WASSER ABWASSER UMWELT

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3 WASSER ABWASSER UMWELT 30 Schriftenreihe des Fachgebietes Siedlungswasserwirtschaft Universität Kassel Axel Waldhoff Hygienisierung von Mischwasser in Retentionsbodenfiltern (RBF) Kassel 2008 kassel university press

4 WASSER ABWASSER UMWELT Schriftenreihe des Fachgebietes Siedlungswasserwirtschaft der Universität Kassel Herausgeber: Vertrieb: Franz-Bernd Frechen, Kassel kassel university press GmbH (kup) Diagonale 10, Kassel Band 30: Axel Waldhoff Hygienisierung von Mischwasser in Retentionsbodenfiltern (RBF) Kassel 2008 ISBN print: ISBN online: URN urn:nbn:de: Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar Dissertation am Fachbereich Bauingenieurwesen der Universität Kassel Erster Gutachter: Zweiter Gutachter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. F.-B. Frechen, Universität Kassel Univ.-Prof. Dr.-Ing. T. G. Schmitt, TU Kaiserslautern Disputation: 21. November 2008

5 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 m 2, dem RBF Kleingladenbach mit einer Fläche von 524 m 2 und dem RBF Fulda Fellenweg mit 627 m 2 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.

6 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 m 2, the RSF Kleingladenbach with a surface of 524 m 2 and the RSF Fulda Fellenweg with the dimension of 627 m 2. 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.

7 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 Familie, die mich stets unterstützt und an mich geglaubt haben. Und Julia. Danke!

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9 Inhaltsverzeichnis Seite: 1 EINLEITUNG UND PROBLEMSTELLUNG ZIELSETZUNG UND VORGEHENSWEISE GRUNDLAGEN UND KENNTNISSTAND Allgemeine Grundlagen zu Retentionsbodenfiltern Begriffserklärung und Funktionsprinzip Dimensionierung und Betrieb Einsatz in der großtechnischen Praxis Grundlagen zur Hygienisierung Begriffsabgrenzung (Ab-)wasserassoziierte Krankheitserreger und Indikatorkonzept Rechtliche Anforderungen Mechanismen und Einflüsse Kenntnisstand Konsequenzen für die eigenen Untersuchungen MATERIAL UND METHODEN Übersicht über die Anlagenstandorte RBF-Anlagen RBF Oberelsungen RBF Kleingladenbach RBF Fellenweg Lysimeteranlage Standzeitreaktoren Messtechnik RBF-Anlagen Lysimeteranlage Beprobungsstrategie, Stoffstrombilanzierung und Laboranalytik Eigenschaften der eingesetzten und untersuchten Filtersubstrate Physikalische Eigenschaften Chemische Eigenschaften im Ausgangszustand Untersuchungsbetrieb und Betriebseinstellungen Angewandte statistische Methoden zur Auswertung und Darstellung von Messergebnissen ERGEBNISSE UND DISKUSSION Hydraulische Filterbelastung Beispielhafter Ereignisverlauf Beschickungshöhe und Ereigniserfassung Betriebszeiten und Trockenzeiten Zusammenfassung und Diskussion...81 i

10 5.2 Stoffliche Filterbelastung und Wirkungsgrad Trockenwettertagesgang Filterzulaufbelastung Filterablaufbelastung Gesamtwirkungsgrad Hygieneparameter Standardparameter Zusammenfassung und Diskussion Einflussvariablen auf die Keimentwicklung im Retentionsraum Standzeitversuche zum Absterben von Indikatorbakterien Konzentrationsänderung im Retentionsraum eines Lysimeters Zusammenfassung und Übertragung auf die Großtechnik Einflussvariablen auf den Keimrückhalt und die Keimelimination im Filterkörper Filtersubstrat Hydraulische Eigenschaften des Filterkörpers Drosselabflussspende und Aufenthaltszeit Filterzulaufbelastung Filteralter und Trockenzeiten ph-wert, elektrische Leitfähigkeit, Ionenstärke, Temperatur, Sauerstoff Einführung ph-wert, elektrische Leitfähigkeit und Ionenstärke Temperatur und Sauerstoff Zusammenfassung Beprobungen über das vertikale Filterprofil Bodenuntersuchungen Indikatorbakterien und Gesamtkeimzahl Tiefenabhängige Konzentration Zeitlicher Verlauf Protozoen und Bdellovibrionen Tiefenabhängige Konzentration Zeitlicher Verlauf Extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) Tiefenabhängige Konzentration Zeitlicher Verlauf Pflanzeneinfluss Zusammenfassung und Diskussion erkannter Einflussvariablen Halbtechnische Untersuchungen zur Verfahrensoptimierung Einführung Filteranimpfung mit Bakterienantagonisten Zweistufige Filteranlagen Diskussion ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK LITERATURVERZEICHNIS ANHANG ii

11 Abbildungsverzeichnis Seite: Abbildung 1: Organigramm zur Zielsetzung und zur Vorgehensweise...3 Abbildung 2: Schematischer Schnitt durch einen Retentionsbodenfilter, beispielhaft mit Erdböschung (ohne Skizzierung von Pflanzenrhizomen)...7 Abbildung 3: Retentionsvolumen, angeschlossene befestigte Fläche und angeschlossene Einwohner von RBF im Mischsystem in Hessen (Ende 2006)...11 Abbildung 4: Mechanismen der Hygienisierung in Bodenfiltern...22 Abbildung 5: Kartenübersicht der Anlagenstandorte...29 Abbildung 6: Systemskizze mit Beprobungs- und Messstellen der RBF-Anlage Oberelsungen...31 Abbildung 7: RBF Oberelsungen mit Blick auf das Einlaufbauwerk (BÜ des vorgeschalteten Fangbeckens) nach Fertigstellung (li.) und vor Inbetriebnahme (re.)...33 Abbildung 8: Systemskizze mit Beprobungs- und Messstellen der RBF-Anlage Kleingladenbach...34 Abbildung 9: RBF Kleingladenbach mit Blick auf den Filterzulauf nach Fertigstellung (li.) und vor Inbetriebnahme (re.)...36 Abbildung 10: Systemskizze mit Beprobungs- und Messstellen der RBF-Anlage Fellenweg...37 Abbildung 11: RBF Fellenweg mit Blick auf den Filterzulauf nach Fertigstellung (li.) und vor Beginn der zweiten Untersuchungsphase (re.)...38 Abbildung 12: Systemskizze mit Beprobungsstellen der Lysimeteranlage, Draufsicht...41 Abbildung 13: Systemskizze (Vertikalschnitt) einer Lysimetersäule mit Grundmaßen, Maße in mm (Rohrleitungen und Instrumente gemäß DIN )...42 Abbildung 14: Lysimeteranlage in der Draufsicht...43 Abbildung 15: Typen von verwendeten Standzeitreaktoren...44 Abbildung 16: Korngrößenverteilung der untersuchten Filtersubstrate...57 Abbildung 17: Zeitbalkendiagramm zum Untersuchungsbetrieb und den eingestellten Drosselabflussspenden, RBF und Lysimeter...67 Abbildung 18: Beispielhafter Ereignisverlauf der hydraulischen Filterbelastung (1), RBF Oberelsungen (Einstauereignis Nr. 50, bis )...70 Abbildung 19: Beispielhafter Ereignisverlauf der hydraulischen Filterbelastung (2), RBF Oberelsungen (Einstauereignis Nr. 14, bis )...71 Abbildung 20: Beschickungshöhen RBF Oberelsungen...73 Abbildung 21: Beschickungshöhen RBF Kleingladenbach...74 Abbildung 22: Beschickungshöhen RBF Fellenweg...75 Abbildung 23: Beschickungshöhen der Lysimeteranlage...76 Abbildung 24: Unterschreitungshäufigkeit der ereignisspezifischen Beschickungshöhen, RBF und Lysimeter...77 iii

