Daniel Meyer

• Retentionsbodenfilter zur weitergehenden Mischwasserbehandlung (RBF) können einen wichtigen Beitrag zum Gewässerschutz leisten, indem sie Entlastungsabflüsse aus konventionellen Regenüberlaufbecken reinigen. Die Filterdimensionierung erfolgt nach Stand der Technik vorwiegend durch die Beurteilung der hydraulischen Flächenbelastung. Um die dazu notwendigen Daten zu erhalten, sind Niederschlag-Abfluss- Berechnungen des Kanalnetzes erforderlich. Wird in Ergänzung die Einhaltung stofflicher Zielgrößen gefordert, sind Schmutzfrachtberechnungen anzuwenden. Vor dem Hintergrund biochemischer, naturnaher Prozesse in RBF erscheint es sinnvoller, die geeigneten Abmessungen des Filterbeckens vorwiegend anhand der stofflichen Belastung und der entsprechenden Reinigungsleistung zu ermitteln. Die vorliegende Arbeit soll einerseits einer Erweiterung des Kenntnisstandes über die Prozesse in RBF dienen. Andererseits sollen vorhandene Prozessvorstellungen in Modellrechnungen überprüft werden. Eine detaillierte Nachbildung von Laborversuchen erfolgt mittels eines biokinetischen Reaktionsmodells, welches für Pflanzenkläranlagen entwickelt wurde. Der durch die Simulationsauswertung erweiterte Kenntnisstand wird zur Weiterentwicklung eines vereinfachten Retentionsbodenfilter-Moduls für Schmutzfrachtsimulationen verwendet. Am Ende soll ein Planungs- und Optimierungswerkzeug gewonnen werden, welches den derzeitigen Wissensstand abbildet und der Ingenieurpraxis gerecht wird. Die verwendete, ausgewertete Datengrundlage umfasste zunächst zwei mehrmonatige Messphasen am RBF Saarbrücken-Ensheim (Dittmer, 2006), zugehörige Säulenversuche im Labormaßstab (Woźniak, 2007) sowie die Ergebnisse eigener Versuche aus vorhergehenden Simulationsstudien. Während die eigenen Laboruntersuchungen in der vorliegenden Arbeit ergänzt wurden, erfolgte die wesentliche Erweiterung der Datengrundlage durch Vorlage von Messdaten aus einer zweijährigen Kampagne des Fachgebietes Siedlungswasserwirtschaft der Universität Kassel (Prof. Dr.-Ing. F.-B. Frechen) am RBF Oberelsungen. Die Auswertung dieser Rohdaten, der vergleichende Einschätzungen der beiden Filteranlagen und die geordnete Zusammenstellung aller weiteren Untersuchungen bilden die wesentlichen Vorarbeiten der Simulationsstudien. Als Ergebnis wird festgestellt, dass die beiden RBF sowohl untereinander als auch mit anderen Anlagen vergleichbar sind. Dadurch ist eine Zusammenführung von Aspekten verschiedenen Ursprungs möglich. Laborversuche sollten jedoch gesondert bewertet werden. Vor Anwendung des biokinetischen Reaktionsmodells CW2D werden die Modellteile der Hydraulik, des Stofftransportes und des Stoffrückhaltes getrennt betrachtet. In allen genannten Teilprozessen kann eine hohe Annäherung an Messwerte erzielt werden - ein Exkurs zu stark abweichenden Filtersubstraten für Pflanzenkläranlagen belegt die große Bandbreite des möglichen Modelleinsatzes. Die weitergehenden Prozesse des Stoffumsatzes wurden zur Nachbildung einzelner Hochlastereignisse in Laborversuchen mit Säulen verwendet, wobei ebenfalls eine Deckung mit der Datengrundlage erreicht werden kann. Eine langfristige Wiedergabe der Filterleistung gelingt bisher jedoch nicht. Als Ursache wird vor allem die Beschreibung der Trockenphasen herausgestellt. Mögliche Modellerweiterungen um Filtrationsprozesse organischer Partikel sowie vorgeschlagene Änderungen des biokinetischen Reaktionsmodells könnten hierzu Abhilfe schaffen. Die Weiterentwicklung eines RBF-Modells als Bestandteil der Schmutzfrachtmodellierung bezieht sich auf die Kernparameter CSB und NH4-N und in Ergänzung auf NO3-N. Zur Vorbereitung stofflicher Prozessbeschreibungen wird das hydraulische Modell optimiert. Bezüglich CSB erfordert die Wiedergabe der tatsächlichen Reinigungsleistung eine Unterteilung in gelöste und partikuläre Bestandteile. Es wird nachgewiesen, dass mittels konstanter, partikulärer Ablaufkonzentrationen sowie konstanter Wirkungsgrade für die gelösten Anteile die Filterleistung abgebildet werden kann. Eine Verbesserung der Ergebnisse wird durch die Beachtung von Trockenphaseneinflüssen erreicht. Bezüglich NH4-N wird der wesentliche Entwicklungsschritt mit einer zweistufig linearen Sorptionsisotherme eingeführt. Das neue Stickstoffmodell wird – ergänzt um die Berücksichtigung von Regenerationszeiten - in seiner Eignung belegt. In einer abschließenden Simulationsstudie zur Optimierung des RBFs Oberelsungen wird aufgezeigt, dass sich aus hydraulischen und stofflichen Kriterien unterschiedliche Dimensionierungen ableiten lassen.
