Bodenkundliche Untersuchungen zur Kolmation bei bewachsenen Bodenfiltern

	Klaus-Jürgen Winter & Dietmar Goetz
Institut für Bodenkunde, Allende Platz 2, 20146 Hamburg
Thematik:
Bewachsene Bodenfilter werden vor allem im ländlichen Raum zur Abwasserreinigung eingesetzt. Sie können in der Regel nicht ständig professionell betreut werden, so daß ein störungsfreier und wartungsarmer Betrieb eine Voraussetzung für eine einwandfreie Klärung ist. Das betrifft vor allem die Kolmation, d.h. die Verstopfung der dränenden Poren, durch die die Funktion einer Anlage bis zu einem Totalausfall gestört werden kann. Durch bodenkundliche und biologische Untersuchungen an verschiedenen kolmatierenden und nicht kolmatierenden Anlagen sollen die Randbedingungen, die zu einer Kolmation führen, ermittelt und Möglichkeiten zur Verbesserung der hydraulischen Funktion gefunden werden.
Methoden:

An den verschiedenen untersuchten Anlagen werden gestörte Proben in vier definierten tiefen (0-3cm, 3-6cm, 6-9cm, 9-15cm) gezogen. Ungestörte Proben werden von der Oberfläche sowie in 15cm Tiefe entnommen. Die Abwasserproben sind in der Regel 2h Mischproben.
Folgende Untersuchungen werden durchgeführt:

Bodenstruktur	Bodenbiologie	Bodenphysik	Abwasser
Korngefüge Mikromorphologie biologische Porenfüllung mineralische Porenfüllung organische Bodensubstanz	Atmungsrate Biomasse Bioaktivität	Körnung Porung Sickerleistung Online-Messungen (Feuchtegehalt, Redoxpotential, Temperatur, Wasserspannung)	Schwebstoffgehalt Abdampfrückstand CSB, TOC, DOC

Ergebnisse:

Abbildung 1: Verlauf des Redoxpotenzials in 5 cm Tiefe an drei verschiedenen Messpunkten im Zusammenhang mit der Abwasseraufgabe

Es gibt deutliche Unterschiede des Redoxpotenzials im Verlauf eines Beschickungszyklus zwischen den verschiedenen Messpunkten. Während sich an den Rohren 17 und 21 schnell und dauerhaft reduzierende Bedingungen einstellen, reagiert das Redoxpotenzial an Rohr 14 erst ab dem 24.9.99 auf die Beschickung. Dieses Ergebnis stimmt mit den vor Ort gemachten Beobachtungen überein, während die Messpunkte an Rohr 17 und 21 schnell dauerhaft mit Abwasser überstaut waren, konnte an Rohr 14 während des gesamten Beschickungszyklus kein Stauwasser festgestellt werden.

Abbildung 2: Konzentration an abfiltrierbaren Stoffen (AFS) im Zulauf auf die Bodenfilter

Ein Faktor, der Kolmation begünstigt, bzw. mitverursacht, ist ein hoher Schwebstoffgehalt des Abwassers. Eine Analyse des Abwasser verschiedener Anlagen auf den Gehalt an abfiltrierbaren Stoffen zeigt, dass bei den untersuchten Anlagen diejenigen mit Kolmationserscheinungen auch immer eine höhere Schwebstoffbelastung aufweisen. Insgesamt wurden Abwässer von 12 Anlagen untersucht, wobei 6 regelmäßig Kolmationserscheinungen haben, 5 selten oder gar nicht kolmatieren und bei einer Anlage eines der Teilbeete regelmäßig und eines keine Kolmation zeigt. Die Bodenfilter bestehen in allen Fällen aus Sanden mit einem Kornspektrum 0/2mm und einem Ton/Schluff Anteil von unter 5%.

Abbildung 3: Gesamtbiomasse -C in einem kolmatierenden Filter bei verschiedenen Betriebszuständen

Der Gehalt an mikrobieller Biomasse nimmt erwartungsgemäß mit steigender Tiefe schnell ab. Das betrifft alle Betriebsphasen einer Anlage. Im Kolmationsfalle wird Biomasse angereichert und nimmt auch in den tieferen Bodenschichten gegenüber den anderen Betriebszuständen zu. Der Abbau der mit dem Abwasser zugeführten organischen Substanz, der unter anaeroben Bedingungen in den oberen Filterschichten nicht mehr vollständig verläuft, wird dann in tiefere Schichten verlagert. Dadurch bleiben auch im Kolmationsfall die CSB bzw. BSB-Werte des Ablaufs oftmals im Bereich der gesetzlichen Anforderungen.

Abbildung 4: Zeitliche Veränderung des Porensystems in 0 bis 5 cm Tiefe einer zur Kolmation neigenden Anlage

Bei der zur Kolmation neigenden Anlage ist eine Verschiebung des Porenspektrums über die Zeit zu beobachten. Während der Anteil der Mittel- und Feinporen zunimmt, nimmt derjenige der weiten Grobporen ab. Suspendierte oder auch kollodial gelöste Partikel werden beim Durchgang durch den Filter durch verschiedene Mechanismen zurückgehalten und lagern sich somit in den Poren ab. Vor allem der Rückgang der weiten Grobporen hat Auswirkungen auf die Wasserleitfähigkeit, da die Versickerung hauptsächlich über dieses Porensystem erfolgt.

Bild 2: Entnahme von ungestörten Proben

Mit Hilfe von Stechringen (rechts) und Kubiena Kästchen (links) lassen sich Porenstrukturen messen. zu erkennen ist eine ca. 4cm starke Schicht an der Beetoberfläche.

Vorläufiges Fazit:

Zur Bewertung des vorherrschenden Milieus sowie zur Einschätzung eines Kolmationszustandes ist der Einsatz von fest installierten Bodensonden (insbesondere Redox- und Feuchtegehaltssonden) geeignet.

Die Zusammensetzung des Zulaufwassers, insbesondere Anteil und Partikelgrößenverteilung der abfiltrierbaren Substanzen, bestimmen ganz wesentlich die Anfälligkeit einer Anlage für Kolmationserscheinungen. Partikel die aus der Vorklärung auf den Filter geschwemmt werden reichern sich dort in den oberen Bereichen an und können nicht aus dem System ausgespült werden. Dies führt unter anderem zu einer Abnahme der dränenden Poren in den oberen Filterschichten, und damit zu einem Rückgang der Infiltrationsleistung. In der Folge kann es zu länger auftretenden Sauerstoffdefiziten kommen, wodurch die eingetragene partikuläre organische Substanz schlechter abgebaut und damit die Kolmationstendenz verstärkt wird. Möglicherweise begünstigt das sich ändernde physikochemische Milieu die verstärkte Bildung von Biofilmen, was den Porenraum noch weiter einengt und somit zu einem dauerhaften Überstau führt. Die bisherigen Ergebnisse der Fraktionierung der abfiltrierbaren Stoffe einiger Anlagen deuten darauf hin, dass die Partikelgrößenverteilung ein bestimmender Parameter für die Kolmation bewachsener Bodenfilter ist.

Das Forschungsvorhaben ist Teil des durch die Deutsche Bundesstiftung für Umwelt geförderten Verbundprojektes „Bewachsene Bodenfilter".

(Förderkennzeichen: AZ 14178-08)