Projekt 14178/08

Verbund Bewachsene Bodenfilter: Bodenkundliche Untersuchung der Kolmation bewachsener Bodenfilter

Projektdurchführung

Universität HamburgInstitut für Bodenkunde
Allende-Platz 2
20146 Hamburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die meisten im Einsatz befindlichen Bodenfilter zeigen gute bis sehr gute Reinigungsleistungen. Im Einzelfall kann es allerdings zu einer Verstopfung der Filterporen kommen. Diese so genannte Kolmation verhindert einen einwandfreien Klärbetrieb und kann Geruchsbelästigungen verursachen. Ziel dieses Vorhabens ist es, Kolmationsursachen durch vergleichende Untersuchungen an kolmatierten und nicht kolmatierten Anlagen zu ermitteln. Damit wird ein Überblick über die unterschiedlichen Randbedingun-gen, die zu einer Kolmation führen, gewonnen. Die Ergebnisse dienen als Grundlagen zur Erstellung eines Handbuchs mit Handlungsanweisungen zur Kolmationsvermeidung bzw. zur Sanierung kolmatierter Anlagen (s. hierzu auch AZ 14178/09).


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenFür die Untersuchung der Kolmation wurden Boden- und Abwasseruntersuchungen in regelmäßigen Abständen über einen Zeitraum von 3 1/2 Jahren an 5 verschiedenen Anlagen der Verbundpartner durchgeführt. Das ermöglichte den Vergleich zwischen neuen und langjährig betriebenen Anlagen.
Bei der Abwasseruntersuchung lag der Schwerpunkt auf der Messung der abfiltrierbaren Stoffe (AFS) speziell ihrer Korngrößenverteilung und Zusammensetzung. Die ermittelten Werte der verschiedenen Anlagen wurden in Bezug zur jeweiligen Kolmationstendenz gesetzt. Weitere Abwasserkennwerte (chemischer Sauerstoffbedarf, CSB; biologischer Sauerstoffbedarf, BSB5 usw.) wurden von den Verbundpartnern zur Verfügung gestellt.
Im Filterboden wurden vor allem mikromorphologische und bodenphysikalische Untersuchungen zur Veränderung innerhalb des Porenraums bei einer Kolmation sowie bei der Regeneration durchgeführt. Zum Einsatz kamen Polarisations- und Konfokales Laser Scanning Mikroskop. Außerdem wurden die Porengrößenverteilung und die Aggregation des Gefüges ermittelt. Weiterhin wurde die biologische Aktivität mit Hilfe von Biomasse- und Enzymbestimmungen gemessen und der Ab- und Umbau organischer Substanz im Boden bestimmt.
Ergänzend zu diesem Messprogramm wurden an zwei Anlagen feste Messsensoren, bestehend aus Tensiometern (= Wasserspannung), FDR-Sonden (= Wassergehalt), Temperaturfühlern sowie Redox-elektroden installiert, mit deren Hilfe die physikochemischen Milieubedingungen ermittelt werden konnten.


