Hygienisierung Von Mischwasser in Retentionsbodenfiltern (RBF)
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WASSER • ABWASSER • UMWELT Schriftenreihe des Fachgebietes Siedlungswasserwirtschaft 30 Universität Kassel Axel Waldhoff Hygienisierung von Mischwasser in Retentionsbodenfiltern (RBF) kassel university Kassel 2008 press WASSER • ABWASSER • UMWELT Schriftenreihe des Fachgebietes Siedlungswasserwirtschaft der Universität Kassel Herausgeber: Franz-Bernd Frechen, Kassel Vertrieb: kassel university press GmbH (kup) Diagonale 10, 34127 Kassel www.upress.uni-kassel.de Band 30: Axel Waldhoff Hygienisierung von Mischwasser in Retentionsbodenfiltern (RBF) Kassel 2008 ISBN print: 978-3-89958-606-0 ISBN online: 978-3-89958-607-7 URN urn:nbn:de:0002-6070 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar Dissertation am Fachbereich Bauingenieurwesen der Universität Kassel Erster Gutachter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. F.-B. Frechen, Universität Kassel Zweiter Gutachter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. T. G. Schmitt, TU Kaiserslautern Disputation: 21. November 2008 Kurzfassung Im Rahmen dieser Dissertation wurde die Hygienisierungsleistung von Retentionsbodenfilteranlagen (RBF-Anlagen) für die weitergehende Mischwasserbehandlung bezüglich hygienerelevanter Parameter frachtbezogen bestimmt und die Belastung von Mischwasserentlastungen mit Indikatorbakterien erfasst. Darüber hinaus wurden die maßgebenden Mechanismen des Hygienisierungsvorgangs in RBF und die Einflüsse auf die Hygienisierungsleistung von RBF erkannt. Auf Grundlage dieser Einflüsse werden Empfehlungen für die bauliche und betriebliche Praxis gegeben, mit Hilfe derer ein möglichst hoher Wirkungsgrad von RBF bezüglich der Hygienisierungsleistung in Abwägung der Erfordernisse für einen zuverlässigen Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorrückhalt sichergestellt wird. An drei großtechnischen RBF, dem RBF Oberelsungen mit einer Filterfläche von 1.275 m2, dem RBF Kleingladenbach mit einer Fläche von 524 m2 und dem RBF Fulda Fellenweg mit 627 m2 Filterfläche wurden Frachtbilanzen für die hygienerelevanten Indikatorbakterien Escherichia coli, Gesamtcoliforme Bakterien und Intestinale Enterokokken sowie für Feststoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor erstellt. Insgesamt wurden alle Stoffströme von 75 Einstauereignissen auf Indikatorbakterien hin untersucht. Die Frachtbilanzen wurden um biologische, chemische und physikalische Bodenuntersuchungen ergänzt. Halbtechnische Untersuchungen wurden durchgeführt, um gezielt Einflüsse auf die Hygienisierung von Mischwasser in Bodenfiltern auf der Grundlage von statistischen Modellen zu untersuchen. Dazu wurde eine Lysimeteranlage mit acht Lysimetersäulen errichtet und insgesamt 56 Mal mit konditioniertem Abwasser beschickt. In dieser Anlage wurde der großtechnische Filteraufbau bei hoher Variation zu untersuchender Filtersubstrate nachgeahmt. Die Säulen besitzen jeweils einen Durchmesser von 1,20 m bei einer Höhe von 2,20 m. Die Lysimeteranlage ermöglicht es, betriebliche Bedingungen konstant zu halten während die jeweilig zu untersuchende Einflussvariable auf die Leistungsfähigkeit der Filter geändert werden kann. Darüber hinaus wurden die Lysimeter intensiv über das vertikale Filterkörperprofil beprobt. Abgerundet wurde das Untersuchungsprogramm um labormaßstäbliche Untersuchungen zum Absterbeverhalten der Indikatorbakterien in der flüssigen Phase. Dazu wurden Rechteckbecken eingesetzt, in denen verschiedene Milieubedingungen simuliert wurden, die in der vorgeschalteten Absetzstufe und im Retentionsraum von RBF auftreten können. Die Becken besitzen ein Nutzvolumen von jeweils 100 L. Aus den erkannten und als signifikant bewerteten Einflussvariablen werden abschließend praxisrelevante Empfehlungen für den Bau und den Betrieb von RBF-Anlagen zur Hygienisierung gegeben, die einen mittleren Hygienisierungsgrad von 1,0 log-Stufe gewährleisten. Die Empfehlungen beziehen sich auf die vorgeschaltete Absetzstufe, den Retentionsraum des Filterbeckens, das Filtersubstrat, den Filtersubstrateinbau, den Einstaubetrieb, die Filterkörperstärke, die Drosselabflussspende, die Betriebsweise des Drosselorgans und die stoffliche sowie hydraulische Filterbelastung. Abstract Within the framework of this dissertation the efficiency of Retention soil filters (RSF) for the advanced treatment, especially the sterilisation, of stormwater overflows in the combined sewer system has been determined. At the same time the load of such overflows with hygiene relevant indicator organisms could be characterised. Furthermore controlling effects and mechanism of the sterilisation process in RSF were detected. Based on these mechanism and effects practice-oriented references to plan, construct