Umgang mit stickstoffbelasteten Abwässern an Ausflugszielen in exponierter Lage

Band 28 der b.is-Schriftenreihe

Daniel Meyer

Kurzübersicht

Die vorliegende Arbeit nimmt sich der Herausforderung an, geeignete Abwasserbehandlungsoptionen für die Abwasserbehandlung an Extremstandorten zu ermitteln, zu erproben und daraus Leistungsgrenzen dieser Anlagen abzuleiten. Der Fokus wird dabei auf touristische Ausflugsziele in exponierter Lage gelegt, an denen vergleichbare Problemstellungen vorzufinden sind. Diese sind zum einen die Abwassercharakteristik, die vom häuslichen Schmutzwasser stark abweicht, und zum anderen die sensiblen Ökosysteme, in denen diese Ausflugsziele anzufinden sind.
ISBN: 978-3-944101-28-6
ISSN: 1862-1406
Veröffentlicht: Mai 2015, 1. Auflage, Einband: Broschur, Abbildung und Tabellen: zahlr., 31 davon farbig, Seiten 248, Format B5, Gewicht 0.5 kg
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Daniel Meyer

Umgang mit stickstoffbelasteten Abwässern an Ausflugszielen in exponierter Lage

Band 28 der Schriftenreihe des Bauhaus-Instituts für zukunftsweisende Infrastruktursysteme (b.is). 16. Jahrgang 2015

2015. Format B5 (170 x 240 mm). Hardcover. 248 Seiten, zahlr. Tabellen und Abb., 31 davon farbig. ISBN 978-3-944101-28-6. Preis 36,00 Euro.

RHOMBOS-VERLAG, Berlin 2015


Herausgeber von Band 28:

Bauhaus-Universität Weimar, Professur Siedlungswasserwirtschaft

Professor Londong

Universitätsprofessor Dr.-Ing. Jörg Londong

Coudraystraße 7, 99421 Weimar
http://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/professuren/siedlungswasserwirtschaft/


Herausgeber der Schriftenreihe:

Bauhaus-Institut für zukunftsweisende Infrastruktursysteme (b.is)
http://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/institute/bis/
Das Bauhaus-Institut für zukunftsweisende Infrastruktursysteme (b.is) verfolgt das Ziel, die Kooperation der beteiligten Professuren Siedlungswasserwirtschaft, Biotechnologie in der Ressourcenwirtschaft und Urban Energie Systems zu intensivieren, um Lehr-, Forschungs- und Beratungssaufgaben auszubauen. So sind beispielsweise die Weiterentwicklung von Studiengängen, gemeinsame Doktorandenkolloquien oder gemeinsame Forschungs- und Entwicklungsaufgaben angedacht.

Das neu gegründete Bauhaus-Institut für zukunftsweisende Infrastruktursysteme (b.is) will sich deutlich sichtbar im Bereich der Infrastrukturforschung aufstellen. Die Forschung und Lehre in diesem Bereich orientiert sich am medienübergreifenden Modell der nachhaltigen Gestaltung von Stoff- und Energieflüssen, die verbindendes Konzept der Kernprofessuren des Instituts sind.

Dem b.is gehören an:


Professur Siedlungswasserwirtschaft
http://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/professuren/siedlungswasserwirtschaft/

Professur Biotechnologie in der Ressourcenwirtschaft
http://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/professuren/biotechnologie-in-der-ressourcenwirtschaft/

Junior-Professur Urban Energy Systems
http://www.uni-weimar.de/Bauing/energy/index.html

Honorarprofessor Dr.-Ing. U. Arnold
http://www.ahpkg.de/index.php?id=93

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Die vorliegende Arbeit nimmt sich der Herausforderung an, geeignete Abwasserbehandlungsoptionen für die Abwasserbehandlung an Extremstandorten zu ermitteln, zu erproben und daraus Leistungsgrenzen dieser Anlagen abzuleiten. Der Fokus wird dabei auf touristische Ausflugsziele in exponierter Lage gelegt, an denen vergleichbare Problemstellungen vorzufinden sind. Diese sind zum einen die von häuslichem Schmutzwasser stark abweichende Abwassercharakteristik und zum anderen die sensiblen Ökosysteme, in denen diese Ausflugsziele anzufinden sind.

