Untersuchungen zur Nitrifikation

Optimierung der Abflusssteuerung
und weitestgehende Nitrifikation in der Verfahrenskombination
Teichanlage / bewachsener Bodenfilter
zum Schutz kleiner Fließgewässer

Prof. Dr.-Ing. Dr. phil. Sabine Kunst
Dipl.-Ing. Katrin Kayser

Dr.-Ing. Günter Fehr
Dipl.-Ing. Rainer Hübner

Universität Hannover, Institut für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik, Welfengarten 1, 30167 Hannover

Einleitung und Projektziele

Teichkläranlagen sind insbesondere im ländlichen Raum eine weit verbreitete Methode der Abwasserreinigung. Betrachtet man die Betriebsdaten von Teichkläranlagen, so ist festzustellen, daß diese relativ gute Ablaufwerte bezüglich der organischen Verschmutzungen aufweisen, auch gut denitrifizieren, die nachfolgenden Gewässer aber mit relativ hohen Ammoniumfrachten belasten. Die Ammoniumeinträge wiederum sind ein entscheidender Parameter für die ökologische Situation der nachfolgenden Fließgewässer, nicht selten kleine und empfindliche Gewässer. Ziel des Projektes ist es, zur Verbesserung der ökologischen Situation der Einleitungsgewässer vertikal durchströmte Bodenfilter zur Nitrifikation neu mit den altbewährten Teichkläranlagen zu kombinieren. Die Teichanlage Ettenbüttel im Landkreis Gifhorn wurde ausgewählt, um durch die Nachschaltung eines vertikal durchströmten Bodenfilters die Reinigungsleistung zu optimieren. Durch gezielte Steuerung des Wasserhaushaltes soll die Gewässerbelastung weiter minimiert werden.

Der Vertikalfilter muß bei wechselnden hydraulischen Belastungen und relativ niedrigen Abwassertemperaturen nitrifizieren. Zur Erfassung und Optimierung der Stickstoffumsetzungen sowie zur Steuerung des Wasserhaushalts müssen zahlreiche Meßgeräte sämtliche Wasserströme sowie physikalische und chemische Parameter im Zu- und Ablauf des Bodenfilters aufnehmen. Über eine Fernüberwachung (Betriebszustandserfassung) und Fernsteuerung wird eine weitestgehend automatisierte Steuerung des Kläranlagenablaufes in Abhängigkeit von der Aufnahmefähigkeit des Einleitungsgewässers und der aktuellen Nitrifikationsleistung des Vertikalfilters entwickelt. Hierzu sollen geeignete Meßinstrumentarien erprobt werden.

Zur Bewertung stickstoffbelasteter Gewässer liegen bislang keine biologischen Bewertungen bzw. Bewertungssysteme vor. Ein erster Schritt dahin ist die Erkennung und Definition von geeigneten Indikatortieren. Über die Aufnahme der biozönotischen und wasserchemischen Situation des Vorfluters und von Vergleichsgewässern werden die Auswirkungen von Ammoniumeinträgen auf Fließgewässer dokumentiert. Aus Grundlagenuntersuchungen an künstlichen Fließgerinnen und im Freiland soll eine Auswahl von geeigneten Ammonium-Indikatororganismen abgeleitet werden.

Sachstand – Durchgeführte Untersuchungen und Ergebnisse

Reinigungsleistung des Bodenfilters

Der Bodenfilter in Ettenbüttel wurde im Oktober 1999 in Betrieb genommen. Der Zeitpunkt der Inbetriebnahme kurz vor dem Winter war für die Einarbeitung der Nitrifikation ungünstig. Erst nach 8 Monaten konnte die erwartete Nitrifikationsleistung mit Ablaufwerten unter 1 mg/l NH₄-N erreicht werden (Abb. 1). Im März/April 2000 traten Probleme mit absinkender Infiltrationsleistung des Filters und damit verbundener geringer Nitrifikationsleistung auf. Diese Kolmationserscheinungen konnte durch eine wechselweise Außerbetriebnahme der Beete zur Regeneration vollständig behoben werden.

Abb. 1: Entwicklung der NH₄-N-Zu- und Ablaufkonzentrationen Vertikalfilter 2

Seit dieser Ruhephase ist die Durchlässigkeit des Filters wieder sehr hoch und es werden fast durchgängig NH₄-N-Ablaufwerte unter 1 mg/l, maximal 2 mg/l erreicht. Die hohe Leistungsfähigkeit des Bodenfilters hinsichtlich der Nitrifikation zeigte sich insbesondere in der Phase der schrittweisen Belastungssteigerung (6.6.00 bis 4.8.00) von 62 mm/d auf 204 mm/d. Selbst bei den höchsten Belastungstufen blieben die
Ammoniumablaufwerte unter 2 mg/l NH₄-N.

Stoffbilanzen und Umsatzraten

Für den Bodenfilter wurden im ersten Betriebsjahr (10/99-10/00) verschiedenste hydraulische Belastungszustände getestet. Für jede Versuchseinstellung werden in Intensivmeßphasen die Stoffströme erfaßt und bilanziert. Insgesamt führten wir bisher 12 Meßphasen mit hydraulischen Belastungen zwischen 53 und 204 mm/d durch.

Aus der Differenz der zu- und abfließenden Stoffrachten ergeben sich die im Bodenfilter umgesetzten und eliminierten Stofffrachten bzw. bezogen auf die an den Prozessen beteiligte Bodenmasse die spezifischen Umsatzraten.

