Projekt 14592/02

Zweiter Untersuchungszeitraum zur Beurteilung des Langzeitverhaltens des im Projekt AZ 14592/01 entstandenen naturnahen Verfahrens zur Behandlung der Regenabflüsse stark verschmutzter Verkehrsflächen

Projektdurchführung

ifs Ingenieurgesellschaft für Stadthydrologie mbH
Stiftstr. 12
30159 Hannover

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

In dem ersten Teil des DBU-Förderprojekts Az. 14592 Naturnahe Behandlung der Regenabflüsse stark verschmutzter Verkehrsflächen wurde die Reinigungsleistung verschiedener Bodenfiltersubstrate gegenüber den straßenspezifischen Inhaltsstoffen in den Regenabflüssen untersucht. Insgesamt wurden hohe Wirkungsgrade der Bodenfilter festgestellt, die darauf hinweisen, dass Bodenfilter zu einer gezielten Frachtreduktion und zum nachhaltigen Gewässerschutz beitragen können.
Mit dem bislang erzielten Daten lässt sich allerdings nicht das Langzeitverhalten von Bodenfiltern vorhersagen. Hier spielt im wesentlichen die Adsorption gelöster Inhaltsstoffe an die Filtersubstrate eine wesentliche Rolle. Die Projektfortführung sollte durch einen zweiten Versuchszeitraum den Datenbestand zu den Bodenfiltern zur Behandlung von Straßenabflüssen erhöhen und absichern.
Weiterhin sollte ein Testverfahren zur Belastbarkeit von Filtersubstraten gegenüber Salzbelastung entwickelt werden, um kolmationsgefährdete Substrate vor dem Einbau zu erkennen.
In Kosten-Wirksamkeits-Betrachtungen wurden Bodenfilteranlagen mit konventionellen Anlagen zur zentralen Behandlung von Straßenabflüssen verglichen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenRegelbetrieb der Lysimeteranlage: Regelmäßige Beschickung der Bodenfilter im halbtechnischen Maßstab über zwei Jahre. Die hydraulische Belastung der Anlagen liegt bei etwa 80m/a. Um den Analyseauf-wand zu begrenzen, wurden nur ausgewählte Ereignisse mit den Zu- und Abläufen vollständig beprobt. Es wurde ein umfassender Parameterumfang (AFS, Cu, Pb, Zn, Pt, Pd, PAK, MKW, Cl, CSB, NH4-N, Pges, pH-Wert, Leitfähigkeit) analysiert.
Testverfahren für Filtersubstrate gegenüber Streusalzeinfluss: Über eine Literaturauswertung wurden die bodenphysikalischen Prozesse bei der Belastung der Filtersubstrate mit hohen Streusalzkonzentrationen in Straßenabflüssen dargestellt. Es erfolgte eine Auswahl von Filtersubstraten, die aufgrund der Literaturstudie eine Kolmation erwarten lassen bzw. von denen eine Beständigkeit erwartet wird. Bei diesen Substraten erfolgte eine Bestimmung der Dispersität für definierte Streusalzkonzentrationen im Labormaßstab im Überstand von Schüttelversuchen. Aus den Ergebnissen erfolgte eine Ableitung von Qualitätszielen für den Einsatz als Filtersubstrat in Bodenfiltern.