Einleitung

Verschiedene Studien und Forschungsvorhaben wie KOMPEX [LONDONG ET AL., 2006]; SEEL [LONDONG & HARTMANN, 2008], BAST [LONDONG & MEYER, 2010] ODER KOMPEX II [LONDONG ET AL., 2011] haben gezeigt, dass gerade an beliebten Ausflugszielen oder Autobahnservicestationen fernab der kommunalen Infrastruktur eine ordnungsgemäße Abwasserentsorgung ein Problem darstellt. Beispielsweise erfüllen Berg- und Schutzhütten nicht nur eine wichtige Schutzfunktion, sondern haben als Ausflugziele in landschaftlich reizvoller Umgebung als touristische Attraktionen einen hohen Stellenwert. Insbesondere bei schönem Wetter können sich täglich mehrere tausend Menschen im Umkreis solcher Ausflugsziele bewegen, die somit eine den steigenden Mindestansprüchen der Besucher entsprechende, zeitgemäße Ver- und Entsorgungsinfrastruktur benötigen. Dabei stellt gerade die Abwasser- und Reststoffentsorgung von touristischen Ausflugszielen in exponierter Lage eine Herausforderung dar. Diese ergibt sich aus einem hohen Urinanteil im Abwasser, der hauptsächlich durch Tagesgäste mit kurzem Aufenthalt eingetragen wird und der gerade in Zusammenhang mit wassersparender Sanitärtechnik und den fehlenden Grauwasser- und Fremdwasseranteilen eine im Vergleich zu kommunalem Abwasser außergewöhnliche Abwasserzusammensetzung zur Folge hat. Für gewöhnlich ist das Angebot an abbaubaren Kohlenstoffverbindungen in Bezug auf die Stickstoff- und Phosphorkonzentration derart gering, dass eine biologische Reinigung dieser Abwässer von vornherein an Grenzen stößt.

Erschwerend kommt hinzu, dass sich diese Ausflugsziele oft in ökologisch sensiblen Regionen befinden, die durch einzigartige Klima- und Umweltverhältnisse gekennzeichnet sind. Daraus ergeben sich wiederum entsprechende Anforderungen an den Naturschutz, denen durch eine angemessene Abwasserentsorgung Rechnung getragen werden muss, damit diese Einrichtungen nicht als Schwachstelle mit hoher Schadstoffemission identifiziert werden müssen. Die Schadstoffemissionen treffen auf sensible Gewässerabschnitte oder nährstoffarme Böden und schädigen diese oft nachhaltig. Nährstoffarme Böden werden „überdüngt“ und die standorttypische Flora kann dadurch verdrängt werden. Zudem können Schadstoffe und Krankheitserreger aus dem Abwasser in Oberflächengewässer gelangen oder in das Grundwasser eingespült werden und damit das Trinkwasser verunreinigen. In diesem Zusammenhang werden auch die Entsorgungsprobleme der bei der Abwasserreinigung unweigerlich anfallenden Klärschlämme offensichtlich. Deren Ausbringung vor Ort ist oftmals verboten und der Abtransport größerer Mengen zur Mitbehandlung in kommunalen Kläranlagen ist nicht zuletzt aufgrund eingeschränkter Zugangs- und Transportmöglichkeiten sehr kostspielig.
Hinzu kommt, dass sich die Standorte der Ausflugsziele in exponierten Lagen deutlich voneinander unterscheiden können, weshalb standortspezifisch individuelle Lösungen gefunden werden müssen, die unter den jeweiligen Randbedingungen zuverlässig funktionieren.

