Untersuchung der Leistungsfähig­keit und des Betriebsverhal­tens einer saisonal belasteten, klein bemessenen Pflanzenkläran­lage und deren Puffer-/Regenerations­kapazität

Förderkennzeichen	27143-1 (Phase 1) 27143-2 (Phase 2)
Finanzierung	Deutsche Bundesstiftung Umwelt
Bearbeitungszeitraum	2009 - 2014
Projektleitung	Dr.-Ing. Volker Kühn
Projektbearbeitung	Dipl.-Ing. Thomas Schalk

Veranlassung

Der Campingplatz 'Lübbenau' im Spreewald betreibt im Sommerhalbjahr für die Unterbringung von Urlaubsgästen ein Kanuheim mit 19 Schlafgelegenheiten. Die Nutzung beschränkt sich auf 6 Monate im Jahr. Bis ins Jahr 2009 wurde das Abwasser in einer abflusslosen Grube gesammelt, die aufgrund ihrer begrenzten Kapazität als Dauerlösung ungeeignet war. Das Ziel des Projektes bestand in der Entwicklung und Umsetzung einer auf die saisonale Belastung angepassten Lösung zur Behandlung des Abwassers und deren praktische Überprüfung.

Verfahrenskonzept

Im Rahmen einer Abwägung zwischen technischen und naturnahen Verfahren wurde aufgrund der ausgeprägten Belastungsdynamik ein vertikal durchströmter, bepflanzter Bodenfilter mit vorgeschalteter 3-Kammergrube errichtet. Planung und Errichtung der Anlage erfolgten in Abstimmung mit der zuständigen UWB. Die Bemessung der Anlage erfolgte ausgehend vom Trinkwasserverbrauch der letzten Jahre und unter Zugrundelegung der in der DIN 4261-1 (2002) angegebenen Einwohneräquivalente für Camping- und Zeltplätze. Im Gegensatz zu den Bemessungsrichtlinien wurde die Größe der Kläranlage um 50 % abgemindert (spezifische Fläche: 2 m²/EW). Das Pflanzenbeet wird planmäßig überlastet. Durch die halbjährliche beschickungsfreie Zeit wird eine Regenerationsphase gewährleistet, in der eingelagerte partikuläre Substanzen mineralisiert werden können.

Untersuchungen

Über einen Zeitraum von 4 Jahren wurden jeweils von April bis Oktober im Abstand von 2 Wochen Proben aus dem 1. und 2. Becken der Vorbehandlungsanlage sowie aus dem Zu- und Ablaufschacht des Bodenfilters zur Analyse von CSB, BSB₅, P_ges, TKN, NH₄-N, NO₃-N und NO₂-N zur Bestimmung der Belastungskennwerte und der Reinigungsleistung des Bodenfilters sowie die der Ausfaulgrube zugeleiteten spezifischen Schmutzfrachten entnommen. Die Erfassung der einzelnen Volumenströme (Trinkwasser, Ablaufwasser, Rezirkulation) erfolgte über Wasserzähler.

Betriebsergebnisse

Die Ablaufkonzentrationen für CSB_hom lagen im gesamten Zeitraum bei i. M. 71 mg/l (43 – 107 mg/l), für BSB₅ bei i. M. 7,1 mg/l (< 5 – 19 mg/l). Unabhängig von der Anlagenbelastung und den Witterungsbedingungen hat die Anlage die Anforderungen für Kleinkläranlagen der Ablaufklasse C (Probenahme in Stichproben) erfüllt. Der CSB-Wirkungsgrad des Pflanzenbeetes lag i. M. bei 83 %, der BSB₅-Wirkungsgrad bei i. M. 96 %. Die zulässige Flächenbeschickung wurde sowohl in frachtbezogener als auch in hydraulischer Hinsicht planmäßig überschritten (max. B_A,TKN = 17 g/(m²·d), max. B_A,CSB = 52 g/(m²·d)).

