Projekt 06432/01

Mikrobiologische Sedimentelimination durch Sauerstoffzufuhr – Bilanzierung von Biomasse, Sediment, Schad- und Nährstoffen

Projektdurchführung

Institut für Umweltschutz KLS GmbH
Industriestr. 8
25421 Pinneberg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Verschlammung stehender Gewässer bereitet zunehmend Probleme. Alternativ zu konventionellen Entschlammungstechnologien werden biologische Verfahren angeboten. Die Untersuchung eines biologischen In-Situ-Verfahrens mit Sedimentbelüftung der Fa. BIOLOGIC GmbH & Co KG an dem Hamburger Regenrückhaltebecken (RHB) Lohmühlenteich liefert grundlegende Daten zur Wirksamkeit des Verfahrens und seinen ökologischen Auswirkungen. Zugleich wird die Wirksamkeit der vom Anbieter BIOLOGIC GmbH & Co KG angebotenen speziellen Bakterien-Kultur Typ HI-CLEAN untersucht.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas biologische Verfahren zur Sedimentelimination läuft über zwei Jahre (1995, 1996) jeweils in den Zeiträumen Mai-Oktober. Um die gesteckten Ziele zu erreichen, wurde das RHB wegen seiner günstigen Morphologie und den chemisch-physikalischen Sedimentdaten (relativ hohe Schadstoff- und Nährstoffkonzentrationen, hoher Glühverlust und großer Wassergehalt, Schlammauflagen >1m) als Versuchsgewässer ausgewählt. Für den Verfahrensvergleich a) Belüftung des Wasserkörpers und der Se-dimente und b) Belüftung und Einsatz von zusätzlichen Bakterienkulturen wurde das Gewässer längs der Fließrichtung durch eine spezielle Trennwandkonstruktion in vergleichbare Bereiche (chemisch-physikalisch, Schlammstärke, zu- und abgeführte Wassermassen, Wassertiefe) aufgeteilt. In jedem Bereich wurde eine Verwirbelungs- und Belüftungsanlage der Fa. BIOLOGIC eingesetzt. Die schwimmende Belüftungseinheit rotiert auf einer Kreisbahn um eine fest verankerte Mittelstation und induziert über einen elektrisch angetriebenen Propeller einen Wasser-Luft-Strahl, der die obersten Sedimentschichten aufwirbelt und gleichzeitig mit Luftsauerstoff anreichert. Konstruktionsbedingt verwirbeln die Belüfter nur einen gewissen Bereich des Sediments. Daher erfolgte der Betrieb der Belüfter nacheinander auf den Radien 5, 10 und 15 m. Um Auswirkungen der mikrobiellen Mineralisation der organischen Sedimentbe-standteile feststellen zu können, werden an den Sedimenten und im Wasser chemisch-physikalische und biologische Untersuchung durchgeführt (Methoden nach DIN/DEV). Zur Feststellung der Effizienz des Verfahrens wird die Abnahme des Sedimentvolumens durch Lotungen ermittelt.


