Projekt 03009/01

Entwicklung eines ganzheitlichen Sanierungskonzeptes für hocheutrophe Flachseen am Beispiel der Penkuner Seen

Projektdurchführung

POLYPLAN GmbHIngenieurbüro für Energie- und Umwelttechnik
Ilse-ter-Meer-Weg 7
30449 Hannover

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

In den alten, aber insbesondere in den neuen Bundesländern tritt die Gewässerverschlammung immer häufiger als Sanierungsproblem auf. Als Problem weniger wegen fehlender Methoden, sondern vielmehr wegen der hohen Kosten technisch verfügbarer Methoden. Die biotechnische Entschlammung organischer Sedimente, ob mit oder ohne Zugabe von Mikroorganismen, stellt eine potentiell neue Verfahrensart der Entschlammung dar, die mit stark reduziertem Kostenaufwand durchzuführen ist (dazu auch AZ 06432). Doch bleibt bei dieser Verfahrensart das Phosphat im Kreislauf des Gewässers erhalten, was kurzfristig eine neue Verschlammung verursachen würde. Aus diesem Grund wurde nach Möglichkeiten einer effektiven externen Phosphatelimination geforscht, die auch bei geringen Eingangskonzentrationen bis zu 30 µg noch verlässlich Phosphate aus dem Zulaufwasser eliminiert. Im Rahmen dieses Vorhabens wurden Experimente an unterschiedlichen Bodenfiltern/Langsamsandfiltern durchgeführt, die zu einem großen Erfolg führten. Das Ziel, eine ganzheitliche Methode zur Gewässerentschlammung/-sanierung zu entwickeln, wurde somit angestrebt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAm Beispiel einer hocheutrophen Seenkette wurde nach Bestandsaufnahme von Flora, Fauna, Limnologie, Hydrologie, Einzugsgebiet und Flächennutzung im Einzugsgebiet eine neue Kombination zweier ineinandergreifender Sanierungsmethoden erprobt. Im Anschluss an die Bestandsaufnahme der Gewässer wurden folgende Verfahren erprobt: Biotechnische Entschlammung und Phosphatelimination mit Bodenfiltern in einem Versuchslabor, welches vor Ort installiert wurde. Die eingesetzten Bodenfilter wurden rechnergestützt intermittierend beschickt und die Ausflussfunktionen jeder Beschickung automatisch aufgezeichnet, um die maximale hydraulische Belastbarkeit als Funktion der Zulaufffracht zu ermitteln.


