Potentiale für den Einsatz von Nährstoff- Filtersystemen in ...

Fachartikel I DOI 10.5675/HyWa_2012,1_1 Holsten et al.: Potentiale für den Einsatz von Nährstoff-Filtersystemen …
HW 56. 2012, H.1
Bettina Holsten, Agnieszka Bednarek, Annegret Fier, Nicola Fohrer, Goswin Heckrath, Heinrich Höper, Cindy
Hugenschmidt, Charlotte Kjærgaard, Björn Krause, Norbert Litz, Andreas Matzinger, Dagmar Orlikowski, Cecile
Périllon, Matthias Pfannerstill, Pascal Rouault, Walter Schäfer, Michael Trepel, Marek Ubraniak und Maciej Zalewski
Potentiale für den Einsatz von Nährstoff-
Filtersystemen in Deutschland zur Verringerung
der Nährstoffeinträge in Oberflächengewässer
Potential for reducing nutrient input in surface waters by using nutrient filters
Der Einsatz von Filtern zur Reduzierung von Stickstoff- und Phosphoreinträgen aus der Landwirtschaft in die Oberflächengewässer
wurde in Deutschland bisher kaum untersucht. In einem Workshop wurde der Stand der Untersuchungen von Projekten in Polen, Dänemark,
Deutschland und Frankreich vorgestellt. Um das Potential dieser Maßnahmen auszuschöpfen, sind die Entwicklung von Entscheidungsunterstützungssystemen
für geeignete Einsatzorte und weitere Demonstrationsprojekte unter Feldbedingungen notwendig.
Schlagwörter: Denitrifikationssysteme, Landwirtschaft, Nährstoffausträge, Nitrat, Phosphor-Filter
The implementation of filters to reduce nutrient loads from agricultural fields is not well studied in Germany. In a workshop projects from
Poland, Denmark, Germany and France were presented. To use the potential of these systems more efficiently, decision support systems
for the exploit identification of suitable sites and methods and further demonstration projects under field conditions are required.
Keywords: Agriculture, denitrification systems, nitrate, nutrient loading, phosphorus filters
1 Einleitung
Nährstoffeinträge belasten nach wie vor Grundwasser, Oberflächengewässer
und Meere in einem Ausmaß, dass Deutschland
die Anforderungen wichtiger europäischer Vereinbarungen zu
deren Schutz wahrscheinlich nicht einhalten wird (KUHR et al.
2011). Während Stoffeinträge über Kläranlagen in den letzten
drei Jahrzehnten deutlich reduziert wurden, haben sich die Einträge
aus landwirtschaftlich genutzten Flächen nur geringfügig
vermindert (FUCHS et al. 2010). Auch wenn es zu einer Reduzierung
des Saldoüberschusses gekommen ist, werden diese Erfolge
durch die Ausweitung des Maisanbaus in den letzten Jahren,
der in der Praxis häufig mit hohen Nährstoffüberschüssen angebaut
wird, wahrscheinlich neutralisiert.
Daher ist es notwendig, frühzeitig Möglichkeiten für die weitere
Verringerung der Nährstoffeinträge in Gewässer zu entwickeln,
um die oben genannten Umweltziele zusammen mit einer intensiv
wirtschaftenden Landwirtschaft zu erreichen.
Eine Möglichkeit zur Reduzierung von Nährstoffeinträgen in
Oberflächengewässer ist der Einsatz von Filtersystemen für Stickstoff
und Phosphor. Filtersysteme nutzen dabei biologische und
biogeochemische Prozesse für die Stoffrückhaltung. Die ersten
Denitrifikationssysteme zur Reduzierung von Nitrat wurden in
Neuseeland und Kanada erprobt (ROBERTSON et al. 2000, SCHIP-
PER et al. 2005). Seit einigen Jahren werden Nitrat- und Phosphorrückhalt
auch in Projekten in Europa untersucht.
Ein wesentliches Hindernis bei der Einführung von Nährstoff-
Filtersystemen ist in Deutschland bisher die prinzipielle Ablehnung
von sogenannten „End of Pipe-Lösungen“. Unstrittig ist die
Notwendigkeit, die Saldoüberschüsse auf der Eintragsseite weiter
zu reduzieren, um flächenhaft den in der Düngeverordnung
vorgeschriebenen Saldoüberschuss von 60 kg N pro ha und Jahr
und 20 kg P pro ha und Jahr zu erreichen (UBA 2011). Da noch ein
erhebliches Reduzierungspotential bei der Düngung vorhanden
ist, d.h. die Stickstoffeffizienz deutlich durch Änderungen der Bewirtschaftungsweise
verbessert werden kann, wurden nachgeordnete
Maßnahmen, die auf die Reduktion der Nährstoffe im
Wasserkörper abzielen, bisher abgelehnt. In Dänemark wurden
in den letzten zwei Jahrzehnten verschiedene Vorschriften erlassen,
die dazu geführt haben, dass der Saldoüberschuss bei 5 kg
P pro ha und Jahr liegt. Trotzdem gehen die Nährstoffausträge
aufgrund der großen Phosphorvorräte im Boden zu langsam
zurück, um den Anforderungen der EU-Richtlinien für die Gewässerqualität
zu genügen (TROLLE et al. 2008). Generell gelten hier
Maßnahmen zur weiteren Reduzierung der P-Düngung daher
als uneffektiv und sehr teuer, da sie mit hohen landwirtschaftlichen
Produktionskosten verbunden sind (JENSEN et al. 2009). Vor
diesem Hintergrund wurden die bisher nicht erwünschten „End
of Pipe-Lösungen“ wirtschaftlich, und im Jahr 2010 begann ein
Forschungsprogramm zur Wirkung und Etablierung von P-Filtern
und anderen reaktiven Systemen (SUPREMETECH-PROJEKT 2011).
Um die zu diesem Thema vorhandenen Erfahrungen auszutauschen,
fand im Mai 2011 ein Workshop im Rahmen des von der
Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Projektes
„Entwicklung von Strategien zur Minderung des Nährstoffaustrags
dränierter, landwirtschaftlich genutzter Flächen“ in Kiel
statt. Dabei wurde festgestellt, dass in Deutschland die Nutzung
von Filtersystemen für den Nährstoffrückhalt als Element einer
Nährstoffminderungsstrategie nicht ausreichend bekannt ist und
deren Entwicklung und Erprobung bisher kaum gefördert wird.
Daher werden in diesem Beitrag die Ergebnisse und Erfahrungen
mit Filtersystemen zusammengetragen und daraus notwendiger
Forschungs- und Entwicklungsbedarf abgeleitet.
2 Filtersysteme
Filtersysteme können sowohl für die Rückhaltung von Stickstoffverbindungen
(z.B. SCHIPPER et al. 2010a) als auch für Phosphor-
4

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verbindungen (DOUGLAS et al. 2004, VOHLA et al. 2011) eingesetzt
werden. Um diese Systeme effizient zu betreiben, müssen
die in ihnen wirkenden Prozesse und kontrollierenden Einflussfaktoren
bekannt sein (PERILLON & MATZINGER 2010).