Ergebnisse und Diskussion

Zur Erfassung des physikochemischen Milieus sind die eingesetzten Redox- und Wassergehaltssonden geeignet. Beide Sensortypen reagieren sensibel auf die einzelnen Abwasseraufgaben. Bei einer beginnenden Kolmation sinkt das Redoxpotenzial auf einen relativ konstanten Wert ab und die einzelnen Abwasseraufgaben haben keine Potenzialänderung mehr zur Folge. Ähnliches gilt für die Wassergehalts-messung, hier steigen die Werte bei einem Kolmationszustand auf einen konstanten Wert an. Interessant ist die Langzeitstabilität. An den Redoxsonden kann es grundsätzlich, in Abhängigkeit vom Redox-potenzial, durch Belegungen der Oberfläche zur Vergiftung der Sonde kommen. Dies wurde jedoch bis zum Ende der Untersuchungen nicht beobachtet.
Die Versickerungsleistung wurde mit Hilfe eines modifizierten Open-End-Test-Rohrs im Gelände und im Vergleich dazu im Labor an ungestörten Proben (250 cm³ Stechringe) gemessen. Der Einsatzbereich der Labormessmethode ist auf nicht kolmatierende Filter beschränkt, da eine Entnahme von Stechzylindern unter der Wasseroberfläche nicht möglich ist. Das Open-End-Test-Gerät erlaubt dagegen auch ei-ne Messung der Versickerungsleistung auf kolmatierenden Filtern, weshalb diese Messmethode vorteil-hafter ist. Die Ergebnisse verdeutlichen eine stetig abnehmende Versickerungsleistung um bis zu 4 Zehnerpotenzen bei kolmatierenden Anlagen im Laufe eines Abwasserbeschickungszyklus. In den Som-mermonaten wurde eine Regeneration der Versickerungsleistung innerhalb eines Zeitraums von ein bis drei Wochen ermittelt.
Die biologische Aktivität zeigt eine feine Schichtung über die Tiefe. Bei allen Parametern (Biomasse, Grundatmung und Enzymaktivität) wurden die höchsten Werte in der obersten Schicht (0-3 cm unter Geländeoberfläche) gemessen. Zur Tiefe hin nahmen die Werte kontinuierlich ab. Die Messung der Atmungsaktivität ist zur Bestimmung der biologischen Aktivität in kolmatierten Filtern nicht geeignet. Es wurden ergänzend Aktivitätsmessungen mit der FISH-Methode (Gensonden) durchgeführt.
Die Messung des Porenvolumens ergab eine deutliche Veränderung des Porenspektrums an der Filteroberfläche gegenüber tiefer gelegenen Schichten. Der Feinporenanteil nimmt mit der Zeit zu, in gleichem Maße nimmt der Anteil weiter Grobporen ab. Da der Einfluss der biologischen Porenfüllung aufgrund der Probenvorbereitung als gering einzustufen ist und da dies nur bei älteren Anlagen gemessen wurde, kann man von einer Auswirkung der Schwebstofffracht ausgehen. Der Rückgang der weiten Grobporen führt zu einer verminderten Versickerungsleistung, da eine nennenswerte Versickerung nur in diesem Porenbereich stattfindet.
Die Schwebstofffracht sowie die CSB-Werte im Zulauf auf die Filter korrelieren mit der Kolmationsneigung der Filter. Um Kolmationen langfristig zu vermeiden, sollte die Menge der AFS 5g/m² x d und der CSB 20g/m² x d nicht übersteigen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Auf den im Rahmen des Teilprojekts Projektmanagement und Öffentlichkeitsarbeit erstellten Flyern konnte man Informationen zur Langzeitstabilität/Kolmation von Bodenfiltern anfordern. Es wurde Kontakt zu 38 Interessenten aufgenommen, wobei es mit verschiedenen Interessenten zu einem engeren Austausch von Informationen kam. Zwei der dabei bekannt gewordenen Anlagen wurden auch beprobt. Die Ergebnisse wurden auf nationalen und internationalen Kongressen vorgestellt und in einer Fachzeitschrift publiziert:
- 8th biennial conference on Wetland Systems for Water Pollution Control der International Water Association (IWA), Arusha, Tansania, 2002.
- Fachtagung der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V., Hennef, 2003.
- Winter, K.-J. & Goetz, D. (2001): Kolmation in Bewachsenen Bodenfiltern. Wasser & Boden 53 (3): 19-22.


Fazit

Mit dem Vorhaben wurden die gesteckten Ziele erreicht. Einzelne Arbeitsschritte mussten modifiziert werden. Der Gesamtzeitplan konnte aber trotz der zusätzlich erstellten Kleinkläranlage und einigen in dieser Form nicht erwarteten Schwierigkeiten eingehalten werden.
Im Rahmen der Arbeit wurden neue Methoden für die Probenpräparation zur mikroskopischen Analyse von Kolmationserscheinungen und für die Fraktionierung von Schwebstoffen entwickelt sowie die Technik für Infiltrationsmessung auf Bodenfiltern verbessert.
Es konnten grundsätzliche Mechanismen der Kolmationsentstehung geklärt werden. Daraus wurden dezidierte Vorschläge zur Kolmationsprävention abgeleitet, die dem Planer und dem Betreiber der Anlagen Kenndaten an die Hand geben. Für die Ertüchtigung kolmatierter Bodenfilter wurde ein Verfahrensschema erstellt. Die Ergebnisse der Untersuchungen ermöglichen einen gesicherten Betrieb Bewachsener Bodenfilter in der Praxis und bieten wissenschaftlich abgesicherte Daten für die Planung Bewachsener Bodenfilter.