Neue Verfahren zur Behandlung von Niederschlagswässern Strassenoberflächenwässer

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1 Neue Verfahren zur Behandlung von Niederschlagswässern Strassenoberflächenwässer 1 Einleitung Regenabflüsse, insbesondere solche von Straßen und befestigten Plätzen sind, abhängig von der Nutzungsart der Flächen, unterschiedlich stark mit Schadstoffen belastet. Eine Behandlung von Straßenoberflächenwasser ist, insbesondere dann notwendig, wenn das Oberflächenwasser von Gebieten mit starker Verschmutzung stammt oder erhöhte Anforderungen aufgrund bestimmter Nutzungsvorhaben bestehen. Dies kann z.b. eine Einleitung in die Vorflut innerhalb eines Wassergewinnungsgebietes, die Einleitung in ein besonders schutzbedürftiges Oberflächengewässer bzw. Grundwasser oder die Ableitung von Regenwasser von Flächen mit intensiver Verkehrs- bzw. Industrienutzung betreffen. Das Ziel von Regenabfluss-Behandlungsanlagen ist deshalb eine Begrenzung des niederschlagsbedingten Stoffaustrags sowie die Minderung von Abflussspitzen während eines Regenereignisses. Hinsichtlich ihrer Reinigungsleistung sind die herkömmlichen Regenwasserbehandlungstechnologien hauptsächlich für eine Abscheidung von Trübstoffen konzipiert. Gelöste Wasserschadstoffe werden demgegenüber nur in geringem Umfang und abhängig von der biologischen Aktivität des Systems jahreszeitlich schwankend eliminiert. Diese Nachteile können durch einen gezielten Einsatz des speziell für die Behandlung von Regenabflusswässern entwickelten Adsorptionsmittels FerroSorp RWR vermieden werden. Im Folgenden wird, aufbauend auf den gegenwärtig für die Behandlung von Regenabflusswässern eingesetzten Technologien, detailliert auf die Wirkungsweise und Einsatzmöglichkeiten dieses neuen Adsorptionsmittels eingegangen. 2 Beschreibung der Inhaltsstoffe von Straßenabflusswässern Straßenablusswässern sind mit einer Reihe antropogener Schadstoffe angereichert, die aufgrund ihrer Persistenz und ihres Akkumulationsverhaltens im Sinne des Wasserhaushaltsgesetzes (WHG) als gefährliche Stoffe einzustufen sind. Die Straßenabflusswässer sind hauptsächlich mit Nährsalzen, z.b. Phosphaten, Chloride, Schwermetallen und organische Schadstoffe belastet. Zu den straßenspezifischen organischen Substanzen zählen vor allem Mineralölkohlenwasserstoffe (MKW), polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), Phenole, Tenside, polychlorierte Dibenzodioxine (PCDD), polychlorierte Dibenzofurane (PCDF) sowie polychlorierte Biphenyle (PCB). Die Schadstoffe, die in den Straßenabflusswässern enthalten sind, werden sowohl durch den Menschen z.b. den Straßenverkehr als auch durch natürliche Vegetationsprozesse verursacht. Die verkehrsbedingten Belastungsstoffe werden unmittelbar vom Kraftfahrzeugverkehr erzeugt. Sie stammen aus dem Abrieb von Fahrbahnbelägen, Reifen und Bremsbelägen, aus Tropfverlusten, Emissionen der Kraftstoffverbrennung, aus Verlusten von Transportgütern sowie Streugut. Aufgrund der von den genannten Substanzen ausgehenden Gefährdungspotentiale erscheint eine Behandlung, obwohl bisher noch keine generellen Grenzwerte hinsichtlich der Einleitung von Straßenabflüssen in Gewässer existieren, angezeigt. 3 Stand der Technik zur Vorbehandlung von Straßenabflusswässern Für die Behandlung von Straßenabflusswässern vor einer Einleitung in die Vorflut oder Versickerung werden vorrangig Absetzanlagen, Bodenfilterbecken oder bepflanzte horizontal durchströmte Reinigungsanlagen verwendet. Niederschlagsabflüsse von Herkunftsflächen mit erhöhter Verschmutzungsgefährdung (Parkplatz- und Tankstellenabflüsse sowie Abflüsse aus Industriegebieten) werden häufig durch den Einsatz von Leichtstoffabscheidern vorbehandelt.

