Rheinland-Pfälzische Technische Universität
Kaiserslautern-Landau (RPTU)
Lehrstuhl Ressourceneffiziente Abwasserbehandlung
Paul-Ehrlich-Str. 14
67663 Kaiserslautern
Trotz einer Elimination von Phosphor (P) auf kommunalen Kläranlagen in Deutschland von derzeit im Mittel ca. 92 % (vgl. DWA 2025) reicht die Reinigungsleistung in vielen Gewässereinzugsgebieten nicht aus, um den nach der EU-Wasserrahmenrichtlinie (2000) geforderten guten ökologischen Zustand zu erreichen. Hierfür gilt ein Orientierungswert für die meisten Gewässer von 0,1 mg/L Gesamtphosphor (Pges) (OGewV 2016). Obwohl in der Abwasserverordnung an größere Kläranlagen mit einer Anschlussgröße von > 100.000 Einwohnerwerten (EW) bereits die strengsten emissionsbezogenen Mindestanforderungen von 1,0 mg/L Pges im Kläranlagenablauf gestellt werden, sind oftmals weitergehende technische und platzsparende Verfahren wie Flockungsfiltration erforderlich, um P-Einträge in Gewässer weiter zu reduzieren. Einwohnerbezogen besteht auch bei den kleineren und mittleren Anlagen bis zu ca. 50.000 EW jedoch ein großes Potenzial, P-Emissionen zu verringern, wobei hier wartungsarme Technologien von Vorteil sind. Dazu gehören modifizierte Bodenfilter, die gerade auch unter Berücksichtigung des zeitweisen Fällmittelengpasses zu einer Verminderung der P-Einträge beitragen können. Durch den Einsatz von Bodenfiltern mit regenerierbaren Filtermaterialien mit hoher P-Sorptionskapazität besteht die Chance, dass sich langfristig ein niedrigerer P-Grenzwert im Ablauf der Kläranlage von < 0,1 mg/L Pges einhalten lässt.
In „BoFi+“ wurden die konstruktiven Merkmale und Betriebsstrategien von modifizierten Bodenfiltern untersucht und deren Eignung zur weitergehenden P-Elimination aus Abläufen kommunaler Kläranlagen bewertet. Ziel des Projektes war es, das Verständnis der chemisch-physikalischen und mikrobiologischen Prozesse der P-Elimination im Bodenfilter bei Einsatz verschiedener Materialien und Materialmischungen zu verbessern und die Eignung unterschiedlicher Filtermaterialien zur P-Elimination zu erproben. Zur Einsparung natürlicher Ressourcen und um ein standardisiertes Produkt herstellen zu können, erfolgte auch die Untersuchung geeigneter Baustoffrezyklate, leichter Gesteinskörnungen sowie von Hydrothermalgranulaten (HTG), die aus mineralischen Bau- und Abbruchabfällen über einen chemischen Stoffwandlungsprozess hergestellt wurden. Dabei wurden für die P-Elimination maßgebende Materialeigenschaften identifiziert, sodass zukünftig solche Filtermaterialien schneller beurteilt und für eine weitergehende P-Elimination in Bodenfilteranlagen eingesetzt werden können.
Das Projekt war in zwei Phasen aufgeteilt, die sich im Versuchsmaßstab unterschieden.
In Phase 1 erfolgte die Identifizierung bzw. Definition geeigneter Filtermaterialien zunächst durch Literaturrecherche und Erfahrungswerte. Für ein intensives Screening wurden die Adsorptionskapazitäten und die Beladungsgrenzen verschiedener Filtermaterialien einschließlich der HTG im Rahmen von Laboruntersuchungen geprüft. Darauf basierend wurden die Materialien und Mischungen in Laborfiltersäulen (Filterbett ca. 0,4 m, Durchmesser ca. 0,05 m) in mehrwöchigen Versuchen mit synthetischer Phosphatlösung auf ihre Adsorptionsfähigkeit von Phosphor untersucht. Ausführliche Materialanalysen (z. B. Porosität, Wasseraufnahme, BET Oberfläche) ergänzten diese Untersuchungen. Parallel zu den La-borversuchen wurde am Herstellungsverfahren und der Materialzusammensetzung der HTG geforscht, um die Granulateigenschaften für den Bodenfilterbetrieb zu verbessern. Dabei wurden aus Mischungen von Mauerwerkbruch und Papierasche Grüngranulate geformt, die durch hydrothermale Autoklavierung zu einer künstlichen leichten Gesteinskörnung gehärtet wurden. Die unterschiedlichen Prozessschritte wurden modifiziert und optimiert (z. B. Mischungszusammensetzung der Ausgangsmehle, Formgebungsverfahren, Porosierung der Granulate).
