Trotz einer Elimination von Phosphor (P) auf kommunalen Kläranlagen in Deutschland von derzeit im Mittel ca. 93 % (vgl. DWA, 2021) reicht die Reinigungsleistung in vielen Gewässereinzugsgebieten nicht aus, um den nach der europäischen Wasserrahmenrichtlinie (2000) geforderten guten ökologischen Zustand zu erreichen. Hierfür gilt für die meisten Gewässer ein Orientierungswert im Gewässer von meist 0,1 mg/L Gesamtphosphor (Pges) (OGewV 2016). Obwohl an größere Kläranlagen mit einer Anschlussgröße von > 100.000 Einwohnerwerten (EW) bereits die strengsten emissionsbezogenen Mindestanforderungen von 1,0 mg/l Pges im Kläranlagenablauf gestellt werden, sind oftmals weitergehende technische und platzsparende Verfahren wie Flockungsfiltration erforderlich, um P-Einträge in Gewässer weiter zu reduzieren. Einwohnerbezogen besteht bei den kleineren und mittleren Anlagen bis zu ca. 50.000 EW jedoch ein großes Potenzial, P-Emissionen zu verringern, wobei hier wartungsarme Technologien von Vorteil sind. Dazu gehören modifizierte Bodenfilter, die gerade auch unter Berücksichtigung des gegenwärtigen Fällmittelengpasses zu einer Verminderung der P-Einträge beitragen können. Durch den Einsatz von Bodenfiltern mit regenerierbaren Filtermaterialien mit hoher P-Sorptionskapazität besteht die Chance, dass sich langfristig ein niedrigerer P-Grenzwert von < 0,1 mg/l Pges einhalten lässt.
In „BoFi+“ sollen die konstruktiven Merkmale und die Betriebsstrategien von modifizierten Bodenfiltern untersucht und deren Eignung zur weitergehenden P-Elimination aus Abläufen kommunaler Kläranlagen bewertet werden. Dazu wird das Verständnis der chemisch-physikalischen und mikrobiologischen Prozesse (Adsorption, Fällung, Filtration, biologische Aufnahme) der P-Elimination im Bodenfilter bei Einsatz verschiedener Materialien und Materialmischungen verbessert und die Eignung unterschiedlicher Filtermaterialien zur P-Elimination erprobt. Zur Einsparung natürlicher Ressourcen und um ein standardisiertes Produkt herstellen zu können, erfolgt auch die Untersuchung geeigneter Baustoffrezyklate, leichter Gesteinskörnungen sowie von Hydrothermalgranulaten, die aus mineralischen Bau- und Abbruchabfällen über einen chemischen Stoffwandlungsprozess hergestellt werden. Dabei werden für die P-Elimination maßgebende Materialeigenschaften identifiziert, sodass zukünftig solche Filtermaterialien schneller beurteilt und für eine weitergehende P-Elimination in Bodenfilteranlagen eingesetzt werden können.
Das Projekt ist in zwei Phasen aufgeteilt, die sich im Versuchsmaßstab unterscheiden:
In Phase 1 erfolgt die Identifizierung bzw. Definition geeigneter Filtermaterialien zunächst durch Literaturrecherche und Erfahrungswerte. Für ein intensives Screening werden die Adsorptionskapazitäten und die Beladungsgrenzen verschiedener Filtermaterialien einschließlich der weiterzuentwickelnden Hydrothermalgranulate sowie unterschiedlicher Materialmischungen im Rahmen von Laboruntersuchungen geprüft. Darauf basierend werden die Materialien in Laborfiltersäulen (Filterbett ca. 0,4m, Durchmesser ca. 0,05m) in mehrwöchigen Versuchen mit synthetischer Phosphatlösung auf ihre Adsorptionsfähigkeit von Phosphor untersucht. Ausführliche Materialanalysen (z. B. Korngrößenverteilung, Porosität, Porengrößenverteilung, spezifische BET-Oberfläche) ergänzen diese Untersuchungen. Parallel zu den Laborversuchen wird am Herstellungsverfahren und der Materialzusammensetzung der Hydrothermalgranulate geforscht, um die Granulateigenschaften für den Bodenfilterbetrieb zu verbessern. Dabei werden aus Mischungen von Mauerwerkbruch und Papierasche Grüngranulate geformt, die durch hydrothermale Autoklavierung zu einer künstlichen leichten Gesteinskörnung gehärtet werden. Die unterschiedlichen Prozessschritte werden modifiziert und optimiert (z.B. Mischungszusammensetzung der Ausgangsmehle, Formgebungsverfahren, Porosierung der Granulate).
In Phase 2 werden die erprobten Materialien mit den vielversprechendsten Eigenschaften in kleintechnischen Bodenfiltersäulen (Höhe ca. 0,6m, Durchmesser ca. 0,3m) über mehrere Monate im Betrieb erprobt. Dabei stehen betriebliche Aspekte wie Art, Dauer und Häufigkeit der Beschickung, sowie die Erhöhung der hydraulischen Belastung gegenüber den Vorgaben des bestehenden Regelwerks DWA-A 262 im Vordergrund.
Außerdem erfolgen Untersuchungen zum Scale-up des Herstellungsverfahrens der Hydrothermalgranulate. In die iterativen Optimierungsschritte fließen die gewonnenen Kenntnisse zu den Filtereigenschaften mit ein.
Die Untersuchungsergebnisse sind Grundlage für die Erarbeitung einer Anforderungsliste für Bodenfiltermaterialien, für Empfehlungen für Bau, Betrieb, Bemessung und Standzeit sowie für Konzepte zur Einbindung von Bodenfiltern zur weitergehenden P-Elimination in den Betrieb kommunaler Kläranlagen. In diesem Zusammenhang sollen auch mögliche Umweltauswirkungen der Herstellung der Hydrothermalgranulate, ihrer Regeneration und Entsorgung abgeschätzt werden.