Ermittlung von Belastungsgrenzen an bodensubstraten zur weitergehenden Mischwasserbehandlung in Retentionsbodenfiltern

Determination of Loading Limitations on Filter Materials for Enhanced Treatment of CSOs in Retention Soil Filters

  • Retentionsbodenfilter (RBF) werden in den letzten Jahren zunehmend zur weitergehenden Mischwasserbehandlung eingesetzt. Insbesondere bei empfindlichen Gewässern haben sich Retentionsbodenfilter als eine wertvolle Maßnahme zur Erfüllung der immissionsorientierten Anforderungen erwiesen, die sich vermehrt aus neuen europäischen Regelungen (EU WRRL, 2000) ergeben. Der überwiegend hohe Wirkungsgrad von RBF hinsichtlich der Elimi-nation von C-Verbindungen (CSB) und Ammonium (NH4) wurde mittlerweile an verschiede-nen Anlagen nachgewiesen. Es bestehen weiterhin Unsicherheiten hinsichtlich des Einflus-ses unterschiedlicher Beschickungs- und Betriebssituationen auf die Reinigungsleistung von Bodenfiltern. Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zur Verbesserung des Kenntnisstan-des zur Belastbarkeit von RBF liefern. Im Vordergrund steht die Ermittlung des maximalen Frachtrückhaltes hinsichtlich organischen Kohlenstoffverbindungen und Stickstoffverbindun-gen unter hohen hydraulischen und stofflichen Belastungen. Die Untersuchungen wurden im Labormaßstab an Säulenmodellen mit zwei unterschiedli-chen Filtersubstraten durchgeführt. Durch die gezielte Variierung der Beschickungsmengen und Filtergeschwindigkeit wurde ein breites Spektrum unterschiedlicher Belastungszustände untersucht. Ferner wurden Sauerstoff- und Redoxpotential im Säulenablauf sowie im Filter-körper gemessen. In Anschluss an die Versuchsreihen wurden die Säulen abgebaut und ergänzende bodenkundliche und mikrobiologische Untersuchungen durchgeführt. Die Ergebnisse einer ergänzenden Volumenbilanz zeigen, dass selbst in einem überstauten Filterkörper nicht alle Poren im mit Wasser gefüllt sind. Der in der eingeschlossenen Boden-luft enthaltene Sauerstoff trägt zur Wiederbelüftung des infiltrierenden Beschickungswassers bei. Die mikrobiell bedingten Unterschiede des O2-Verbrauchs im vertikalen Filterprofil haben zur Folge, dass in einem Filterkörper gleichzeitig aerobe, anoxische und anaerobe Zonen existieren können. Der Rückhalt von Ammonium hat sich als signifikant abhängig von der Filtrationsgeschwin-digkeit und der substratspezifischen Sorptionskapazität erwiesen. Die Gesamtbetrachtung der Stickstoffkomponenten und insbesondere NO3-Konzentrationsganglinien in Säulenablauf führt im Zusammenhang mit der Sauerstoffverfügbarkeit im Filterkörper zur Folgerung, dass NH4-Rückhalt nicht wie bisher als streng zweistufiger Prozess mit Teilschritten Sorption (in der Betriebsphase) und Nitrifikation (in der Trockenphase) angesehen werden kann. Die Er-gebnisse der Arbeit zeigen erstmals, dass unter bestimmten Bedingungen die Nitrifikation schon während der Betriebsphase stattfindet. Die Analyse des Sauerstoffverbrauchs in den Filterkörpern der untersuchten Säulen in Ver-bindung mit der CSB-Reinigungsleistung belegt, dass während der Betriebsphase auch für die CSB-Verbindungen ein unmittelbarer Abbau stattfindet. Unter aeroben Verhältnissen ist die Reinigungsleistung in allen untersuchten Säulen – unabhängig von Substrat und Filter-geschwindigkeit - weitgehend stabil.
  • A common method for enhanced treatment of combined sewer overflows (CSOs) in Ger-many is the implementation of Retention Soil Filter (RSF). RSF proved to be very effective measure to meet the EU WFD standards especially for small or particularly sensitive receiv-ing waters. In various field studies RSF have shown a generally high purification capacity, especially consisting the elimination of organic compounds (COD) and ammonium (NH4). Despite overall positive experience, optimization of operation requires a deeper knowledge of the purification processes within the filter layer and of the reliability of RSF under extreme loading conditions. Therefore in this thesis the main objectives were to detect maximal re-moval loads of organic and nitrogen compounds. Within, results of lab-scale experiments using filter columns filled with two different filter sands are described. The columns were operated with various loading conditions and with different filtration rate, so that various operation conditions could be tested. Oxygen concen-trations in different filter layers were measured continuously in situ and in the outflow of the columns. Furthermore, oxidation reduction potential and pH were measured in the outflow. At the end of the experiments sand samples from different layers were obtained and the poros-ity as well as the DNA-concentrations were detected. The results of the volume balances show, that even during inundation not all pores in the filter layer are filled with water. Some parts of the captured soil air re-aerates the infiltrating water. Differences in oxygen consumption in different filter layers correspond with the bio-mass density. These findings indicate, that aerobic, anoxic and anaerobic zones may exist in the soil filter at the same time. These results of oxygen measurement in combination with observation of waste water com-pounds in the outflow give indications about predominant processes during and after loading phase in RSF for CSO treatment. Possible processes concerning ammonium elimination during loading phase are sorption and degradation with nitrification. However, for the nitrifica-tion during loading certain conditions are required. The analysis of oxygen consumption in connection with COD elimination supports the as-sumption, that organic compound are already degraded during filter operation. Under aerobic conditions the purification capacity in all examined columns - independently from kind of filter sand and filtration rate – is extensively stable.

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Metadaten
Author:Renata Wozniak
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-21814
Advisor:Theo Schmitt
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Year of Completion:2007
Year of Publication:2007
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2007/05/16
Tag:Mischwasserbehandlung ; Regenwasserbehandlung; Retentionsbodenfilter
CSOs treatment; retention soil filter
Faculties / Organisational entities:Fachbereich ARUBI
DDC-Cassification:710 Städtebau, Raumplanung, Landschaftsgestaltung

$Rev: 12793 $