Optimization of nitrogen removal in various vertical flow constructed wetland designs and application of treated wastewater for reuse in irrigation in Jordan

Dissertation, Cottbus, BTU Cottbus-Senftenberg, 2015

In ariden Ländern ist die Verwendung von wiederaufbereitetem Wasser zur Bewässerung eine weit verbreitete Praxis. Daher sind widerstandsfähige Wasseraufbereitungsanlagen Voraussetzung für das Erreichen einer Wasserqualität, die den gesetzlichen Anforderungen für die Wiederverwendung und Gesundheitsnormen entspricht. Vertikal durchströmte Pflanzenkläranlagen (VFCW) stellen für viele Länder und Gemeinden attraktive dezentrale Abwasserreinigungstechnologien dar. VFCWs sind in der Lage, eine ausreichende Entfernung organischer Stoffe und Feststoffe zu gewährleisten, obgleich Einschränkungen bei der Entfernung von Nährstoffen und Krankheitserregern bestehen. Verschiedene VFCW-Systeme in Deutschland und Jordanien wurden hinsichtlich ihres Leistungsvermögens zur Stickstoffentfernung untersucht und optimiert, um nachhaltige und kostengünstige Lösungen für die sichere Wiederverwendung gereinigten Abwassers in Jordanien zu entwickeln. In der Forschungseinrichtung Langenreichenbach (Deutschland) wurden zwei zweistufige VFCWs (einmal mit Phragmites australis bepflanzt und einmal unbepflanzt) beprobt und modifiziert, um die Rolle der Pflanzen in einem Zeitraum von zwei Jahren zu vergleichen. Dabei wurde festgestellt, dass in den untersuchten Systemen die Bepflanzung keine signifikante Rolle bei der Reinigungsleistung spielt. Beide Systeme zeigten im Verlauf der Studie eine hohe Reinigungsleistung für TOC, BSB5 und TSS. Während des ersten Untersuchungsjahres lag die Konzentration an Gesamtstickstoff (TN) im Ablauf der VFCW´s im Bereich von 60 und 61 mg/L, da die NO3--N-Konzentrationen (50 und 52 mg/L) relativ hoch waren. Durch den Einbau einer Staustufe in der ersten Stufe zur Verbesserung der Nitrifikation konnte die Stickstoffkonzentration auf 45 mg/L reduziert werden. Darüber hinaus wurde durch diese Modifikation eine Reduzierung von E.coli von 4 log Stufen erreicht, im Vergleich zu 2 log Stufen im ersten Jahr. In der Forschungseinrichtung Fuhais (Jordanien) wurden zwei VFCW-Systeme untersucht und mit dem Ziel modifiziert Kategorie A (TN: 45 mg/L und NO3-N: 30 mg/L) des jordanischen Standards zur Wiederverwendung von gereinigtem Abwasser zur Bewässerung (JS 893/2006) zu erreichen. Das einstufige VFCW mit Rezirkulation (ECO-1) und das mehrstufige VFCW (ECO-2) zeigten in einem Untersuchungszeitraum von drei Jahren hohe Reinigungsleistungen in Bezug auf COD, TSS und BSB5. Das ECO-1-System kombiniert gleichzeitige Nitrifikation und Denitrifikation durch ein anteiliges Rückführen des nitrifizierten Ablaufs in den Rezirkulationstank. Während der Beobachtungsphase betrugen die TN und NO3--N-Konzentrationen im Ablauf des Systems 55 und 44 mg/L, dh. diese entsprachen der Kategorie-B (TN: 70 mg/L und NO3-N: 45 mg/L) des JS. Um die Menge und Aktivität der Mikroorganismen zu erhöhen, wurden Plastikteile in den Rezirkulationstank von ECO-1 eingebaut. Auf diese Weise wurde die TN-Konzentration effektiv auf 40 mg/L reduziert (entspricht Kategorie-A des JS), während die NO3--N-Konzentration nur auf 37 mg/L (entspricht Kategorie-B der JS) reduziert werden konnte. Im Verlauf der Studie entsprachen die E.coli-Konzentrationen der JS Kategorie-C (mehr als 1000 MPN/100 mL). ECO-2 besteht aus zwei geschalteten ungesättigten VFCWs. Die erste Stufe des Systems besteht aus einem unbepflanzten Filter, die zweite Stufe aus einem mit Phragmites bepflanzten. Im Ablauf der Anlage wurde eine Reduktion der E.coli um 4,4 log Stufen erreicht, was der JS Kategorie-B (1000 MPN/100 mL) entsprach. Die TN und NO3--N-Konzentrationen im Ablauf der Anlage genügten nicht dem JS von 77 und 76 mg/L, da nur unzureichend Kohlenstoffquellen zur Förderung der Denitrifikation in der zweiten Stufe zur Verfügung standen. Durch die Installation eines Mischbehälters im Ablauf der 1. Stufe, dem eine bestimmte Menge an Rohabwasser zugemischt wurde, konnten die Konzentrationen von TN und NO3--N auf 52 mg/L beziehungsweise 50 mg/L reduziert werden (JS-Kategorie B). Wurde durch die Mischung mit Rohwasser die Entfernung von E.coli auf 3,5 log Stufen verschlechtert (JS Kategorie-C). Die kurzfristigen Auswirkungen der Bewässerung mit gereinigtem Abwasser wurden auf dem Forschungsgelände in Fuhais untersucht. Physikalische, chemische und biologische Bodeneigenschaften wurden in drei parallelen Versuchsparzellen untersucht. Die Parzellen wurden mit Zitronenbäumen bepflanzt. Das Bewässerungswasser wurde über ein unterirdisches Bewässerungssystem verteilt. Behandeltem Abwasser und Leitungswasser zeigte sich die gleiche Tendenz einer erhöhten Bodenversalzung (ECs, SAR). Ein signifikanter Unterschied von ECs, SAR, Mg+2, Ca+2, und Na+ wurde bei 0-20 cm auf Grund hoher Verdunstung beobachtet, welche die Salzanreicherung im Oberboden erhöhten. Mehr Wasser bei der Bewässerung die Salzanreicherung durch kontinuierliche Auslaugung reduzieren. Keine E.coli in den bewässerten Böden vorhanden waren.