12 Abbildung 25: Unterschreitungshäufigkeit der Betriebszeiten je Ereignis / Beschickung, RBF und Lysimeter Abbildung 26: Unterschreitungshäufigkeit der Trockenzeiten zwischen Eintauereignissen / Beschickungen, RBF und Lysimeter Abbildung 27: Trockenwettertagesgang der Konzentration von C CSB und E.coli im Becken-überlaufgerinne der RBF-Anlage Oberelsungen, bis Abbildung 28: Gegenüberstellung der Konzentrationen von C CSB und E.coli (Trockenwettertagesgang OE, bis ) Abbildung 29: Unterschreitungshäufigkeiten der mittleren Filterzulaufkonzentrationen je Ereignis von Escherichia coli (E.coli), Gesamtcoliformen Bakterien (Coli) und Intestinalen Enterokokken (I.E.), RBF Oberelsungen Abbildung 30: Unterschreitungshäufigkeiten der mittleren Filterzulaufkonzentrationen je Ereignis von E.coli, RBF und Lysimeter Abbildung 31: Unterschreitungshäufigkeiten der mittleren Filterzulaufkonzentrationen je Ereignis des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB), RBF und Lysimeter Abbildung 32: Unterschreitungshäufigkeiten der flächenspezifischen Filterzulauffrachten je Ereignis von E.coli, RBF und Lysimeter Abbildung 33: Unterschreitungshäufigkeiten der flächenspezifischen Filterzulauffrachten je Ereignis des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB), RBF und Lysimeter Abbildung 34: Unterschreitungshäufigkeiten der mittleren Filterablaufkonzentrationen je Ereignis von E.coli, RBF und Lysimeter Abbildung 35: Unterschreitungshäufigkeiten der mittleren Filterablaufkonzentrationen je Ereignis von E.coli, Lysimeter 1 bis Abbildung 36: Mittlerer Gesamtwirkungsgrad ohne Filterüberlauf, RBF (Hygiene- Parameter) Abbildung 37: Median der Ereigniswirkungsgrade ohne Filterüberlauf, RBF (Hygiene- Parameter) Abbildung 38: Mittlere Gesamtwirkungsgrade, Lysimeter 1 bis 8 (Hygiene-Parameter) Abbildung 39: Mittlere Gesamtwirkungsgrade ohne Filterüberlauf, RBF (Standard- Parameter) Abbildung 40: Mittlere Gesamtwirkungsgrade, Lysimeter 1 bis 8 (Standard-Parameter) Abbildung 41: Beispielhafte Verläufe der E.coli-Konzentration über die Standzeit im Absetzreaktor (Reaktortyp I) Abbildung 42: Konzentrationsänderung der Indikatorbakterien im Retentionsraum von Lysimeter 1 je Beschickung (Konzentrationsdifferenz zwischen 2-h-Mischprobe bis Infiltrationsende und 2-h-Mischprobe ab Infiltrationsbeginn) Abbildung 43: Mittlerer Wirkungsgrad zur Reduzierung von E.coli in Abhängigkeit vom Median der Korngrößenverteilung in Lysimeter 1 bis Abbildung 44: Mittlerer Wirkungsgrad zur Reduzierung von E.coli in Abhängigkeit von der Größe der spezifischen Kornoberfläche in Lysimeter 1 bis Abbildung 45: Druckverhältnisse in der Dränageschicht und dem Retentionsraum in Lysimeter 1 und 5 während einer Schwallbeschickung iv

13 Abbildung 46: Betriebliche hydraulische Leitfähigkeit der Lysimeter 1,4,5 (beispielhaft) und Lufttemperatur (Tagesmittelwerte) über die durchgeführten Lysimeterbeschickungen Abbildung 47: Summe der Zulauffracht an Feststoffen auf die Lysimeter mit Darstellung der Sedimententnahme Abbildung 48: Mittlere betriebliche hydraulische Leitfähigkeit und kapillare Saughöhe der Lysimeter 1 bis 8 über den gesamten Untersuchungszeitraum Abbildung 49: Rückhalt von E.coli und mittlere kapillare Saughöhe in Lysimeter 1 bis Abbildung 50: Mittlere Wirkungsgrade zum Rückhalt von E.coli in Abhängigkeit von der Drosselabflussspende, Lysimeteranlage Abbildung 51: Mittlere Wirkungsgrade zum Rückhalt von E.coli in Abhängigkeit von der Drosselabflussspende, RBF-Anlagen Abbildung 52: Zulauf- und Ablaufkonzentration von E.coli über den Untersuchungszeitraum, Lysimeter 1 und 2 (nicht standardisierte Beschickungen wie Reihenschaltung oder Trinkwasserspülung sind nicht dargestellt) Abbildung 53: E.coli Zu- und Ablaufkonzentrationen, RBF Oberelsungen (Ereignis Nr. 46, bis ) Abbildung 54: Konzentrationsänderung der Indikatorbakterien im Filterablauf der Lysimeteranlage je Beschickung (2h-MP ab Exfiltrationsbeginn zu 2h-MP vor Exfiltrationsende) Abbildung 55: Mittlerer E.coli-Wirkungsgrad zu Untersuchungsbeginn und zu Untersuchungsende der Lysimeter 1 bis Abbildung 56: E.coli-Wirkungsgrade vor und nach 1-monatiger Beschickungspause der Lysimeteranlage Abbildung 57: Beispielhafter Verlauf inline aufgezeichneter Parameter im Filterzulauf und Filterablauf von Lysimeter 1 während einer Standardbeschickung Abbildung 58: E.coli-Wirkungsgrad der Langzeitbeschickungen Nr. 50, Beginn ( sauerstoffreich ) und Nr. 51, Beginn ( sauerstoffarm ), Lysimeter Abbildung 59: Zu- und Ablaufkonzentration von E.coli in den Langzeitbeschickungen Nr. 50 ( sauerstoffreich ) und 51 ( sauerstoffarm ), Lysimeter Abbildung 60: Konzentrationsverläufe von E.coli über die Filtertiefe, Lysimeter Abbildung 61: Mittlere Abnahme der Konzentration von Indikatorbakterien über die Filtertiefe in Relation zur Bakterienkonzentration im Retentionsraum, Lysimeter Abbildung 62: Mittlere Abnahme der Konzentration von C CSB und C BSB über die Filtertiefe in Relation zur Konzentration im Retentionsraum, Lysimeter Abbildung 63: Konzentrationsverlauf von E.coli über die Filtertiefe während des Betriebs mit konditioniertem Abwasser und anschließender Trinkwasserspülung, Lysimeter Abbildung 64: Gesamtkeimzahl und Indikatorbakterien über das Filterkörperprofil von Lysimeter 1 und Abbildung 65: Verlauf des Wassergehaltes bei künstlicher Beregnung und ohne äußere Wasserzugabe vor und nach der Beschickung vom , Lysimeter v