Die Abwasserentsorgungselemente an derartigen Extremstandorten entsprechen in den meisten Fällen nicht dem „Stand der Technik“, was darauf hindeutet, dass dieser Infrastrukturzweig bei der generellen Modernisierung vieler Objekte weniger berücksichtigt wurde. Die bestehenden unzureichenden Abwasserentsorgungssysteme sind oft der Grund für hygienische Probleme sowohl an der Oberfläche als auch im Grundwasser an Extremstandorten. Der Einsatz von vollbiologischen Kleinkläranlagen zur dezentralen Abwasserentsorgung kann allerdings mit dem derzeitigen Entwicklungsstand nur im begrenzten Umfang Abhilfe leisten. Im Gegensatz zu Mehrkammerabsetz- und -ausfaulgruben sind sie zwar grundsätzlich zu höheren Reinigungsleistungen in der Lage, doch bestehen erhebliche Unsicherheiten im Betrieb, die durch störanfällige Technik, eine unzureichende Wartung und Kontrolle sowie hydraulische und stoffliche Belastungsschwankungen hervorgerufen werden. Ein Verzicht auf Technik, insbesondere Maschinentechnik wie Pumpen, setzt entsprechende Gefälleverhältnisse voraus, die nur selten gegeben sind, und engt den Anpassungsspielraum auf verschiedene Belastungssituationen ein.

Die vorliegende Arbeit nimmt sich der Herausforderung an, geeignete Abwasserbehandlungsoptionen für die Abwasserbehandlung an Extremstandorten zu ermitteln, zu erproben und daraus Leistungsgrenzen dieser Anlagen abzuleiten. Der Fokus wird dabei auf touristische Ausflugsziele in exponierter Lage gelegt, an denen vergleichbare Problemstellungen vorzufinden sind. Diese sind zum einen die von häuslichem Schmutzwasser stark abweichende Abwassercharakteristik und zum anderen die sensiblen Ökosysteme, in denen diese Ausflugsziele anzufinden sind.
Vor dem Hintergrund einer hinreichenden Beschreibung der entsprechenden Abwassercharakteristik und der Randbedingungen an Extremstandorten soll aufgezeigt werden, wie die unterschiedlichen Abwasserströme zusammengesetzt sein sollten, um eine optimale Behandlung zu ermöglichen. Daran anschließend sollen technische Lösungsansätze zur Erreichung einer um-weltgerechten Abwasserentsorgung erarbeitet werden. Dabei werden die Bestrebungen, die im Abwasser enthaltenen Nährstoffe umweltgerecht zu verwerten, damit dem Gedanken einer nachhaltigen Bewirtschaftung der Ressourcen Rechnung zu tragen, in den Mittelpunkt der Arbeit gestellt.
Die Ermittlung charakteristischer Ausgangsituationen an Extremstandorten erfolgt auf Basis von Literaturangaben und wird durch die Heranziehung von Untersuchungen an der Herberge „Polana Chocholowska“ im Tatra Nationalpark als Referenzbeispiel ergänzt. Anschließend an die Grundlagenermittlung geht die Arbeit auf die Behandlungsmöglichkeiten der an Extremstandorten anfallenden Abwässer ein.
Dies bedingt eine theoretische Betrachtung zur Problematik von stickstoffhaltigen Abwässern und deren Herausforderungen an die Abwasserreinigung.
Daraus leitet sich die Notwendigkeit entsprechender Behandlungsstufen ab, für die auf Basis von labor- und kleintechnischen Versuchen Vorschläge erarbeitet, dargestellt und beurteilt werden.
Den Kern der Auswertung der theoretischen und praktischen Untersuchungen bildet die Erarbeitung einer Strategie zur dezentralen Entsorgung der anfallenden Abwasserströme in Form von Hinweisen zur Dimensionierung für die drei technischen Module Tropfkörperanlage zur Abwasserbehandlung, Urinbehandlung mittels Luftstrippung und Klärschlammhydrolyse mit Hilfe von Enzymen. Gleichzeitig beinhaltet die Strategie die Erfassung, Sammlung und ggf. den Transport von separierten oder vermischten Teilströmen mit dem Ziel, den angestrebten Umweltzielen gerecht am Anfallsort zu behandeln und zu verwerten bzw. zu entsorgen. Die jeweiligen Elemente der Abwasserstrategie werden detailliert beschrieben und deren Eignung und Funktion theoretisch und praktisch durch Versuche beurteilt und bewertet, wobei die modulare Tropfkörperanlage im Zentrum der Betrachtungen steht.