Abb. 2 zeigt, daß die Ammoniumumsatzraten bisher linear mit der TKN-Flächenbelastung steigen (Bestimmtheitsmaß: R²=0,8988). Die Grenze der Nitrifikationsleistung des Bodenfilters wurde demnach noch nicht erreicht, diese würde in einem Abknicken der Trendgeraden in Abb. 2 zum Ausdruck kommen. Die beiden besonders markierten Punkte in Abb. 2 (Meßphasen 2 und 5) liegen deutlich unterhalb der Trendgeraden. Die Meßphase 2 wurde im November 99 kurz nach der Inbetriebnahme und bei sehr niedrigen Temperaturen (Abwassertemperatur erstmals < 5°C) durchgeführt, die Meßphase 5 wurde in der Phase der Kolmation am Filter 1 durchgeführt.

Um die Leistungsfähigkeit verschiedener Substrate systematisch zu untersuchen, wurden im Labor Bodensäulen bei schrittweiser Belastungssteigerung betrieben. Für das in Ettenbüttel eingesetzte Substrat wurde ein Durchbruch von Ammonium ab einer TKN-Flächenbelastung von 10 g/(m²*d) festgestellt. Ob sich diese Grenze auch an der technischen Anlage bestätigen läßt, werden die weiteren Untersuchungen zeigen.

Abb. 2: Ammoniumumsatzraten in Anhängigkeit von der TKN-Flächenbelastung

Verlauf der Stoffumsetzungen über die Tiefe des Bodenfilters in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen

Dränagen, die vor Betriebsbeginn in den Bodenfilter Ettenbüttel in verschiedenen Tiefen eingebaut wurden, ermöglichen die Beprobung des Sickerwassers im Bodenfilter. So kann der Verlauf der Stoffumsätze –insbesondere der Stickstoffumsetzungen- über die Tiefe des Bodenfilters verfolgt und die Lage des Nitrifikationshorizontes bestimmt werden.

Es zeigt sich bisher, daß die Nitrifikation i.d.R. nach 5 cm Bodenpassage weitgehend abgeschlossen ist. An einzelnen Meßterminen konnte aber bei hoher Belastung eine weitere Ausdehnung des Nitrifikationshorizontes bis in eine Tiefe von 30 cm festgestellt werden. Die Lage und die Verschiebung des Nitrifikationshorizontes in Abhängigkeit von der Belastung sind Fragestellungen für den weiteren Projektverlauf, die sowohl an der technischen Anlage als auch im Säulenversuch bearbeitet werden.

Steuerung der Anlage zur Optimierung der Nitrifikation

Im Ablauf des Bodenfilters wird neben der Ammoniumkonzentration kontinuierlich der Sauerstoffgehalt, das Redoxpotential und der pH-Wert gemessen und online aufgezeichnet. So kann die Eignung der Parameter als Steuergröße getestet und die Korrelationen sowie Abhängigkeiten dokumentiert werden. Abb. 3 zeigt, daß zwischen den o.g. Parametern im Tagesverlauf offensichtliche Abhängigkeiten bestehen und alle Parameter deutlich auf die Abwasseraufgaben (4, 10, 16, 22 Uhr) reagieren. Das Redoxpotential als robuste und leicht zu messende Größe scheint eine geeignete Steuergröße für den Bodenfilterbetrieb zu sein. Erste Steuerkonzepte werden zur Zeit erprobt.

Abb.3: Tagesverlauf von Ammoniumkonzentration, Sauerstoffkonzentration und Redoxpotential im Ablauf VF (11.8.00)

Auswirkungen von Ammoniumeinträgen auf Fließgewässer

Grundlagenuntersuchungen zur ökologisch begründeten Ammoniumgrenzwerten wurden am Zoologischen Institut der TU Braunschweig in künstlichen Fließgerinnen durchgeführt. Nach ersten Auswertungen ist ein NOEC (no observable effect concentration)-Wert von 0,3 mg/l NH₄ für Fließgewässer anzugeben. Dieser Wert entspricht etwa dem Zielwert für Ammonium (0,3 mg/l NH₄-N bzw. 0,39 mg/l NH₄) zur Erfüllung der allgemein angestrebten Gewässergüteklasse 2.

Durch den Vertikalfilter in Ettenbüttel konnte eine erhebliche Reduktion der Ammoniumbelastung des Vorfluters erreicht werden. Die Ammoniumwerte im Gewässer lagen im September 2000 über ein Fließstrecke von 400 m konstant unter 0,15 mg/l NH₄-N. Die Einleitung aus den alten Abwasserteichen führten noch nach 400 m Fließstrecke zu Ammoniumbelastungen bis zu 6 mg/l NH₄-N.

Der Talgraben in Ettenbüttel ist aber aufgrund seiner hohen stofflichen Vorbelastung sowie der extrem strukturarmen Morphologie für weitergehende Untersuchungen zu den Auswirkungen von Ammoniumeinträgen auf das Arteninventar ungeeignet. Systematische Freilanduntersuchungen werden daher zur Zeit an einem Vergleichsgewässer durchgeführt.

Stand: Oktober 2000

Das Forschungsvorhaben ist Teil des durch die Deutsche Bundesstiftung für Umwelt geförderten Verbundprojektes „Bewachsene Bodenfilter als Verfahren der Biotechnologie"

(Förderkennzeichen: AZ. 14178-03)