14 Abbildung 66: Belegung des Filtersubstrates mit GKZ, GKZ gr- und E.coli vor und nach der Beschickung vom , Lysimeter Abbildung 67: Vergleich der halben Oberfläche pro Gramm Filtersubstrat und theoretisch belegte Fläche mit Bakterien nach der Beschickung vom , Lysimeter Abbildung 68: Tiefenabhängige Konzentration von Protozoen und Bdellovibrionen, RBF und Lysimeteranlage Abbildung 69: Konzentrationsverlauf von Protozoen und Bdellovibrionen im Filtersubstrat vor und nach der Beschickung vom , Lysimeter Abbildung 70: Tiefenabhängige EPS-Konzentration, Lysimeter und RBF Abbildung 71: EPS-Verteilung im Filterkörper der untersuchten RBF-Anlagen Abbildung 72: Proteine, Huminsäuren und Kohlenhydrate in der Filterschicht 0 cm bis 5 cm, Lysimeter und RBF-Anlagen Abbildung 73: Konzentrationsverlauf von EPS im Filtersubstrat und der Sedimentschicht vor und nach der Beschickung vom , Lysimeter Abbildung 74: Lineare Gewichtung der quantifizierbaren Einflussvariablen auf die Ablaufbelastung mit E.coli der Lysimeteranlage Abbildung 75: E.coli-Konzentration im Filterzulauf und Filterablauf bei Reihenschaltung von jeweils zwei Lysimetern Abbildung 76: E.coli-Konzentration im Filterzulauf und Filterablauf bei Reihenschaltung von fünf gedrosselten Lysimetern auf ein ungedrosseltes Lysimeter vi

15 Tabellenverzeichnis Seite: Tabelle 1: Arten von Regenbecken im Mischsystem in Anlehnung an ATV (1999)...6 Tabelle 2: Wesentliche Kenngrößen für die Bemessung und den Betrieb von RBF im Mischsystem, geändert und erweitert nach Dittmer (2005)...10 Tabelle 3: Tabelle 4: Tabelle 5: Tabelle 6: Tabelle 7: Tabelle 8: Tabelle 9: Tabelle 10: Tabelle 11: Tabelle 12: Tabelle 13: Verschiedene Gattungen mit human- bzw. tierpathogenen Erregerarten in Anlehnung an López Pila (1991), Hildebrandt (1993), ATV (1998), Exner et al. (2004)...14 Qualitätsanforderungen an Binnengewässer zur Nutzung als Badegewässer gemäß Anhang I der EG Richtlinie 2006/7/EG (EG 2006)...17 Mikrobiologische Qualitätsanforderungen an Oberflächengewässer zur Trinkwassergewinnung gemäß Anhang II der EG Richtlinie 75/440/EWG (EG 1975)...18 Kenndaten und Bemessungsgrößen der RBF-Anlage Oberelsungen...32 Kenndaten und Bemessungsgrößen der RBF-Anlage Kleingladenbach...35 Kenndaten und Bemessungsgrößen der RBF-Anlage Fellenweg...37 Kenndaten und Bemessungsgrößen der RBF-Anlage Fellenweg (Fortsetzg.)...38 Kenndaten der Lysimeteranlage...43 Probenahmeintervalle RBF und Lysimeter...54 Charakteristische Korngrößen und Ungleichförmigkeitsgrad der eingesetzten Filtersubstrate...59 Kornform, spezifische Oberfläche und absoluter Porenanteil der Filtersubstrate und effektiver Porenanteil im Filterkörper der Lysimeter...60 Tabelle 14: Rohdichte und Lagerungsdichte der eingesetzten Filtersubstrate...62 Tabelle 15: Chemische Eigenschaften eingesetzter Filtersubstrate...63 Tabelle 16: Untersuchungsdauer RBF-Anlagen und Lysimeteranlage...65 Tabelle 17: Tabelle 18: Ereignisanzahl auf den RBF-Anlagen und der Lysimeteranlage...78 Summe der Beschickungshöhen der RBF-Anlagen und der Lysimeteranlage...78 Tabelle 19: Spezifische Jahresfracht im Filterzulauf, RBF und Lysimeter...92 Tabelle 20: Ergebnisse von Standzeitversuchen Tabelle 21: Geschätzte Aufenthaltszeit und Abstandsgeschwindigkeit in Lysimeter 1 bis Tabelle 22: Tabelle 23: Tabelle 24: Zusammenfassung der inline aufgezeichneten Parameter über den Untersuchungsbetrieb der Lysimeteranlage Zusammenfassung der inline aufgezeichneten Parameter über den Untersuchungsbetrieb des RBF Oberelsungen CSB, Proteine, Huminsäuren und Kohlenhydrate im Filterzulauf und Filterablauf, Lysimeter und RBF vii

