Projekt 18241/01

Weiterentwicklung des Denitrifikationsverfahrens für bewachsene Bodenfilter am Beispiel der Pflanzenkläranlage Balde der Gemeinde Erndtebrück/ NRW

Projektdurchführung

Ingenieurbüro BokatecBoller Kläranlagen Technik
Wahlbacher-Hof
57234 Wilnsdorf

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Kläranlagen mit emersen Sumpfpflanzen, im folgenden kurz Pflanzenkläranlagen (PKA) genannt, zählen zu den naturnahen Verfahren der Abwasserbehandlung. Die PKAen werden in Europa überwiegend zur Reinigung von häuslichem Abwasser eingesetzt. PKAen lassen sich derzeit mit den Prozesszielen Kohlenstoffabbau und Nitrifikation betreiben. Mit dem Denitrifikationsprozess in PKAen gibt es so gut wie keine gesicherten Erfahrungswerte bzw. Bemes-sungsansätze, um eine weitergehende Stickstoffelimination im Betrieb zu gewährleisten.
Zielsetzung dieses Forschungsvorhabens war - aufbauend auf den bisher durchgeführten Untersuchungen des Landesumweltamtes NRW - die PKA Balde um den Prozess der gezielten Denitrifikation zu erweitern und die Nitrifikation zu optimieren.
Die Untersuchungsergebnisse sollten zu abgesicherten Erkenntnissen (Bemessungsansätzen) führen, die es erlauben, künftig eine Vielzahl von PKAen wirtschaftlich um den Prozess der Denitrifikation zu erweitern.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur Umsetzung der Projektziele sollten Maßnahmen hinsichtlich der Optimierung der Nitrifikation und der Denitrifikation untersucht werden:
· Einleitung des Rezirkulats in die Vorklärung.
· Installation eines Rührwerks in der zu modifizierenden Vorklärung der Straße 2 zur Erreichung einer entsprechenden Stoffwechselumsatzgeschwindigkeit (Nährstoffkontakt, Optimierung des Nährstoffdargebots).
· Aufbau eines Rücklaufschlammkreislaufes sowie eines Überschussschlammkreislaufes
· Sofern erforderlich, Installation eines Lamellenseparators bzw. eines Filtermoduls in der zu modifizierenden Vorklärung.
Die Maßnahmen wurden durch ein umfangreiches Analysenprogramm überwacht. Die Proben wurden mit automatischen Probenahmegeräten gezogen.


