Projekt 10098/01

Entwicklung eines Verfahrens zur Klarwasserperkolation als dezentrale Abwasserbehandlung am Beispiel ländlicher Gebiete Brandenburgs

Projektdurchführung

Brandenburgische Technische Universität CottbusFakultät 4 - Umweltwissenschaften u. VerfahrenstechnikLehrstuhl Abwassertechnik
03013 Cottbus

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Nährstoffelimination ist für Kläranlagen der Größenklassen 1 und 2 auch nach der Neufassung des WHG Wasserhaushaltsgesetzes in der Abwasserverordnung nicht generell gefordert. Dennoch ist, z.B. wenn der Kläranlagenablauf in empfindliche Gewässer oder in das Grundwasser eingeleitet werden muss, eine weitergehende Abwasserbehandlung mit Nährstoffelimination unverzichtbar. Besonders für kleinere Anlagen fehlen aber praktikable, im ländlichen Raum einsetzbare und ökonomisch vertretbare Verfahrensweisen. Das Projekt mit der Entwicklung Klarwasserperkolation verfolgte das Ziel, einen kostengünstigen, langzeitstabilen Nachreinigungsreaktor zu entwickeln, der mit geringem Wartungsaufwand eine dauerhafte weitestgehende Abwasserreinigung sicherstellt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDer Reaktor zur Klarwasserperkolation wurde als nachgeschalteter Reaktor hinter einer Grundreinigung mit herkömmlicher, im ländlichen Raum erprobter Reinigungstechnik konzipiert. In einem ersten, aeroben Reaktionsraum erfolgt verfahrenstechnisch die Oxidation des verbliebenen Ammoniums sowie die Phosphatelimination mit eisenhaltigen Reststoffen. Im zweiten Reaktionsraum durchströmt das Abwasser zur Substratanreicherung unter anoxischen Bedingungen ein organisches landwirtschaftliches Nebenprodukt (z.B. Strohhäcksel). Die in diesem Milieu einsetzende Denitrifikation wird in einem Sandfilter fortgeführt und abgeschlossen.
Neben der Durchführung weiterer Laborversuchsreihen zur Erprobung geeigneter Materialien für die Bestückung der Reaktionsräume wurde eine halbtechnische Versuchsanlage errichtet. Diese Anlage wurde für eine hydraulische Belastung von bis zu 300 EW ausgelegt. Der Betrieb während zwei Sommer- und zwei Winterperioden unter variierten Betriebsbedingungen sollte die Praxistauglichkeit und dauerhafte Umweltentlastung nachweisen.
Zusammen mit den Kooperationspartnern GBU (Gesellschaft zur Beseitigung von Umweltschäden) und WAC (Zweckverband Calau) wurden Möglichkeiten zur rationellen und kostensparenden Errichtung einer Klarwasserperkolationsanlage untersucht und praxisgerechte Betriebsanweisungen für einen effektiven und dauerhaft erfolgreichen Betrieb erarbeitet.