Die in den ersten beiden Betriebsjahren aufgetretenen hohen Nitritkonzentrationen sind zugunsten des Nitrats von i. M. 28 mg NO₂-N/l (2010) auf i. M. 2,1 mg NO₂-N/l (2013) gesunken. Der vollständig nitrifizierte Stickstoff stieg, bezogen auf die TKN-Zulauffracht, von 32 % (2010) auf 68 % (2013), der unvollständig nitrifizierte Stickstoff sank von 35 % (2010) auf 3 % (2013). Der Anteil des oxidierten Stickstoffs (NO₂-N + NO₃-N) ist bezogen auf die Zulauffracht in etwa gleich geblieben. Unabhängig davon, dass für die Anlage keine Anforderungen zur Einhaltung der Stickstoffparameter bestehen, ist die für vertikal durchströmte PKA typische Nitrifikationsleistung nicht erreicht worden. Für die in den ersten Jahren aufgetretene Nitritanreicherung kommen u. a. zwei Faktoren in Frage: Hemmung durch Ammoniak (rechnerisch möglich) und Hemmung durch Sulfid (Korrelation zw. Sulfid im Zulauf und Nitrit im Ablauf). Sulfid trat in Konzentrationen von bis zu 90 mg/l auf und wurde durch die Desulfurikation des im Trinkwasser enthaltenen Sulfats (bis zu 345 mg/l) gebildet. Der Einfluss beider Faktoren ist im 3. und 4. Betriebsjahr gesunken, so dass sich der Betrieb der Anlage stabilisierte. Eine weitergehende Nitrifikation (> 68 %) ist davon abhängig, ob der Sauerstoffbedarf durch den Sauerstoffeintrag gedeckt werden kann. Rechnerisch besteht ein Sauerstoffdefizit, das eine höhere Nitrifikationsleistung nicht zulässt. Die Ursache dafür liegt in überproportional hohen TKN-Frachten, die um den Faktor 2 von der Bemessungsannahme (1 Gast = 0,5 EW) abweichen. Die Denitrifikationsleistung im Bodenfilter lag mit i. M. 22 % in Übereinstimmung zu in der Literatur angegebenen Werten. In der Vorbehandlungsanlage lag die Denitrifikationsleistung infolge der Rezirkulation des gereinigten Abwassers bei i. M. 15 %.

Spezifische Zulauffrachten

Die einwohnerspezifischen Frachten im Zulauf der Anlage nach Sedimentation ergaben 40 g CSB/(P·d), 20 g BSB₅/(P·d), 1,0 g P_ges/(P·d) und 9,3 g TKN/(P·d). Damit ist die Bemessungsannahme 0,5 EW = 1 Gast für CSB, BSB₅ und P_ges in etwa zutreffend, die TKN-Belastung wird dagegen unterschätzt. Der mittlere spezifische Wasserverbrauch lag bei 56 l/(P·d).

Bemessung

Für die Bemessung von vergleichbaren Anlagen kommen in Abhängigkeit der Überwachungswerte zwei Ansätze in Betracht: 0,5 EW = 1 Gast für Anlagen der Ablaufklasse C; 1 EW = 1 Gast für Anlagen der Ablaufklasse N. Das Sauerstoffdefizit hat sich im Untersuchungszeitraum auf die Nitrifikationsleistung ausgewirkt, nicht aber auf den CSB-Wirkungsgrad. Die Abminderung der Oberfläche des Pflanzenbeetes kann in Abhängigkeit des zeitlichen Anteils der Regenerationsphase pro Jahr erfolgen. Es wird nicht empfohlen, die Beetfläche um mehr als 50 % abzumindern und die nach DWA-A 262 (2006) angegebene Mindestfläche (16 m²) zu unterschreiten.

Fazit

Die Pflanzenkläranlage hat die geforderte Leistung zur Einhaltung der Überwachungswerte gemäß Ablaufklasse C erbracht. Es wurden keine Auswirkungen hoher CSB-Flächenbelastungen auf die Reinigungsleistung festgestellt. Die durchgeführten Untersuchungen lassen noch keine Prognose des Langzeitverhaltens zu. Es ist sinnvoll, zu einem späteren Zeitpunkt eine Überprüfung des Anlagenbetriebs vorzunehmen. Forschungsbedarf besteht in der Untersuchung des Einflusses hoher Sulfidgehalte auf die Nitrifikation in Pflanzenkläranlagen und die Untersuchung von Möglichkeiten zur Senkung des Sauerstoffbedarfs für die CSB-Elimination (z. B. Sulfidfällung) in sauerstofflimitierten PKA zur Erhöhung der Nitrifikationsleistung.

Schlagwörter

Pflanzenkläranlagen, dezentrale Systeme, Freizeiteinrichtungen, Nitrifikation, Nitritanreicherung, Bemessungsfrachten

Veröffentlichungen

Schalk T., Marx C., Haupt A., Kühn V., Krebs P. (2020). Long-term effects of sulfide on ammonia oxidation and nitrite accumulation in a seasonally loaded vertical flow
constructed wetland. Wetlands 40 (2) 205-222. https://doi.org/10.1007/s13157-019-01185-4

Schalk T., Ahnert M., Kühn V. (2018). Einsatz klein bemessener Bodenfilter zur Behandlung von saisonal anfallenden Abwässern aus Fremdenverkehrseinrichtungen. KA Korrespondenz Abwasser Abfall 65 (5) 426 - 442.

Schalk T. (2017). Möglichkeiten zur Behandlung saisonal anfallender Abwässer in ländlich strukturierten Gebieten durch Anpassung der Bemessungsgrundlagen und temporäre Aktivierung interner Reserven. Technische Universität Dresden, Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft. Dresdner Berichte, Band 43

Schalk T. und Kühn V. (2014). Reinigungsleistung und Betriebsverhalten einer auf saisonale Belastungszustände bemessenen Pflanzenkläranlage. Vortrag, DWA-Workshop zur Aktualisierung des DWA Arbeitsblattes A 262 "Bepflanzte Bodenfilter", Potsdam, 24.01.2014.