2.1 Denitrifikationssysteme
Einführung
Bei der Denitrifikation wird wassergelöstes Nitrat durch Bakterien
zu molekularem Stickstoff umgewandelt, wenn der Sauerstoffgehalt
unter 1 mg/O 2
pro l liegt. Eine weitere Voraussetzung
für den Ablauf der Reaktion ist neben einem pH-Wert von 7–8
die Anwesenheit von organischem Kohlenstoff, der als Elektronendonator
dient.
5 CH 2
O + 4 NO 3 – 2 N 2
+ 5 CO 2
+ 3 H 2
O + 4 OH –
Grundsätzlich werden die Umsatzraten von der Nitratkonzentration
im Wasser, der Wasseraufenthaltszeit und der Temperatur
bestimmt. Um den Prozess, der auch in natürlichen Systemen
stattfindet, gezielt für den Nitratabbau einzusetzen, wird nitratreiches
Wasser durch organisches Material wie z.B. Holzhackschnitzel,
Sägespäne, Stroh oder Kompost geleitet (CAMERON
& SCHIPPER 2010, GREENAN et al. 2006, SCHIPPER et al. 2010b).
Weitere Stickstoffverbindungen wie Ammoniak oder organischer
Stickstoff sowie Phosphor passieren das System weitgehend unverändert.
Arten von Denitrifikationssystemen
In der Praxis wurden verschiedene Denitrifikationssysteme getestet,
die sich hinsichtlich der Verfügbarkeit von Wasser, Wasserdurchflussraten
und Flächenverbrauch unterscheiden (Tab. 1).
Hinweise auf die Grenzen des Systems stammen mehrheitlich
aus SCHIPPER et al. (2010a).
Für eine Vielzahl von belasteten Wässern wurden bereits unterschiedliche
Filtersysteme entwickelt, wobei weitere Untersuchungen
zur Optimierung der Systeme in Bezug auf die Durchströmungsrichtung
und den Einsatz von passiven Solaranlagen
zur Erhöhung der Temperatur und damit der Nitratabbauraten
erprobt wurden (CAMERON & SCHIPPER 2011). Besonders interessant
sind unterirdische Systeme wie Denitrifikationswälle, die
wartungsfrei über viele Jahre wirksam sind, wobei die Durchströmung
des organischen Materials sichergestellt sein muss. Diese
Systeme kommen ohne Flächenverlust und Folgekosten aus.
Kohlenstoffquellen
In Denitrifikationssystemen wurden bislang verschiedene organische
Materialien als Kohlenstoffquelle eingesetzt, von denen
die in Deutschland leicht verfügbaren in Tabelle 2 zusammengestellt
sind. Weitere untersuchte Substanzen wie Jutepellets,
Rohbaumwolle, Kokosfasern und Torf sind in größeren Mengen
nicht kostengünstig zu erwerben oder, im Fall von Torf, zumeist
mit anderen, negativen Umweltwirkungen verbunden.
Neben der Nitratabbaurate sind für die Auswahl der Materialien
die Lebensdauer und die hydraulische Leitfähigkeit von besonderer
Bedeutung. Insbesondere bei Systemen, in denen keine
Möglichkeit besteht, das organische Material zu ersetzen, hat
sich die Verwendung von Holzhackschnitzeln bewährt (CAME-
RON & SCHIPPER 2010, GREENAN et al. 2006, JAYNES et al. 2008,
ROBERTSON et al. 2000). Es konnte gezeigt werden, dass die
Systeme mindestens 15 Jahre lang wirksam sind (SCHIPPER et al.
Tabelle 1
Überblick bisher wissenschaftlich untersuchter Denitrifikationssysteme
Overview of scientifically investigated denitrification systems
Systeme Lage Wasserquelle
und -weg
Wälle
Betten und Boxen
Schichten
Reaktive Gräben
Grundwasser-
Reaktoren
Dränfilter
Unterirdische
vertikale Gräben,
später überfahrbar
Ober- und unterirdisch,
aber durch empfindliche
Wasserauffangbehälter,
wahrscheinlich keine Überfahrbarkeit
Unterirdische
horizontale, überfahrbare
Schichten
Ober- und unterirdisch in
vorhandenen Gräben
An Oberfläche, nicht
überfahrbar
Ummantelungen von
Dränagerohren
Grundwasser
durchströmt den Wall
horizontal
Hochkonzentrierte
Abflüsse, die in mit Folie
ausgeschlagenen Gräben
(Betten) oder Plastikbehältern
(Boxen) aufgefangen
werden
Sickerwasser oder
Verrieselung von
Abwässern
Grabenwasser
Quellige Standorte mit aufsteigendem
Grundwasser
Sickerwasserabflüsse durch
Dränagen
Grenzen des Systems
Hydraulischer Gradient muss bekannt
sein, Wasseraufenthaltszeit
meist kurz, Abbauleistung daher
eher gering
Bei stark variierenden Zuflussraten
Starkregenereignisse bei
Bemessung einbeziehen, evtl.
Umgehungsgerinne anlegen
Verschlammung möglich, nur für
Verrieselung belasteter Abwässer
erfolgreich erprobt, Wasseraufenthaltszeiten
eher kurz
Verschlammung möglich, Starkregenereignisse
in Bemessung
einbeziehen
Sehr lokal einsetzbar
Bisher nur Kokosfaservariante
im Handel erhältlich, geringe
Wasseraufenthaltszeit, keine
Untersuchungen zu Holzhackschnitzelschüttung
Quelle = Nr. Lit.-verz.
(Land)
21 (CDN)
26 (NZ)
12 (USA)
5 (AUS)
1 (PL)
36 (CDN)
27 (NZ)
21 (CDN)
28 (NZ)
24 (CDN)
20 (D)
37 (CND)
6 (D)
5

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2010a). Allerdings wurden in der Anfangsphase wiederholt hohe
Konzentrationen von gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC)
von mehreren 100 mg/l gemessen, sodass bei empfindlichen
nachfolgenden Wasserkörpern ein Vorspülen des Materials notwendig
ist (ROBERTSON & CHERRY 1995, SCHIPPER et al. 2010a).
Das Tränken der Holzhackschnitzel mit Sojaöl erhöht den Nitratabbau,
es ist allerdings nicht bekannt, wie lange diese Wirkung
anhält (CAMERON & SCHIPPER 2010).
Der Einsatz von Sägespänen, die höhere Retentionsraten als
Holzhackschnitzel erreichten, kann die Wasserdurchlässigkeit so
weit verringern, dass die Systeme nicht mehr durchströmt und
damit ineffizient werden (SCHIPPER et al. 2005). Leicht abbaubare
Kohlenstoffquellen wie Stroh und Maiskolben wiesen hohe
bis sehr hohe Retentionsraten auf, es wurde aber die Entstehung
von Ammonium festgestellt, sodass die höhere Nitratabbauleistung
gegen die Ammoniumbelastung sorgfältig abgewogen
werden muss (ROBERTSON et al. 2000).
In den Denitrifikationssystemen wurde in verschiedenen Versuchen
zudem die Entstehung von Lachgas (N 2
O), Kohlendioxyd
(CO 2
) und Methan (CH 4
) gemessen. Eine Zusammenfassung der
Ergebnisse findet sich bei SCHIPPER et al. (2010a). Dabei wurden
keine bedenklichen Größenordnungen festgestellt.
