Projekt 14178/03

Verbund Bewachsene Bodenfilter: Optimierung der Abflußsteuerung und weitestgehende Nitrifikation in der Verfahrenskombination Teichanlage/Bewachsener Bodenfilter zum Schutz kleiner Fließgewässer

Projektdurchführung

Universität HannoverInstitut für Siedlungswasserwirtschaft undAbfalltechnik
Welfengarten 1
30167 Hannover

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Betrachtet man die Betriebsdaten von Teichkläranlagen, so ist festzustellen, dass diese relativ gute Ablaufwerte bezüglich der organischen Verunreinigungen aufweisen, auch gut denitrifizieren, die nachfolgenden Gewässer aber mit hohen Ammoniumfrachten belasten (ca. 20 mg/l NH4-N). Die Ammoniumeinträge wiederum sind ein entscheidender Parameter für die ökologische Situation der nachfolgenden Fließgewässer, nicht selten kleine und empfindliche Gewässer. Vertikal durchströmte Bodenfilter hingegen gelten als sehr effektiv hinsichtlich der Nitrifikation. Ziel des Projekts ist es, Bewachsene Bodenfilter zur Nitrifikation mit den altbewährten Teichkläranlagen neu zu kombinieren. Durch eine weitestgehende Nitrifikation im Bodenfilter und eine gezielte Steuerung des Wasserhaushalts der kombinierten Teich-Bodenfilteranlage sollte die Belastung des nachfolgenden Gewässers minimiert werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAls Erweiterung der Abwasserteichanlage in Ettenbüttel wurde ein vertikal durchströmter Bodenfilter speziell zur Nitrifikation konzipiert, bemessen und erprobt. Die Nitrifikationsleistung des Vertikalfilters wurde unter Berücksichtigung verschiedener Einflussgrößen bilanzierend erfasst und optimiert, der Nitrifikationsprozess im Verlauf über die Tiefe des Filterkörpers beschrieben. Ergänzend wurden hierzu systematische Untersuchungen an einer Bodensäulenversuchsanlage durchgeführt. Zur Ableitung von Kontroll- und Steuergrößen, die es möglich machen, den Bodenfilter in Abhängigkeit von seiner Aufnahmefähigkeit zu beaufschlagen, wurden im Ablauf des Bodenfilters verschiedene Messgrößen kontinuierlich erfasst und die Abhängigkeiten von der Nitrifikationsleistung ausgewertet. Zur hydraulischen Bewirtschaftung der Anlage wurden alle Wasserströme aufgenommen. Über eine speziell entwickelte Fernwirktechnik konnten die aufgezeichneten Daten abgefragt und steuernd in den Betrieb eingegriffen werden. Die durch den Bau des Vertikalfilters erzielte Gewässerentlastung wurde durch die Aufnahme des Arteninventars im Vorfluter dokumentiert. Über die Anwendung von in-place-Verfahren an einem Vergleichsgewässer wurde die Eignung verschiedener Testorganismen als Anzeiger für eine Ammoniumbelastung systematisch untersucht.


