Projekt 01521/01

Wiederverwendung ausgewechselten Wasserwerkskieses (Filtersand) in der Abwasserbehandlung

Projektdurchführung

Christian-Albrechts-Universität zu KielInstitut für Wasserwirtschaft und Landschaftsökologie
Olshausenstr. 40
24118 Kiel

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Untersuchung eines einfachen Verfahrens zur weitergehenden Phosphor-Elimination mittels Adsorptionsfilter. Das Hauptziel lag in der Entwicklung eines einfachen und kostengünstigen Verfahrens, welches in kleinen dezentralen Kläranlagen eingesetzt werden kann. Als Filtermaterial wurde gebrauchter Filterkies als Abfallprodukt aus der Trinkwasserenteisenung eingesetzt, welches gelöstes Phosphat durch Adsorption aus dem Abwasser entfernt. Weiterhin sollte untersucht werden, ob in den Filtern als Nebeneffekt eine weitergehende Nitratelimination über Denitrifikation möglich ist.
Veranlassung zu dieser Untersuchung sind die fehlenden einfachen Verfahren und angepassten Techniken einer weitergehenden Nährstoffelimination in kleinen dezentralen Kläranlagen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDer erste Schritt des Projektes lag in der Entwicklung eines Filtersystems (Versuchsanlage) im halbtechnischen Maßstab in Zusammenarbeit mit der Lindenau Werft, Kiel, welches einfach aufgebaut werden kann, geringe Investitionen benötigt und eine vollständige Durchströmung des Filters gewährleistet (hohe Effizienz).
Die Untersuchungsserien für die P-Elimnation gliederte sich in Containerversuche, wo Tracerversuche zur Beschreibung der Stofftransportverhältnisse im Filter und Phosphatdurchbruchversuche zur Beurteilung der Sorptionsleistung unter praxisnahen Bedingungen (biologisch vorgereinigtes Abwasser) durch Beschickung mit verschiedenen Zulaufmengen mit zeitlich hochaufgelöster Bestimmung der Zu- und Ablaufkonzentration durchgeführt wurden und in Laborversuche mit Schüttelversuchen und Säulenver-suchen zur Klärung der relevanten Adsorptionsparameter (Kapazität und Kinetik).
Die Untersuchungsserien für die N-Elimnation gliederte sich in Containerversuche mit unterschiedlichen Beschickungsvarianten (kontinuierlich, intermittierend) mit Bestimmung der Ablaufkonzentration (Nitrat, Ammonium) und des Redoxpotentials und in Methanolversuche im Labor zur Untersuchung des Einflusses der organischen Substanz auf die Denitrifikation


