Transport und Verbleib von Keimen und Stickstoffspezies aus gereinigtem Abwasser in einem neuartigen Sandfiltersystem

Transkript

1 Transport und Verbleib von Keimen und Stickstoffspezies aus gereinigtem Abwasser in einem neuartigen Sandfiltersystem Masterarbeit Studiengang: Geoökologie Institut für Geoökologie TU Braunschweig Erstgutachter: Prof. Dr. Wolfgang Durner Zweitgutachter: Prof. Dr. Otto Richter Mathias J. Spieckermann Matrikelnummer: Braunschweig, den

2 Danksagung An dieser Stelle möchte ich mich bei all denjenigen bedanken, die mich während der Anfertigung dieser Masterarbeit unterstützt und motiviert haben. Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr. Wolfgang Durner für die Vergabe des Themas und Unterstützung während meiner Masterarbeit und Herrn Prof. Dr. Otto Richter für die Übernahme des Koreferats. 1

3 Abstract Sand filter systems can be the final stage of a decentralized solution of wastewater treatment. They have the capacity to reduce effluent concentrations of pollutants and pathogenic microorganisms. In this study, the new sand filter system Mutec-Kapillar-Klarwasserverteiler (Kapi-Modul) by the company Mutec-Markgraf GmbH was investigated. This system transports wastewater over the rim of a tank through capillary unsaturated flow to subsequently percolate on the outside. By adding different volumes of water in various intervals the amount of water that leads to saturated flow over the rim of the tank was examined. Sodium chloride was used as a tracer to determine the breakthrough curve. The cleaning effect of the system regarding ammonium, nitrate and pathogenic bacteria was investigated by adding technically prepurified wastewater. In addition, the system behavior regarding water and solute transport was simulated. An area for the transition from unsaturated to saturated transport could be determined. By adding prepurified wastewater degradation of ammonium and nitrate could be proofed. Bacteria contained in the wastewater could not be detected in the outlet of the system. The system behavior to the different volumes of water could be simulated. The solute transport was simulated successfully. The cleaning performance of the Kapi-Modul is equal to other sand filter systems. The processes within the system could be reproduced well and may form the basis of a model-based optimization of the system. 2

4 Spieckermann, Mathias J. (2015): Masterarbeit Zusammenfassung Sandfiltersysteme können die letzte Stufe einer dezentralen Lösung der Abwasserbehandlung darstellen, die bereits vorgereinigtes Abwasser von pathogenen Organismen und umweltbelastenden Substanzen weitergehend befreien. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das neuartige Sandfiltersystem Mutec- Kapillar-Klarwasserverteiler (Kapi-Modul) von der Firma Mutec-Markgraf GmbH untersucht, bei dem Abwasser durch einen ungesättigten kapillaren Fluss über den Saum einer Wanne transportiert wird, um anschließend auf der Außenseite zu versickern. Durch Zugabe verschiedener Wassermengen in unterschiedlichen Intervallen wurde getestet, ab welcher Wassermenge ein gesättigter Fluss über den Rand des Gefäßes erfolgt. Natriumchlorid diente als Tracer zur Ermittlung der Durchbruchskurve. Durch Zugabe von technisch vorgereinigtem Abwasser wurde die Reinigungswirkung des Systems bezüglich Ammonium, Nitrat und pathogener Bakterien untersucht. Zudem wurde das Systemverhalten in Bezug auf den Stoff- und Wassertransport simuliert. Es ließ sich ein Bereich für den Übergang vom ungesättigten zum gesättigten Transport bestimmen. Die Zugabe des vorgereinigten Abwassers ermöglichte einen Nachweis über den Abbau von Ammonium und Nitrat, der jedoch nicht quantitativ erfasst werden konnte. Im Abwasser enthaltene Bakterien konnten im Ausfluss des Systems nicht nachgewiesen werden. Das Systemverhalten auf die unterschiedlichen Wassermengen konnte durch die Simulation nachgebildet werden. Der Stofftransport wurde anhand der Durchbruchskurve erfolgreich simuliert. Das Kapi-Modul kann im Vergleich zur Reinigungsleistung anderer Sandfiltersysteme als gleichrangig behandelt werden. Die Prozesse innerhalb des Systems ließen sich gut wiedergeben und können die Grundlage für eine modellbasierte Optimierung des Systems darstellen. 1

5 Spieckermann, Mathias J. (2015): Masterarbeit Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 11 2 Material und Methoden Versuchsdurchführung Versuchsaufbau T4-Tensiometer Charakterisierung der Materialeigenschaften im Labor Probenvorbereitung Korngrößenverteilung Kapillare Steighöhe Gesättigte hydraulische Leitfähigkeit Ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit und Retentionskurve Versuche am System Versuche zur Belastbarkeit des Systems Tracerversuch Untersuchung von Bakterien und Stickstoffspezies Auswertung Korngrößenverteilung Kapillare Steighöhe Gesättigte hydraulische Leitfähigkeit Ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit und Retentionskurve Versuche zur Belastbarkeit des Systems Tracerversuch Untersuchung von Bakterien und Stickstoffspezies Modellierung mit Hydrus 2D Ergebnisse Materialeigenschaften Korngrößenverteilung Kapillare Steighöhe Gesättigte hydraulische Leitfähigkeit Ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit und Retentionskurve Versuche zur Belastbarkeit des Systems Relative Luftfeuchtigkeit und Raumtemperatur Gemessene Zu- und Ausflüsse Tensionsverläufe während der Versuche

6 Spieckermann, Mathias J. (2015): Masterarbeit Trockenrohdichte und Wassergehalt in verschiedenen Tiefen des Systems Tracerversuch Untersuchung von Bakterien und Stickstoffspezies Coliforme Bakterien und E. coli Stickstoffspezies Modellierung mit Hydrus 2D Simulation der Versuche zur Belastbarkeit Simulation des Tracertransports Diskussion Versuche zur Belastbarkeit Untersuchung von Bakterien und Stickstoffspezies Coliforme Bakterien und E. coli Stickstoffspezies Tracerversuch Modellierung mit Hydrus 2D Schlussfolgerung 92 6 Literaturverzeichnis 94 7 Anhang 97 3