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Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!

Bepflanzte Bodenfilter zur Nachreinigung von Abwasser

Dipl.-‐Ing. Sabine Rühmland

Prof. Dr.-‐Ing. Ma9hias Barjenbruch FG SiedlungswasserwirtschaC Technische Universität Berlin

Workshop zur Aktualisierung des DWA-‐A 262 Potsdam, 24. Januar 2014

Elan


Herausforderungen l  sehr hohe Anforderungen an die

Abwasserreinigung bei sensiblen Wasserkörpern Æ  hygienische Qualität

-‐Badegewässer (Isar-‐Sonderprogramme) -‐Reuse zur Bewässerung

A 262

-‐ RedukXon von E.coli um 101,5 – 102,5 ? Auch bei geringen Zulaufwerten?

Potenziale bepflanzter Bodenfilter zur Nachreinigung


A 262


-‐ bei CSB<45 mg/l à RedukXon Nges um 10-‐20% -‐ oder Rückführung à RedukXon um 50-‐70% (bei T≥12°C) ? Pumpaufwand gerech:er;gt?



Æ  Nitrat-‐Grenzwerte (Immissionsbetrachtung bei besXmmter Gewässernutzung z.B. Trinkwassergewinnung)

l  bei großen Regenereignissen Belastung der Kläranlagen kriXsch



A 262


-‐ bei CSB<45 mg/l à RedukXon Nges um 10-‐20% -‐ oder Rückführung à RedukXon um 50-‐70% (bei T≥12°C) ? Pumpaufwand gerech:er;gt? ? Abwasser zurückhalten und behandeln?



Æ  Nitrat-‐Grenzwerte




Material und Methoden Anlagen in Hobrechtsfelde bei Berlin

Kläranlagenablauf

A ≈ 1.500 m² Sandfilter mit Längsgräben

Sandfilter mit Lehm

Sandfilter

googleearth

Teichanlagen


•  verschiedene technische Feuchtgebiete, aber •  gleiche Wassermenge

•  gleiche Größe •  gleicher Standort

Versuchsaufbau!

Material und Methoden Anlagenau@au


Material und Methoden Anlagenau@au – LängsschniD

Quelle: AKUT

ständig überstaut!


Material und Methoden Anlagenau@au – QuerschniD: Sandfilter mit Längsgräben

Quelle: AKUT

Drainageleitung in Kiespackung


Material und Methoden Zulauf

l  Zulaufqualität Æ  Ablauf kommunaler Kläranlage Größenklasse V

–  Nges = 11 mg/l, davon 8,5 mg/l NO3-‐N

–  CSB-‐Belastung gering (2 bis 4 g/(m²·∙d) )

Beschickungsmengen [mm/d]

Anlage Q

MiDel

Q

Spanne

Sandfilter 90 40-‐130

Sandfilter mit Lehm 80 40-‐90

Sandfilter mit Längsgräben 150 40-‐160 Extrembelastung > 600 Jan–Apr


Material und Methoden Analysen

l  Standardparameter Æ  1 – 2x pro Monat 2006 – 2013 -‐ (n>130)

l  Mikrobiologisch-‐hygienische Parameter Æ  13 Kampagnen à 6 SXchproben 2007 – 2012

Æ  E.coli und Enterokokken mit MPN und MembranfiltraXon

Æ  3x somaXsche Coliphagen (Viren)

© BLfU


Übersicht Messergebnisse MiDelwerte

Anlage t (2008) T AFS CSB O2 NH4-N NO3-N E.coli

d °C mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l log/ 100ml

Zulauf -‐ 17 2 31 7,0 0,2 8,8 3,9

Sandfilter 0,75 12 4 25 0,6 0,1 2,5 2,0

Sandfilter mit Lehm 3,6 12 3 28 0,3 0,8 1,7 1,5

Sandfilter mit Längsgräben 8,4 13 3 29 1,3 0,5 3,5 1,8

Teich 2,1 13 5 34 6,6 0,3 4,3 2,1

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

0 3 6 9 12 15 18

t nach Tracerzugabe [d]

Konz

entra

tion

Li [µ

g/l]

MessungModellierung


Ergebnisse Denitrifika\on -‐ Sommerhalbjahr

024681012

Zulauf

Sandfilter

Sandfilter mit Lehm

Sandfilter mit Längsgräben

Teich

Nitrat-‐N-‐Kon

zentratio

n [m

g/l] Temperatur im Ablauf > 10°C


Ergebnisse Denitrifika\on

024681012

Zulauf

Sandfilter

Sandfilter mit Lehm

Sandfilter mit Längsgräben

TeichN

itrat-‐N-‐Kon

zentratio

n [m

g/l] Temperatur im Ablauf > 10°C Temperatur < 10°C

NO3-‐N – EliminaXon 70 % 85 % 56 %

flächenbezogene Abbaurate [g/(m²·∙d)]