2 3.1 Absetzanlagen Absetzanlagen werden in Form von Regenklärbecken oder Regenrückhaltebecken für leicht sedimentierbare Stoffe errichtet. Die Reinigungsleistung eines solchen Regenklärbeckens beruht auf der Rückhaltung von suspendierten Wasserinhaltsstoffen (Staub, Straßenabrieb, Reifenabrieb) durch mechanische Abscheidung (Sedimentation). Regenabsetzanlagen sind gegen den Untergrund abgedichtet. Neben der rein mechanischen Klärwirkung können in Abhängigkeit von der Größe des Regenrückhaltebeckens in begrenztem Maße auch biologische Abbauprozesse ablaufen. Entsprechend ihrer Betriebsweise wird zwischen Regenklärbecken ohne Dauerstau und ständig überstauten Regenklärbecken unterschieden. Aufgrund ihrer Größe sind Regenklärbecken besonders zur Dämpfung von Abflussspitzen und den Rückhalt von unfallverursachten Schadstoffen geeignet. Regenklärbecken sind aufgrund ihrer Funktionsweise nicht in der Lage, gelöste und emulgierte Wasserinhaltsstoffe, wie zum Beispiel Schwermetall-Ionen, Nährstoffe wie Phosphate, Nitrate, Ammonium oder die verschiedenen organischen Schadstoffe zurückzuhalten. 3.2 Bodenfilterbecken Bodenfilter können als alleinige Behandlungsvariante von Regenwasser oder in Kombination mit Regenrückhaltebecken eingesetzt werden. Sie dienen zur Reduzierung der stofflichen und hydraulischen Stoßund Gesamtbelastungen. Vom Funktionsprinzip her ähneln die bewachsenen Bodenfilter stark den vertikal durchströmten Pflanzenkläranlagen. Eine Abdichtung gegen den Untergrund erfolgt durch mineralische Dichtstoffe oder Folien. Nach Passage durch den Bodenfilter wird das gereinigte Wasser über eine Drainage auf der Sohle des Beckens abgeführt. Die Einleitung des Ablaufwassers kann direkt in die Vorflut, einen Graben oder eine Versickerungsanlage erfolgen. Bodenfilterbecken sollen speziell den Rückhalt an abfiltrierbaren Stoffen gewährleisten. Durch biologische Prozesse ist in begrenztem Maße auch ein Abbau organischer Wasserschadstoffe bzw. von Nährstoffen (Phosphate, Nitrate, Ammonium) möglich. Die Reinigungsleistung ist stark abhängig von der Jahreszeit und der mit den unterschiedlichen Temperaturen einhergehenden biologischen Aktivität sowie von der Sorptionskapazität der für den Bau des Bodenfilterbeckens verwendeten Substrate. 3.3 Bepflanzte horizontal durchströmte Behandlungsanlagen Hinsichtlich ihres Aufbaus und der Wirkungsweise ähneln die bepflanzten horizontal durchströmten Behandlungsanlagen ebenfalls den gleichartig betriebenen Pflanzenkläranlagen. Auch sie sind gegen den Untergrund abgedichtet und mit einem mit Pflanzen besetzten Bodenkörper gefüllt. Ein Schadstoffrückhalt erfolgt insbesondere durch mechanische Filterung des Regenwassers im Bodenkörper. Weiterhin können aerobe und anaerobe Abbauprozesse begrenzt einen Rückhalt gelöster organischer Schadstoffe erreichen. Ein optimaler Betrieb ist nur durch die Kombination mit Speicherbecken gegeben, da ein kontinuierlicher Zufluss zur Behandlungsanlage gewährleistet werden muss. Auch bei den bepflanzten horizontal durchströmten Regenwasserbehandlungsanlagen ist die Reinigungsleistung sowie die Standzeit abhängig von der Sorptionskapazität für Schadstoffe und der Jahreszeit. 3 Stand der Technik zur Regenwasserversickerung Neben der Ableitung von Regenwässern in Gräben oder in die Vorflut wird häufig die Variante der Versickerung und einer damit verbundenen Grundwasseranreicherung praktiziert. Um einer Gefahr der Verschmutzung des Grundwassers entgegenzuwirken, wird die Regenwasserversickerung häufig in Kombination mit einem der oben genannten Vorreinigungsverfahren angewandt.

