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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
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
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
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
A 262
-‐ RedukXon von E.coli um 101,5 – 102,5 ? Auch bei geringen Zulaufwerten?
-‐ 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?
Herausforderungen l sehr hohe Anforderungen an die
Abwasserreinigung bei sensiblen Wasserkörpern Æ hygienische Qualität
Æ Nitrat-‐Grenzwerte (Immissionsbetrachtung bei besXmmter Gewässernutzung z.B. Trinkwassergewinnung)
l bei großen Regenereignissen Belastung der Kläranlagen kriXsch
Potenziale bepflanzter Bodenfilter zur Nachreinigung
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
A 262
-‐ RedukXon von E.coli um 101,5 – 102,5 ? Auch bei geringen Zulaufwerten?
-‐ 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?
Herausforderungen l sehr hohe Anforderungen an die
Abwasserreinigung bei sensiblen Wasserkörpern Æ hygienische Qualität
Æ Nitrat-‐Grenzwerte
l bei großen Regenereignissen Belastung der Kläranlagen kriXsch
Potenziale bepflanzter Bodenfilter zur Nachreinigung
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
Material und Methoden Anlagen in Hobrechtsfelde bei Berlin
Kläranlagenablauf
A ≈ 1.500 m² Sandfilter mit Längsgräben
Sandfilter mit Lehm
Sandfilter
googleearth
Teichanlagen
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
• verschiedene technische Feuchtgebiete, aber • gleiche Wassermenge
• gleiche Größe • gleicher Standort
Versuchsaufbau!
Material und Methoden Anlagenau@au
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
Material und Methoden Anlagenau@au – LängsschniD
Quelle: AKUT
ständig überstaut!
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
Material und Methoden Anlagenau@au – QuerschniD: Sandfilter mit Längsgräben
Quelle: AKUT
Drainageleitung in Kiespackung
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
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
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
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
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
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
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
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
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
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
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
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
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
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
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
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
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
Ergebnisse Desinfek\on
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
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
Ergebnisse Desinfek\on
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
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
Ergebnisse und Blick in die Zukuna Spurenstoffe
l Was können naturnahe Verfahren leisten?
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
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
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
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!
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
A 262
-‐ RedukXon von E.coli um 101,8 -‐102,3 ! Auch bei geringen Zulaufwerten von 104!
Herausforderungen
Æ hygienische Qualität
Zusammenfassung
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
-‐ bei CSB<45 mg/l à RedukXon Nges um 10-‐20% -‐ oder Rückführung (bei T≥12°C)
A 262
-‐ RedukXon von E.coli um 101,8 -‐102,3 ! Auch bei geringen Zulaufwerten von 104!
à RedukXon Nges um 50-‐70% ! Im JahresmiDel! ! Ohne Rückführung!
Herausforderungen
Æ hygienische Qualität
Æ SXckstoffen~ernung
Zusammenfassung
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
A 262
-‐ RedukXon von E.coli um 101,8 -‐102,3 ! Auch bei geringen Zulaufwerten von 104!
à RedukXon Nges um 50-‐70% ! Im JahresmiDel! ! Ohne Rückführung!
! Abwasser zurückhalten und behandeln ohne Leistungsverschlechterung!
Herausforderungen
Æ hygienische Qualität
Æ SXckstoffen~ernung
l bei großen Regenereignissen Belastung der Kläranlagen kriXsch
Zusammenfassung
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
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“
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
Abwasserwiederverwendung Pures Abwasser wird zur Bewässerung wiederverwendet
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
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!
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
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!
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
Au@au naturnaher Abwasserreinigungsanlagen
terrestrisch aqua\sch
-‐ Bewachsene Bodenfilter -‐ Abwasserteiche
Theorie!
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
• 7 verschiedene technische Feuchtgebiete, aber • gleiches Zulaufwasser
• gleiche Größe • gleicher Standort
Versuchsanlagen
Versuchsaufbau!
• gleiche Wassermenge
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
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
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
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!
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
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!
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
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!
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
ArzneimiDelrückstände
l Großteil der Arzneimi9el und ihrer Rückstände
werden über das Abwasser ausgeschieden.
l Reinigungsleistung von technischen Feuchtgebieten umstri9en.
Theorie!
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
Verhalten von ArzneimiDelrückständen
terrestrisch aqua\sch
-‐ Bewachsener Bodenfilter -‐ unbepflanzter Teich
Abbau und Umbau von Abbau von -‐ AnXbioXkum Sulfamethoxazol -‐ Schmerzmi9el Diclofenac
-‐ Psychopharmakum Carbamazepin
Ergebnisse!
Sabine Rühmland:Nachreinigung- Denitrifikation, Desinfektion, Spurenstoffe!
Technische Feuchtgebiete zur Nachreinigung von Abwasser
Danke für Förderung, Fragen und Feedback
Prof. Dr.-‐Ing. Ma9hias Barjenbruch FG SiedlungswasserwirtschaC TU Berlin