Inhaltsverzeichnis

1    Veranlassung und Zielsetzung    1


2    Grundlagen und Ergebnisse anderer Untersuchungen    7
2.1    Abwassercharakteristik an Extremstandorten    7
2.2    Abwasseranfallstellen    8
2.3    Trinkwasserverbrauch und Abwasseranfall    9
2.4    Abwasserzusammensetzung    11
2.5    Theoretische Grundlagen zur Behandlung stickstoffhaltiger Abwässer    14
2.5.1    Konventionelle biologische Abwasserbehandlung    15
2.5.2    Behandlungsverfahren für stickstoffhaltige Abwässer    19
2.6    Fazit der theoretischen Betrachtungen    24

3    Material und Methoden    27
3.1    Arbeitsprogramm und methodische Vorgehensweise    27
3.2    Abwasserbehandlung mittels modularer Tropfkörperanlage    28
3.2.1    Aufbau und Funktionsweise der labortechnischen Versuchsanlage    29
3.2.2    Verwendeter Tropfkörperfüllstoff    32
3.2.3    Verwendetes Abwasser    34
3.2.4    Durchführung der Versuche - Versuchsprogramm    41
3.2.5    Untersuchungsmethoden    45
3.3    Urinbehandlung mittels Luftstrippung und Phosphatkristallisation    49
3.3.1    Aufbau und Funktion der labortechnischen Versuchsanlage    50
3.3.2    Verwendetes Substrat    54
3.3.3    Durchführung der Versuche – Versuchsprogramm    55
3.3.4    Untersuchungsmethoden    58
3.3.5    Potentialberechnung der Ammoniakstrippung    62
3.4    Schlammhydrolyse    68
3.4.1    Versuchsaufbau    69
3.4.2    Versuchsmaterialien    71
3.4.3    Durchführung der Versuche - Versuchsprogramm    73
3.4.4    Untersuchungsmethoden    77

4    Abwasserbehandlung mittels Tropfkörper    79
4.1    Einführung    79
4.2    Ergebnisse zur Abwasserbehandlung mittels Tropfkörper    84
4.2.1    Versuchsphase 1 – ohne Urinzugabe    85
4.2.2    Versuchsphase 2 – mit Urindosierung    93
4.3    Phosphorelimination    103
4.4    Überschussschlammproduktion    105
4.5    Fazit – Leistungsgrenzen der modularen Tropfkörperanlage    111

5    Urinbehandlung mittels Luftstrippung und Phosphatkristallisation    115
5.1    Einführung    115
5.2    Ergebnisse zur Urinbehandlung    124
5.2.1    Ammoniakstrippung    124
5.2.2    Phosphatelimination    133
5.2.3    Weitere Beobachtungen von Einflüssen und Wechselwirkungen    137
5.3    Fazit – Leistungsgrenzen der Urinbehandlungsanlage    140

6    Klärschlammhydrolyse    143
6.1    Einführung    143
6.2    Ergebnisse der Klärschlammhydrolyse    154
6.2.1    Trockensubstanzgehalt und organischer Trockenrückstand    154
6.2.2    Organische Säuren    161
6.2.3    Weitere Beobachtung von Einflüssen und Wechselwirkungen    165
6.2.4    Abschätzung des Potentials von Toilettenpapier als interne C-Quelle    168
6.2.5    Säurekapazität und pH-Wert    170
6.3    Fazit – Diskussion der Versuchsergebnisse und Ausblick    176

7    Entwicklung einer Abwasserentsorgungsstrategie für Ausflugsziele in exponierten Lagen    181
7.1    Wahl des Abwasserentsorgungssystems    181
7.2    Dezentrales Abwasserentsorgungskonzept für Ausflugsziele in exponierter Lage    182

8    Zusammenfassung und Ausblick    193

9    Anhang    211



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