0,5 0,5 0,6

Δ=7 mg/l Δ=6 mg/l Δ=2 mg/l


Ergebnisse Denitrifika\on

l  Ursachen für gute DenitrifikaXon Æ  Überstau à geringes Redoxpotenzial

Æ  Leichtabbaubarer Kohlenstoff aus den Pflanzen

à ohne Kohlenstoffdosierung

à ohne Rückführung


Ergebnisse Beispiel einer Regenereignissimula\on

0

2

4

6

8

10

12

20. Jul 12 28. Jul 12 5. Aug 12 13. Aug 12 21. Aug 12

Nitratko

nzen

tration NO3-‐N [m

g/l] Sandfilter

Sandfilter mit Lehm

Sandfilter mitLängsgräben

Hochlast = 180 mm/ 8h

Zulauf

Æ Ablau{onzentraXonen stabil


Ergebnisse Desinfek\on

110

1001000

10000100000

influe

nt

sand

y SSF

sand

y loa

my SSF

sand

y SSF w

ith st

raw FWS

pond

with

floati

ng pl

ants

unpla

nted p

ond

short

ditch dit

chE. c

oli [

MP

N/1

00 m

l]

Æ keine signifikanten Unterschiede der Anlagentypen



l  Verringerung von 104 E.coli / 100 ml um 1,8 bis 2,3 Zehnerpotenzen

l  Sandfilter mit Lehm und Sandfilter mit Längsgräben Æ  gute und ausreichende Badegewässerqualität [EU-‐Richtlinie, 2006] Æ  Bewässerung von Grünland und Sportplätzen [DIN 19650]

Enterococcus faecalis © American Society for Microbiology



l  keine Abhängigkeit von Jahreszeiten l  stabil bei veränderter Zulaufmenge: Q=50-‐150 mm/d

Æ  stabil bei Hochlast -‐ Ablaufverschlechterung erst bei 270 mm/8h

1

10

100

1000

10000

100000

Nov07

Jan08

Jun08

Aug08

Aug10

Feb11

Aug11

Aug11

Sep11

Nov11

Jan12

Jul12

month and year of sampling phase

E.co

li [M

PN/1

00 m

L] influent

FWS

sandy SSF

pond with floating plants

sandy SSF with straw


Ergebnisse und Blick in die Zukuna Spurenstoffe

l  Was können naturnahe Verfahren leisten?


0.0

0.2

0.4

0.6

Sulfamethoxazol + AcetylSMX

Ergebnisse und Blick in die Zukuna K

onze

ntra

tion

[µg/

L] Spurenstoffe

à anaerober Abbau von Sulfamethoxazol

à Diclofenac durch Lichteinwirkung abgebaut 0

1

2

3

Zulauf

Teich

Teich mit

Pflanzenschw

imm-‐m

atten

Sand

filter m

itLängsgräben

Diclofenac


Ergebnisse Spurenstoffe

l  Signifikante En~ernung > 30 % von 40 der 53 gemessenen Stoffe

l  Diclofenac – Beste RedukXon im Teich von 2,2 à 0,3 µg/L im August

l  Reinigungsleistung hängt von Stoff und Anlagentyp ab. l  Vorschlag: Mehrstufige Anlagen mit anaerober und aerober Stufe

Summary!


A 262

-‐ RedukXon von E.coli um 101,8 -‐102,3 ! Auch bei geringen Zulaufwerten von 104!

Herausforderungen

Æ  hygienische Qualität

Zusammenfassung


-‐ bei CSB<45 mg/l à RedukXon Nges um 10-‐20% -‐ oder Rückführung (bei T≥12°C)

A 262


à RedukXon Nges um 50-‐70% ! Im JahresmiDel! ! Ohne Rückführung!

Herausforderungen


Æ  SXckstoffen~ernung

Zusammenfassung


A 262


à RedukXon Nges um 50-‐70% ! Im JahresmiDel! ! Ohne Rückführung!

! Abwasser zurückhalten und behandeln ohne Leistungsverschlechterung!