Ergebnisse und Diskussion

Während der zwei Belüftungsperioden in 1995 und 1996 wurde insgesamt eine Sedimentvolumenreduzierung von 300 m³ erreicht. Die im Wasser und im Sediment ermittelten Daten lassen schlussfolgern, dass im wesentlichen die folgenden Effekte zur Volumenreduzierung beitragen:
· Abbau von Organik;
· Entwässerung von Sediment;
· Verfrachtung von Sediment in Kombination mit Abbau und Entwässerung.
Der Abbau von Organik mit einhergehender Entwässerung stellt den Haupteffekt dar, wobei diese Vorgänge sowohl in dem Sediment ablaufen, das im direkten Einflussbereich der Lüfter verbleibt, als auch im verfrachteten Material. Das Beimpfen mit den hier verwendeten speziellen Bakterienkulturen (HI-CLEAN) steigerte den Sedimentabbau nicht. Deutlich unterschiedliche Entwicklungen des beimpften und nicht beimpften Gewässerabschnitts waren weder bei den Sediment- noch bei den Wasserparametern erkennbar.Während der Belüftung ändert sich die Sedimentzusammensetzung. Wassergehalt und Glühverlust nehmen ab und es kommt zu einer Abreicherung von Schwermetallen, die wahrscheinlich auf eine bevorzugte Verfrachtung von feinerem, also bezogen auf Kilogramm schwermetallhaltigerem, Sediment zurückzuführen ist. Die Konzentration der Nährstoffe Phosphor und Stickstoff verringert sich ebenfalls signifikant, wobei dem Gewässer Stickstoff durch Denitrifikation entzogen wird, während Phosphor aus dem Einflussbereich der Belüfter über die Aufnahme in Algen gleichmäßig im Gewässer verteilt werden kann. Im Wasserkörper bewirkt die Belüftung im Wesentlichen folgende Veränderung: Der Sauerstoffgehalt wird im Gegensatz zu früheren Jahren und trotz der verstärkt ablaufenden Zehrungsprozesse auf einem für Fische ausreichend hohen Niveau gehalten. Der Nährstoffgehalt des Wassers steigt an, was sich in erhöhter Konzentration von Ortho-Phosphat, Gesamtphosphor, Ammonium und Nitrit widerspiegelt. Die Zunahme der Phosphorkonzentration intensiviert das Algenwachstum und damit die Bioproduktion und Sedimentneubildung im Gewässer. Ursache für den Anstieg der Ammonium- und Nitritkonzentration sind wahrscheinlich die verstärkt ablaufenden Nitrifikations-/Denitrifikationsprozesse. Eine Lösung von Schwermetallen aus dem Sediment ist bei Zink und Blei feststellbar. Ökologisch bedenkliche Werte werden allerdings nicht erreicht. Die Belüftung führt nicht zu einer nachweisbaren Lösung von organischen Schadstoffen (Polychlorierte Biphenyle und Polycyclische Aromatische Kohlenwasserstoffe). Die Ge-samtkeimzahlen, erfasst als koloniebildende Einheiten (KBE), lagen auf einem für eutrophe Flachgewässer üblichen Niveau (max.: 11500 KBE), während die nitrifizierenden Bakterien nur in geringen Abundanzen vorkamen. Die Biozönosen von Phyto- und Zooplankton waren über den gesamten Untersu-chungszeitraum stark entwickelt und wurden durch die Belüftung nicht negativ beeinträchtigt. Im Phytoplankton dominierten Grünalgen (Chlorophyceae), Schlundgeißler (Cryptophyceae) zeitweise auch Kieselalgen (Bacillariophyceae) und Blaualgen (Cyanophyceae). Beim Zooplankton dominierten Rotatorien (Rädertiere) und planktische Kleinkrebse (Copepoden, Cladoceren). Die Besiedlung des Sediments war auf wenige Arten der Oligochaeten (Würmer) und Chironomiden (Mückenlarven) beschränkt und sehr gering. Positiver Nebeneffekt der Belüftung war, dass das Gewässer im trockenen und heißen Sommer 1995 trotz der sauerstoffzehrenden Sedimentmengen, die sich im Gewässer befanden, nicht umgekippt war. Zu keinem Zeitpunkt kam es zu einem Fischsterben (im Gegensatz zu 1994); der Sauerstoffgehalt im Wasser war immer ausreichend hoch. Dieses war auch dann noch der Fall, als mit dem Rückgang der Algenblüte eine zusätzliche Gewässerbelastung auftrat.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

· Zwei Seminare vor Behördenvertretern aus Schleswig Holstein und Hamburg
· Veröffentlichung (Zwischenbericht) bei der Fachzeitschrift WasserAbwasserPraxis (2/97)
· Einreichung einer Veröffentlichung (Endbericht) bei der Fachzeitschrift Wasser und Boden geplant


Fazit

Durch die Verwirbelung des Sediments und die gleichzeitige Sauerstoffzufuhr wird die organische Substanz abgebaut und das Sediment gleichzeitig entwässert. Bei Einsatz dieser Methode in stark durchströmten Gewässern muss beachtet werden, dass aufgewirbeltes Sediment und gelöste Substanzen ausgetragen werden können. Die Lösung von Nährstoffen führt zu einer Verstärkung des Algenwachstums und der Bioproduktion im Gewässer. Das Verfahren hatte keine wesentlichen Auswirkungen auf die Biozönose, wobei die Belüftung den Sauerstoffgehalt trotz der ablaufenden Zehrungsprozesse auf einem für Fische ausreichend hohem Niveau hält. Der Einsatz der hier verwendeten speziellen Bakterienkultur fördert die Abbauleistung nicht signifikant. Das Verfahren stellt eine wichtige Alternative zu den üblichen mechanischen Entschlammungsverfahren dar, wobei die Effektivität durch verbesserte Belüf-tungssysteme und eine gleichzeitige Phosphatfällung wahrscheinlich noch erheblich gesteigert werden kann.