Mikrobielle Biozönose in bepflanzten Bodenfiltern

Bepflanzte Bodenfilter (Pflanzenkläranlagen) werden weltweit als einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Abwasserreinigung eingesetzt. Vertikal durchströmte Systeme mit Schwallbeschickung und sandigem Substrat sind Stand der Technik für die Reinigung häuslicher Abwässer. Obwohl es eine Vielzahl an Erfahrungen mit dem Bau und Betrieb dieser Anlagen gibt, erfolgt die Dimensionierung nach wie vor meist mit Hilfe einfacher Erfahrungswerte (z.B. ein spezifischer Flächenbedarf von 5 m/EW für vertikal durchströmte bepflanzte Bodenfilter). Das gegenständliche Projekt hat das Ziel, die Abbau- und Umsatzvorgänge in bepflanzten Bodenfiltern detailliert zu erforschen. Obwohl allgemein bekannt ist, dass Mikroorganismen für den größten Teil dieser Prozesse verantwortlich sind, ist noch wenig über deren genaue Zusammensetzung und Anzahl, sowie deren Aktivität und Verteilung innerhalb des Bodenfilters bekannt. Aufgrund dessen werden im Rahmen dieses Projektes detaillierte Untersuchungen an Versuchsanlagen durchgeführt um Menge und Aktivität der Mikroorganismen zu bestimmen. Einen Schwerpunkt sollen dabei die Untersuchung der mikrobiellen Prozesse, die zur Entfernung des Stickstoffs beitragen, bilden. Dafür ist es nötig bestehende Messverfahren an die speziellen Bedingungen in bepflanzten Bodenfiltern anzupassen. Durch die Kombination verschiedener Messtechniken aus unterschiedlichen Disziplinen (Mikrobiologie, Wasserchemie, Bodenphysik) kann das vorhandene Wissen über die Prozesse in bepflanzten Bodenfiltern vertieft werden. Der interdisziplinäre Ansatz ist die Voraussetzung, dass auch die Messung der Kinetik der biochemischen Reaktionen sowie der Anzahl und Aktivität der Mikroorganismen ermöglicht wird. Diese Werte werden für die Kalibration eines Simulationsmodells benötigt, mit dem es möglich wird, die derzeit verwendeten Dimensionierungsansätze zu überprüfen und gegebenenfalls zu verbessern. Darüber hinaus wird es mit Hilfe des Simulationsmodels gelingen, vertiefte Einblicke in die Black-Box "bepflanzter Bodenfilter" zu ermöglichen und dadurch das Verständnis der Prozesse zu erweitern. Dieses erweiterte Wissen kann in weiterer Folge zur Optimierung der Reinigungsleistung und der Dimensionierung von bepflanzten Bodenfiltern verwendet werden.

Bepflanzte Bodenfilter (Pflanzenkläranlagen) werden weltweit als einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Abwasserreinigung eingesetzt. Vertikal durchströmte Systeme mit Schwallbeschickung und sandigem Substrat sind Stand der Technik für die Reinigung häuslicher Abwässer. Obwohl es eine Vielzahl an Erfahrungen mit dem Bau und Betrieb dieser Anlagen gibt, erfolgt die Dimensionierung nach wie vor meist mit Hilfe einfacher Erfahrungswerte (z.B. ein spezifischer Flächenbedarf von 5 m 2 /EW für vertikal durchströmte bepflanzte Bodenfilter). Das gegenständliche Projekt hatte das Ziel, die Abbau- und Umsetzvorgänge in bepflanzten Bodenfiltern detailliert zu erforschen. Obwohl allgemein bekannt ist, dass Mikroorganismen für den größten Teil dieser Prozesse verantwortlich sind, ist noch wenig über deren genaue Zusammensetzung und Anzahl, sowie deren Aktivität und Verteilung innerhalb des Bodenfilters bekannt. Aufgrund dessen wurden im Rahmen dieses Projektes detaillierte Untersuchungen an Versuchsanlagen durchgeführt. Die Biomasseuntersuchungen in der Hauptschicht der Filter umfassten die Menge und Artenzusammensetzung der Mikroorganismen. Zirka 60 % der Biomasse befinden sich im ersten cm der Hauptschicht, 96 % innerhalb der ersten 10 cm. Die gemessenen Biomassekonzentrationen waren deutlich höher als Vergleichswerte, die in natürlichen Böden gemessen wurden. Hinsichtlich der Artenzusammensetzung der Biomasse konnte kein Unterschied zu natürlichen Böden festgestellt werden, dominant kommen in beiden Systemen Actinobacteria und ß-Protebacteria vor. Die Messungen bezüglich Ammonium-oxidierender Organismen ergab für vertikal durchströmte Beete dieselbe Artenzusammensetzung wie für horizontal durchströmte Beete. Im Vergleich zu konventionellen Kläranlagen nach dem Belebtschlammverfahren konnte hingegen in vertikal durchströmten bepflanzten Bodenfiltern ein verstärktes Auftreten von Nitrosospira-Arten festgestellt werden. In den Untersuchten Bodenfiltern konnten hohe Eliminationsleistungen für mikrobielle Parameter (Keime) gemessen, wobei der Keimrückhalt in den ersten 20 cm erfolgt. Umwandlungs- und Abbauprozesse in der Hauptschicht der untersuchten bepflanzten Bodenfilter wurden mit Hilfe eines Simulationstools modelliert. Weiters wurde das Simulationstool auch für nachgeschaltete Bodenfilter und Retentionsbodenfilter zur Mischwasserbehandlung getestet. Im Rahmen des Projekts wurden viele Details untersucht und wertvolle Erkenntnisse gewonnen, die zum Verständnis der Prozesse in der Hauptschicht von bepflanzten Bodenfiltern beitragen. Jedoch wurden mindestens genauso viele neue Fragen aufgeworfen und damit ein neuer Forschungsbedarf aufgezeigt.