Herausforderungen


Æ  SXckstoffen~ernung


Zusammenfassung


Veröffentlichungen

l  Erledigt: Water Science and Technology – „Disinfec\on capacity of 7 cws and ponds“

l  In review: „Insights on Design and OperaXon from a Study about Seven Constructed Wetlands and Ponds for Disinfec\on of Treated Wastewater“

l  Angebot: Ecological Engineering: „Pharmaceu\cals in a Subsurface Flow Constructed Wetland and Two Ponds“

l  Absagen? Ingenieurbiologie: „Teiche mit PflanzenschwimmmaDen zur Abwassernachreinigung“


Abwasserwiederverwendung Pures Abwasser wird zur Bewässerung wiederverwendet


Technische Feuchtgebiete zur Abwasserreinigung

J  kein oder geringer Energiebedarf J  geringer Wartungsaufwand

J  erhöht Artenvielfalt und Erholungswert

L  großer Platzbedarf L  Eingriffsmöglichkeiten im

Betrieb eingeschränkt

Einleitung!


l  Bemessungsansätze Æ  technische Feuchtgebiete können gezielt eingesetzt werden nach

Kläranlagen

Æ  zur gezielten, energiesparsamen

SXckstoffen~ernung

Desinfek\on

Behandlung im Regenwe9erfall

l  Verhalten von ArzneimiDelrückständen

l  Empfehlungen für Design und Betrieb Æ  Wartung und Betriebskontrolle einfacher

l  Einbringen in DWA-‐Arbeitsblä9er Æ  Beitrag zu verbindlichen Regelwerken

Ziele der Promo\on

Einleitung!


Au@au naturnaher Abwasserreinigungsanlagen

terrestrisch aqua\sch

-‐  Bewachsene Bodenfilter -‐ Abwasserteiche

Theorie!


•  7 verschiedene technische Feuchtgebiete, aber •  gleiches Zulaufwasser

•  gleiche Größe •  gleicher Standort

Versuchsanlagen

Versuchsaufbau!

•  gleiche Wassermenge


110

1001000

10000100000

Zulauf

Sandfilter

Sandfilter mit Lehm

Sandfilter mit Stroh

Bepflanzter Teich

Teich mit Pflanzens...

Unbepflanzter Teich

Spirale

E.co

li [M

PN /

100

ml]

* laut EU-‐Badegewässerrichtlinie

500

Ausgezeichnete Badegewässerqualität*

200 Bewässerung zum

Rohverzehr**

Ergebnisse -‐ Abwasserdesinfek\on Abwasser wird vielsei\ger einsetzbar

** laut DIN 19650 über die hygienischen Belange von Bewässerungswasser

Ergebnisse!

l  Leistung der Anlagen nicht signifikant verschieden


l  KonzentraXon der Indikatoren unabhängig von Æ Temperatur und Jahreszeit

Æ Wassermenge 30 bis 170 mm/d

Ergebnisse – Abwasserdesinfek\on Auf der Suche nach Einflussfaktoren

Ergebnisse!


Ergebnisse – Abwasserdesinfek\on Sauerstononzentra\on im Ablauf

Bewachsener Bodenfilter Unbepflanzter Teich

à Schlechte Leistung bei hoher à Bestleistung bei Sauersto�onzentraXon 0,4 bis 5 mg/L O2

y = 1.4x + 2.7R2 = 0.73

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5log (Sauerstoff [mg/L])

log

(E. c

oli [

MP

N/1

00 m

L])

summer

winter

y = 0.8x2 - 0.3x + 1.4R2 = 0.6

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5

log (Sauerstoff [mg/L])

Ergebnisse!


Schlussfolgerung – Abwasserdesinfek\on Sauerstononzentra\on im Ablauf

y = 1.4x + 2.7R2 = 0.73

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5log (Sauerstoff [mg/L])

log

(E. c

oli [

MP

N/1

00 m

L])

summer

winter

y = 0.8x2 - 0.3x + 1.4R2 = 0.6

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5

log (Sauerstoff [mg/L])

Æ  Sauerstoff zeigt an, ob aktueller Betriebszustand günsXg für die DesinfekXon.

Ergebnisse!


ArzneimiDelrückstände

l  Großteil der Arzneimi9el und ihrer Rückstände

werden über das Abwasser ausgeschieden.

l  Reinigungsleistung von technischen Feuchtgebieten umstri9en.

Theorie!


Verhalten von ArzneimiDelrückständen

terrestrisch aqua\sch

-‐  Bewachsener Bodenfilter -‐ unbepflanzter Teich

Abbau und Umbau von Abbau von -‐ AnXbioXkum Sulfamethoxazol -‐ Schmerzmi9el Diclofenac

-‐ Psychopharmakum Carbamazepin

Ergebnisse!


Technische Feuchtgebiete zur Nachreinigung von Abwasser

Danke für Förderung, Fragen und Feedback

Prof. Dr.-‐Ing. Ma9hias Barjenbruch FG SiedlungswasserwirtschaC TU Berlin

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