Ergebnisse und Diskussion

Biotechnische Entschlammung
Ausgewählte Mikroorganismen wurden direkt in das Schlammsediment injiziert. Die Mikroorganismen bilden nach vorheriger Aktivierung notwendige Enzyme zur Spaltung schwer löslicher und verwertbarer Biopolymere und beschleunigen bzw. ermöglichen dadurch den biologischen Abbau der organischen Anteile im Schlammsediment. Im Versuchslabor vor Ort in Penkun wurden in 12 Aquarienbecken mit jeweils 20 kg Feuchtschlamm und zusätzlich im Labor im Grammbereich unterschiedliche Behandlungsmethoden zur Schlammreduktion getestet.
Ergebnis:
Die Versuche haben gezeigt, dass gegenüber einem unbehandelten Sediment eine alleinige Belüftung des Wasserkörpers nicht für den Abbau des Schlamms ausreichend ist. Der Zusatz von Mikroorganismen erbrachte dagegen eine deutliche Schlammreduktion. Innerhalb des Untersuchungszeitraums von 3 Monaten sank der organische Kohlenstoffgehalt deutlich ab und die Schlammtrockenmasse wurde um etwa 22 % reduziert. Messungen haben gezeigt, dass bei der Schlammreduktion keine ökotoxikologisch bedenklichen Metabolite freigesetzt werden. Da es beim Abbau des Schlamms aus den Penkuner Seen zu einer Phosphatfreisetzung kommt, ist eine Phosphateleminierung notwendig.
Bodenfilter
Um eine hohe spezifische Beschickung im kolmationsfreien, selbstregenerierenden Dauerbetrieb realisieren zu können, muss eine Bodenfilteranlage für die Gewässerreinigung muss zweistufig ausgeführt werden. Die erste Stufe hat die Aufgabe koloniebildende Algenzellen als eine Art Vorverdauung zu zerstören und für die Anlagerung in den folgenden Schichten des Festbetts aufzubereiten. Die zweite Stufe des Festbetts wird sinnvollerweise mit deutlich feinerer Körnung gepackt, um eine optimale Feinfiltration zu erreichen. Die Festbetten beider Stufen werden mit der erforderlichen Menge Phosphat-Adsorbens gepackt. Ein kolmationsfreier Betrieb, d.h. Selbstregeneration durch mikrobiellen Abbau und Mineralisierung der abfiltrierten organischen Substanz ist selbstverständlich nur möglich, wenn die Abbaurate höher als die Filtrationsrate ist. Die Beschickung muss dementsprechend gesteuert werden. Eine witterungsabhängige Steuerung empfiehlt sich, wenn eine optimale Ausnutzung der Anlage erreicht werden soll. Hierfür wurden Kennlinienfelder ermittelt, die die Korngrößenzusammensetzung des Festbettes berücksichtigen. Die Phosphat-Adsorption mit Bodenfilter ist am effektivsten hinsichtlich Gesamt-P. Mit der Bodenfilteranlage in Penkun wurden Eliminationsraten von im Mittel 85% im Dauerbetrieb erreicht. Gelöstes Phosphat wurde wegen geringerer Verweilzeit im Filter nur zu 60% eliminiert. Die Phosphat- Eliminationsraten mit der Bodenfilteranlage in Penkun sind angesichts des geringen dafür zu treibenden technischen Aufwandes als sehr effektiv einzustufen. Sehr wichtig für den Einsatz von Bodenfilteranlagen zur Gewässerreinigung ist die effektive Reduzierung der Keimzahl, da es sich um einen wesentlichen Parameter gemäß Badegewässer- Richtlinie der EU handelt. In der Regel wird technischer Aufwand zur Gewässersanierung nur dann sinnvoll eingesetzt werden, wenn eine diesen Aufwand rechtfertigende Nutzung dahintersteht. Die Tests verschiedener Materialien auf Eignung für den Einsatz in Bodenfilteranlagen zur Gewässersanierung haben überwiegende Vorteile für den Einsatz von Oolith, einem bestimmten Kalziumkarbonat-Mineral ergeben. Die spezifische Phosphat-Bindungskapazität ist zwar vergleichsweise gering, aber es ist in einer für Gewässer unbedenklichen Reinheit verfügbar, was bei technischen Adsorbentien in jedem Falle zweifelhaft ist und die handelsüblichen Körnungen eignen sich vorzüglich für den Einbau in das Festbett. Die aktiven Substanzen waschen im Vergleich zu stärkeren technischen Adsorbentien nicht aus und werden nicht spontan freigesetzt, so dass eine dauerhafte Bindung des adsorbierten Phosphats in der Festbett-Matrix möglich ist. Die Bemessungsgrundlagen und spezifische Baukosten wurden ermittelt und Lösungen für die technischen Details erprobt. Der spezifische Flächenbedarf für eine Bodenfilteranlage zur Gewässersanierung liegt in der Größenordnung von einem Prozent der Fläche des Gewässers. Die spezifischen Baukosten liegen in der Größenordnung von 100.000 DM pro ha für kleine Anlagen. Verbesserungen hinsichtlich Leistung und Kosten sind in der Zukunft insbesondere hinsichtlich des Phosphat-Adsorbens zu erwarten. Auf dieser Basis wurde im Mai 1996 eine Anlage im Sommerbad Volksdorf, für die Bäderland GmbH, Hamburg, gebaut. Dieser Badesee (knapp 1 ha) hat einen nährstoffreichen Grundwasserzufluss aus dem moorigen Untergrund.