In Phase 2 wurden vier Materialgemische in halbtechnischen Bodenfiltersäulen (Höhe ca. 0,6 m, Durchmesser ca. 0,3 m) über 242 Tage mit realem Kläranlagenablauf und einer Phosphatzulaufkonzentration von 1,5 mg/L PO₄-P getestet: Je ein Basismaterial (Lavasand (LVI) oder Quarzsand (QS)) wurde mit 20 % eines der beiden Zusatzmaterialien HTG oder Betonbrechsand (BBS) gemischt. Dabei standen betriebliche Aspekte wie die Dauer und Häufigkeit der Beschickung, sowie die Erhöhung der hydraulischen Belastung gegenüber den Vorgaben des bestehenden Regelwerks DWA-A 262 im Vordergrund. Außerdem erfolgte ein schrittweise, orientierendes Scale-up des Herstellungsverfahrens der HTG.
Die Untersuchungsergebnisse waren Grundlage für die Erarbeitung einer Anforderungsliste für Bodenfiltermaterialien, für Empfehlungen für Bau, Betrieb, Bemessung und Standzeit sowie für Konzepte zur Einbindung von Bodenfiltern zur weitergehenden P-Elimination in den Betrieb kommunaler Kläranlagen. In diesem Zusammenhang wurden auch mögliche Umweltauswirkungen der Herstellung der HTG, ihrer Regeneration und Entsorgung abgeschätzt.
Von den zu Beginn dreizehn untersuchten Materialien beschränkt sich diese Zusammenfassung auf jene, die im Projektverlauf als besonders geeignet identifiziert wurden.
Nach den Batch- und Laborsäulenversuchen wurden für die halbtechnischen Säulenversuche LVI und QS als Basis und HTG und BBS als Zusatz (je 20 % (m/m)) ausgewählt. Daraus ergaben sich folgende Säulenfüllungen: HS1: LVI+HTG; HS2: QS+ HTG; HS3: LVI+BBS; HS4: QS+BBS. HTG, BBS und LVI hatten zuvor in den Batchversuchen maximale Adsorptionskapazitäten von 17 mg/g, 23 mg/g und 0,04 mg/g erreicht. Obwohl QS in den Laborsäulen nicht die besten Ergebnisse erzielt hatte, wurde es als Alternative zu LVI mitbetrachtet. Bei den halbtechnischen Säulenversuchen wurde als höchste hydraulische Beschickungsrate (HLR) 600 L/m²/d mit vier Schwallbeschickungen (< 1 min) erreicht, bevor sich die Reinigungsleistung von über 95 % (HS1) auf unter 84 % (HS2) verschlechterte und auch nach Reduzierung auf 300 L/m²/d nicht mehr vollständig erholte. Eine Erhöhung der Aufenthaltszeit durch periodischen Einstau der Säule führte nur kurzfristig zu einer Verbesserung der Ablaufwerte. HS2 zeigte bis zum Ende der Versuche die besten Ablaufergebnisse (0,6 mg/L PO₄-P, 62 % Elimination), die vermutlich mit den größeren pH-Schwankungen im Ablauf nach einer Beschickung zusammenhängen, welche für den Fällungsprozess vorteilhaft sind. BBS unterliegt HTG im langfristigen Versuch. Höhere Temperaturen verbessern die P-Eliminationsleistung.
Bei einer Zulaufkonzentration von 0,6 mg/L (HLR 300 L/m²/d) wird die Standzeit eines Polishingfilters mit HTG und QS auf ca. 8 bis 14 Jahre geschätzt, bis die Reinigungsleistung unter 20 % sinkt. Für genauere Abschätzungen müssten die Untersuchungen über einen längeren Zeitraum fortgesetzt werden. Die Regeneration mit Ammoniumchlorid zeigt sich für BBS vielversprechend (43 %).