Denitrifikationsleistungen
Aus verschiedenen Ländern außerhalb Europas liegen zum Teil
bis zu 15-jährige Messungen der Abbauleistungen vor. Eine
Zusammenstellung der Literaturangaben haben SCHIPPER et al.
(2010a) veröffentlicht. In der Praxis wurden ausschließlich Sägespäne
und Holzhackschnitzel verwendet, die eine lange Lebensdauer
erreichen, auch wenn andere Materialien im Labor höhere
Abbauraten erzielten. Die Ergebnisse, bei denen es sich zumeist
um Jahresmittelwerte handelt, werden in Tabelle 3 zusammengefasst
und ergänzt.
Neben der Nitratkonzentration und der Temperatur sind auch
die Wasseraufenthaltszeit und die Porosität des organischen
Materials für die Abbauleistung entscheidend. In den Denitrifikationsbetten
werden meist längere Wasseraufenthaltszeiten
erreicht als beim Durchströmen der Wälle, und die Abbauleistung
liegt daher oft höher. Unabhängig von den in Tabelle 3 aufgeführten
Untersuchungen geben die Autoren als Spannbreiten für die
Nitratabbauleistung von Wällen unter Freilandbedingungen
0,004 –1,3 kg N m –3 a –1 und für Denitrifikationsbetten 0,71–8,03 kg
N m –3 a –1 an. Geringe Abbauleistungen werden oftmals bei Nitratlimitierung
gemessen. In den Untersuchungen in Tabelle 3 wurden
vorwiegend Wasseraufenthaltszeiten in der Größenordnung
von Tagen betrachtet. Erreichbare Abbauleistungen bei höheren
Durchflüssen, wie sie unterhalb vieler Dränsysteme auftreten,
sind Gegenstand aktueller Untersuchungen (s. auch Kapitel 3.2).
2.2 Filtersysteme für Phosphor
Phosphorrückhalt kann durch den physikalischen Prozess der
Sedimentation, durch die geochemischen Prozesse der Sorption
und Ausfällung erfolgen sowie durch Pflanzenaufnahme und
biologische Immobilisierung (Torfeinlagerung) (HOFFMANN et
al. 2009). Während Sedimentation und Pflanzenaufnahme meist
nur kurzzeitigen temporären Phosphorrückhalt bieten, werden
Sorption und Ausfällung in Filtersystemen für langfristigen
Rückhalt genutzt. Sie kommen bisher meist in der Abwasserreinigung
zum Einsatz (JENSSEN et al. 2010). Eine Übersicht über die
Wirkung verschiedenster Filtermaterialien wurde von VOHLA et
al. (2011) zusammengestellt. Den höchsten Phosphorrückhalt
mit 420 g P kg –1 erreichten dabei industrielle Abfallprodukte wie
Kraftwerksschlacken. Natürliche Produkte wie Opoka, eine Gesteinsart
aus Südostpolen, erreichten Maxima von 40 g P kg –1 ,
während künstliche Filtermaterialien 12 g P pro kg Substrat zurückhielten.
Beim Einsatz der verschiedenen Medien müssen
weitere Faktoren wie die Dauer bis zur Sättigung des Materials,
der Schwermetallgehalt, die lokale Verfügbarkeit und die mögliche
Nutzung des angereicherten Materials als Dünger mit in
Erwägung gezogen werden.
3 Anwendungsbeispiele für
Denitrifikationssysteme
3.1 Denitrifikationswälle in Polen
In Polen befinden sich noch viele punktuelle Nährstoffquellen
auf kleinen Hofstellen mit etwa 25 Großvieheinheiten. Dort wird
Tabelle 2
Denitrifikationsleistung verschiedener organischer Materialien im Vergleich zum Wert von Holzhackschnitzeln (3,0–4,9 g N m – ³ d –1 )
Denitrification rates of different organic materials in relation to wood chips (3.0–4.9 g N m – ³ d –1 )
Material
Denitrifikationsleistung
x Mal Wert von
Holzhackschnitzeln
Bemerkungen
Holzhackschnitzel 1 Lebensdauer rechnerisch oft bis 40 Jahre
Zu Beginn DOC-Auswaschungen von
mehreren 100 mg/l gemessen
Holzhackschnitzel mit Sojaöl 1,7 8
Sägespäne 1–1,4 Hydraulische Leitfähigkeit gering 8
Stroh 1,6–4,5 Lebensdauer ca. 1 Jahr
Hydraulische Leitfähigkeit sinkt stark
z.T. Ammoniumentstehung gemessen
Kompost 2,1–2,6 3
Maiskolben ohne Körner 3,1–6,6 Lebensdauer ca. 1 Jahr
z.T. Ammoniumentstehung gemessen
Pappe/Zeitungen 2,4 8
Quelle = Nr. Lit.-verz.
3
3
B. Krause (pers. Mitt.)
Rindenmulch 2,0 B. Krause (pers. Mitt.)
3
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Mist oft viele Jahre lang ohne eine
Abdeckung zum Grundwasser hin gelagert.
Hier werden sehr hohe Nitratwerte
in unmittelbarer Nähe der Misthaufen
gemessen, und Investitionen
der Landwirte in andere Lagerungssysteme
sind in absehbarer Zeit unwahrscheinlich.
Daher wurde bereits
vor 5 Jahren mit einem Demonstrationsvorhaben
der Universität Lodz auf
einer Hofstelle begonnen, in dem die
Wirkung von Denitrifikationswällen
durch ein umfangreiches Messprogramm
erprobt wurde (Abb. 1).
Inzwischen wurden weitere Denitrifikationswälle
gebaut. Am ersten untersuchten
Standort wurden Gesamt-
N-Werte von 704 mg dm –3 gemessen,
wobei 228 mg dm –3 als NO 3
-N vorlagen
und 347 mg dm –3 als NH 4
-N (BED-
NAREK et al. 2010).
Auf einer Länge von 15 m wurden quer
zur Fließrichtung des Grundwassers
10 m³ Sägespäne in etwa 1,5 m Tiefe
eingefüllt. In Abständen von 1 m, 3 m,
5,5 m und 9,5 m vom offenen Misthaufen
wurden Piezometer installiert und
regelmäßig beprobt (Abb. 2).
Tabelle 3
Nitratabbauleistungen verschiedener Denitrifikationssysteme nach SCHIPPER et al. (2010a, ergänzt)
Denitrification rates of different systems after SCHIPPER et al. (2010a, amended)
Systeme
Quelle = Nr. Lit.-verz.
Wälle
Organisches Material
Nitrat
g N m – ³
Temp.