• Constructed wetlands for combined sewer overflow treatment – also known as Retention Sand Filters (RSFs) – have proven to be highly efficient in reducing negative impacts on receiving water bodies. In Germany the use of these vertical flow CWs is only permitted in series of combined sewer storage tanks. To design this approach as part of sewer systems, legislations require simulation tool applications. The main criterion to dimension the filter bed is given by the hydraulic loads. Whereas this aims in preventing the filter surface from clogging, a better design could be achieved by taking pollutant loads into account as additional criteria. The main target of this study was to build a simplified simulation model (RSF_Sim) which includes fitting estimations of filter performances while being applicable in engineer’s practice. Therefore a given database – consisting of two full-scale RSFs, long-term lab-scale experiments and additional investigations of soil properties – was interpreted. Based on this it was tested, if the existing (detailed biokinetik reaction model) Constructed Wetlands 2D (CW2D) was expandable to RSFs. Finally conclusions of data evaluation and simulations were put together to build the targeted simplified model RSF_Sim. In a first approach an optimization study was conducted to show differences between the hydraulic load as only design criterion or taking pollutant loads into account additionally. Data interpretation was conducted for the key parameters COD and NH4-N. Results showed that the two full-scale RSFs are comparable to each other, so the given database could be unified. To consider lab-scale experiments the specific conditions have always to be kept in mind, but still they give complementary knowledge. For COD the basic necessity to separate total COD into a particulate and a dissolved fraction was proven. Whereas particulates are almost totally retained by filtration during the filter passage, a performance prediction for solutes requires descriptions of influencing factors – mostly for the duration of the dry period before a current loading event. For NH4-N results showed very high efficiencies until the filter substrate sorption capacities are filled. This indicated the need of a generalized, but substratespecific model. Simulations of lab-scale column experiments with CW2D showed an extended applicableness as well as limitations. Calculation results of hydraulic conditions, tracer tests and adsorption processes fitted very well with measurements. The biokinetik reaction model was able to describe complex processes in single feeding events – even with extraordinary high hydraulic and pollutant loading characteristics. The main problem was found in the description of extended dry periods up to several weeks. This could probably be overcome with minor changes in bacteria growth and lysis conditions. The main processes in the new model RSF_Sim were simplified as: (1) particulate COD is filtrated down to a background concentration, (2) treatment performance for dissolved COD can be described with a constant removal rate, but implemented variations due to dry periods improve simulation results, (3) a two-step linear sorption isotherm is appropriate to describe performance limits without iterative calculations. Optimization suggestions for an existing over-designed RSF were achieved by the use of RSF_Sim. Results showed on one hand, that the square could be drastically decreased still fulfilling the legislative hydraulic requirements. On the other hand this decrease would lead to strong limitation in treatment performances. The best solution was found in a smaller, but still heavy decrease in filter’s square. In future the new model should be tested on an extended database to improve prediction security. Based on the given approach improvement indications seem to be possible - especially in filter dimensions and substrates.