Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4883
Main Title: Technische Feuchtgebiete zur Nachreinigung von Abwasser
Subtitle: Stickstoff, Abwasserdesinfektion, Spurenstoffe
Translated Title: Constructed wetlands for wastewater polishing
Translated Subtitle: nitrogen, wastewater disinfection, micropollutants
Author(s): Rühmland, Sabine
Advisor(s): Barjenbruch, Matthias
Referee(s): Barjenbruch, Matthias
Haberl, Raimund
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Stickstoff, Spurenstoffe und Krankheitserreger können auch in geringen Mengen Schäden in Gewässern bzw. beim Menschen verursachen. In dieser Arbeit soll geklärt werden, inwieweit das naturnahe Abwasserreinigungsverfahren der technischen Feuchtgebiete zur Nachreinigung von Abwasser geeignet ist. Dafür wurden in Berlin sieben bewachsene Bodenfilter und Abwasserteiche im techni-schen Maßstab einer Kläranlage mit Nährstoffelimination nachgeschaltet. Ein Sandfilter, ein Sandfilter mit Lehm und ein Sandfilter mit Längsgräben wurden überstaut und auf diese Wei-se vertikal kontinuierlich beschickt. Bei den Teichen handelte es sich um einen flachen be-pflanzten Teich, einen Teich mit Pflanzenschwimmmatten, einen unbepflanzten Teich und einen am Ufer bepflanzten Graben. Mit Tracertests und Messungen zur Wasserdurchlässigkeit der Filter wurden die Aufenthaltszeiten exemplarisch bestimmt und das Durchlaufverhalten der einzelnen Anlagen charakterisiert. Der Zulauf und die Abläufe wurden über einen Zeitraum von sieben Jahren bei bestimmten Volumenströmen zwischen 25 und 200 mm/d regelmäßig auf Stickstoff, Phosphor und andere Abwasserstandardparameter hin analysiert. Die hygienisch-mikrobiologische Qualität wurde in 11 Messkampagnen bestimmt anhand der bakteriellen Indikatoren E. coli und Enterokokken sowie dreimal anhand des Virenindikators somatische Coliphagen. Das Puffervermögen bei kurzzeitigen Volumenstößen, wie sie kommunale Kläranlagen nach Starkregenereignissen belasten, wurde getestet. Die Abbauleistung des Sandfilters mit Längsgräben, des Teiches mit Pflanzenschwimmmatten und des Unbepflanzten Teiches für 18 Pharmaka verschiedener Zusammensetzung und 11 Metabolite wurde in zwei Messkampagnen untersucht. Diese Feldstudie war begleitet von einem Photoabbauexperiment in situ. Die geringen Stickstoffzulaufkonzentrationen von gesN = 11 mg/l wurden von allen Anlagen ganzjährig durch Denitrifikation vermindert, im Mittel um 35 % (Bepflanzter Teich) bis 70 % (Sandfilter mit Lehm). Der Sandfilter mit Längsgräben und der Graben erreichten die besten Flächenabbauleistungen (0,53 Nitratstickstoff g/(m²∙d) durch ihre höhere hydraulische Belastbarkeit. Die bewachsenen Bodenfilter zeichneten sich besonders im Winter durch geringere Redoxpotenziale in den Abläufen aus. Das dämpfte den temperaturbedingten Leistungsabfall der Denitrifikation und führte zu einer stabileren Leistung im Vergleich mit den Teichanlagen. Ermöglicht wurde die nachgeschaltete Denitrifikation ohne externe Kohlenstoffquelle durch die Eigenversorgung mit leichtabbaubaren Kohlenstoffen aus der Photosynthese der Pflanzen in den technischen Feuchtgebieten. In der Abwasserdesinfektion wurde die E. coli-Zahl im Zulauf von 3,9 Zehnerpotenzen/ 100 ml durch die technischen Feuchtgebiete um 1,7 Zehnerpotenzen (Graben und Unbepflanzter Teich) bis 2,3 Zehnerpotenzen (Sandfilter mit Lehm) gesenkt. Wider Erwarten