°C
Abbaurate
g N m – ³ d – 1
Abbaurate
kg m – ³ a – 1
22 Sägespäne 50 14 1,7 0,62
26 Sägespäne 5–15 12 1,4 0,51
12 Holzhackschnitzel 87 10 0,62 0,23
5 Sägespäne >60 19 12,7 4,63
Betten
22 Holzhackschnitzel 5 10 10 3,65
23 Holzabfälle 17 15 1,8 0,66
23 Holzabfälle 38 15 2,4 0,88
29 Sägespäne/Holzhackschnitzel 53 15–26 1,4 a 0,51
29 Sägespäne/Holzhackschnitzel 5,5 14–22 0–11 0–4,01
29 Sägespäne/Holzhackschnitzel 250 20 9,7 3,53
Schichten
22 Sägespäne 57 10 1,8 0,66
Reaktiver Graben
24 Holzhackschnitzel 5 8 3,2 1,17
Grundwasserreaktor
36 Holzhackschnitzel 9 9 2,1 0,77
36 Holzhackschnitzel 13 13 3,7 1,35
a = Abbaurate durch Nitratverfügbarkeit begrenzt.
Die Auswertung ergab im Abstand von 5,5 m zum Misthaufen
eine Reduzierung von 87 % des Gesamt-N-Gehaltes im Strömungsverlauf,
der Nitratgehalt sank um 95 % und Ammonium
nahm um 77 % ab. Der Rückgang des Ammoniums wird auf
Oxidation durch das sauerstoffreiche Grundwasser am Beginn
des Walles zurück geführt, später sinkt der Sauerstoffgehalt im
Verlauf des Walles stark ab, und Ammoniumabbau findet nicht
mehr statt. Über und hinter dem Wall wurden zudem Methan
(CH 4
), Lachgas (N 2
O) und Kohlendioxid (CO 2
) gemessen. Der Methangehalt
lag in einer Bodentiefe von 50 cm mit Werten von
etwa 17 % am höchsten, in 15 cm Bodentiefe waren es noch
etwa 6 %.
Die höchsten Konzentrationen von N 2
O traten in 30 cm Tiefe auf.
Hier wurden Werte von mehr als 350 ppm gemessen, in 15 cm Tiefe
waren es jedoch nur noch 150 ppm und > 50 ppm an der Oberfläche,
sodass nur geringe Mengen Lachgas an die Atmosphäre
abgegeben werden. Die höchsten CO 2
-Konzentrationen treten in
Bodentiefen von 50–70 cm auf, wo Werte von etwa 27 % gemessen
wurden, an der Oberfläche waren es 3 %. Auch beim CO 2
scheint
die Abgabe an die Atmosphäre gering und vertretbar zu sein.
Die Kosten für den Bau beliefen sich auf etwa 184,– € (727,– Zloty),
wobei 108,– € (427,– Zloty) für 3,5 Stunden Baggerarbeiten
anfielen und 76,– € (300,– Zloty) für 10 m³ Sägespäne.
Abbildung 1
Errichtung des Denitrifikationswalles an einem offenen Misthaufen
Construction of a denitrification wall next to an open dung pile
Abbildung 2
Lage der Piezometer nach Installation des Walles
Placement of the piezometers after construction of the wall
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Czarnocin Reservoir
Im Winter 2010 wurde ein Trinkwasserreservoir der Stadt Czarnocin
in der Nähe von Lodz mit einem Denitrifikationswall versehen
(Abb. 3). Im zufließenden Grundwasser werden hier Werte von
46,8 NO 3
mg/l gemessen, punktuell waren es auch 90,8 NO 3
mg/l.
Messungen zur Reduktionsleistung liegen noch nicht vor.
Aufgrund der oft hohen Nitratbelastung des Grundwassers sind
Denitrifikationswälle an vielen Stellen in Polen als Maßnahme zur
Reduktion von Nitratwerten effektiv einsetzbar. Weitere Denitrifikationswälle,
die mit Hanfstroh und Flachsresten gefüllt waren,
wurden ebenfalls erfolgreich zur Reduzierung von Punktquellen
auf privaten Grundstücken eingesetzt. Die Bereitschaft, die
Arbeiten auf den Hofstellen durchführen zu lassen, ist groß, da
die Maßnahme ohne Flächenverluste auskommt und wartungsfrei
ist, die Umsetzung wird jedoch durch fehlende finanzielle
Fördermöglichkeiten begrenzt. Denitrifikationswälle sind auch
in Deutschland für die Verminderung der Nitratbelastung im Abstrom
von Punktquellen einsetzbar.
3.2 Laborversuche und reaktive Gräben im Freilandversuch
des Umweltbundesamtes
Die folgenden zwei Versuchsanlagen wurden im Projekt AQUI-
SAFE-2 eingerichtet, das vom Kompetenzzentrum Wasser in Berlin
durchgeführt und von VEOLIA EAU finanziert wird. Das Projekt
hat eine Effizienzanalyse ausgewählter naturnaher Puffersysteme
zur Verminderung diffuser Verschmutzungen aus der Landwirtschaft
zum Ziel. Dazu wurden Labor- und Versuchsgerinneuntersuchungen
auf dem Gelände des Umweltbundesamtes durchgeführt.
Hierbei ist der Einfluss von organischen Materialien auf
den Nitratrückhalt bei geringen hydraulischen Aufenthaltszeiten
untersucht worden. Zunächst wurden einjährige Säulenversuche
im Labor angesetzt, bei denen Stroh, Rindenmulch sowie eine
Mischung beider Materialien kontinuierlich mit 100 mg L –1 Nitrat
und 5 mg L –1 Phosphat beschickt wurden (Tab. 4).
Die Nitratreduktion lag in Strohsystemen am höchsten, Rindenmulch
erreichte weniger als die Hälfte der Abbauleistung und
eine Kombination der Substrate erreichte fast die Höhe von Stroh.
In Kurzzeitexperimenten wurde der Einfluss der Aufenthaltszeit
getestet. Bei 50 Stunden lag die Denitrifikationsleistung des Rindenmulches
dann genau so hoch wie beim Stroh, die Freisetzung
Abbildung 3
Errichtung eines Denitrifikationswalls zum Schutz eines Trinkwasserreservoirs
im Winter 2010
Construction of a denitrification wall to protect a drinking water reservoir
in winter 2010
ungenutzten DOCs war jedoch 13-fach geringer. Am günstigsten
erwies sich die Mischung von Rindenmulch und Stroh, die hohe
Nitratabbauraten und geringe DOC-Freisetzung zeigte.
In Freilandversuchen sind im Sommer 2010 drei Denitrifikationsgräben
mit einer Mischung von Stroh und Rindenmulch befüllt
und mit denselben Nährstoffkonzentrationen wie die Laborversuche
versetzt worden, um neben dem Einfluss der Aufenthaltszeit
auch den der Temperatur zu untersuchen (Abb. 4). Im Sommer
konnte auch bei 12 Stunden Wasseraufenthaltszeit ein fast
vollständiger Nitratabbau beobachtet werden, im Herbst und
Frühjahr waren es 20 %. Im weiteren Verlauf des Winters konnten
aufgrund des Frostes keine Daten mehr erhoben werden. Im
Parallelansatz unter sonst gleichen Bedingungen, aber einer Aufenthaltszeit
von 2 Tagen, wurde im Sommer, Herbst und Frühjahr
eine vollständige Denitrifikation erreicht (Tab. 5).
