Pflanzenkläranlagen zur Abwasserreinigung

Stipendiatin/Stipendiat: M.Sc. Nikola Stankovic

Pflanzenkläranlagen sind anerkannte und vielfältig angewandte Lösungen für die Abwasserreinigung. Diese Technologien imitieren den Prozess der Selbstreinigung, wie er auch in natürlichen Feuchtgebieten erfolgt. Es gibt verschiedene Typen von Pflanzenkläranlagen zur Abwasserbehandlung. Das UFZ betreibt eine Forschungsanlage zur Untersuchung verschiedener nachhaltiger Abwasserreinigunstechnologien am Standort Langenreichenbach. Dort werden unter anderem innovative Konzepte von Pflanzenkläranlagen erprobt. Das Verständnis der technischen Grundlagen und der Funktionsweise dieser Pflanzenkläranlagen ist Teil meines Forschungsprojektes. Ziel war, verschiedene Typen von Pflanzenkläranlagen zu vergleichen. Dazu analysiere ich Messdaten von sechs Pilotanlagen die über einen Zeitraum von vier Jahren betrieben worden. Die zur Datenerfassung nötigen Methoden der Probenahme und Laboranalyse zur Ermittlung von abwassertechnischen Qualitätsparametern lerne ich ebenfalls kennen. Insgesamt wurden Daten von sechs verschiedenen Anlagen genutzt, die folgenden Aufbau haben.
1. Kies-basierte, gesättigte vertikale Pflanzenkläranlagen mit aktiver Belüftung- VAp
2. Kies-basierte, gesättigte horizontale Pflanzenkläranlagen mit aktiver Belüftung - HAp
3. Horizontal-Pflanzenkläranlagen mit einer gesättigten Tiefe von 25 cm - H25p
4. Horizontal-Pflanzenkläranlagen mit einer gesättigten Tiefe von 25 cm ohne Pflanzen - H25
5. Horizontal-Pflanzenkläranlagen mit einer gesättigten Tiefe von 50 cm - H50p
6. Horizontal-Pflanzenkläranlagen mit einer gesättigten Tiefe von 50 cm ohne Pflanzen - H50
Die Kläranlagen werden bezüglich des Abbaus von organischem Kohlenstoff, Stickstoff, Feststoffen und der Entfernung von pathogenen Keimen, verglichen. Außerdem wird der Einfluss von Umweltbedingungen und der Belastungsrate auf die Reinigungseffizienz untersucht. Dabei werden statistische Werkzeuge wie Hypothesen-Tests und Regressionsanalysen in der Software R genutzt.
 

Meine Arbeit ist auf saisonale Unterschiede der Reinigungseffizienz von verschiedenen Pflanzenkläranlagen fokussiert.
Untersucht wird, wie die Reinigungsleistung in Pflanzenkläranlagen durch die verschiedenen Jahreszeiten sowie durch Betriebsbedingungen beeinflusst wird. Der Einfluss bestimmter Umweltfaktoren wie Lufttemperatur, Niederschlagsmenge, Verdunstung und Sonneneinstrahlung und Betriebsparameter sowie die Zulaufkonzentration wurden untersucht.

Vorhandene Daten aus den Jahren 2010 bis 2014 wurden verwendet. Die Daten sind in drei Gruppen eingeteilt. Die erste Gruppe repräsentiert Daten der relativen Schadstoffrachtentfernung (%) für vier Schadstoffparameter: Biochemischer Sauerstoffbedarf (BSB5), Gesamter organischer Kohlenstoff (TOC), Gesamtstickstoff (TN) und Ammoniumstickstoff (NH4+-N). Die zweite Gruppe besteht aus Daten der Zulaufkonzentrationen (mg/L) für die genannten Schadstoffparameter. Die dritte Gruppe sind Daten für vier Umweltfaktoren: Lufttemperatur (°C), Niederschlagsmenge (mm/Tag), Verdunstung (mm/Tag) und Sonneneinstrahlung (W/m2).

Benutzte Methoden sind: Zeitreihenanalyse der Schadstoffentfernung um die zeitliche Tendenz zu untersuchen, deskriptive Statistik um saisonale Unterschiede der relativen Schadstoffrachtentfernung zu zeigen sowie die Hauptkomponentenanalyse um Relationen der berücksichtigten Parameter zu untersuchen. Für meine Datenanalysen verwendete ich die Statistiksoftware R.

Alle Systeme zeigen eine relative Schadstoffrachtentfernung des biochemischen Sauerstoffbedarfs von mehr als 76% und des gesamten organischen Kohlenstoffs von mehr als 77.0%. Die aktiv belüfteten Systeme VAp und HAp erreichen dabei für beide Parameter die höchsten Mittelwerte. Im Falle des Gesamtstickstoffs ist VAp die effizienteste Anlage. Die Ergebnisse zeigen, dass belüftete Pflanzenkläranlagen (VAp und HAp) die beste Reinigungsleistung über alle Jahreszeiten haben. Es gibt keinen Unterschied zwischen Jahreszeiten für den biochemischen Sauerstoffbedarf (BSB5), den gesamten organischen Kohlenstoff (TOC) und Ammoniumstickstoff (NH4+-N) in VAp und HAp. Nur für den Gesamtstickstoff (TN) erzielen die Anlagen im Sommer etwas bessere Ergebnisse als in den anderen Jahreszeiten.

Aus den erhaltenen Ergebnissen kann geschlossen werden, dass die verschiedenen Pflanzenkläranlagen, die in dieser Arbeit vorgestellt wurden eine gute Reinigungsleistung im Fall von organischen Kohlenstoffverbindungen ermöglichen. Es gibt jedoch einen eindeutigen Unterschied zwischen den unterschiedlichen Systemen. Die belüfteten Anlagen erreichen die höchste Reinigungsleistung bezüglich organischen Kohlenstoffs sowie Stickstoff. Unbelüftete Systeme verzeichnen wesentlich geringere Reinigungsleistung bei der Stickstoff-, speziell der Ammoniumentfernung, wobei Pflanzen sich steigernd auf diese auswirken. Im Sommer zeigen fast alle Systeme eine bessere Reinigungsleistung. Für alle vier Jahreszeiten zeigen belüftete Pflanzenkläranlagen (VAp und HAp) eine bessere Reinigungsleistung als andere Systeme. Bepflanzte, unbelüftete Pflanzenkläranlagen (H25p und H50p) zeigen eine höhere Reinigungsleistung während der verschiedenen Jahreszeiten als unbepflanzte, unbelüftete Systeme (H25 und H50). Gesamtstickstoff (TN) und Ammonium-Stickstoff (NH4-N+) sind die am stärksten beeinflussten Parameter während der verschiedenen Jahreszeiten. Darüber hinaus, besteht es ein hoher Zusammenhang innerhalb der Zulaufkonzentrationsparameter. Schließlich zeigen die Ergebnisse, dass die Pflanzenkläranlage mit aktiver Belüftung (Vap und HAp) sich als Reinigungstechnik alle vier Abwasserparameter eignen. Der Winter ist eine kritische Periode für Gesamtstickstoff- und Ammoniumstickstoffentfernung in unbelüfteten Systemen zu sein.

 

Förderzeitraum:
01.02.2015 - 31.01.2016

Institut:
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ
Department Umweltbiotechnologie

Betreuer:
Dr. Jochen A. Müller

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