3 Hierbei sind folgende Bauformen zu nennen: 1. Versickerungsbecken mit vorgeschaltetem Absetzbecken 2. Rigolen- bzw. Rohrversickerung 3. Schachtversickerung Während es sich bei Versickerungsbecken um oberflächliche Versickerungen handelt, werden die Rigolen-, die Rohr- und die Schachtversickerung den unterirdischen Versickerungsformen zugeordnet, da hierbei das Niederschlagswasser direkt in tiefere Bodenschichten eingebracht wird. Bei einer oberflächlichen Versickerung kann durch eine belebte Bodenschicht in begrenztem Maße eine biologische Reinigung des Regenwassers erfolgen. Demgegenüber besitzen die Varianten der unterirdischen Versickerung praktisch keine biologische Reinigungsleistung. Da durch die mit diesen Varianten praktizierte grundwassernahe Regenwasserversickerung eine direkte Gefahr für das Grundwasser nicht ausgeschlossen werden kann, ist eine optimale Vorreinigung des Regenwassers unumgänglich. Eine einfache Möglichkeit zur weitergehenden Abtrennung insbesondere der gelösten Wasserschadstoffe unabhängig von der Jahreszeit besteht sowohl bei der Regenwasservorbehandlung als auch bei den verschiedenen Varianten der Regenwasserversickerung im Einsatz des selektiv wirkenden Adsorptionsmittels FerroSorp RWR. 5. Die FerroSorp -Produkte Grundsätzlich kommen bei der Reinigung von Straßenabflusswässern zwei unterschiedliche Ferro- Sorp Produkte zum Einsatz: a) FerroSorp Plus b) FerroSorp RWR Das FerroSorp Plus besteht vornehmlich aus granuliertem Eisenhydroxid. Es eignet sich besonders für die Abscheidung von Schwermetall-Ionen, Phosphat-Ionen und Sulfid-Ionen. Das FerroSorp RWR ist ein Mischgranulat mit dem sich zusätzlich auch die anderen Nährsalze und die organischen Schadstoffe aus dem Straßenabflusswässern abscheiden lassen. 5.1 Allgemeines zum FerroSorp Plus Eisenhydroxid ist aufgrund seiner chemischen Aktivität sehr gut für die Bindung von z.b. Arsenat-Ionen, Phosphat-Ionen und Sulid-Ionen in wässrigen Medien geeignet. Nach einem patentierten Verfahren ist es gelungen, das Eisenhydroxid in granulierter Form zu produzieren, so dass sich dieses bei Wasserreinigungsprozessen einsetzen lässt. Die genannten Verunreinigungen werden beim Einsatz von FerroSorp Plus zuerst adsorptiv gebunden. In einer nachfolgenden Reaktion erfolgt die Umwandlung zu stabilem Eisenarsenat bzw. Eisenphosphat. Die Entfernung von Sulfid-Ionen, des Schwefelwasserstoffes, erfolgt in analoger Weise unter Bildung von schwerlöslichem Eisensulfid. Die Schwermetalle werden adsorbiert und anschließend im Eisenhydroxid-Kristallgitter fixiert.

