiltern. In Wiedersberg wurden parallele Untersuchungen drei weiterer Teilprojekte des Forschungsverbundes zu den Themen Hygiene, Nitrifikation und Kolmation durchgeführt.


Ergebnisse und Diskussion

Folgende Ergebnisse konnten schwerpunktmäßig in diesem Teilprojekt herausgearbeitet werden:
Die Untersuchungen zur Rückhaltung von Phosphor in Bewachsenen Bodenfiltern zeigten, dass diese zwar anfänglich eine sehr hohe Retentionsleistung aufweisen können, aber nicht auf eine dauerhafte weitergehende Reinigungsleistung zu bemessen sind. Bodenfilter mit erhöhten Gehalten an Eisen- und Aluminiumhydroxiden und Kalzium zeigten erwartungsgemäß die besten Retentionseigenschaften. Besonders im Zulaufbereich wurden erhöhte Phosphorgehalte gemessen. Bei der Fraktionierung der P-Verbindungen in tieferen Schichten wurde in jeder Fraktion ein bedeutender Anteil organischer Komplexverbindungen gefunden. Aus den Versuchen konnten keine Modelle für die Prognose der langfristigen Leistungsfähigkeit bezüglich der Phosphor-Retention entwickelt werden. Die komplexen Vorgänge in einem Bewachsenen Bodenfilter lassen sich offenbar nicht mit kurzfristigen Adsorptionsversuchen nachbilden. Eine Absicherung weitergehender Anforderungen an die Phosphor-Retention kann aber wirksam über nachgeschaltete Phosphor-Filter erzielt werden. Diese wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens erstmalig in der Praxis erprobt. Dabei wurde eisenhaltiger gebrauchter Kies aus der Trinkwasserenteisenung eingesetzt.
Insgesamt war die Retentionskapazität von nicht abgelagertem frischem Kies aus dem Trinkwasserprozess am größten. Bei der Suche nach weiteren geeigneten Recyclingstoffen für die Phosphorbindung wurden in Säulenversuchen mit granulierter Hochofenschlacke vergleichbare Ergebnisse erzielt. Aufgrund dessen wurde dieser Sekundärrohstoff mit einer erwarteten P-Bindungskapazität von rund 1.500 g/m³ erstmalig in der Praxis zu diesem Zweck eingesetzt.Die Untersuchungen der Kläranlage Wiedersberg zeigten, dass mit dem Konzept hintereinander geschalteter Bodenfilter Kohlenstoff, Keime und Stickstoff in hohem Maße eliminiert werden konnten. Durch Anwendung der vorgeschalteten Denitrifikation konnte die Gesamtreinigungsleistung bezüglich Stickstoff bei Rückführungsverhältnissen (RV) von 1 bis 2 um 20 bis 30 Prozent gesteigert werden. Der positive Rückführungseffekt wurde durch eine verringerte Denitrifikationsleistung im vertikal durchströmten Bodenfilter bei höheren RV aber wieder abgeschwächt, so dass größere RV als 2 nicht mehr sinnvoll erscheinen. Versuche zur Beimischung abgesetzten Wassers als Kohlenstoffquelle in den nachgeschalteten Horizontalfilter zeigten, dass die Denitrifikation kohlenstofflimitiert war.
Die Untersuchungen zur hydraulischen Regelung zeigten eine gute Eignung der Sauerstoffelektrode zur Überwachung des Sauerstoffhaushalts der Vertikalfilter. Als kostengünstige Lösung für die kontinuierliche Überwachung eignet sich auch eine Redox-Elektrode.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

- Rustige, H., Schütte, H. (2000): Phosphorelimination in Bewachsenen Bodenfiltern. Stand der Technik und Innovation für die Praxis bei Bewachsenen Bodenfiltern. Fachtagung 26.9.2000, Celle.
- Rustige, H., Platzer, Chr. (2001): Nutrient removal in subsurface flow constructed wetlands for application in sensitive regions. Water Science & Technology 44 (11-12): 149-155
.- Rustige, H., Platzer, Chr. (2001): Phosphorelimination in Bewachsenen Bodenfiltern. Wasser & Boden 53 (3): 11-15
- Rustige, H., Tomac, I., Höner, G. (2003): Investigations on Phosphorus Retention in Subsurface Flow Constructed Wetlands. Water Science & Technology (in Vorbereitung).


Fazit

Eine gesicherte Bemessung Bewachsener Bodenfilter mit langfristiger Phosphor-Retention ist nicht möglich. Sollen Kläranlagen auf einen Überwachungswert ausgelegt werden, so empfiehlt sich aus Gründen der Betriebssicherheit ein nachgeschalteter Phosphor-Sorptionsfilter mit frischem gebrauchtem Kies aus der Trinkwasserenteisenung oder mit granulierter Hochofenschlacke.