Die Ergebnisse im Projektverlauf zeigten, dass das Vorhandensein von Mesoporen (2-50 nm Porenweite) ein wichtiger Parameter für eine gute Reinigungsleistung ist. Bei der BET-Oberfläche schneidet LV mit 28-39 m²/g besser ab als der QS (0,5 m²/g) und die BBS (3-5 m²/g). Bei der Weiterentwicklung des HTG wird durch die Zugabe von 2-5 % Zitronensäure, 2 % Aktivkohle oder 2 % Calciumsilikathydrat-Pulver eine Verbesserung der Porosierung der Granulate im Mesoporenbereich erreicht. Die BET-Oberfläche der HTG erhöht sich so von 23 m²/g ohne Additiv auf bis zu 35 m²/g mit den Zusätzen.
Während der Laufzeit wurde das Projekt bei Veranstaltungen und in der Lehre präsentiert:
- Rannefeld et al. (2025): Recycling-Filtermaterialien, Poster, Themenfeldtag Infrastruktur, 04.03.2025 und Themenfeldtag Umwelt, BAM, Berlin, 17.03.2025,
- Moye et al. (2025): Recycling-Filtermaterial - Bodenfilter zur P-Elimination aus Kläranlagenablauf, Poster, Kuratoriumssitzung, BAM, Berlin, 25.06.2025
- Hilgenfeldt et al. (2025): Methodology for Assessing Phosphorus Adsorption Kinetics in Novel Con-structed Wetland Materials. In: Purification 1 (2), S. 7. DOI: 10.3390/purification1020007.
- Hilgenfeldt und Steinmetz (2025): Novel recycling materials from paper ash and construction waste for further phosphorus removal in polishing vertical flow constructed wetlands at high hydraulic loading rates. International Symposium on Wetland Pollutant Dynamics and Control (WETPOL). Oral presentation. Gdańsk, Poland, 08.09.2025.
- Exkursion zur Versuchsanlage, Lehrveranstaltung Dr. Bruch an der FH Birkenfeld (IMAT am IfaS)
- Verwendung der Projektergebnisse in der Lehre der RPTU
Nach Projektende sind folgende Arbeiten vorgesehen:
- Dissertation Hilgenfeldt (geplant 2026)
- Rübner et al.: Weiterentwicklung der Hydrothermalgranulate
Der Einsatz der Recyclingmaterialien BBS und HTG in Bodenfiltern aus QS oder LVI führt erfolgreich zur Phosphatentfernung aus dem Ablauf der Nachklärung. HTG ist dabei ein neues Produkt, dass durch eine chemisch-hydrothermale Stoffumwandlung aus einem Mauerwerkbruch-Papierasche-Gemisch hergestellt wird. HTG erweist sich im Betrieb als stabiler und umweltfreundlicher als BBS und erzielt in Kombination mit fluviatilem Sand bessere Ergebnisse als mit Lavasand, der nur sehr lokal verfügbar ist.
Weiterer Forschungsbedarf besteht zur Betriebsstrategie des Bodenfilters, da diese vermutlich einen entscheidenden Einfluss auf seinen dauerhaften Einsatz hat. Hier sind z. B. Anpassungen der Beschickungsstrategie erforderlich, um im Langzeitbetrieb eine stabile P-Elimination bei Flächenbeschickungen von ≥ 600 L/m²/d zu erreichen. Positiv ist, dass das Scale-up der HTG-Produktion im Projekt erfolgreich war. Eine spätere technologische Umsetzung wird als möglich eingeschätzt.
Da P im HTG hauptsächlich chemisch sorbiert wird, ist eine Desorption innerhalb des Bodenfilters nur schwer möglich. Vor diesem Hintergrund sollte geprüft werden, HTG als eigenständigen Filterschritt einzusetzen. Dies könnte sowohl Kosteneinsparungen ermöglichen als auch die P-Rückgewinnung und die Regeneration des Filtermaterials erleichtern.
Des Weiteren stellt die im Projekt entwickelte Methodik zur Durchführung der Kinetikversuche einen wertvollen Beitrag für zukünftige Untersuchungen dar.