16 Verzeichnis verwendeter Abkürzungen und Parameter Abkürzung/Parameter α β B BF BFvR BSG BSB 5 BN BÜ Bw BW C Ca 2+ CaCo 3 cfu Cl - Coli CSB CW DB DBw DFiB DIN E E.coli EPS EPS gel EPEC η f F FA FB Fe FFiB FG SiWaWi Fi FS FÜ Erläuterung Signifikanzniveau Koeffizient zur Gewichtung einer Variablen x in einem Gleichungssystem Fracht Bodenfilter Bodenfilter mit vorgeschalteter Retention Bestimmungsgrenze Biologischer Sauerstoffbedarf (nach 5 Tagen) Bezugsniveau Beckenüberlauf Bauwerk Betriebswasser Konzentration Calcium Calciumcarbonat colony forming units Chlorid Gesamtcoliforme Bakterien Chemischer Sauerstoffbedarf constructed wetland Durchlaufbecken Drosselbauwerk Durchlauffilterbecken Deutsches Institut für Normung Differenz Einstauereignis RBF Escherichia coli Extrazelluläre polymere Substanzen (gebunden) Extrazelluläre polymere Substanzen (gelöst) Enterophatogene Escherichia coli Wirkungsgrad Fluidität Filter Filterablauf Fangbecken Eisen Fangfilterbecken Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (Uni Kassel) Durchflussmessung Drosselabfluss (Flow instrument) Filtersubstrat Filterüberlauf viii

17 Abkürzung/Parameter FK FW FZ g IDM I.E. k K K + KA KB KBE KÜ L LF LUFA m Max, max meq n Mg 2+ Min, min MPN MUNLV NRW Na + NH 3 + NH 4 - NO 2 - NO 3 MWG O 2 OE OK FK OT ots p p p P PE-HD ph pi Erläuterung Filterkörper Fellenweg Filterzulauf geregelt (bezogen auf Drosselorgan im Filterablauf) induktiver Durchflussmesser Intestinale Enterokokken Durchlässigkeit, Permeabilität Wasserleitfähigkeit Kalium Kläranlage Kleingladenbach Kolonie bildende Einheit Klärüberlauf Lysimeter elektrische Leitfähigkeit Landwirtschaftliche Untersuchungs- und Forschungsanstalt Hessen Meter Maximum, maximal Massenäquivalent Anzahl (Grundgesamtheit) Magnesium Minimum, minimal Most Probable Number Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen Natrium Ammoniak Ammoniumstickstoff Nitritstickstoff Nitratstickstoff Nachweisgrenze Sauerstoff Oberelsungen Oberkante Filterkörper Ortsteil organische Trockensubstanz Druck Ordnung, Unterschreitungsanteil einer Verteilung Überschreitungswahrscheinlichkeit (p-wert) Gesamt-Phosphor Polyethylen - High Density ph-wert (potentia Hydrogenii) Druckmessung (pressure instrument) ix

18 Abkürzung/Parameter PKA PN Q RR RRA VQ RBF RÜ SKO SKU SMS SPS SÜ T TB TS TR TW u UV VBNC VS WB x ZVK Erläuterung Pflanzenkläranlage Probenahme Quantil (auch Perzentil) Retentionsraum Regenrückhalteanlage Durchflussvolumen Retentionsbodenfilter Regenüberlauf Stauraumkanal mit oben liegender Entlastung Stauraumkanal mit unten liegender Entlastung Short Message Service ( Kurznachrichtendienst ) Speicherprogrammierbare Steuerung Stauraumüberlauf (bei SKU) Summe Temperatur Trennbauwerk Abfiltrierbare Stoffe (Trockensubstanz) Trockenrückstand Trinkwasser ungeregelt (bezogen auf Drosselorgan im Filterablauf) ultraviolettes Licht Viable But Not Culturable Verteilerschacht Wiesenbach Variable Zulauf Vorklärung Verzeichnis verwendeter Parameter mit entsprechender Einheit Parameter Einheit Erläuterung A cm 2 *g -1 spezifische Oberfläche je Gramm Filtersubstrat A E ha Einzugsgebietsfläche A E,b ha befestigte Einzugsgebietsfläche A E,o km 2 oberirdische Einzugsgebietsfläche A F m 2 Filterfläche C mol*l -1 Molare Konzentration (bezogen auf Ionen) d mm Korndurchmesser d 10 mm Korndurchmesser, Siebdurchgang 10 Massen-% d 50 mm Korndurchmesser, Siebdurchgang 50 Massen-% d 60 mm Korndurchmesser, Siebdurchgang 60 Massen-% D g*cm -3 Lagerungsdichte DN mm Nenndurchmesser (Diameter Nominal) x

19 Parameter Einheit Erläuterung h p m Piezometerhöhenänderung ( hp = h p,rr - h p,drän. ) E - Einwohnerzahl e 0 % Entlastungsrate F e,d mg*kg -1 dithionitlösliche Eisenverbindungen (im Filtersubstrat) F e,o mg*kg -1 oxalatlösliche Eisenverbindungen (im Filtersubstrat) GKZ KBE*100 ml -1 Gesamtkeimzahl GKZ gr- KBE*100 ml -1 Gesamtkeimzahl gramnegativ h FA m, m*a -1 Beschickungshöhe RBF bezogen auf Filterablaufvolumen h FA mm Überfallhöhe Messwehr Filterablauf h FÜ mm Überfallhöhe Messwehr Filterüberlauf h FZ mm Wasserstandshöhe Filterzulauf h FZ,o mm Wasserstandshöhe FZ, Oberwasser h FZ,u mm Wasserstandshöhe FZ, Unterwasser h N mm Niederschlagshöhe h p,drän. mm Druckhöhe bzw. Piezometerhöhe Dränageschicht h p,fa mm Druckhöhe bzw. Piezometerhöhe Filterablauf h p,rr mm Druckhöhe bzw. Piezometerhöhe Retentionsraum h RBF mm, m Überstauhöhe RBF = Einstauhöhe Retentionsraum h RR mm, m Einstauhöhe Retentionsraum h s mm, cm kapillare Saughöhe I mol*l -1 Ionenstärke kf b m*s -1 betriebliche hydraulische Leitfähigkeit KAK pot mmol*100g -1 potentielle Kationenaustauschkapazität (bezogen auf das Filtersubstrat) LF FA μs*cm -1 elektrische Leitfähigkeit im Filterablauf LF FZ μs*cm -1 elektrische Leitfähigkeit im Filterzulauf min ρ d g cm -3 minimale Lagerungsdichte Filtersubstrat max ρ d g cm -3 maximale Lagerungsdichte Filtersubstrat n - Anzahl Beschickungen, n 1*a -1 Überlaufhäufigkeit n a % absoluter Porenanteil Filtersubstrat n e % effektiver Porenanteil Filtersubstrat η kg*m -1 *s -1 Dynamische Viskosität O 2 FA mg*l -1 Sauerstoffgehalt Filterablauf O 2 FZ mg*l -1 Sauerstoffgehalt Filterzulauf p mbar Druck ph FA - ph-wert Filterablauf ph FZ - ph-wert Filterzulauf Q BÜ L*s -1 Durchfluss Beckenüberlauf q Dr L*m -2 *s -1 flächenspezifischer Drosselabfluss (q Dr = Q Dr / A F ) Q Dr L*s -1 Drosselabfluss RBF Q FA L*s -1 Durchfluss Filterablauf Q FÜ L*s -1 Durchfluss Filterüberlauf Q FZ L*s -1 Durchfluss Filterzulauf xi

