Substratkolmation vertikal durchströmter Pflanzenkläranlagen

Forschungsprojekt P 14173Substratkolmation vertikal durchströmter PflanzenkläranlagenRaimund HABERL06.03.2000 Bepflanzte Bodenfilter (Pflanzenkläranlagen) werden in Europa seit Beginn der 80iger Jahre zur Reinigung häuslicher Abwässer erfolgreich eingesetzt. Aufgrund ihres geringen Wartungsbedarfes bei gleichzeitig stabiler Reinigungsleistung einerseits, aber relativ großen spezifischen Platzbedarfes andererseits, sind Pflanzenkläranlagen vor allem für den dezentralen Einsatz im ländlichen Raum geeignet. Vertikal durchströmte, intermittierend beschickte Anlagen stellen die aktuellste, dem Stand der Technik entsprechende Variante dar. Die Kolmation der Oberfläche ist das bei weitem gefährlichste Betriebsproblem. Aufgrund einer Kolmation kommt es nämlich zu einem Rückgang der Sauerstoffversorgung des Bodensubstrates und der darin befindlichen Mikroorganismengesellschaft, die für den Abbau der Schmutzstoffe verantwortlich ist. Es kommt somit zu einer Regelrechten "Verstopfung" der Pflanzenkläranlage die zu einem Einbruch der Reinigungsleistung führt. Der optimierte Betrieb einer Pflanzenkläranlage bei maximaler hydraulischer Belastung (und somit geringerem Platzbedarf) ohne Gefahr einer Kolmation ist somit als höchst prioritär in der Weiterentwicklung der Systeme zu betrachten. Die Hauptursachen für Substratkolmation sind Akkumulation von abfiltrierbaren Stoffen in den obersten Substratschichten und Überschußschlammproduktion der involvierten Mikroorganismen. Dies und weitere Prozesse, wie Akkumulation von Huminstoffen und von Produkten chemischer Fällungen, führen zu einer Verringerung des hydraulisch aktiven Porenvolumens, was zu einer Kolmation führen kann. Das größte Problem ist die Quantifizierung der genannten Einflußgrößen, die zu einer Abschätzung der "Verstopfungsneigung" einer Pflanzenkläranlage notwendig wäre. Das gegenständliche Projekt setzt nun an der detaillierten Ursachenerforschung an, indem die involvierten Prozesse der "black-box" Pflanzenkläranlage untersucht werden. Denn nur das genaue Wissen über die Vorgänge die zur Substratkolmation führen, kann zu einer Verbesserung der Dimensionierung von Pflanzenkläranlagen, bei gleichzeitigem Einhalten eines kolmationsfreien Betriebes, führen. 5 Versuchskläranlagen in halbtechnischem Maßstab (1 m 2 Oberfläche) werden im institutseigenen Technikum untersucht. Zusätzliche Versuche werden an Bodensäulen durchgeführt und nach einem Jahr Forschung werden ausgewählte Parameter auch an drei Praxisanlagen in Oberösterreich und Niederösterreich gemessen, um die Ergebnisse auch an bereits länger in Betrieb befindlichen Anlagen zu verifizieren. Ein weiterer Innovativer Charakter des Projektes ist die Kombination verschiedenster Untersuchungsmethoden in den Versuchsanlagen. So werden Methoden der Bodenstrukturforschung (z.B. Raster-Elektronen-Mikroskopie) mit Methoden der Miktobiologie (z.B. enzymatische Untersuchungen) und der Abwassertechnik (z.B. Partikelmessungen, TOC- Analytik) kombiniert, um den unterschiedlichen Gründen einer Substratkolmation gerecht zu werden. Als praxisrelevantes Ergebnis werden einerseits eine Dimensionierungs- und Wartungsvorschrift für vertikale Pflanzenkläranlagen erstellt, als auch ein Modell erstellt, welches die Prozesse simuliert und so als Vorhersageinstrument für den Planer von höchstem Wert ist.