Ergebnisse und Diskussion

Lysimeterversuche: Bei zwei Lysimetern wird eine innere Kolmationstendenz festgestellt, die durch den Streusalzeinfluss und die damit einhergehende Destabilisierung des Bodengefüges des Filtersubstrates hervorgerufen wird. Ursache ist der hohe Ton- und Schluffgehalt, weshalb das Substrat für Bodenfilter ungeeignet ist.
Bei zwei Lysimetern ist eine äußere Kolmationstendenz zu erkennen, die durch den Eintrag von Feststoffen mit dem Straßenabfluss hervorgerufen wird. Bei großtechnischen Anlagen wäre dies wahrscheinlich nicht festgestellt worden, da der Bewuchs und die damit verbundene Durchwurzelung der oberen Filterschicht und die bessere Abtrocknungsmöglichkeit zu einer besseren Strukturierung der eingetragenen Feststoffe/Sedimente führt.
Im zweiten Untersuchungszeitraum zeigen die untersuchten Filtersubstrate eine recht ähnliche Reinigungsleistung für die untersuchten Parameter. Gegenüber dem ersten Zeitraum hat sich insbesondere die Reinigungsleistung bei Lysimeter 6 mit dem eingebauten Quarzsand sowohl bei den partikulären als auch den gelösten Stoffen bei praktisch allen Parametern deutlich verbessert. Dies ist auf die bessere Filterleistung des Lysimeters zurückzuführen, die in dem höheren Feinkornanteil im Filtersubstrat durch den Feststoffeintrag begründet ist. Als weitere Ursache ist das bessere Adsorptionsvermögen durch die eingetragenen Fe-, Al- und Mn-Oxide zu nennen. Eine nachlassende Reinigungsleistung durch die längere Betriebsdauer der Lysimeter, die schon im ersten Untersuchungszeitraum betrieben wurden, ist somit nicht zu erkennen.
Auffällig ist, dass das Substrat von Lysimeter 1 (FerroSorp RW; Fa. HeGo Biotec) keinen besseren Wirkungsgrad gegenüber gelöstem Phosphat aufweist, obwohl es den weitaus höchsten Gehalt an Eisen- und Manganoxiden und einen hohen Gehalt an Aluminiumoxiden aufweist, was theoretisch für eine gute Phosphatadsorption erforderlich ist. Ein sehr hoher Anteil von Fe- und Al- Oxiden ist bei den durchgeführ-ten Versuchen und den geringen Zulaufkonzentrationen somit nicht allein ausschlaggebend für einen hohen Rückhalt an Phosphat.
Die Substratuntersuchungen zum Abschluss der Versuche zeigen, dass es durch die Filterwirkung zu einer Anreicherung der mit dem Straßenabfluss eingetragenen Stoffe besonders in den obersten zwei Zentimetern der Filterschichten kommt. Die RFA-Analysen zeigen, dass der Rückhalt der eingetragenen Schwermetalle hauptsächlich im obersten Bereich der Filtersäulen erfolgt. Ursache ist die Filterung partikulärer Stoffe und wahrscheinlich die Anreicherung von gelösten Schwermetallen durch Adsorption, die besonders an die Fe-, Al- und Mn-Oxide erfolgt, die sich ebenfalls in den oberen Filterschichten angereichert haben. Die gemessenen Carbonatgehalte weisen teilweise eine Erhöhung gegenüber dem Ausgangszustand auf, was auf den Eintrag carbonathaltiger Sedimente zurückgeführt wird. Eine Versauerung des Filtersubstrates, bei dem es durch ein starkes Absinken des pH-Wertes zu einer Mobilisierung von Schwermetallen kommen würde, ist daher während des Versuchszeitraums an den eingesetzten Fil-tersubstraten nicht zu erkennen.
Versuche zur Salzbelastbarkeit: Die bei den Lysimeterversuchen festgestellte innere Kolmationstendenz, die auf den Streusalzeinfluss zurückgeführt wurde, ist mit den Laborversuchen reproduzierbar. Die dabei erfolgte Destabilisierung des Bodengefüges durch die Na-Zufuhr ist nach Literaturangaben auf eine Dispergierung von Tonmineralen zurückzuführen. Um ungeeignete Filtersubstrate zu erkennen, wird ein Testverfahren vorgeschlagen, bei dem Substratproben in einer Versuchssäule mit unterschiedlichen Salzkonzentrationen belastet werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Wesentliche Teilergebnisse dieses Vorhabens wurden bei einem Seminar der TAH und der FH-Münster am 13.-14.09.2004 der interessierten Fachöffentlichkeit vorgestellt. Eine weitere Ergebnisdarstellung erfolgt bei einem BEW-Seminar am 25.04.06 in Essen. Die Ergebnisse finden Eingang in ein laufendes Forschungsprojekt (05.141/2005/GRB) der Bundesanstalt für Straßenwesen zu Versickerungsbecken und Bodenfiltern. Eine Veröffentlichung in der Fachpresse ist geplant.


Fazit

Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die obere Filterschicht eine besondere Bedeutung für die Bodenfiltration bei Straßenabflüssen hat. Durch den Eintrag von Feststoffen kommt es bei den Versuchen zu einer Zunahme des Ton- und Schluffgehaltes, der Fe-, Mn- und Al-Oxide (wenn die Ausgangskonzentration nicht zu hoch ist) und der organischen Substanz in der oberen Filterschicht. Die Reinigungsleistung des Filters durch bessere Filtration und Adsorptionsmöglichkeit wird dadurch verbessert. Durch den Stoffeintrag während der Betriebszeit verringert sich somit die Bedeutung des ursprünglich eingesetzten Filtermaterials in Bezug auf die Reinigungsleistung.