4 5.2 Allgemeines zum FerroSorp RWR Beim FerroSorp RWR handelt es sich um eine Granulat-Mischung von selektiv wirkenden Adsorptionsmitteln, die speziell für eine weitergehende Behandlung von Regenabflusswässern entwickelt wurde. Durch ein optimiertes Kornspektrum in Verbindung mit einer großen hochporösen Oberfläche gewährleistet das FerroSorp RWR eine hohe Sorptionskapazität bei kurzen Kontaktzeiten. Obwohl bereits die im FerroSorp RWR enthaltenen Einzelkomponenten ausgezeichnete Sorptionsleistungen für Phosphate, Arsenate, Sulfide, Schwermetalle sowie organische Wasserschadstoffe und Stickstoffverbindungen (Ammonium, Nitrat) besitzen, ergibt erst ihre Kombination Synergieeffekte, die einen problemlosen Einsatz für die Behandlung der im allgemeinen niedrig belasteten Regenabflusswässer gestattet. So werden vom FerroSorp RWR Bindungskapazitäten für gelöste Phosphationen in der Größenordnung von ca. 60 g/kg Sorptionsmittel erhalten. Die Beladungen mit Schwermetallen liegen in der Größenordnung von g/kg Sorptionsmittel. Aufgrund seiner großen spezifischen Oberfläche von m²/g und einer Porosität zwischen 40 % und 60 % ist das FerroSorp RWR besonders befähigt, Mikroorganismen für den Abbau von Schadstoffen anzusiedeln. So kann für den Rückhalt von Ammoniumionen durch das FerroSorp RWR eine praktisch unbegrenzte Kapazität angesetzt werden. Dies beruht darauf, dass in einem ersten Schritt Ammoniumionen selektiv adsorbiert werden. Anschließend erfolgt unter aeroben Bedingungen eine bakterielle Umwandlung des Ammoniums zu Nitraten. Diese können innerhalb einer anaeroben Schicht wiederum zu Stickstoff und Sauerstoff denitrifiziert werden. Besondere Vorteile beim Einsatz in der Regenabflusswasserbehandlung bestehen darin, dass die abbaubaren Wasserschadstoffe auch in Zeiten geringer biologischer Aktivität (Winter) durch Adsorption zurückgehalten werden und bei Vorliegen günstiger Lebensbedingungen ein Abbau durch Mikroorganismen erfolgt. Für den Einsatz des FerroSorp RWR bei der Regenwasserbehandlung sind unterschiedliche Varianten, die für die jeweiligen Arten der Regenwasservorbehandlung bzw. Regenwasserversickerung optimiert wurden, möglich. 6 Einsatz von FerroSorp RWR bei der Regenwasservorbehandlung Ein Einsatz von FerroSorp RWR erfolgt entweder in Form einer losen Schüttung in durchflossenen Becken, in speziell angepassten offenen Filterkörben bzw. geschlossenen Filtereinsätzen oder durch Einsatz eines mit dem Adsorptionsmittel gemischten Substrates. Auf diese Weise ist es möglich, die speziellen Vorteile, die sich bei Einsatz des FerroSorp RWR für die Regenwasserbehandlung ergeben, in Kombination mit den herkömmlichen Regenwasservorbehandlungsverfahen zu nutzen. In Tabelle 1 sind die Kombinationsmöglichkeiten der Verbesserung der Reinigungsleistung bestehender Regenwasservorbehandlungsverfahren mit dem Einsatz von FerroSorp RWR zusammengefasst.

5 Tabelle 1: Verbesserung der Reinigungsleistung bestehender Regenabflusswasserbehandlungsanlagen durch einen gezielten Einsatz von FerroSorp RWR Anlagen Reinigungsleistung Vorteile bei Einsatz von FerroSorp RWR Absetzanlagen Nur geeignet zum Rückhalt von suspendierten Wasserinhaltsstoffen Bindung von gelösten Wasserschadstoffen bei Einsatz des FerroSorp RWR in Form eines Adsorptionsfilters Bodenfilterbecken und horizontal durchströmte Regenwasserbehandlungsanlagen Abtrennung von suspendierten Wasserinhaltsstoffen, begrenzter und jahreszeitlich abhängiger Rückhalt von wasserlöslichen Substanzen, wie Nährstoffen und Schwermetallen Vollständige Entfernung von Phosphaten, Stickstoffverbindungen, Schwermetallen und organischen Wasserschadstoffen unabhängig von der Jahreszeit resultiert in einer hohen Standzeit der Behandlungsanlage Einsatz von FerroSorp RWR erfolgt bevorzugt in Form eines Adsorptionsfilters bzw. durch Zumischen zum Bodensubstrat. 