Ergebnisse und Diskussion

Im Projekt konnte gezeigt werden, dass eine weitgehende Abwasserreinigung in kleinen Kläranlagen durch den Einsatz einfacher Verfahren kostengünstig erreicht werden kann. Die wesentlichen Verfahrensschritte sind:
- vollständige Nitrifikation, die unter Umständen auch zweistufig vorgenommen werden kann;
- vorgeschaltete Denitrifikation eines Teils des gebildeten Nitrats.
- nachgeschaltete Denitrifikation des verbliebenen Nitrats mit Stroh als Substrat.
- Adsorption von Phosphaten mit Eisenspänen, wobei die vermehrte biologische Elimination oder die Fällung gegebenenfalls als unterstützende Maßnahme eingesetzt werden können.
Im einzelnen haben die Versuche gezeigt, dass die Nitrifikation möglichst in der Grundreinigung erfolgen sollte, da die Belastungsschwankungen in der zweiten Stufe schlechte Bedingungen für die Anreicherung einer leistungsfähigen Nitrifikantenpopulation darstellen. Perioden der anhaltenden Unterbelastung bei weitgehender Nitrifikation schon in der Grundstufe wechseln mit plötzlich einsetzenden hohen Belastungen infolge von extremen Ammoniumspitzenfrachten, Betriebsstörungen oder Temperaturwechseln. Diese sind aufgrund der geringen Vermehrungsrate der Nitrifikanten nicht mit zufriedenstellender Effektivität zu bewältigen. Mit einer Bypassregelung könnte das erforderliche stetige Wachstum der Nitrifikanten in der zweiten Stufe sichergestellt werden.
Wird gegebenenfalls eine zweistufige Nitrifikation eingerichtet, so eignen sich insbesondere Biofilmverfahren, deren Flächenbelastung 0,5 g N/(m²·d) nicht überschreiten sollte. Die Ammoniumfracht, die bei der Bemessung anzusetzen ist, ist von der Stabilität der Nitrifikation in der Grundstufe abhängig. Im allgemeinen wird es sinnvoll sein, die Nachnitrifikationsstufe auf die gesamte, zu nitrifizierende Stickstickstofffracht auszulegen.
Die Denitrifikation sollte ebenfalls teilweise bereits in der Grundstufe erfolgen. Der prinzipiell verbleibende Rest und gegebenenfalls die Nitratfracht der Nachnitrifikationsstufe werden nachgeschaltet entfernt. Hierzu hat sich in den Versuchen Stroh als Substrat bewährt. Das Abwasser wird in einem Strohreaktor mit Substrat angereichert und denitrifiziert. Die Denitrifikation wird nachfolgend in einem Kiesfilter abgeschlossen. Es können Denitrifikationsraten von etwa 10 g N/(m³·d) für die Gesamteinheit aus Strohreaktor und Kiesfilter angenommen werden. Die durch den Abbau abnehmende Substratfreisetzung aus dem Stroh kann z.B. durch den sukzessiven Einsatz der Strohballen oder durch die Aufteilung des Abwasser-stroms auf Strohreaktor und Kiesfilter ausgeglichen werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Adresse: Brandenburgische Technische Universität Cottbus Fakultät 4 - Umweltwissenschaften u. Verfahrenstechnik Lehrstuhl Abwassertechnik, Postfach 101344, 03013 Cottbus, Telefon 0355-693182, Fax 0355- 693025, Ansprechpartner: Herr Prof. Dr.-Ing. M. Burde.
Vorträge: F. Rolf, (2000): Nährstoffelimination in ländlichen Kläranlagen als Beitrag zur nachhaltigen Qualitätsverbesserung regionaler Gewässer. 5. Lausitzer Wissenschaftstage 20. - 21. 06.2000, Cottbus.
Veröffentlichungen:
Rolf, F.; Grabowski, F.; Burde, M. (1998): Low Cost Procedures for Nutrient Removal in Small Rural Wastewater Treatment plants. Water Science and Technology, Band 38, 3/98, S. 179-185
Rolf, F.; Schneider, D. (2000): Phosphate Elimination with Iron Filings and Gravel from Groundwater Iron Extraction. Poster, First World Water Congress of the International Water Association, 7/2000, Paris, L 068
Burde, M.; Rolf, F.; Grabowski F (2001): Innovative low cost procedure for nutrient removal as an integral element of a decentralised water management concept for rural areas. Water Science and Technology, Band 44, 1/2001, S. 105-112
Rolf, F. (2001/2): Nährstoffelimination in kleinen Kläranlagen. Dissertation, BTU Cottbus, in Vorbereitung


Fazit

Im Projekt konnte gezeigt werden, dass eine weitestgehende Abwasserreinigung in kleinen Kläranlagen durch den Einsatz einfacher Verfahren erreicht werden kann. Die entstehenden Kosten sind nicht vernachlässigbar, liegen aber erheblich unter denen, die beim Einsatz miniaturisierter großtechnischer Verfahren anfallen würden.