Bepflanzte Bodenfilter (Pflanzenkläranlagen) werden in Europa seit Beginn der 80iger Jahre zur Reinigung häuslicher Abwässer erfolgreich eingesetzt. Aufgrund ihres geringen Wartungsbedarfes bei gleichzeitig stabiler Reinigungsleistung einerseits, aber relativ großen spezifischen Platzbedarfes andererseits, sind Pflanzenkläranlagen vor allem für den dezentralen Einsatz im ländlichen Raum geeignet. Vertikal durchströmte, intermittierend beschickte Anlagen stellen den Stand der Technik dar. Substratkolmation ist das Hauptproblem bei der Verwendung von bepflanzten Bodenfiltern zur Reinigung häuslicher Abwässer. Bei einer Kolmation kommt es zu einem Rückgang der Infiltrationsrate an der Beetoberfläche und dadurch zu einem Rückgang der Sauerstoffversorgung, was einen Einbruch der Reinigungsleistung und damit ein Systemversagen bewirkt. Als Hauptursache für die Substratkolmation konnte die Akkumulation von abfiltrierbaren Stoffen in den obersten Substratschichten bestimmt werden, das Wachstum der involvierten Mikroorganismen spielt dagegen bei der Anwendung der bepflanzte Bodenfilter zur Abwasserreinigung eine untergeordnete Rolle. Für die Langzeitstabilität spielt deshalb die mechanische Vorreinigung der Abwassers bei der Verwendung von Pflanzenkläranlagen als Hauptreinigungsstufe eine essentielle Rolle. 5 Versuchskläranlagen in halbtechnischem Maßstab (je 1 m Oberfläche) wurden über einen Zeitraum von 2 Jahren untersucht. Die hydraulische Belastung und die Schadstoffbelastung wurden variiert. Zwei unterschiedliche Substrate (Sand mit einer Körngrößenverteilung von 0.06/4 mm bzw. 1/4 mm) wurden für die 60 cm dicke Hauptschicht des Bodenfilters verwendet. Bodenphysikalische, mikrobiologische und chemische Analysenmethoden wurden kombiniert, um den Beitrag der einzelnen Teilprozesse zum Gesamtprozess Kolmation zu quantifizieren. Im Untersuchungszeitraum war ein kolmationsfreier Betrieb bis zu einer hydraulischen Belastung von 100 mm/d möglich. Substratkolmation trat bei den Anlagen mit feinkörnigen Substrat erst nach 2 Monaten Betrieb mit 150 mm/d auf bzw. nach 1 Monat mit 250 mm/d beim grobkörnigen Substrat. Nach einer Rastpause von 14 Tagen (keine Beschickungen) war wiederum ein kolmationsfreier Betrieb möglich. Für die Vorhersage der Kolmation haben sich die Wassergehaltsmessungen in den ersten 10 cm der Hauptschicht als am besten geeignet erwiesen. Bereits 14 Tage vor dem tatsächlichen Eintreten der Kolmation kann ein linearer Anstieg des minimalen Wassergehalts vor einer Beschickung festgestellt werden, 5 Tage vor der Kolmation steigt der minimale Wassergehalt dann exponentiell an, bis die Kolmation eintritt (das ganze Porenvolumen ist mit Wasser mit gefüllt). Um ein besseres Verständnis der Umwandlungsprozesse in der "black-box" bepflanzter Bodenfilter zu erhalten, wurde ein Simulationsmodell entwickelt, das die Abbauprozesse für organische Abwasserinhaltsstoffe sowie Nährstoffe (Stickstoff und Phosphor) beschreiben kann. Mithilfe der durchgeführten Messungen war es möglich, das Strömungsmodell zu kalibrieren. Dadurch konnten auch Tracerversuche und in weiterer Folge die Ablaufkonzentrationen berechnet werden. Mit Hilfe eines kalibrierten Simulationsmodells ist es dann möglich, dieses auch für die Dimensionierung von bepflanzten Bodenfiltern einzusetzen. Damit kann dann der optimierte Betrieb einer Pflanzenkläranlage bei maximaler hydraulischer Belastung (und somit geringerem Platzbedarf) vorhergesagt werden.