Potentiale fÃ¼r den Einsatz von NÃ¤hrstoff- Filtersystemen in ...

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HW 56. 2012, H.1 Holsten et al.: Potentiale für den Einsatz von Nährstoff-Filtersystemen … DOI 10.5675/HyWa_2012,1_1 I Fachartikel 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
Fachartikel I DOI 10.5675/HyWa_2012,1_1 Holsten et al.: Potentiale für den Einsatz von Nährstoff-Filtersystemen … HW 56. 2012, H.1 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 6
Seite 1: Fachartikel I DOI 10.5675/HyWa_2012
Seite 5 und 6: Fachartikel I DOI 10.5675/HyWa_2012

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