and run RSF are given to ensure efficiency as high as possible to sterilize stormwater overflows. In the process the requirements for the reliable removal of carbon, nitrogen and phosphor are attended carefully. The research work was done at three full scale plants, the RSF Oberelsungen with a surface area of 1,275 m2, the RSF Kleingladenbach with a surface of 524 m2 and the RSF Fulda Fellenweg with the dimension of 627 m2. At these plants the load of hygiene relevant indicator bacteria such as Escherichia coli, total Coliforms and intestinal Enterococci as well as for solids, carbon, nitrogen and phosphor were determined load-balanced in the inlet, the outlet and the filters overflow. All in all 75 stormwater overflow events were captured and determined on the mentioned parameters. The load balances were supplemented with biological, chemical and physical soil analysis. Research in half scale was done to determine directly the main effects of process and mechanism based on statistical models. Therefore a lysimeter plant consisting of eight columns was constructed and charged with conditioned waste water 56 times. In four columns the constructions of the full scale RSF were imitated while in the remaining columns other special filter substrates such as lava were applied. Each column has a diameter of 1.20 m and a height of 2.20 m. The lysimeter plant allows keeping operating terms constant whereas the respective effect of process to study on can be modified. Moreover intensive sampling at the vertical filter body of the lysimeter columns has been done. Concerning the analysis the same parameters were examined at the lysimeter plant as well as at the full scale plants. The research work was completed with the operation of four rectangular basins on lab scale to determine the kinetics of the bacterial die off under different environmental conditions in the fluid phase. In these types of basins different milieus were simulated as they can occur in the retention chamber and in the upstream settling stage of RSF. Each basin has a volume of 100 L. The concluding references for the construction and the operation of RSF to sterilize stormwater overflows in the combined sewer system ensure a mean efficiency of 1.0 log grade. The references relate to the upstream settling stage, the retention chamber of the filters, the filter substrate, the fixture and fitting of the filter substrate, the filter operation while permanent surface spreading, the thickness of the filter body, the specific throttle effluent, the operational mode of the throttle and finally the filter loading. Danksagung Mein Dank gilt besonders Herrn Prof. Dr.-Ing. Franz-Bernd Frechen für die intensive Betreuung meiner Dissertation als Erstgutachter und für die große Unterstützung meiner langjährigen wissenschaftlichen Arbeit am Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft der Universität Kassel. Weiterhin danke ich Herrn Prof. Dr.-Ing. Theo G. Schmitt von der Universität Kaiserslautern für sein großes Engagement als Zweitgutachter und die interessante fachliche Diskussion. Herrn Prof. Dr. Ulrich Braukmann und Herrn Dr.-Ing. Reinhard Hassinger von der Universität Kassel danke ich für die Mitarbeit in der Prüfungskommission. Dieser Arbeit liegt ein sehr umfangreiches Forschungsprojekt zugrunde, welches ich u.a. mit meinem Kollegen Herrn Dipl.-Ing. Jörg Felmeden durchgeführt habe. Ich danke Herrn Felmeden ausdrücklich für die langjährige hervorragende Zusammenarbeit, vielen Stunden der ausgiebigen fachlichen und vielen Stunden der außerfachlichen Diskussion. Weiterhin ist es mir ein Anliegen besonders Herrn Dipl.-Ing. Jan Romaker für die akribische Betreuung der Lysimeteranlage zu danken. Für die Mithilfe bei der Konzeption und dem Bau dieser Anlage danke ich besonders Herrn Dipl.-Ing. Sebastian Grahlow und Herrn Dipl.-Ing. Marco Ohme. Durch große Einsatzbereitschaft und fachliche Exzellenz ist ein außergewöhnlicher Versuchsstand von sehr hoher Qualität entstanden. Für die hervorragende Arbeit in Sachen Analytik und Methodenentwicklung danke ich allen Mitgliedern des Fachgebietlabors. An dieser Stelle möchte ich stellvertretend die Laborleiterin Frau Dipl.-Ing. Ursula Telgmann nennen. Allen meinen außerordentlichen Dank für den ständigen Bereitschaftsdienst. Zu Zeiten von Intensivmessphasen waren bis zu 18 studentische Hilfskräfte aus den Fachbereichen Bauingenieurwesen, Maschinenbau, Elektrotechnik und Mikrobiologie der Universität Kassel beschäftigt. Ihnen gilt mein herzlicher Dank für die großartige Unterstützung. Weiterhin möchte ich den Mitarbeitern des Institutes für Bakteriologie und Mykologie an der Universität Leipzig für die exzellenten fachlichen Diskussionen und die bodenbiologischen Analysen danken. Ganz besonders danke ich meinen Freunden und meiner