Prozesse des Rückhaltes und Umsatzes von Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen in Retentionsbodenfiltern zur Mischwasserbehandlung

Retention and Transformation Processes of Carbon and Nitrogen Compounds in Retention Soil Filters for CSO Treatment

  • Retentionsbodenfilter dienen der weitergehenden Behandlung von Entlastungsabflüssen konventioneller Regenüberlaufbecken. Sie kommen zum Einsatz, wenn der Schutz des betroffenen Gewässers eine Reduzierung der Belastung durch Mischwassereinleitungen erfordert. Verschiedene Untersuchungen an Pilotanlagen belegen zwar grundsätzlich eine hohe Reinigungsleistung der Filterpassage, eine gesicherte Prognose der Wirksamkeit und eine Optimierung des Verfahrens erfordern jedoch eine Weiterentwicklung des vorhandenen Kenntnisstandes. Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zu einem besseren Verständnis der bei der Filterpassage in RBF ablaufenden Reinigungsprozesse liefern. Im Vordergrund stehen dabei Rückhalt und Umsatz organischer Kohlenstoffverbindungen und Stickstoffverbindungen. An einer großtechnischen Anlage wurden über zwei mehrmonatige Messphasen zu- und abfließende Stoffströme erfasst. Durch die gezielte Beeinflussung des Beschickungsverhaltens wurde ein breites Spektrum unterschiedlicher Belastungszustände realisiert. Ergänzend hierzu wurden bodenkundliche Versuche durchgeführt, die der Untersuchung des Stoffumsatzes während der Trockenphasen zwischen den Beschickungsereignissen dienten. In Laborversuchen wurden darüber hinaus einzelne Teilprozesse des Stoffrückhaltes isoliert und unter definierten Randbedingungen betrachtet. Die Ergebnisse belegen, dass die Reinigungswirkung von Retentionsbodenfiltern in Bezug auf NH4 überwiegend auf einem zweistufigen Prozess beruht. Während der Durchströmung wird NH4 im Filterkörper sorbiert, um in der anschließenden Trockenphase nitrifiziert zu werden. Dauerhafte Beschickungen, wie sie unter starkem Fremdwassereinfluss auftreten, können zu einem Durchbruch der NH4-Konzentration führen. Unmittelbar nach dem Ende der Durchströmung setzt mit der Wiederbelüftung des Filterkörpers eine intensive Nitrifikation ein. Das Sorptionsvermögen regeneriert sich innerhalb weniger Tage annähernd vollständig. Bei der Prognose der Wirksamkeit von Retentionsbodenfilter mit Hilfe von Simulationsmodellen kann der NH4-Rückhaltes vereinfacht als Speicher dargestellt werden. Organische Kohlenstoffverbindungen – repräsentiert durch den CSB – weisen ein weniger eindeutiges Verhalten auf. Die partikuläre Fraktion wird während des Betriebs weitgehend an der Filteroberfläche zurückgehalten und in den Trockenphasen mineralisiert. Diese Wirkung kann als unbegrenzter Speicher modelliert werden. Hinsichtlich der gelösten Anteile konnte nicht eindeutig ermittelt werden, ob der unmittelbare Abbau während der Durchströmung dominiert oder ob auch diese Anteile wie das NH4 zunächst sorbiert werden. Die Wirkung der Filterpassage auf die gelösten und feindispersen Anteile des CSB kann annähernd durch einen konstanten Wirkungsgrad beschrieben werden.
  • Retention Soil Filters (RSF) are designed as vertical flow soil filters with a detention basin on top of the filter layer. They are applied if the condition of the receiving water requires an enhanced treatment of discharges from CSO structures. In various field studies RSF have shown a generally high purification capacity. However the efficiency varies in a wide range due to the stochastic nature of the loading regime and the multitude of environmental influences. Reliable prediction of the performance of RSF as well as further optimization of design and operation require a deeper knowledge of the internal processes. This study addresses open questions on these processes, focussing on retention and transformation of organic carbonates and nitrogen compounds. Volume and quality parameters of inflow and outflow have been measured on a full scale pilot plant. By varying the throttle flow of the upstream storm water tank the CSO activity was manipulated. Thus, the performance of the filter could be analysed under different loading conditions. Additionally, soil analyses were used to observe the transformation processes within the filter during dry periods between the loading events. In small-scale experiments certain sub-processes were investigated in detail under defined laboratory conditions. The results show, that the elimination of ammonia is based on a two-step process: during infiltrationammonia is absorbed by biofilms within the filter layer. Concentrations are reduced to a background level. Nitrification of the retained nitrogen takes place during the following dry period. Nitrification activity is highest immediately after the draining of the filter layer. Long term loading and high ammonia loads can lead to a breakthrough of the inflow concentration. In a mathematical model ammonia elimination can be represented by a storage unit that is filled during infiltration due to absorption and emptied in the dry periods by nitrification. Organic carbonates – represented by COD – show a different behaviour. The particulate fraction is retained at the surface of the filter layer and oxidized during dry periods. For soluble COD compounds the filter shows an almost constant removal rate. Oxygen consumption during infiltration indicates immediate degradation. Ammonification during dry periods shows that there is also delayed degradation of organic substances that have previously been retained by absorption.

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Metadaten
Author:Ulrich Dittmer
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-20509
Advisor:Theo G. Schmitt
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Year of Completion:2006
Year of Publication:2006
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2006/06/21
Tag:Entlastung; Filterbecken; Mischwasserbehandlung; Regenwasserbehandlung; Retentionsbodenfilter
Combined Sewer Overflow; Constructed Wetland; Retention Soil Filter; Stormwater Treatment; Vertical Flow Filter
Faculties / Organisational entities:Fachbereich ARUBI
DDC-Cassification:710 Städtebau, Raumplanung, Landschaftsgestaltung

$Rev: 12793 $