7 Einsatzmöglichkeiten von FerroSorp -Bodenfiltern, Typ RWR bei Regenversickerungsanlagen In Bild 1 ist in schematischer Form die Schadstoffabtrennung aus dem Regenwasser durch Einsatz der beiden Adsorptionsmittel FerroSorp Plus und FerroSorp RWR dargestellt. Wie dieses Bild zeigt, werden im ersten Verfahrensschritt die Schwermetalle an das FerroSorp Plus- Granulat adsorptiv festgelegt. Innerhalb des FerroSorp -Filtergranulats lassen sich die Restschadstoffe, wie z. B. Phosphat, Nitrat, Ammonium und die organischen Schadstoffe vom Regenwasser abtrennen. Dies erfolgt im wesentlichen in zwei Stufen. a) Schadstoffadsorption b) Biochemischer Schadstoffabbau bei gleichzeitiger Regeneration des FerroSorp RWR-Granulats Im ersten Reinigungsschritt werden die Schadstoffe innerhalb des FerroSorp RWR-Granulats adsorptiv festgelegt. Die Menge an FerroSorp RWR-Granulat im Bodenfilter ist dabei derart dimensioniert, dass die Schadstofffracht, die während der vegetationsfreien Zeit, also im Winter, mit dem Regenwasser eingetragen und aufgrund der niedrigen biochemischen Aktivität nicht verstoffwechselt wird, komplett zwischengepuffert werden kann. Im zweiten Reinigungsschritt werden die Schadstoffe biochemisch in Wasser, Zellsubstanz, Stickstoff und Sauerstoff umgewandelt. Gleichzeitig erfolgt dabei die Regeneration des FerroSorp RWR-Granulats. In den Bildern 2 bis 4 sind in schematischer Form einige Regenwasserversickerungsanlagen, ausgerüstet mit einem FerroSorp -Bodenfilter bzw. einem FerroSorp -Filter, dargestellt.

6 7.1 Regenwasserversickerungsanlage mit vorgeschalteter 3-stufiger Wasseraufbereitung In Bild 2 ist in schematischer Form eine Regenwasserversickerungsanlage mit vorgeschalteter 3-stufiger Wasseraufbereitung dargestellt. Wie dieses Bild zeigt, lassen sich die Reinigungsstufen wie folgt unterscheiden: Stufe I Sedimentation der Partikel Stufe II Adsorptive Schwermetallabscheidung Stufe III Adsorption der Restschadstoffe/Biochemischer Schadstoffabbau bei gleichzeitiger Regeneration Stufe I Sedimentation Das belastete Regenwasser gelangt bei der vorliegenden Ausführungsform zuerst in ein herkömmliches Absetzbecken. Hier sedimentieren die partikulären Verunreinigungen. Das so vorgereinigte Regenwasser wird anschließend über das Überlaufbauwerk in das Versickerungsbecken mit integriertem Ferro- Sorp -Bodenfilter geleitet. Stufe II Schwermetallabscheidung Innerhalb des Überlaufbauwerks befindet sich FerroSorp Plus-Granulat. Mit Hilfe dieses Granulats lassen sich die Schwermetalle adsorptiv vom Regenwasser abtrennen. Ist das FerroSorp Plus-Granulat mit Schwermetallen gesättigt, so wird dieses durch ein neues Granulat ersetzt. Stufe III Abbau der Restschadstoffe In dieser Reinigungsstufe werden Phosphat, Nitrat, Ammonium und die organischen Schadstoffe adsorbiert und anschließend biochemisch abgebaut. Ähnlich wie bei einer Pflanzenkläranlage durchströmt dabei das Regenwasser den FerroSorp -Bodenfilter und gelangt anschließend in das Grundwasser. Im Gegensatz zu herkömmlichen Pflanzenkläranlagen, bei denen nur ein Kiesfilter eingebaut ist, verfügt der FerroSorp -Bodenfilter zusätzlich über das adsorbierende FerroSorp RWR-Granulat. Die Schadstoffe werden vom FerroSorp RWR-Granulat adsorbiert und anschließend durch biochemische Prozesse in Wasser, Stickstoff, Sauerstoff und Zellsubstanz umgewandelt. Damit Ammonium und Nitrat abgebaut werden können, ist der Bodenfilter in eine aerobe und eine anaerobe Zone unterteilt. Beide Zonen sind im vorliegenden Fall durch ein Wurzelfließ getrennt. Über die Pflanzenwurzeln gelangt Sauerstoff in den oberen Bereich des Bodenfilters, wodurch sichergestellt ist, dass in dieser Zone ausschließlich aerobe Verhältnisse vorherrschen. Die Zone unterhalb des Wurzelfließ ist nicht durchwurzelt, wodurch erreicht wird, dass in diesem Bereich vornehmlich anaerobe Verhältnisse vorliegen. In der aeroben Zone wird das Ammonium nitrifiziert, also in Nitrat umgewandelt. Gleichzeitig nehmen die Pflanzen die adsorbierten Nährstoffe, wie z.b. Phosphat- und Stickstoffverbindungen auf. In der anaeroben Zone erfolgt der biochemische Nitratabbau zu Stickstoff und Sauerstoff. Aufgrund der biochemischen Verstoffwechselung der Schadstoffe wird das beladene FerroSorp RWR- Granulat regeneriert und kann anschließend erneut die genannten Restschadstoffe adsorbieren. Ein schadstofffreier Kreislaufprozess ist somit hergestellt.