20 Parameter Einheit Erläuterung Q M L*s -1 Mischwasserzufluss Kläranlage Q Not L*s -1 Durchfluss Notumgehung Q krit L*s -1 kritischer Abfluss zur Kläranlage r m Porenkanalradius R 2 - Bestimmtheitsmaß ρ s g cm -3 Rohdichte Filtersubstrat σ - Standardisierte Abweichung vom arithmetischen Mittel t A Min, h Aufenthaltszeit t BZ h Betriebszeit t i min Infiltrationszeit T FA C Temperatur Filterablauf t FK m, cm Filterkörperstärke t 90 h Zeit zur Reduktion der Ausgangskonzentration um 90% T FZ C Temperatur Filterzulauf T L C Lufttemperatur U - Ungleichförmigkeitsgrad Filtersubstrat (U = d 60 /d 10 ) V m 3 Volumen v A m*s -1 Abstandsgeschwindigkeit V FB m 3 Volumen Fangbecken v F m*s -1 Filtergeschwindigkeit v FZ mm*s -1 Fließgeschwindigkeit Filterzulauf VQ m 3 Durchflussvolumen V RBF m 3 Nutzvolumen Retentionsbodenfilter (ohne Porenvolumen des Filterkörpers) = Volumen Retentionsraum V SKO m 3 Volumen Stauraumkanal mit oben liegender Entlastung V SKU m 3 Volumen Stauraumkanal mit unten liegender Entlastung w % Wassergehalt z - Ladung (bezogen auf Ionen) Kurzzeichen und Indizierung für Frachten und Konzentrationen des Parameters XXX gemäß ATV-DVWK-Arbeitsblatt 198 (ATV-DVWK 2003): Parameter Einheit Erläuterung B XXX g m -2, kg*m -2 spezifische Fracht Parameter XXX KBE*m -2 kg*a -1, KBE*a -1 C XXX mg L -1 Konzentration Parameter XXX in der homogenisierten KBE*100 ml -1 Probe S XXX mg L -1 Konzentration Parameters XXX in der filtrierten Probe (0,45 μm Membranfilter) X XXX mg L -1 Konzentration des Filterrückstandes (X=C-S) Stellenweise werden in den Indizes die Abkürzungen entsprechender Stoffstromzeichnungen wie Filterzulauf (FZ), -ablauf (FA) und -überlauf (FÜ) geführt. xii

21 1 EINLEITUNG UND PROBLEMSTELLUNG Nachdem durch den Ausbau kommunaler und industrieller Abwasserbehandlungsanlagen die Schadstofffrachten, die in Gewässer durch Punktquellen eingeleitet werden, erheblich reduziert wurden, wird die weitere Reduzierung von Gewässerbelastungen durch Niederschlagswassereinleitungen intensiv verfolgt. Zum Schutz der Gewässer vor übermäßiger hydraulischer und stofflicher Belastung steht insbesondere die Behandlung von Mischwasserentlastungen im Fokus des Interesses. Hierzu werden verschiedenste Regenbeckentypen eingesetzt (vgl. Kapitel 3.1.1), innerhalb derer sich seit den 90er Jahren Bodenfilteranlagen als Neuentwicklung zunehmend etablieren. Dabei ist die Bauart des Retentionsbodenfilters (RBF) besonders verbreitet (vgl. Kapitel 3.1.3). Bodenfilter werden im Regelfall konventionellen Regenbecken (Regenüberlaufbecken und Stauraumkanäle) nachgeschaltet (vgl. Kapitel 3.1.2), um Gewässerbelastungen weitergehend zu begrenzen. Am häufigsten stellen dabei die Dämpfung von hydraulischen Entlastungsspitzen und der Rückhalt bzw. Umsatz von Feststoffen, sauerstoffzehrenden Stoffen (Kohlenstoff) und Nährstoffen (Stickstoff und Phosphor) wesentliche Behandlungsziele dar. Bodenfilter können daher auch als dezentral angeordnete Kläranlagen zur Niederschlagswasserbehandlung bezeichnet werden (LFU 2002). Weitergehende Anforderungen an die Mischwasserbehandlung ergeben sich aus der Schutzwürdigkeit und / oder der Nutzung der Gewässer, in welche eingeleitet wird. Dahingehend ist in Trinkwasserschutzgebieten und bei Badegewässern vor allem die hygienische Beschaffenheit des Wassers von Interesse. Gewässerbelastungen mit Krankheitserregern stammen in erster Linie punktuell von systematischen Einleitungen der Siedlungsentwässerung (Kläranlagenabläufe und Niederschlagswassereinleitungen, besonders Mischwasserentlastungen) und diffus von Abschwemmungen von vor allem landwirtschaftlich genutzten Flächen. Aber auch der Badebetrieb, die Ausscheidungen von Wasservögeln und die Resuspension von Gewässersedimenten bei Hochwasser können die Gewässerbelastung mit Krankheitserregern erhöhen (Graw et al. 1995, Wuhrer 1995, Güde 2002, u.a.). Der hygienische Gewässerzustand stößt in der Öffentlichkeit berechtigterweise auf großes Interesse auch wenn zu bemerken ist, dass oftmals vor allem die hygienische Qualität von Badegewässern als Maß für den allgemeinen Gewässerzustand missverstanden wird (Kreikenbaum et al. 2004). Neben den genannten und weiteren potentiellen Zielen der weitergehenden Mischwasserbehandlung, wie der Metallfixierung oder dem Rückhalt von Mikroschadstoffen, wird daher für den Trinkwasser- und Badegewässerschutz auch der Rückhalt und die Elimination von Krankheitserregern aus Mischwasserentlastungen angestrebt. Demgegenüber erscheinen (Retentions-)Bodenfilter durch ihre von Filtration, Adsorption und biochemischen Prozessen bestimmte Wirkungsweise als die mögliche Behandlungsmaßnahme (Höner et al. 1996, Güde 2002, Kreikenbaum et al. 2004, IWW 2005, u.a.), zumal in Bodenfiltern von Pflanzenkläranlagen zur Behandlung von 1