Direkt nach der Befüllung der Versuchsgerinne wurden sehr
hohe Werte von 900 mg L –1 DOC im Ablauf gemessen. Bei Aufenthaltszeiten
von 12 Stunden bzw. 2 Tagen sanken diese Kon-
Tabelle 4
Nitratabbauleistungen und DOC-Freisetzung von unterschiedlichen Materialien in Laborversuchen
des UBA. Mittelwerte aus einjährigen Säulenversuchen
Denitrification rates and DOC release of different materials in laboratory experiments of the
UBA. Arithmetic mean from one year of column experiments
Org. Material
Wasseraufenthaltszeit
in Stunden
DOC
in mg l –1
Nitratabbau
in %
Nitratabbau
in mg-N m –2 d –1
Stroh 4 0 55 3900
10 0 83
50 63 99
Rindenmulch 4 0 22 1500
10 0 27
50 5 99
Stroh +
4 0 53 3550
Rindenmulch
10 0 87
50 15 99
Tabelle 5
Nitratabbauleistung in reaktiven Gräben im UBA von
Juli 2010 bis April 2011
Denitrification rates in stream-bed bioreactors in the UBA
from July 2010 until April 2011
Wasseraufenthaltszeit
Nitrat
in mg NO 3
l –1
Temp.
in °C
Abbaurate
in %
48 Stunden 100 25 100
100 7 100
100 5 100
12 Stunden 100 25 98
100 7 20
100 5 20
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Abbildung 4
Reaktiver Graben auf dem UBA-Gelände mit Stroh und Rindenmulch vor
Abdeckung mit einer schwarzen Plane
Stream-bed bioreactor on the UBA ground with straw and wood bark chips
before installation of a black plastic cover
zentrationen innerhalb von 20 bzw. 50 Tagen auf unter 10 mg
L –1 . Nach der Winterstagnation wurden erneut kurzzeitig erhöhte
Werte von ca. 150 mg DOC L –1 gemessen, die nach 2 Wochen aber
wieder die Durchschnittswerte vom Herbst von weniger als 5 mg
L –1 erreicht hatten.
Die Mischung von Stroh und Rindenmulch hat sich als besonders
günstige Kohlenstoffquelle für Denitrifikationssysteme mit
geringen Aufenthaltszeiten erwiesen. Auch bei 5 °C fand noch
ein messbarer Nitratabbau statt, wobei die im Versuch eingesetzten
100 mg NO 3
L –1 an Dränwasser angelehnt sind und mehr als
doppelt so hoch wie in den meisten Oberflächengewässern sein
dürften.
3.3 Reaktiver Infiltrationsgraben und künstliche
Feuchtgebiete in Frankreich
Im Projekt AQUISAFE-2 wurde neben den Versuchen im UBA eine
Anlage in Frankreich installiert. In dem intensiv landwirtschaftlich
genutzten Einzugsgebiet des Ic in der Bretagne liegen die Nitratkonzentrationen
in den Oberflächengewässern meist über 50 mg
L –1 . Im Herbst 2010 wurde ein Infiltrationsgraben angelegt, der in
Wechsellagen mit Kies und Holzhackschnitzeln verfüllt worden
ist (Abb. 5, Abb. 6). Dabei handelt es sich um
eine spezielle Form des reaktiven Grabens.
Die Holzhackschnitzelschicht von etwa 30 cm
befindet sich im oberen Drittel der Verfüllung.
Im Zulaufschacht ist ein Strohballen
als Kohlenstoffquelle eingebracht worden.
In Zulauf und Ablauf werden kontinuierlich
Wasserstände gemessen, im Zulauf zudem
die Fließgeschwindigkeit. Über Ventile im
Ablauf kann der Wasserstand und somit die
Aufenthaltszeit des Wassers im Graben reguliert
werden. Anhand von regelmäßigen
Probennahmen werden Nährstoffkonzentrationen
gemessen.
Die Probennahmen und Durchflussmessungen
laufen seit Januar 2011. Erste Ergebnisse
zeigen einen Nitratabbau von ca. 10 %
bei knapp 7 °C. Die geringe Abbauleistung wird auf die niedrigen
Temperaturen zurückgeführt. Außerdem war der Betrieb des Grabens
erst für kurze Zeit so eingestellt, dass die denitrifizierende
Holzhackschnitzelschicht permanent wassergesättigt war. Aufgrund
ausbleibender Niederschläge besteht seit Ende Februar
2011 kein Abfluss im Grabensystem für weitere Messungen. Bei
wieder einsetzendem Abfluss wird das zweiwöchentliche Monitoring
bis Sommer 2012 fortgesetzt.
Bereits im Frühling 2010 wurden in einem weiteren Teileinzugsgebiet
des Ic zwei parallel geschaltete künstliche Feuchtgebiete
mit reaktiven Schichten angelegt, um einen direkten Vergleich
unterschiedlicher Systeme zu ermöglichen. Es handelt sich um
ein Infiltrationsfeuchtgebiet mit Dränagen und ein Oberflächenfeuchtgebiet.
Aus der Literatur liegen bisher keine Untersuchungen
eines vergleichbaren Systems mit nicht reguliertem Zufluss
vor. Von der Wirkungsweise entspricht die Anlage einer Kombination
von Denitrifikationsschicht und -bett. Beide Feuchtgebiete
wurden mit einer humushaltigen Bodenmischung als
Kohlenstoffquelle befüllt. Für beide Feuchtgebiete liegen für das
Jahr 2011 Probennahmen bis Mitte März vor. Eine Denitrifikationsleistung
im Oberflächenfeuchtgebiet von 16 % konnte im
März gemessen werden.
Eine Bewertung der tatsächlichen Effizienz der drei Denitrifikationssysteme
kann erst aufgrund weiterer Beobachtungen des
Abflussgeschehens und der Nährstoffgehalte im Jahresgang
erfolgen.
3.4 Reaktiver Graben im Einzugsgebiet der Kielstau,
Schleswig-Holstein
Im Einzugsgebiet der Kielstau wurde im Sommer 2010 ein bestehender
Graben auf etwa 20 m Länge mit Holzhackschnitzeln
befüllt (Abb. 7).
Es wurden Holzrahmen und Drahtgeflechte verwendet, um ein
Ausschwemmen der Holzstücke zu verhindern. Um bei Starkregenereignissen
kein Überschwemmen der angrenzenden Fläche
zu verursachen, wurde der Graben bis etwa 40 cm unterhalb der
Grünlandsohle befüllt, sodass bei Hochwasser ein Überströmen
der Holzhackschnitzel erfolgt (Abb. 8).
Im Herbst 2010 und Winter 2010/2011 kam es zu mehreren
Hochwasserereignissen, bei denen ein Überströmen der befüll-
Abbildung 5
Längsschnitt durch den mit Kies und Holzhackschnitzeln verfüllten Infiltrationsgraben mit
regulierbarem Ablauf
Longitudinal cut through the gravel and wood chip filled infiltration ditch with adjustable outflow
9

Fachartikel I DOI 10.5675/HyWa_2012,1_1 Holsten et al.: Potentiale für den Einsatz von Nährstoff-Filtersystemen … HW 56. 2012, H.1
ten Holzhackschnitzelstrecke beobachtet wurde, die angrenzende
Fläche jedoch trocken blieb. Somit bestand keine direkte
negative Auswirkung auf die angrenzenden landwirtschaftlichen
Flächen. Aus diesem Grund wird der gewählte Überströmungsansatz
als praxistauglich angesehen.