7 7.2 Einsatz eines FerroSorp RWR-Filters bei der Rigolenversickerung Bei der herkömmlichen Rigolenversickerung befindet sich unter einer wasserundurchlässigen Bodenschicht ein Drainagesystem, welches aus Versickerungsrohren oder einer Kiesschüttung besteht. Das Drainagesystem ist wiederum mit einem Regenwassereinlaufschacht verbunden. Bei Niederschlagsereignissen gelangt das Regenwasser beispielsweise über einen Graben in den Einlaufschacht, von hier in das Drainagesystem und von dort in das Grundwasser. Mitgeführte Nährstoffe oder Schadstoffe werden bei der herkömmlichen Rigolenversickerung nicht zurückgehalten. In Bild 3 ist in schematischer Form eine Rigolenversickerung mit integriertem FerroSorp -Filtergranulat dargestellt. Das FerroSorp -Filtergranulat ist im vorliegenden Fall im unteren Bereich des Einlaufbauwerks angeordnet. Abhängig von der Bauausführung lässt sich das Filtergranulat auch im Grabenbereich einbringen. Phosphat, Nitrat, Ammonium, Schwermetalle und organische Schadstoffe werden durch die gewählte Filteranordnung vor dem Eintritt in das Drainagesystem aus dem Regenwasser adsorptiv entfernt. Ist die Aufnahmekapazität des FerroSorp -Filtergranulats erschöpft, wird dieses gegen ein neues Filtergranulat ausgetauscht. 7.3 Anlagen zur gezielten Retention von Regenwasser mit integriertem FerroSorp RWR-Bodenfilter In Bild 4 ist in schematischer Form eine Filtermulde mit integriertem FerroSorp -Filtergranulat dargestellt. Der Untergrund der Filtermulde ist im vorliegenden Fall durch eine Kunststofffolie abgedichtet. Auf der Kunststofffolie befindet sich der Bodenfilter. Der Bodenfilter besteht aus Kies, FerroSorp -Filtergranulat und einem Abdeckboden. Oberhalb der Kunststofffolie befindet sich ein Drainagerohr, welches mit einem Kontrollschacht verbunden ist. Mittels einer Schiebervorrichtung lässt sich der Wasserstand im Kontrollschacht regulieren. Bei Niederschlägen gelangt das Regenwasser durch den Oberboden in den FerroSorp -Bodenfilter und von dort über das Drainagerohr in den Kontrollschacht. Mit Hilfe des Rohrleitungssystems strömt das gereinigte Regenwasser z. B. in einen Vorfluter. Während sich bei herkömmlichen Anlagen ohne FerroSorp -Filtergranulat gelöste Schadstoffe nur unzureichend zurückhalten lassen, werden bei der in Bild 4 dargestellten Retentionsanlage Phosphate, Nitrate, Ammonium, Schwermetalle und die organischen Schadstoffe zurückgehalten. Sofern die Filtermulde mit Wasser angestaut wird, lassen sich innerhalb des FerroSorp -Bodenfilters eine aerobe und eine anaerobe Zone einstellen. Während oberhalb des Stauwasserbereiches arobe Verhältnisse vorliegen, herrschen unterhalb dieser Linie vornehmlich anerobe Verhältnisse. Die biochemischen Prozesse innerhalb des Bodenfilters bewirken, dass, wie bereits in Abschnitt 7.1 beschrieben, die eingeleiteten Nähr- und organischen Schadstoffe in Stickstoff, Sauerstoff, Wasser und Zellsubstanz umgewandelt werden. HeGo Biotec GmbH Dr. Andreas Otto Zeolith Umwelttechnik GmbH Peter Kodewitz

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