wirkten sich Anlagentyp, Zulaufvolumenstrom und Temperatur nicht signifikant auf die hygienisch-mikrobiologische Ablaufqualität aus. Die Abläufe des Teichs mit Pflanzenschwimmmatten und des Bepflanzten Teiches entsprachen ausgezeichneter Badegewässerqualität gemäß EU-Bade¬gewässer-richtlinie [2006] und waren, wie auch der Ablauf des Sandfilters mit Längsgräben, zur Bewässerung von Obst und Gemüse zur Konservierung geeignet [DIN 19650 1999]. Sowohl die Filterpassage als auch die Wasserphase trugen zur Hygienisierung bei. Ein Einfluss des Pflanzenbewuchses konnte nicht festgestellt werden. Die Höhe des Volumenstroms wirkte sich in den getesteten Bereichen nicht auf die Ablaufkonzentrationen aus. Doch die Anlagentypen unterschieden sich eindeutig in ihrem Durchlaufverhalten und ihrer hydraulischen Belastbarkeit: Sandfilter, Sandfilter mit Lehm und Bepflanzter Teich nutzten ihr Wasservolumen zu weniger als 20 % aus. Im Gegensatz dazu lag der hydraulische Wirkungsgrad des Sandfilters mit Längsgräben bei über 90 %. Seine Längsgräben wirkten sich günstig aus und ermöglichen eine dauerhafte hydraulische Belastung dieses Bodenfilters von 100 mm/d. Dagegen war der Sandfilter mit Lehm zu wenig wasserdurchlässig für den dauerhaften Betrieb. Kurzzeitige Volumenstöße zwischen 160 mm/8 h und 200 mm/6,5 h wurden von den technischen Feuchtgebieten hydraulisch, stofflich und hygienisch gut abgepuffert. Der Sandfilter mit Längsgräben und der Graben hielten sogar der höchsten getesteten Belastung von 240 mm/8 h bzw. 250 mm/6,5 h stand. Erst bei der drastischen langfristigeren Überlastung mit 1.300 mm/d verschlechterte sich die Abwasserdesinfektionsleistung des Sandfilters mit Längsgräben auf 0,9 Zehnerpotenzen E. coli-Reduktion. Von den untersuchten Arzneimitteln und Arzneimittelrückständen wurden 13 Substanzen (Diclofenac, 3-Hydroxycarbamazepin (3-OH-CBZ), Venlafaxin (VLX), O-Desmethylvenlafaxin (O-DM-VLX), Tramadol (TMD), Trimethoprim, Erythromycin, Clarithromycin, Metoprolol, Atenolol, Bezafibrat, Acyclovir und Codein) in wenigstens einer der drei getesteten Anlagen um mehr als 70 % entfernt. Das Photoabbauexperiment in situ zeigte, dass der lichtinduzierte Abbau ein wichtiger Eliminationsmechanismus für Diclofenac, O-DM-TMD, O-DM-VLX und 2-Hydroxycarbamazepin (2-OH-CBZ) und 3-OH-CBZ war. Dabei wur-de kein biologischer Abbau beobachtet außer für Metoprolol. Folglich sind Teichboden und Filtermaterial wichtige Aufwuchsflächen für Biofilme, die den mikrobiologischen Pharma-kaabbau fördern. Die geringen Redoxbedingungen des Sandfilters mit Längsgräben und des Teiches mit Pflanzenschwimmmatten ermöglichten den anaeroben Abbau von Diatrizoat und Sulfametoxazol, welche sich unter aeroben Bedingungen persistent verhalten. Andererseits war in diesen Anlagen der aerobe Abbau limitiert. Deshalb wird für den Spurenstoffabbau eine Hybridanlage empfohlen, die das Abwasser verschiedenen Umgebungsbedingungen in Folge aussetzt. Die von nachgeschalteten technischen Feuchtgebieten verursachten Klimagase und Kosten liegen in einer ähnlichen Größenordnung wie die anderer Abwasserreinigungsverfahren. Technische Feuchtgebiete erbringen als Nachreinigungsschritt robuste Leistungen in der Nitratentfernung, Abwasserdesinfektion und partiellen Spurenstoffentfernung. Für die Auslegung ist die hydraulische Belastbarkeit das Schlüsselkriterium der Reinigungsleistung.