Für den Herbst konnte vor Beginn der Holzhackschnitzelstrecke
eine mittlere NO 3
-N-Konzentration von 8 mg/l verzeichnet
werden. Nach der Filterstrecke betrug die NO 3
-N-Konzentration
5 mg/l. Dabei ist zu beachten, dass das Filtersystem mehrmals
überströmt wurde und somit ein Anteil des Abflusses die Filterstrecke
nicht passierte. Trotzdem konnte eine mittlere Abnahme
der NO 3
-N-Konzentration von rund 40 % dokumentiert
werden. Im Winter fiel die Abnahme mit etwa 1 mg NO 3
-N l –1 hingegen
weitaus geringer aus. Im bisher ausgewerteten Frühling
wurde wieder eine höhere Abnahme von etwa 2 mg NO 3
-N l –1
beobachtet.
Abbildung 6
Fertiggestellter reaktiver Infiltrationsgraben im Herbst 2010 im
Ic-Einzugsgebiet in Frankreich
Reactive infiltration ditch in autumn 2010 in the catchment of the Ic in
France
Aus den bisherigen Ergebnissen lässt sich folgern, dass die gewünschte
Abnahme der NO 3
-N-Konzentration nach der Filterstrecke
eintritt. Dennoch besteht weiterer Forschungsbedarf, um die
Denitrifikation als Hauptreinigungsmechanismus zu identifizieren
und zu bestätigen. Darüber hinaus muss in weiteren Untersuchungen
festgestellt werden, welchen Einfluss Mischungseffekte
aus seitlich zufließendem Grundwasser oder der Rückstau aus
dem Vorfluter haben können.
Grundsätzlich sollte beachtet werden, dass das Verfüllen von bestehenden
Gräben nur mit einem wasserrechtlichen Genehmigungsverfahren
durchgeführt werden kann. Vor einer möglichen
Übertragung solcher Systeme auf größere Landschaftseinheiten
muss daher auch die Rechtslage geklärt werden.
Abbildung 7
Reaktiver Graben im Einzugsgebiet der Kielstau (Schleswig-Holstein) im
Sommer 2010
Stream-bed bioreactor in the Kielstau catchment (Schleswig-Holstein) in
summer 2010
3.5 Dränfilter
Dränrohre dienen vor allem der Entwässerung von Böden. Um
den Wasserabfluss zu beschleunigen und die Verschlämmung
der Rohre zu verhindern, werden sie üblicherweise mit Kokos,
Stroh oder Polypropylen ummantelt (sogenannte Dränfilter).
Diese Systeme können zusätzlich für den Nitratabbau eingesetzt
werden, sofern sich möglichst wassergesättigte Bedingungen
am Dränrohr einstellen lassen. Voraussetzung sind geeignete
organische Filtermaterialien. Besonders sinnvoll sind organische
Dränfilter auf Flächen, die von Natur aus wenig organische Substanz
im Untergrund aufweisen. Grundsätzlich sind Dränfilter auf
allen dränierten Flächen einsetzbar.
In Laborexperimenten wurden unterschiedlich langlebige Materialien
in Dränkästen mit einstellbaren Wasserständen untersucht.
Die gewonnenen Ergebnisse sollen die Auswahl von geeigneten
Materialien und Randbedingungen für Geländeversuche eingrenzen
und erleichtern. Von besonderem Interesse war dabei
der Einsatz von Xylit (Abb. 9). Dieses unvollständig inkohlte Pflanzenmaterial
fällt bei der Braunkohlegewinnung an und wird als
sehr langlebig angesehen. Es weist ein sehr weites C/N-Verhältnis
und einen höheren Anteil an langfristig verfügbaren Kohlenstofffraktionen
als Kokos oder Stroh auf (HÖPER et al. 2008).
Abbildung 8
Überflutungssituation nach einem Starkregenereignis im Herbst 2011
Flood situation after heavy rain in autumn 2011
In einem frostfrei gehaltenen Gewächshaus wurden sogenannte
Dränkästen aufgestellt: 0,6 m³ große Metallkästen, in die das
ummantelte Dränrohr eingebaut wird. Als Füllmaterial wurde humusarmer
Sand (C org
0,18 %) verwendet. Der Wasserstand konnte
sowohl unterhalb (WS1) als auch oberhalb (WS2) der Dränrohre
10

HW 56. 2012, H.1
Holsten et al.: Potentiale für den Einsatz von Nährstoff-Filtersystemen … DOI 10.5675/HyWa_2012,1_1 I Fachartikel
Abbildung 9
Mit Xylit ummanteltes Dränrohr
Drain pipe with xylit layer
Abbildung 10
Abgebauter NO 3
-Anteil an der insgesamt zugeführten NO 3
-N-Menge
(~ 12.500 mg NO 3
-N) innerhalb von 727 Tagen
Proportion of nitrate removal compared to the added amount of nitrate
(~ 12,500 mg NO 3
-N) after 727 days
eingestellt werden (vgl. FIER et al. 2009), um ein aerobes bzw.
anaerobes Milieu am Dränrohr zu erzeugen. Als Ummantelung
wurde ein Gemisch aus Xylit und Kokosfasern (XyKo), Kokos und
Polypropylen (PP, ursprünglich gedacht als Blindprobe) eingesetzt.
Stroh wurde ausgeschlossen, da es im Boden schon nach
kurzer Zeit vollständig abgebaut wird. Im 4-Wochenrhythmus
wurden die Kästen mit künstlichem Regenwasser, angereichert
mit 20 mg NO 3
-N l –1 , beregnet und das verdrängte Wasser analysiert.
Bei den Naturmaterialien Xylit und Kokos, in Reinform oder
im Gemisch, wurde bei hohen Wasserständen ein Nitratabbau
zwischen 37 % und 51 % innerhalb von 727 Tagen beobachtet
(Abb. 10).
Bei niedrigen Wasserständen lag der Abbau bei 21 % bis 25 %.
Der PP-Filter zeigte im Versuch erstaunlich hohe Abbauraten, da
das Material unerwartet auch Wollfasern enthielt. Die Wollfasern
führten zu hoher Nitratreduktion bei gleichzeitiger Ammoniumbildung.
Auch andere Autoren berichten dies für leicht abbaubare
Kohlenstoffquellen (s. Kapitel 2.1). Wird unterstellt, dass die
im Abfluss gemessene Ammoniummenge zu 100 % aus dem zugeführten
Nitrat gebildet wurde, wurden 56 % des zugeführten
Stickstoffs tatsächlich denitrifiziert, 30 % wurden ammonifiziert.
Aufgrund der Ammoniumproblematik sind Wollfasern als Filtermaterial
wenig geeignet.
Kokosfasern erzielen hohe Abbauraten, bauen sich im Boden
aber schneller ab als Xylitfasern. Da einmal in den Boden einge-
brachte Dränfilter nicht ausgetauscht werden können, wird die
Kombination aus Xylit und Kokos für Feldversuche vorgeschlagen.