Ergebnisse und Diskussion

Die Kombination einer unbelüfteten Teichanlage mit einem vertikal durchströmten Bodenfilter kann im Hinblick auf die Reduzierung des Ammoniumaustrags als sehr effektiv bewertet werden. Die Untersuchungen deckten einen Bereich der TKN-Flächenbelastung des Vertikalfilters bis 8 g/(m² x d) ab und damit die in der Praxis vorkommenden Belastungsverhältnisse. Ist ein ausreichender Sauerstofftransport in den Filterkörper gewährleistet, weist der Vertikalfilter in diesem Belastungsbereich eine konstant hohe Nitrifikationsleistung auf, die in erster Linie von der Abwassertemperatur beeinflusst ist. Bei Abwassertemperaturen > 10 °C wird etwa 90 % der aufgebrachten Kjeldahlstickstoff (TKN)-Fracht nitrifiziert, bei Temperaturen unter 5 °C noch etwa 50 %. Für eine gezielte Nitrifikation ist bei üblichen Anwendungsfällen (häusliche Abwässer, Haupt- oder Nachreinigungsstufe) eine Begrenzung der TKN-Flächenbelastung nicht notwendig. Vielmehr ist bei dem vorliegenden Anwendungsfall (Einsatz des Bodenfilters zur Nachreinigung) eine Begrenzung der hydraulischen Belastung zu empfehlen. Zwar führten im Sommerbetrieb kurzzeitige extreme Belastungen bis zu 290 mm/d zu keinem Einbruch der Nitrifikationsleistung, für den Dauerbetrieb sollte aber im Sommer eine Belastung von etwa 120-130 mm/d nicht überschritten werden. Zur Gewährleistung einer ausreichenden Sauerstoffversorgung im Winterbetrieb ist die Last auf 80 mm/d zu begrenzen. Eine Filtertiefe von 50 cm hat sich als ausreichend erwiesen, da der Nitrifikationsprozess selbst bei hohen Belastungen in einer Tiefe von 30 cm abgeschlossen ist. Eine Redoxpotenzialmessung im Ablauf des Filters bietet eine zuverlässige und einfache Möglichkeit einer unmittelbaren Betriebskontrolle, da sich die Sauerstoffversorgung des Filters und die Nitrifikationsleistung zuverlässig über diesen Parameter abbilden lassen. Über eine hydraulische Bewirtschaftung der Gesamtanlage kann die Umsatzleistung optimiert (Erhöhung der Nges-Elimination durch Rücklaufführung) und Abschläge un- oder teilgereinigter Abwässer in den Vorfluter minimiert werden. Die Berücksichtigung wesentlicher Randbedingungen, wie der Kapazität des Bodenfilters (Kontrolle über das Redoxpotenzial), der Belastbarkeit des Vorfluters und dem zur Verfügung stehenden Speichervolumen in den Teichen, kann so zu einem nachhaltigen Betriebs- und Gewässerschutzkonzept zusammengefasst werden. Ammoniumeinleitungen in Fließgewässer sind insbesondere bei erhöhten Wassertemperaturen im Sommer kritisch zu bewerten. Durch die besonders hohe Nitrifikationsleistung des Vertikalfilters in dieser Zeit kann eine effektive Gewässerentlastung erreicht werden. Als ökologisch begründeter Ammoniumzielwert wurde eine Konzentration von etwa 0,3 mg/l NH4-N im Gewässer abgeleitet, bei dessen Einhaltung keine wesentlichen Effekte auf die Lebensgemeinschaft zu erwarten ist. Als Indikator für die Bewertung ammoniumbelasteter Gewässer scheint die Insektenordnung Trichoptera besonders geeig-net.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Im Rahmen des Verbundprojekts Bewachsene Bodenfilter fanden mehrere Veranstaltungen zur öffentlichen Darstellung und Diskussion der Projektergebnisse statt. Darüber hinaus entstanden aus den Ergebnissen dieses Teilprojekts folgende Veröffentlichungen und Präsentationen:
- Kayser, K., Kunst, S., Fehr, G. (2001): Stickstoffelimination in Bewachsenen Bodenfiltern. Wasser & Boden 53 (3): 7-10.
- Kayser, K., Kunst, S., Fehr, G., Voermanek, H. (2001): Optimierung unbelüfteter Abwasserteichanlagen durch Kombination mit vertikal durchströmten Bodenfiltern, 14. Norddeutsche Tagung für Abwasserwirtschaft und Gewässerschutz, Lübeck-Travemünde 19.-20.11.2001.
- Kayser, K., Kunst, S., Fehr, G., Voermanek, H. (2001): Nitrification in Reed Beds - Capacity and Potential Control Methods. Platform presentation, 2nd World Water Congress der International Water Associoation (IWA), 15.-18.10.2001, Berlin.
- Kayser, K., Kunst, S., Fehr, G., Voermanek, H. (2002): Nitrifikation in Teich-Bodenfilteranlagen. Bundestagung der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (ATV), 17.-18.9.2002, Weimar.
- Kayser, K., Kunst, S., Fehr, G., Voermanek, H. (2002): Controlling a combined lagoon / reed bed system using the Oxidation-reduction potential (ORP). Platform presentation, 8th International Conference on Wetland Systems for Water Pollution Control der International Water Association (IWA), Arusha, Tansania, 2002


Fazit

In vertikal durchströmten Bodenfiltern ist selbst bei hohen oder stark schwankenden hydraulischen und stofflichen Belastungen eine weitgehende Nitrifikation möglich. Zur Sanierung bestehender Teichanlagen zur Mischwasserbehandlung bietet ein nachgeschalteter Vertikalfilter die Möglichkeit einer effektiven Gewässerentlastung. Zur Bemessung ist für die ganzjährige Behandlung der anfallenden Wassermenge die hydraulische Belastung auf 80 mm/d zu begrenzen. Der Betriebszustand des Filters lässt sich gut über das Redoxpotenzial im Ablauf abbilden. Diese Messgröße stellt daher eine geeignete Kontroll- und Steuergröße dar, die es ermöglicht, die Nitrifikationsleistung des Bodenfilters voll auszuschöpfen und gleichzeitig eine Überlastung zu vermeiden.