22 kommunalem Abwasser deutliche Reinigungserfolge festgestellt wurden (Hagendorf et al. 2002). Kein anderes in der Praxis bislang eingesetztes Verfahren zur Mischwasser-behandlung erscheint derzeit für die Hygienisierung geeignet. Allerdings wurde vor allem an großtechnischen RBF der Rückhalt und die Elimination von Krankheitserregern bislang kaum bzw. nur orientierend untersucht (vgl. Kapitel 3.2.4). Dies wird zum Einen darauf zurückzuführen sein, dass aus hygienischer Sicht keine direkten gesetzlichen Anforderungen in Form von Grenzwerten an Niederschlagswassereinleitungen bestehen (vgl. Kapitel 3.2.3) und zum Anderen der analytische und messtechnische Aufwand zur Erfassung der Stoffströme von Mischwasserbehandlungsanlagen außerordentlich groß ist. In die bisherigen landesspezifischen Empfehlungen (LFU 2002, MUNLV 2003) und das aktuelle technische Regelwerk der DWA, dem Merkblatt 178 (DWA 2005) für Planung, Konstruktion und Betrieb von Retentionsbodenfilteranlagen, fand daher der Hygieneaspekt kaum Eingang. Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag leisten, dieses Defizit zu beheben. Unter Anwendung des Indikatorkonzeptes (vgl. Kapitel 3.2.2) wurden umfangreiche Untersuchungen zum Rückhalt und zur Elimination der Fäkalindikatorbakterien Escherichia coli, Gesamtcoliforme Bakterien und Intestinale Enterokokken an RBF-Anlagen durchgeführt. Die Untersuchungen fanden sowohl im großtechnischen als auch im halbtechnischen Maßstab statt und wurden um Absterbeversuche im Labormaßstab ergänzt. Diesbezüglich stellen vor allem die Stoffstromerfassungen an mehreren großtechnischen RBF-Anlagen mit hygienerelevanten Parametern ein Novum dar. Diese wurden um Feststoff-, Zehrstoff-, und Nährstoffparameter ergänzt. Die Belastungen in den Filterzuläufen und -abläufen sowie die frachtgewichteten Wirkungsgrade von drei RBF-Anlagen und acht halbtechnischen Lysimetersäulen werden dargelegt und um Erkenntnisse zur Reduktionsrate von Indikatorbakterien in vier labormaßstäblichen Becken ergänzt. Darüber hinaus münden erkannte Einflüsse auf den Rückhalt und die Elimination von Indikatorbakterien in Empfehlungen für die bauliche und betriebliche Praxis von RBF zur Erreichung eines möglichst hohen und stabilen Wirkungsgrades mit vertretbaren und praxisrelevanten Mitteln. Im Folgenden werden die Zielsetzungen der Arbeit und die Vorgehensweise zur Erreichung dieser weiter dargestellt. 2

23 2 ZIELSETZUNG UND VORGEHENSWEISE Die der Dissertation zu Grunde liegenden Zielsetzungen und Untersuchungen sind in Abbildung 1 dargestellt. Hygienisierung von Mischwasser in RBF Literaturstudie Mögliche Einflüsse auf die Hygienisierung in Bodenfiltern Zielsetzung Bestimmung der Hygienisierungsleistung Untersuchung von Einflussvariablen für die Erarbeitung von Empfehlungen für die bauliche und betriebliche Praxis RBF-Anlagen Großtechnik Frachtbilanzen Bodenuntersuchungen Untersuchungen Lysimeteranlage Halbtechnik Frachtbilanzen Bodenuntersuchungen Standzeitreaktoren Labortechnik Absterbeverhalten in wässriger Phase Ergebnis Darstellung der Hygienisierungsleistung von RBF Diskussion von Einflussvariablen Empfehlungen für Bau und Betrieb Abbildung 1: Organigramm zur Zielsetzung und zur Vorgehensweise Ziel dieser Dissertation war es, - die Reinigungsleistung von Retentionsbodenfilteranlagen (RBF-Anlagen) für die Mischwasserbehandlung bezüglich hygienerelevanter Parameter frachtbezogen zu bestimmen und gleichzeitig die Belastung von Mischwasserentlastungen mit Indikatorbakterien zu erfassen, - die maßgebenden Einflüsse auf den Hygienisierungsvorgang zu erkennen - und letztlich Empfehlungen für die bauliche und betriebliche Praxis abzuleiten, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad von RBF-Anlagen bezüglich der Hygienisierungsleistung in Abwägung der Erfordernisse für einen zuverlässigen Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorrückhalt sicher zu stellen. 3

24 Die Zielsetzung war demnach verfahrenstechnisch ausgerichtet und sehr praxisorientiert. Zunächst wurde in der Literatur über mögliche Einflüsse des Keimrückhaltes und der Keimelimination in Bodenfiltern, Langsamsandfiltern und Grundwasserleitern recherchiert, um die Zielsetzung sowie die Untersuchungsschritte spezifizieren zu können. Die Untersuchungen wurden auf allen Skalen des wissenschaftlichen Arbeitens, der Großtechnik, Halbtechnik und im Labormaßstab durchgeführt. An zwei neu erstellten großtechnischen RBF-Anlagen, dem RBF Oberelsungen (OE) und dem RBF Kleingladenbach (KB), wurden Frachtbilanzen für die hygienerelevanten Indikatorbakterien Escherichia coli, Gesamtcoliforme Bakterien und Intestinale Enterokokken sowie für Feststoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor erstellt. Die Frachtbilanzen wurden um biologische, chemische und physikalische Bodenuntersuchungen ergänzt. Zusätzlich wurde der Messbetrieb an dem seit 1994 in Betrieb befindlichen RBF Fellenweg (FW), der im Gegensatz zu derzeit aktuellen Empfehlungen mit bindigem Filtersubstrat ausgestattet ist, wieder aufgenommen und orientierende Untersuchungen auf Hygieneparameter durchgeführt, um tendenzielle Aussagen zur Leistungsfähigkeit von bindigem Filtersubstrat machen zu können. Der RBF FW wurde vom Fachgebiet SiWaWi bereits in den Jahren 1994 bis 1998 wissenschaftlich betreut, allerdings ohne auf Hygieneparameter einzugehen. Halbtechnische Untersuchungen wurden durchgeführt, um gezielt Einflüsse auf die Hygienisierung von Mischwasser in Bodenfiltern zu untersuchen. Dazu wurde eine Lysimeteranlage mit acht Lysimetersäulen auf dem Gelände der Zentralkläranlage Kassel errichtet. In dieser Anlage wurde der großtechnische Filteraufbau bei hoher Variation zu untersuchender Filtersubstrate nachgeahmt. Die Lysimeteranlage ermöglicht es, betriebliche Bedingungen möglichst konstant zu halten, während die jeweilig zu untersuchende Einflussvariable auf die Leistungsfähigkeit der Filter geändert werden kann. Die Lysimeteruntersuchungen sind als Erweiterung zu den RBF-Untersuchungen zu verstehen, um die Interpretationsmöglichkeiten hinsichtlich der untersuchten Prozesse mittels statistischer Methoden auf eine breitere Basis zu stellen. In Bezug auf die Analytik in Wasser und Boden wurden an den Lysimetern die identischen Parameter wie an den großtechnischen Anlagen, jedoch zeitlich höher aufgelöst, untersucht. Abgerundet wurde das Untersuchungsprogramm um labormaßstäbliche Untersuchungen zum Absterbeverhalten der Indikatorbakterien in der flüssigen Phase. Hierbei handelte es sich um den Einsatz von Rechteckbecken, in denen verschiedene Milieubedingungen simuliert wurden, die in der vorgeschalteten Absetzstufe und im Retentionsraum von RBF (vgl. Kapitel 3.1.1) auftreten können. Diese Becken werden im Weiteren als Standzeitreaktoren bezeichnet. Die Vorgehensweise zur Erreichung der Zielsetzung bestand grundsätzlich darin, dass hinsichtlich der untersuchten Einflussvariablen vom halbtechnischen bzw. labortechnischen Maßstab auf die Großtechnik geschlossen wurde, während die Untersuchungen an den großtechnischen Anlagen überwiegend deskriptiven Charakter zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit von RBF besaßen. 4