Das garantiert gute Abbauleistung und eine hohe Langlebigkeit
des Filters. Ob sich die im Labor gewonnenen Ergebnisse
auch unter Feldbedingungen wiederholen lassen, wurde bislang
noch nicht untersucht.
Die Materialkosten für einen Mischfilter (Xylit + Kokos) liegen bei
etwa 1 €/m und damit nur unwesentlich über den bereits im Handel
befindlichen, kokosummantelten Dränrohren mit 0,88 €/m.
Da eine kontinuierliche Wasserbedeckung die Effizienz des Filters
entscheidend steigert, ist eine Verwendung auf dränierten
Flächen mit regulierbaren Wasserständen zweckmäßig (Abb. 11).
In ebenen Gebieten, in denen Dränagen erneuert werden müssten,
ist der Einbau solcher Kontrollsysteme auch zur Abmilderung
von Wassermangelsituationen im Sommerhalbjahr sinnvoll.
Im Gegensatz zu Deutschland sind in den USA solche Systeme
verbreitet im Einsatz und können auch ohne Dränfilter bereits
zu einer Reduzierung des Nitrataustrags führen (LALONDE et al.
1996, SADEGHI et al. 2008).
Fazit
Die vorliegenden Untersuchungen zeigen, dass etwa 1 m breite
Denitrifikationswälle, wie sie in Polen erprobt wurden, in
ihrer technischen Umsetzung als praxisreif angesehen werden
können. Generell können nährstoffsensible Gewässer und Vegetationstypen
durch solche Wälle vor Stoffeinträgen geschützt
Abbildung 11
Beispielskizze für kontrollierte Dränung – an einem Kontrollschacht am Dränauslass kann der Wasserstand aktiv reguliert werden.
Sketch of a controlled drainage system – the water table may be regulated at the outlet.
11

Fachartikel I DOI 10.5675/HyWa_2012,1_1 Holsten et al.: Potentiale für den Einsatz von Nährstoff-Filtersystemen …
HW 56. 2012, H.1
werden. Weitere Einsatzmöglichkeiten in der Landschaft gilt es
aufgrund von Anströmverhältnissen und Nitratkonzentrationen
zu spezifizieren. Reaktive Gräben können als nahezu praxisreif
angesehen werden. Sie sollten mit Einrichtungen zur Regulierung
der Wasserstände versehen werden, wobei die technische
Entwicklung solcher kombinierter Anlagen als noch nicht abgeschlossen
gelten muss. Ihr Einsatzbereich kann Teilbereiche
von allen hoch belasteten kleinen Gräben ohne Vorkommen
von geschützten Pflanzen- und Tierarten umfassen, in denen
die Durchgängigkeit des Gewässers nicht berücksichtigt werden
muss. Bei der Entwicklung von Dränfiltern ist die Praxisreife noch
nicht gegeben. Aufgrund der generellen Einsetzbarkeit auf allen
dränierten Flächen sind Demonstrationsanlagen unter Freilandbedingungen
zu erproben.
4 Filtersysteme für Phosphor
In Dänemark wurde 2010 vor dem Hintergrund wesentlicher
Nährstoffausträge über das Dränwasser (KRONVANG et al. 2005)
das SupremeTech-Projekt (http://www.supremetech.dk/SUPRE-
METECH.htm) begonnen, um die wissenschaftliche Grundlage für
die Entwicklung von Filtertechnologien für eine kostengünstige
Phosphorretention, aber auch Denitrifikation in Dränwässern zu
schaffen. Dieses geschieht anhand von zwei unterschiedlichen
Filtersystemen, Mini-Feuchtgebieten und Kompaktfiltern. Dabei
werden jeweils Aspekte wie die Funktion, Effektivität und Lebensdauer
verschiedener Filtermaterialien sowie die Leistungsfähigkeit
der Systeme bei relativ geringen Phosphorkonzentrationen
im Dränwasser und stark schwankenden Strömungsverhältnissen
systematisch in Laborversuchen und Pilotanlagen analysiert.
Die Ergebnisse dieser Forschung werden zusammen mit denen
einer Kosten-Nutzen-Analyse und der Entwicklung von Modellen
als Planungshilfe für die Anlage und Dimensionierung von Filtersystemen
dienen.
Trotz der verbreiteten Nutzung von künstlichen Mini-Feuchtgebieten
zur Reduktion von Nährstoffeinträgen in Oberflächengewässer
ist der Mangel an Information über die Effektivität dieser
Systeme unter schwankenden Strömungsverhältnissen und
Nährstoffbelastungen überraschend. Daher untersucht das Su-
Abbildung 12
Einbau von Kompaktfiltern zur Phosphorretention im Dränwasser in
Dänemark
Installation of compact filters to reduce phosphorus in the drainage water
in Denmark
premeTech-Projekt, ähnlich wie in den oben beschriebenen Denitrifikationssystemen,
künstliche Mini-Feuchtgebiete mit entweder
horizontaler Strömung durch die Matrix oder in offenen
Gerinnen. Der andere Schwerpunkt des Projektes ist die Entwicklung
und Untersuchung von Kompaktfiltern für Phosphor (Abb.
12), die als austauschbare Filtereinsätze in Dränbrunnen installiert
werden und von denen man sich verspricht, dass sie wartungsfreundlicher
und weniger flächenintensiv sind als Feuchtgebiete.
Als Fortsetzung dieser grundlagenorientierten Forschung untersucht
ein Anschlussprojekt seit 2011 Aspekte der Implementierung
verschiedener Filtertechnologien unter Berücksichtigung
von variierenden Austragspotentialen in Einzugsgebieten.
In Norddeutschland sind die Phosphorkonzentrationen der
meisten Oberflächengewässer ebenfalls zu hoch (FUCHS et al.
2010, UBA 2011); die in Dänemark erlangten Erkenntnisse über
Dränfilter zu Verminderung der Phosphat-Konzentrationen sollten
daher auf ihre Übertragbarkeit ins norddeutsche Tiefland hin
überprüft werden.
5 Handlungsbedarf und Empfehlungen
für die Einführung von Filtersystemen
In Deutschland besteht ein erheblicher Bedarf, die Nährstoffeinträge
in Grund- und Oberflächengewässer zu senken, um die
Umweltziele diverser europäischer Richtlinien zu erreichen. Aus
den Erfahrungen mit der bisherigen Umsetzung von Nährstoffminderungsprogrammen
ist bekannt, dass nicht eine Maßnahme
alleine zum Ziel führen wird, sondern ein Maßnahmenbündel
erforderlich ist. Bisher konzentrieren sich in Deutschland Maßnahmen
zur Minderung der Nährstoffausträge auf die Verringerung
der punktuellen Stoffeinträge und auf die Verringerung der
diffusen Einträge. Erstere setzen vor allem an den Kläranlagen an,
Letztere versuchen durch Änderungen der landwirtschaftlichen
Praxis die Nährstoffausnutzungseffizienz zu verbessern und damit
die Belastungen durch Stoffausträge für die Umwelt zu verringern.