Ergebnisse und Diskussion

Die Phosphat-Adsorptionsleistung in Abhängigkeit verschiedener Filtergeschwindigkeiten bzw. Phosphat-Belastungen wurde mit Hilfe von Phosphat-Durchbruchskurven untersucht. Die Berechnung
Zulauf- versus Ablauffracht ergab eine durchschnittliche Beladung von 233 mg PO4-P pro kg Filterkies während der 3-monatigen Dauer eines Versuches.
Die begleitenden Laborversuche zum Phosphatadsorptionsvermögen des Filterkieses unter statischen (Schüttel- oder Batchversuch) und unter dynamischen (Transportversuch) Verhältnissen zeigten ein deutlich niedrigeres Adsorptionsvermögen des Kieses als es im Versuchscontainer bestimmt werden konnte. Vermutlich parallel zur Sorption im Container stattfindende Fällungsreaktionen sind als Erklärung wahrscheinlich. Die Phosphat-Rückhalteleistung des untersuchten Substrates ist als außerordentlich hoch zu bewerten.
Das Sorptionsverhalten des Filterkies mit seiner porösen Struktur wird deutlich durch kinetische Prozesse bestimmt. Die potentiell zur Verfügung stehenden Sorptionsoberflächen lassen sich in solche, die spontan und in andere, die erst nach einer längeren Gleichgewichtseinstellung zugänglich sind, gliedern. Letztere befinden sich im Inneren der porösen Aggregate; Phosphationen können also erst nach einem diffusiven Transport in den Aggregratinnenbereich adsorbiert werden.
Die Versuche zur weitergehenden Nitratelimination über biologische Denitrifikation zeigten, daß im kontinuierlichen Betrieb (permanenter Abwasserstrom) der Sauerstoffeintrag so hoch war, daß die fakultativ anaeroben Mikroorganismen nicht auf eine Nitratatmung umschalteten, so daß keine nennenswerte Nitrat-Reduktion stattfand. Im intermittierenden Betrieb hingegen fand aufgrund mangelnder interner, leicht verfügbarer, organischer Substanz (Belebtschlamm) als Elektronendonator keine weitergehende Nitratelimination statt. Begleitende Laborversuche belegten, daß bei ausreichendem Kohlenstoffangebot z.B. in Form von extern zugeführtem Methanol eine Nitratelimination möglich ist.
Die aus den Labor- und Feldversuchen gewonnenen Daten waren Grundlage für eine praxisnahe Bemessung von Filtern zur weitergehenden Phosphorelimination. Dabei war die Standzeit der Filter, d.h. die Einsatzdauer bis zur maximal geduldeten Phosphatkonzentration im Ablauf des Filters, ausschlaggebend. Modellrechnungen ergaben Standzeiten zwischen 10 bis 40 Jahren bei Filtergrößen von 3,5 m$^3$/Einwohner. Dies ist sehr positiv zu bewerten und zeigt die Machbarkeit der weitergehenden Phosphatelimination mittels Phosphatadsorptionsfilter. Die Praxistauglichkeit des Filterverfahrens wird allerdings durch eine begrenzte Verfügbarkeit des Kieses eingeschränkt. Der Einsatz von Adsorptionsfiltern gemäß des untersuchten Verfahrens ist daher nur in Kleinkläranlagen (bis 50 EWG) praktikabel, die aus gewässerökologischen Gründen besonderen Anforderungen hinsichtlich des Phosphatablaufwertes unterliegen. Der Filteraufbau kann relativ einfach gestaltet werden, wobei ein Kompromiß zwischen erforderlicher Kontaktzeit und Filtergröße gefunden werden muß.
Durch das Forschungsvorhaben konnte die Eignung des getesteten Verfahrens gezeigt werden; dennoch sollten in einem Langzeitversuch, die berechneten langen Standzeiten des Filters überprüft werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

STARCK, H.-G. UND P. WIDMOSER (1995): Probleme der Abwasserreinigung in kleinen Landgemeinden. Schriftenreihe der Agrarw. Fak. der Universität Kiel 78, 221-229. Vortrag auf der Hochschultagung vom 10. Oktober 1995
Starck, H.-G. (1996): Wiederverwendung von verbrauchten Wasserwerkskies (Filterkies) aus der Trinkwasserenteisenung für die weitergehende Abwasserreinigung in kleinen Kläranlagen. Schriftenreihe des Instituts für Wasserwirtschaft und Landschaftsökologie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. Heft 23, 83 Seiten. Dissertationsschrift


Fazit

Die in dem Projekt erzielten Ergebnisse zeigen, daß eine weitergehende Phosphatelimination mittels verbrauchten Filterkies möglich ist. Die vorgestellte Technik ist einfach und wartungsarm und daher für den Einsatz in Kleinkläranlagen geeignet. Der Einsatz des Verfahrens wird durch die Verfügbarkeit geeigneter Filterkiese eingeschränkt. Bei einer Verschärfung der gesetzlichen Anforderung hinsichtlich P-Elimination in kleinen Kläranlagen und gleichzeitiger Verbesserung der Verfügbarkeit des Substrates (z.B. Sammelbörsen) wäre dieses Verfahren relevant.