25 3 GRUNDLAGEN UND KENNTNISSTAND 3.1 Allgemeine Grundlagen zu Retentionsbodenfiltern Begriffserklärung und Funktionsprinzip Die Begrenzung von Gewässerbelastungen durch Niederschlagswassereinleitungen aus Misch- und Trennsystemen macht in der Regel die Anordnung von Regenbecken erforderlich. In diesen wird Mischwasser bzw. im Trennsystem Regenwasser vor der Weiterleitung zur Kläranlage oder der Einleitung in Gewässer zwischengespeichert und, je nach eingesetztem Bauwerkstyp, auch behandelt. Im Mischsystem werden nach ATV-Arbeitsblatt 166 (ATV 1999) vier Regenbeckentypen unterschieden. Hierbei handelt es sich um Regenüberlaufbecken (RÜB), Stauraumkanäle (SK), Filteranlagen (FA) und Regenrückhalteanlagen (RRA). Filteranlagen werden wiederum nach ihrer Art in Mechanische Filter (MF) und Bodenfilter (BF) unterschieden. Mechanische Filter trennen partikuläre Stoffe ab. Eine zusätzliche Stoffumsetzung ist bislang nicht dokumentiert, während Bodenfilter darüber hinaus auch gelöste Stoffe entfernen. Letztere sind Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Als Bodenfilter wird ein nach unten gedichteter und künstlich aufgebauter Bodenkörper bezeichnet, der vom zugeführten Regen- oder Mischwasser durchströmt wird. Im Weiteren wird dieser Bodenkörper in Anlehnung an das DWA-Merkblatt 178 (DWA 2005) als Filterkörper (FK) bezeichnet. Das Wasser wird in einem Retentionsraum (RR) zwischengespeichert und nach der vertikalen Durchsickerung des Filterkörpers über ein Dränagesystem gedrosselt in das Gewässer geleitet. Hierdurch wird die hydraulische Belastung des Gewässers verringert. Weiterhin werden durch die Ablaufdrosselung die Filtergeschwindigkeit und die Aufenthaltszeit des zu behandelnden Wassers im Filterkörper und dadurch parameterabhängig die Reinigungsleistung der Filteranlage beeinflusst. Der Retentionsraum ist primär erforderlich, um möglichst kleine Filterflächen zu ermöglichen, weil der Zufluss die Abflussleistung der Filter, auch wenn sie ungedrosselt betrieben würden, in der Regel um ein Vielfaches übersteigt. Dabei kann der Retentionsraum dem Filter vorgeschaltet oder über dem Filterkörper angeordnet werden. Die Integration des Retentionsraumes in das Filterbecken führt zu geringeren Grundmaßen der Anlagen, weshalb diese Bauweise am weitaus häufigsten anzutreffen ist. Für Bodenfilter zur Behandlung von Misch- und Regenwasser, deren Retentionsraum über dem Filterkörper angeordnet ist, hat sich die Bezeichnung Retentionsbodenfilter (RBF) etabliert, während der alternative Bauwerkstyp als Bodenfilter mit vorgeschalteter Retention (BFvR) bezeichnet wird. 5

26 Diese Dissertation befasst sich mit der Reinigungsleistung von Retentionsbodenfiltern in Bezug auf die Hygienisierung von Mischwasser. Zur Übersicht sind in Tabelle 1 die gebräuchlichen Regenbeckentypen im Mischsystem mit ihrer weiteren Unterscheidung im deutschsprachigen Raum zusammenfassend aufgelistet. Tabelle 1: Arten von Regenbecken im Mischsystem in Anlehnung an ATV (1999) Mischsystem Regenüberlaufbecken Stauraumkanäle Filteranlagen Regenrückhalteanlagen RÜB SK FA RRA Fangbecken Durchlaufbecken Verbundbecken Stauraumkanäle mit oben liegender Entlastung Stauraumkanäle mit unten liegender Entlastung Stauraumkanäle als Kaskade Regenrückhaltebecken Regenrückhaltekanäle Regenrückstaubecken FB DB VB SKO SKU SKK MF BF RRB RRK RRSB Mechanische Filter mit vorgeschalteter Retention Mechanische Retentionsfilter Bodenfilter mit vorgeschalteter Retention Retentionsbodenfilter Mechanische Filter Bodenfilter MFvR MRF BFvR RBF Retentionsbodenfilter werden im Mischsystem zur weitergehenden Behandlung von Entlastungsabflüssen eingesetzt. Ihnen ist daher eine Entlastungsanlage vorgeschaltet. Die Feststoffkonzentration von Mischwasser kann durch die Mobilisierung von Kanalablagerungen im Entlastungsfall im Bereich vom Trockenwetterabfluss oder sogar darüber liegen. Aus diesem Grund wird gefordert, dass RBF eine Absetzstufe in Form eines Regenbeckens vorgeschaltet wird, um das Risiko einer äußerlichen Kolmation des Filterkörpers zu mindern. Empfohlen werden Durchlaufbecken (DB). Fangbecken (FB) und Stauraumkanäle (SKO und SKU) sind jedoch ebenfalls möglich (vgl. Folgekapitel). RBF-Anlagen sind nach den derzeitigen Empfehlungen daher grundsätzlich zweistufige Anlagen. Dahingehend werden in der Praxis RBF inklusive vorgeschalteter Absetzstufe neu errichtet oder RBF werden dem Überlauf bereits bestehender Absetzstufen nachgeschaltet, um erhöhten Anforderungen an den Gewässerschutz gerecht zu werden. Im Fall von DB wird der Klärüberlauf (KÜ) auf den RBF geleitet, bei FB und SKO der Beckenüberlauf (BÜ) und bei SKU der Stauraumüberlauf (SÜ). Bei dem Einsatz von DB wird als Besonderheit in Hessen empfohlen über den KÜ hinaus auch den BÜ auf den RBF zu leiten, um einen möglichst großen Anteil des entlasteten Mischwassers zu behandeln und die hydraulische Belastung des Gewässers in möglichst großem Maß zu dämpfen. Beispiele für Fließschemata von RBF-Anlagen finden sich in den Beschreibungen der untersuchten großtechnischen Anlagen (vgl. Kapitel 4.2). 6