Erfahrungen aus Dänemark belegen heute schon, dass diese
beiden Ansätze nicht ausreichen werden, um insbesondere die
Stoffeinträge in Oberflächengewässer und damit die Ziele des
Meeresschutzes und der Wasserrahmenrichtlinie zu erreichen.
Modellierungen von zwei Einzugsgebieten in Deutschland haben
ebenfalls ergeben, dass der Reduzierungsbedarf für Stickstoff
lokal höher liegt, als er mit bekannten landwirtschaftlichen
Reduzierungsmaßnahmen erreicht werden kann (KUHR et al.
2011). Hierfür sind Maßnahmen zielführend, die den Stoffrückhalt
während der Passage zum Wasserkörper oder im Wasserkörper
fördern. In diesem Zusammenhang kommt Filtersystemen eine
große Bedeutung zu. Filtersysteme nutzen natürliche Prozesse für
den Stoffrückhalt. Ihr Spektrum reicht von der Wiederherstellung
natürlicher Feuchtgebiete über künstliche Feuchtgebiete wie
Dränteiche oder Infiltrationsgräben bis hin zu speziellen technischen
Filtern, die z.B. in Dränsammlern eingesetzt werden können.
Aus der Literatur ist bekannt, dass alle diese Maßnahmen grundsätzlich
zur Stoffrückhaltung geeignet sind. Die Wiederherstellung
von natürlichen Feuchtgebieten wird bereits als geeignete
Maßnahme in der Wasserrahmenrichtlinie angesehen, und
einige Bundesländer haben hierfür bereits spezielle Förderprogramme
aufgelegt (Schleswig-Holstein: TREPEL 2007; Mecklenburg-Vorpommern:
MLUV 2009). Obwohl Synergien zum Natur-,
12

HW 56. 2012, H.1
Holsten et al.: Potentiale für den Einsatz von Nährstoff-Filtersystemen … DOI 10.5675/HyWa_2012,1_1 I Fachartikel
Klima- und vorbeugenden Hochwasserschutz bestehen (GRETT
2011), wird in der Praxis die Umsetzung dieser Maßnahme aufgrund
des hohen Flächendrucks für andere landwirtschaftliche
Nutzungen erschwert. Daher ist es erforderlich, weitere Maßnahmen
zu erproben, die bei geringem Flächenverbrauch zufließende
Nährstoffe wirksam zurückhalten können.
In Deutschland wird dieses Thema bislang von verschiedenen
Instituten bearbeitet, aber eine Vernetzung der vorliegenden
Erfahrungen ist bisher nicht gegeben. Die finanzielle Ausstattung
dieser Forschungsvorhaben ist nicht ausreichend, um
diese erfolgversprechenden Maßnahmen mittelfristig in die
Praxisreife zu überführen. Ein Grund für die fehlende Förderung
dieser Maßnahmen ist die fehlende politische Akzeptanz für
diese sogenannten „End of pipe“-Ansätze. Die Entwicklung und
Etablierung von Filtersystemen kann und soll landwirtschaftliche
Bemühungen, die Stickstoff- und Phosphoreffizienz zu
verbessern, nicht ersetzen. Sie ist aber ein ergänzendes Element
einer modernen Nährstoffminderungsstrategie in Landschaften,
in denen aufgrund natürlicher Gegebenheiten Stoffausträge
selbst bei bester fachlicher Praxis nicht in ausreichender Höhe
vermeidbar sind.
6 Zusammenfassung
Der Einsatz von Denitrifikationssystemen und P-Filtern wird
zurzeit in verschiedenen Untersuchungen zur Reduzierung der
Nitrat- und Phosphorausträge aus landwirtschaftlichen Flächen
eingesetzt. Auch wenn in Deutschland zweifellos ein weiteres
Einsparpotential bei der Düngung besteht, das ohne Ertragseinbußen
umgesetzt werden kann, sollten angesichts der Dringlichkeit
des Problems nachgeordnete Maßnahmen wie Filtersysteme
geprüft werden. Der Einsatz solcher Systeme wird zurzeit
noch durch die eingeschränkte Praxisreife begrenzt, wobei sich
die N- und P-Filtersysteme unterscheiden. Die Praxisreife der P-
Filtersysteme ist noch nicht gegeben, sodass hier zunächst die
Entwicklung geeigneter Systeme im Vordergrund steht. Denitrifikationssysteme
sind grundsätzlich weiter entwickelt, es besteht
aber weiterer Optimierungsbedarf zur Identifikation sinnvoller
Einsatzmöglichkeiten unter Berücksichtigung der Nährstoffkonzentrationen
im Zulauf, den Wasseraufenthaltszeiten, der Durchflussdynamik
und unerwünschter Nebenprodukte im Ablauf. Ein
zentrales Ergebnis des in der Einleitung genannten Workshops
ist, dass mit der Entwicklung von Entscheidungssystemen zum
effektiven Einsatz von Nährstofffiltersystemen begonnen werden
muss. In der Folge sollten Demonstrationsprojekte initiiert
werden, um kostengünstige und wartungsarme Lösungen für
unterschiedliche Nährstoffquellen weiter zu entwickeln.
Um das Potential von Filtersystemen konkret zu fördern, sollten
daher folgende Forschungsthemen bearbeitet werden:
••
Entwicklung eines Entscheidungssystems zur Identifizierung
von effektiven Einsatzmöglichkeiten verschiedener
Filtersysteme für unterschiedliche Wasseranströmverhältnisse,
Durchflussraten und Nährstoffkonzentrationen
••
Entwicklung und Erprobung von Demonstrationsanlagen
flächensparender Filtersysteme für den Einbau in Entwässerungseinrichtungen
••
Nachweis der Effektivität von weiteren „End of pipe“-Lösungen
wie natürlichen Feuchtgebieten, Dränteichen und
künstlichen Feuchtgebieten durch ein an die Fließwege
angepasstes Monitoring (TREPEL & KLUGE 2004).
Darüber hinaus wird empfohlen, Stoffrückhaltung als Maßnahme
in die nationale Stickstoffminderungsstrategie des Bundes
(UBA 2009) aufzunehmen.
Summary
The use of denitrification systems and P-filters is currently being
tested in several studies to reduce nitrate and phosphorus
leaching from agricultural land. Field applications of such systems
are currently limited, with distinctions between the N- and
P-filter systems. Since the technical development of the P-filters
for low phosphorus concentrations has only just begun, the
choice of the appropriate material is one of the research subjects.
Denitrification systems are generally more sophisticated, but
further optimization is needed to identify useful applications,
taking into account the nutrient concentrations, water residence
times, flow dynamics and unwanted byproducts in the effluent. A
key outcome of the workshop is the necessity of starting with the
development of a decision-support system to identify effective
sites for installing nutrient filter systems. Afterwards demonstration
projects should be initiated in order to further develop cost
effective solutions with low maintenance demand for different
nutrient sources in the near future.
Anschrift der Verfasserin:
Dr. B. Holsten
Institut für Ökosystemforschung
Abt. Angewandte Ökologie
Olshausenstr. 75, 24118 Kiel
bholsten@ecology.uni-kiel.de
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