Nitrogen, micropollutants and pathogens, even in small amounts, may cause damage to the aquatic environment and even to humans. This thesis reveals the feasibility of constructed wetlands as a post treatment step. For this purpose, seven constructed wetlands and ponds were installed at a technical scale following the conventional biological wastewater treatment at a municipal wastewater treat-ment plant equipped for nutrient removal. A sandy subsurface flow constructed wetland (sandy SSF), a sandy loamy SSF, and a sandy SSF with longitudinal ditches were operated at water levels higher than the filter bed, providing vertical flow conditions. The aquatic systems were: a surface flow wetland (SF), a pond with floating plants, an unplanted pond and a ditch planted at the banks. Tracer tests and measurements of the water permeability characterized the flow regimes and the actual retention times for each system. For seven years, influent and effluents were analysed regularly for nitrogen, phosphorus and other wastewater stand-ard parameters for flows ranging between 25 und 200 mm/d. The hygienic water quality was determined through the bacterial indicators E. coli and enterococci over 11 measurement phases. Occasional analyses of the viral indicator somatic coliphages completed the picture. The ability to buffer short hydraulic overloads of the type that strain municipal wastewater treatment plants after heavy storm events was examined. Removal and fate of 18 pharma-ceuticals of different compound classes and 11 human metabolites were investigated in the sandy SSF with ditches, the unplanted pond and the pond with floating plants during two measurement phases. This field-site study was accompanied by an in situ photodegradation experiment. The low nitrogen concentrations of Ntot = 11 mg/l were reduced by denitrification through-out the year by an average value of 35 % (SF) and even up to 70 % (sandy loamy SSF). The sandy SSF with ditches and the ditch achieved the best areal nitrate removal rate (0.53 nitrate nitrogen g/(m²∙d) because of their higher hydraulic loading capacity. The SSFs were characterized by lower redox potentials in the effluents, especially during winter. These favourable conditions curbed the decrease of performance caused by lower temperatures, thereby stabilizing the performance of the SSFs in comparison with the SF and the ponds. The CW’s litter pro-vided the carbon necessary for downstream denitrification, indicating an advantage compared to the technical treatment systems. In the field of wastewater disinfection, the influent (3.9 orders of magnitude / 100 mL E. coli) underwent a reduction of 1.7 (ditch) to 2.3 (sandy loamy SSF) orders of magnitude. Contrary to expectations, neither type of treatment, loading or temperature affected the count of E. coli significantly. The effluents of the pond with floating plants and of the SF comply with the threshold values of the European Union [2006] for excellent bathing water quality. Together with the effluent of the sandy SSF, they are suitable for the irrigation of fruits or vegetables for conservation according to the German standard DIN 19650 [1999]. According to the WHO guideline [2006] all effluents can be reused as irrigation water, if drip irrigation is applied or the products are washed after harvesting. The processes of disinfection occurred during the passage through the filter medium as well as through the water phase. An influence of the plant cover could not be observed. The magnitude of the flow rate did not show any effect on the effluent concentrations within the tested range. However, the designs clearly differed in terms of flow regime and hydraulic loading capacity: the sandy SSF, the sandy loamy SSF and the SF used less than 20 % of their water volume. In contrast, the sandy SSF with ditches was characterized by a hydraulic efficiency of more than 90 %. Its longitudinal ditches provided favourable conditions allowing a long-lasting hydraulic loading of 100 mm/d. By contrast, the water permeability of the sandy loamy SSF is too low to even recommend its design for permanent operation. Short term overloads between 160 mm / 8 h and 200 mm / 6.5 h were well buffered with regard to hydraulic conditions, nitrogen concentrations and hygienic indicators. The sandy SSF with ditches and the ditch withstood even the highest loading of 240 mm / 8 h and 250 mm / 6.5 h, respectively. Only the drastic and longer overloading of 1,300 mm/d decreased the E. coli reduction capacity of the sandy SSF with ditches to 0.9 orders of magnitude. Thirteen of the analysed pharmaceuticals and transformation products (diclofenac, 3-hydroxycarbamazepine (3-OH-CBZ), venlafaxine (VLX), O-desmethylvenlafaxine (O-DM-VLX), tramadol (TMD), trimethoprim, erythromycin, clarithromycin, metoprolol, atenolol, bezafibrate, acyclovir and codeine) were consistently removed by more than 70 % in at least one of the three treatment systems during summer. In the open water pond, photodegradation was found to be an important process for the removal of diclofenac, O-desmethyltramadol (O-DM-TMD), O-DM-VLX as well as 2-hydroxycarbamazepine (2-OH-CBZ) and 3-OH-CBZ. In contrast to the field-site study, no removal of target compounds by biodegradation was observed in the in situ degradation experiments without sediment additions except for metoprolol. This suggests that biodegradation of most substances is improved by the presence of microbially active surfaces such as those provided by the sediment in the pond, and, to a higher extent, by the filter passage in the SSF. Low redox conditions (absence of nitrate) within the SSF and the pond with floating plants were favourable for the anaerobic degradation of some compounds that are aerobically quite persistent, such as sulfamethoxazole (SMX) and diatrizoate. In contrast, the results indicated that at least during summer months, the prevailing low redox conditions can limit the aerobic biodegradation in the SSF. As a conclusion, a hybrid treatment-sequence of various constructed wetland designs is suggested to provide suitable degradation conditions for micropollutants. The greenhouse gases and costs associated with downstream constructed wetlands are in the same range as other wastewater treatment technologies. Constructed wetlands perform well as post-treatment steps for denitrification, wastewater disinfection and partial elimination of micropollutants. For the dimensioning of constructed wetlands as a post treatment, the hydraulic loading capacity is the key parameter for its removal capacity.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5186
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4883
Exam Date: 23-Jul-2015
Issue Date: 2015
Date Available: 2-Dec-2015
DDC Class: 624 Ingenieurbau
Subject(s): Abwasserreinigung
Abwasserteich
Denitrifikation
Pharmakum
bewachsener Bodenfilter
constructed wetland
denitrification
pharmaceutical
stabilisation pond
wastewater treatment
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