27 Die Beschickung der Filter erfolgt in Abhängigkeit von der Entlastungssituation infolge des Auftretens von Niederschlagsereignissen. Niederschläge stellen zufällige Ereignisse dar, weshalb die zeitliche Verteilung, Dauer und Intensität (hydraulisch und stofflich) von Mischwasserbeschickungen stark variiert. Auf Dauerbeschickungen von mehreren Tagen können Trockenperioden von mehreren Wochen bis zu Monaten folgen (vgl. Kapitel 5.1). Kommt es während extremer Beschickungsereignisse zur vollständigen Füllung des Retentionsraumes wird das Filterbecken bei weiterem Filterzufluss über einen Filterüberlauf entlastet. Ist dieser Überlauf dem Filterbecken vorgeschaltet, wird dieses nach DWA (2005) als Fangfilterbecken (FFiB) und bei Nachschaltung als Durchlauffilterbecken (DFiB) bezeichnet. RBF werden in der Regel mit ausgewählten Sumpfpflanzen bepflanzt. Die Bepflanzung dient in erster Linie dazu, die Filterfläche vor Erosionsschäden zu schützen und durch die Ausbildung einer Streuschicht die Pflanzen werden nicht gemäht vor äußerer Kolmation zu schützen. RBF mit Pflanzenbewuchs werden als bewachsene Retentionsbodenfilter bezeichnet. Als Synonym wird im Weiteren jedoch ausschließlich der Begriff Retentionsbodenfilter verwendet. Zur Veranschaulichung ist in Abbildung 2 ein schematischer Schnitt durch einen RBF mit den wesentlichen Filterkomponenten dargestellt. Abbildung 2: Schematischer Schnitt durch einen Retentionsbodenfilter, beispielhaft mit Erdböschung (ohne Skizzierung von Pflanzenrhizomen) Die Reinigung des zu behandelnden Wassers erfolgt in RBF-Anlagen im Filterkörper und geringfügig im Retentionsraum sowie der vorgeschalteten Absetzstufe durch mechanische, biologische und chemische Prozesse. Der Rückhalt und / oder Umsatz von partikulären und gelösten Stoffen erfolgt dabei durch mehrere Teilprozesse, die aus makroskopischer Sicht in Filtration, Sorption und biochemische Prozesse gegliedert werden. 7

28 Der Hygienisierungsprozess nimmt dabei eine Sonderstellung ein, weil es sich nicht um den Rückhalt von Stoffen, sondern von Organismen handelt, die sich eigenständig veränderten Milieubedingungen anpassen können. Die Beschreibung des Hygienisierungsprozesses unterliegt daher einer besonderen Komplexität, weil die Modellvorstellungen einem Dualismus folgen. Dabei wird bei den zurückzuhaltenden und zu eliminierenden Mikroorganismen einerseits von oberflächenaktiven biotischen Partikeln ( Biokolloiden ) ausgegangen, deren Rückhalt über physikochemische Prozesse beschrieben wird. Andererseits handelt es sich um Lebewesen, die aktiv, vornehmlich in Biofilmen, durch verschiedenste artspezifische Strategien möglichst Überleben bzw. Fortpflanzung sichern (vgl. Kapitel 3.2.4) Dimensionierung und Betrieb In Baden-Württemberg (BW) und Nordrhein-Westfalen (NRW) wurden landesspezifische Empfehlungen für Planung, Bau und Betrieb von RBF im Misch- und Trennsystem erarbeitet und in Handbüchern für die praktische Anwendung zusammengefasst (LFU 2002 / Erstauflage 1998 und MUNLV 2003). Auf diesen Empfehlungen baut das 2005 erschienene DWA-Merkblatt 178 (DWA 2005) auf. In Hessen werden in Kürze zur Aufhebung vorläufiger Empfehlungen (HMULV 2007) endgültige landesspezifische Empfehlungen (HMULV 2008) veröffentlicht. Durch zunehmende Erkenntnisse in Forschung und Praxis mit einer stetig wachsenden Anzahl realisierter Anlagen (vgl. Folgekapitel) unterliegt die Weiterentwicklung von RBF nach wie vor einer großen Dynamik. Die Bemessung von RBF erfolgt über eine hydraulische Zielgröße, der jährlichen hydraulischen Flächenbelastung (h FA [m 3 *m -2 *a -1 ]). Die Flächenbelastung bezieht sich auf den hydraulischen Filterdurchsatz (Filterablauf) und wird auch als Beschickungshöhe oder Stapelhöhe bezeichnet. Zweck der Begrenzung auf eine hydraulische Zielgröße dient in erster Linie der Begrenzung einer stofflichen Belastung. Konkrete Empfehlungen für die Bemessung auf eine stoffliche Zielgröße existieren zur Zeit aus zwei Gründen nicht. Zum einen ist die Vorhersage spezifischer stofflicher Belastungen bislang mit zu großen Unsicherheiten behaftet und Messkampagnen zur Erfassung von Wassermengen und -belastungen im Vorfeld der RBF-Planung können nicht mit vertretbarem Aufwand durchgeführt werden. Zum anderen ist die stoffliche Belastbarkeit von RBF Stand der Forschung. Am Beispiel der DWA-Empfehlungen sei ausgeführt, wie der Bemessungsgang erfolgt. Gemäß DWA-M 178 (DWA 2005) soll die Beschickungshöhe im Mischsystem im langjährigen Mittel einen Wert von 40 m pro Jahr nicht überschreiten. Maximal sollten in einem Jahr 60 m nicht überschritten werden. Der Nachweis erfolgt mit einem Niederschlags- Abfluss-Modell in einer Langzeitsimulation (mindestens 10 Jahre). Die Behandlungsziele der Anlage werden auf Grundlage der Gewässerbelastung seitens der zuständigen 8