Ergebnisse und Diskussion

Die Ausführungen im Abschlußbericht (September 2003) zeigen die bekannten Funktionsmechanismen vertikal beschickter bewachsener Bodenfilter auf. Vertikal beschickte Bodenfilter sind hinsichtlich der Stickstoffumsetzungsprozesse systembedingt zum sicheren Kohlenstoffabbau und zur Nitrifikation befähigt. Eine sichere Nitrifikation ist Voraussetzung für den Prozess der Denitrifikation. Aufgrund der guten Sauerstoffversorgung und eines Mangels des für die Denitrifikation notwendigen Kohlenstoffdargebotes kann im Bodenfilter nur eine eingeschränkte Denitrifikation beobachtet werden.
Die bisherigen Versuche, die Denitrifikation aus dem Bodenfilter heraus in vor- oder nachgeschaltete Anlagenkomponenten zu verlagern, zeigten eine gesteigerte Denitrifikationsrate auf. Der mit diesen Verfahrensänderungen einhergehende Kosten- und Flächenbedarf in Verbindung mit nur teilweise befriedigenden Stickstoffabbauraten forderte eine weitergehende Alternative.
Der dieser Arbeit zugrunde liegende, selbst entwickelte Verfahrensansatz zur gezielten Denitrifikation bei vertikal beschickten bewachsenen Bodenfiltern sollte zu Verbesserungen im bisher nicht befriedigenden Bereich anerkannter Stickstoffelimination bei bewachsenen Bodenfiltern führen. Eine Verbesserung der Stickstoffelimination soll durch den Einbau eines einfachen Rührwerkes in einem Teilbereich der Vorklärung (bei ausreichend dimensionierter Vorklärung kann vorhandenes Volumen genutzt werden) erreicht werden. Die im Vertikalfilter auf hohem Niveau verlaufende Nitrifikation stellt über eine Rezirkulation einen nitrathaltigen Abwasserstrom zur Denitrifikation in dem ständig gerührten Teil der Vorklärung zur Verfügung. In diesem Denitrifikationsbereich entsteht eine Biozönose, die für hohe Umsatzraten auf kleinem Raum sorgt. Der mit der Denitrifikation prozessbedingt ablaufende Kohlenstoffabbau reduziert gleichzeitig die aus dem Ablauf der Vorklärung resultierende Flächenbelastung an AFS und CSB des Vertikalfilters. Dieses neue System nutzt das vorhandene Reinigungspotenzial (Kohlenstoffabbau, Nitrifikation) vertikal beschickter Bodenfilter und optimiert mit geringem Aufwand den bisher unbefriedigenden Bereich der Denitrifikation durch Verlagerung der Denitrifikation in die Vorklärung, die mit ihrem Kohlenstoffdargebot und anoxischen Verhältnissen die bisher fehlenden Voraussetzungen zur Denitrifikation bietet.
Die Auswertung der gewonnenen Daten ergab, dass mit dem Verfahrensansatz der vorgeschalteten Denitrifikation eine Stickstoffelimination von 79,44 % im Versuchszeitraum erzielt wurde. Eine Aufteilung der Anlageneliminationsleistung auf die einzelnen Anlagenkomponenten ergab für die Denitrifikationsstufe eine Stickstoffelimination von 39,7 %. Die im Komponentenverbund Vorklärungbewachsener Bodenfilter ermittelte Stickstoffelimination von 43,46 % entspricht der bisher bekannten Stickstoffelimination in konventionell betriebenen, vertikal beschickten bewachsenen Bodenfiltersystemen.
Die Nachrüstung der Pflanzenkläranlage hat damit eine Steigerung der Stickstoffelimination von fast 40 % bewirkt. Gleichzeitig konnten die bisherigen Nachteile der aus dem Bodenfilter ausgelagerten Denitrifikation (hohe Investitionskosten, hoher Flächenbedarf) vermieden werden. Die Nachrüstung bestehender Anlagen wie auch die Ausrüstung neuer Anlagen bedingt einen nur geringen investiven Aufwand. Die eingesetzten Verfahrenskomponenten sind als erprobt und bewährt einzustufen. Aus den erzielten Ergebnissen wurde ein Bemessungsansatz entwickelt.
Die Nitrifikation als die dem Denitrifikationsprozess zeitlich vorgelagerte notwendige Reaktion wurde über die Verfahrenskomponenten Vorklärung-Beschickung-Bodenfilter definiert, da nur eine gesicherte Nitrifikation einen auf hohem Niveau verlaufenden, dem Bodenfilter vorgeschalteten, Denitrifikationspro-zess ermöglicht.
Der Bemessungsansatz der Denitrifikation wurde in Anlehnung an das bekannte Bemessungskonzept des ATV- Arbeitsblattes A 131 entwickelt. Die Besonderheiten eines vertikal beschickten Bodenfilters wurden durch Änderung und Anpassung der Gleichungen berücksichtigt. Die im Versuch gefundenen Werte konnten in den entwickelten Bemessungsansatz integriert werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die erzielten Ergebnisse wurden bereits in mehreren Vorträgen Fachleuten vorgestellt. Eine in Rostock im Juni 2003 eingereichte Dissertationsschrift zu diesem Projekt wird zu einer weiteren Verbreitung der erzielten Ergebnisse führen. Weitere Veröffentlichungen in Fachzeitschriften sind geplant.


Fazit

Im Projekt konnte ein innovativer Verfahrensansatz großtechnisch umgesetzt werden. Die dabei erzielten Ergebnisse haben die Erwartungen an eine gezielte Denitrifikation umfänglich erfüllt. Es konnte nachgewiesen werden, dass mit einer einfachen Umrüstung eine bestehende Pflanzenkläranlage zur gezielten Stickstoffelimination ertüchtigt werden kann. Die Ergebnisse haben dazu geführt, dass das Verfahren im Sommer 2003 bereits in einer zweiten Anlage großtechnisch eingebaut wurde.