Projekt 16562/01

Entwicklung eines synthetischen Filtermaterials zum Einsatz in schnell durchflossenen Bodenfiltern

Projektträger

POLYPLAN GmbHBüro Hannover
Ilse-ter-Meer-Weg 7
30449 Hannover
Telefon: 04 21 / 1 78 76 - 20

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Herkömmlich werden Bodenfilteranlagen mit mineralischem Liefermaterial gebaut. Das lokal verfügbare Material ist meist zu feinkörnig, um die hydraulischen Anforderungen zu erfüllen und die Sorptionskapazität für Phosphat ist nicht dauerhaft sichergestellt. Für die Bodenfilteranlagen in/an Gewässern hat sich der Einsatz eines speziellen Kalksteins, Korallen-Oolith, bewährt. Dieses Mineral wird im Weser-gebirge in Steinbrüchen gewonnen.
Mit der Lieferung des Filtermaterials fällt ein hoher Transportaufwand an. Die für Bodenfilteranlagen benötigten Mengen übersteigen häufig mehrere tausend Tonnen pro Anlage und die Transportwege betragen in der Regel mehrere hundert Kilometer. Der aufwändige Transport muss wegen der Anbindung des Abbauortes und der Baustelle zum großen Teil mit Straßenfahrzeugen abgewickelt werden.
Die geplante Entwicklung sollte die Synthetisierung des Filtermaterials am Anlagenstandort ermöglichen. Dabei sollte ein möglichst hoher Anteil des lokal verfügbaren Boden- oder Feinkornmaterials (vorzugsweise aus dem Aushub vor Ort) Verwendung finden und so der Transportaufwand drastisch verringert werden.
Alle Bestandteile des Liefermaterials sollten weiterhin mineralisch sein, darauf beruht schließlich der ökologische Vorteil der Bodenfilteranlagen gegenüber Behandlungsanlagen zur Fällung z. B. mit Hilfe organischer Flockungshilfsmittel.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenArbeitsschritte: Vorversuche, Vorauswahl geeigneter Rohmaterialien, Entwicklung geeigneter analytischer Methoden. Angewandte Methoden:
a) Schüttelversuche, um die Anionenaustauschkapazität der selektierten Materialien zu bestimmen.
b) Rasterelektronen-Mikroskopie (REM) an ausgewählten Orten der Oberflächen, bis ca. 1.000-fach und EDX-Elementaranalyse an der Oberfläche im REM-Zoom.
c) Röntgen-Diffraktometrie (STOE) der Mischprobe des Oberflächenmaterials für die Bestimmung und Quantifizierung der Minerale. Die Eignung als Bodenfiltermaterial wurde mit Säulenversuchen im Labormaßstab überprüft.


Ergebnisse und Diskussion

Die Herstellung spezieller Bodenfiltermaterialien aus Mutterboden (Baustellenaushub) und aus gängigen Kiessorten ist gelungen; es konnten in Labor-Säulenversuchen hohe PO4-Eliminationsraten erzielt werden.
Die Herstellung von Filtermaterial auf Basis von am Anlagenstandort natürlich vorkommender Materialien fällt aufgrund der in der Regel hohen organischen Beladung der Aushubmaterialien infolge des hohen Mörtel- und Zuschlagstoffbedarfes wirtschaftlich ungünstig aus.
Das Coating von Kieseln als Basismaterial mit Eisenpulvern konnte mit zwei Coatinggruppen erfolgreich durchgeführt werden. In Labor-Säulenversuchen wurden mit diesen Materialien hohe PO4-Eliminationsraten erzielt. Als erstes ist hier eine Coatinggruppe auf Zement-Mörtelbasis und danach eine Coating-gruppe auf FeCl-Basis erfolgreich getestet worden.
Die gegenüber den natürlichen Adsorbermaterialien fünffach höheren Kosten werden durch die deutlich höhere Austauschkapazität kompensiert. Einen Vergleich zwischen dem neuen Filtermaterial EPM203 und dem bisher bevorzugt verwendeten Material Korallen-Oolith zeigt, dass die spezifischen Kosten in kg P/€ beim preisgünstigeren Oolith um ein sechsfaches höher liegen.
Die Versuche zur PO4-P-Freisetzung durch enzymatische Behandlung konnten aufgrund der starken Verzögerung in der Materialentwicklung im Rahmen dieses Projekts nicht mehr vollständig abgeschlossen werden. Während die Behandlung mit Phytase keine realen Erfolge erbrachte, zeigen die ergänzenden Versuche mit Phosphorlipase eine deutliche Freisetzung von PO4-P. Eine Zusammenfassung dieser Ergebnisse wurde im Februar 2004 fertiggestellt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Zwischenergebnisse wurden in Form einer Vortragsveranstaltung interessierten Fachleuten vorgestellt und diskutiert. Im Mittelpunkt standen dabei die zwei Themenbereiche:
a) Synthetisierung von Filtermaterial mit den geforderten physikalischen Eigenschaften aus den im ro-hen Zustand ungeeignetem, lokalen mineralischem Material.
b) Modellierung der Funktion der Bodenfilter aus den Eigenschaften des eingesetzten Materials.
Die Projektergebnisse wurden im November 2005 in einem Vortrag der Deutschen Gesellschaft für das Badewesen vorgestellt. Auf mehreren Tagungen zu bewachsenen Bodenfiltern wurde auf die synthetischen Filtermaterialien ebenfalls hingewiesen.


Fazit

Wenn das Entwicklungsvorhaben insbesondere in der ersten Phase einen immensen Arbeitsaufwand verursachte, der weit über den geplanten Zeitraum hinausging, so zeigten die späten Ergebnisse doch, das der Weg lohnenswert war.
Mit dem neuen Filtermaterial kann der Bereich zwischen den herkömmlichen Bodenfiltern und den tech-nischen Adsorptionsanlagen sehr gut bestückt werden.
Es sind für den weiteren Einsatz verschiedene Kombinationen möglich:
1. Einsatz des Filtermaterials als einem Bodenfilter nachgeschaltete Stufe, um gelöste Phosphate mit niedrigen Verweilzeiten zu binden, und daher im Filterkörper handelsübliche Kiesel anstatt wie bisher Oohlite zu verwenden.
2. Zumischung in Bodenfiltern, um die Adsorptionskapazität im Kiesmaterial herzustellen.
Bei beiden Varianten ist das Ziel, eine hohe Adsorptionskapazität synthetisch bereitzustellen und hierbei den bisher weitverbreiteten Oolith-Einsatz mit z. T. hohen Tonnen-Kilometer-Transportleistungen zu vermeiden, erreicht.
Nicht gelungen ist bislang die wirtschaftliche Herstellung von Sintermaterialien aus dem anstehenden Boden, da in der Regel in den gewässernahen Böden hohe Humusgehalte angetroffen werden.
Die Ergebnisse zielen primär auf eine Phosphatelimination aus Gewässern.
Vorversuche lassen ein erfolgversprechendes Ergebnis beim Einsatz in Naturfreibädern erwarten. Sie können auch für Bodenfilteranlagen zur Reinigung häuslichen Abwassers interessant sein.

Übersicht

Fördersumme

54.203,59 €

Förderzeitraum

13.10.2000 - 26.01.2004

Bundesland

Niedersachsen

Schlagwörter

Klimaschutz
Landnutzung
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik