Entwicklung einer Pflanzenkläran­lage zur parallelen Reduzierung von Abwasser- und Treibhausgase­missionen im ländlichen Raum (PARASOL)

Förderkennzeichen	KF2488502RH2
Finanzierung	Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie AiF Projekt GmbH ZIM - Kooperationsprojekte
Bearbeitungszeitraum	01.01.2013 - 30.04.2016
Kooperationspartner	AKUT Umweltschutz Ingenieure Burkard und Partner, Berlin
Projektleitung	Dr.-Ing. Volker Kühn
Projektbearbeitung	Dipl.-Ing. Thomas Schalk M.Sc. Alexander Jehmlich Dipl.-Ing. Norbert Günther

Problemstellung

In Vorbehandlungsanlagen von Kleinen Kläranlagen und Kleinkläranlagen entstehen durch die lange Verweilzeit des Schlamms Faulgase, u. a. Methan, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff, die an die Umwelt abgegeben werden. Die Verwertung des Methans ist aufgrund des geringen Aufkommens aus wirtschaftlichen und technologischen Gesichtspunkten nicht realisierbar. Aufgrund der klimaschädigenden Wirkung von Methan sind Methangasemissionen zu vermindern. Im Forschungsvorhaben wurde eine einfache und dezentral einsetzbare Behandlungsmethode entwickelt, mit der im Zuge der Abwasserbehandlung auftretende Methangasemissionen zuverlässig vermindert werden. Die Umsetzung erfolgt durch Kopplung von Abgasbehandlung und Abwasserbehandlung in einem einstufigen, vertikal durchströmten Bodenfilter. Das in Absetz- oder Ausfaulgruben anfallende Faulgasgemisch wird gefasst, dem Bodenfilter zugeführt und oxidiert.

Die Aufgaben des Instituts für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft bestanden vorrangig in der bilanztechnischen Erfassung von Methanoxidation und Stickstoffelimination, der Identifizierung möglicher Einflüsse auf die Abwasserbehandlung und in der Begleitung der technischen Umsetzung. In diesem Rahmen wurden Versuche zur Methanentstehung in Ausfaulgruben bei unterschiedlichen Temperaturen, klein- und halbtechnische Untersuchungen zur Methanoxidation und zur methangestützten Denitrifikation in Vertikalbodenfiltern durchgeführt sowie der Betrieb zweier technischer Anlagen wissenschaftlich begleitet. Die Ergebnisse aus den Laborversuchen wurden bereits im Zwischenbericht dargestellt. 

Untersuchungen zur Methanoxidation

Für die Versuche wurden zwei identisch aufgebaute Bodenfilteranlagen betrieben, eine Referenzsäule (S-RF) und eine Säule, der Methan (S-ME) zugeführt wurde. Die Schichthöhe des Filtersandes lag gemäß den Anforderungen des DWA-A 262 für sandige Materialien (Körnung 0/2 mm, U = 3,4, k_fA = 6 · 10^-4) bei 60 cm, die Schichthöhe der Drainageschicht bei 20 cm (Körnung 4/8 mm). Die Filteroberfläche von 0,34 m² entspricht 11,7 % des einwohnerspezifischen Flächenbedarfs für Kleinkläranlagen. Der Maßstabsfaktor wurde zur Ableitung der hydraulischen Belastung und der zugeführten Methanfracht sowie für den Vergleich der Versuchsergebnisse mit technischen Anlagen genutzt. In beiden Anlagen war mittig, auf halber Höhe der Filterschicht, ein Gaseintragsrohr installiert, das ausschließlich in S-ME beschickt wurde. Der Versuchsbetrieb gliederte sich in zwei Phasen (Phase 1 = Parallelbetrieb zur Gewährleistung gleicher Ausgangsbedingungen; Phase 2 = Referenzbetrieb mit Beschickung der S-ME mit Methan). Das Abwasser wurde aus dem Zulauf der KA Dresden-Kaditz nach Grobreinigung in Rechen und Sandfang entnommen. Sedimentierbare, partikuläre Substanzen wurden in einem Absetzbecken mit einer hydraulischen Verweilzeit von rd. 3 h abgetrennt.

Ergebnisse

Methan kann bis zu einer Flächenbelastung von rd. 20 g/(m² d) vollständig eliminiert werden (Auslegung: 18 g/(m² d)), ohne dass es zu Methanemissionen an der Oberfläche kommt. Die Methanoxidation über die Denitrifikation hat nur einen geringen Anteil an der Methan-Gesamtelimination, so dass eine zielgerichtete Denitrifikation nur dann möglich ist, wenn ein methanreicher Abluftstrom in den Bodenfilter eingeleitet wird. Das im Rahmen der Abwasservorbehandlung entstehende Methan reicht dafür nicht aus, kann aber problemlos eliminiert werden. Der bei der Methanelimination gebildete CSB ist bei der Auslegung der CH₄-Zuführung zu berücksichtigen. Die CSB-Ablaufkonzentrationen steigen bei einer Flächenbelastung von 15 g CH₄/(m² d) um rd. 30 mg/L an. Bei kommunalen Kläranlagen ist der zusätzliche CSB im Regelfall unproblematisch, bei Anlagen, die konzentriertes Abwasser behandeln, ist die Auswirkung des CSB-Anstiegs im Vorfeld zu berücksichtigen. Für die Methanelimination aus Vorbehandlungsanlagen ist die Abschätzung aufgrund der geringen Flächenbelastung < 5 g CH₄/(m² d) nicht relevant. Bei schwach gepufferten Abwässern wirkt sich die Denitrifikation positiv auf den pH-Wert aus. Da für die Oxidation des aus dem häuslichen Abwassers entstehenden Methans nur rd. 10 % der einwohnerspezifischen Fläche benötigt werden (max. 18 g CH₄/(m² d), max. B_A,häuslich = 2 g/(m² d)), besteht bei vertikalen Bodenfiltern eine Reserve (16 g CH₄/(m² d) bzw. 22 L CH₄/m²), die zur Behandlung weiterer methanhaltiger Luftströme genutzt werden kann. Überschlagsweise liegt der spezifische Flächenbedarf für die Methanoxidation bei rd. 0,5 m²/E (Berechnung: Primärschlammanfall nach DWA-M 368 (2014): 28 g TS/E/d; oTS = 75 %; Gasproduktion: 500 L CH₄/kg oTS_zugeführt; 11 L CH₄/(E d) = 7,6 g CH₄/(E d); Flächenbedarf: 7,6 g CH₄/(E d) / 20 g/(m² d) = 0,42 m²/E). Dieser Ansatz gilt für eine CSB-Flächenbelastung von 9 g/(m² d) und eine TKN-Flächenbelastung von 2 g/(m² d).

Veröffentlichungen

Schalk T., Effenberger J., Jehmlich A., Nowak J., Rustige H., Krebs P., Kühn V. (2019). Methane oxidation in vertical flow constructed wetlands and its effect on denitrification and COD removal. Ecological Engineering 128 77-78.

Schlagwörter

Pflanzenkläranlagen, naturnahe Verfahren, dezentrale Systeme, Bemessung, Stickstoffelimination, Methanemissionen, Methanoxidation