Biofilter zur Dränwasseraufbereitung in Gartenbaubetrieben

In zwei aufeinanderfolgenden Untersuchungsvorhaben in den Jahren 2011 – 2017  untersuchte das IWW gemeinsam mit der Wasserschutzkooperation Kevelaer-Keylaer und mit finanzieller Unterstützung durch das Ministerium für Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen (MULNV NRW) wie man die Schadstofffrachten (v. a. Nitrat und Pflanzenschutzmittelrückstände) in von gartenbaulich genutzten Flächen abfließenden Dränwässern vor ihrer Einleitung in Oberflächen- oder Grundwässer reduzieren kann.

Versuchsanordnung

Bei der Versuchsfläche handelte es sich um eine ca. 1 ha große für die Zierpflanzenproduktion von Calluna vulgaris genutzte Fläche. Die von der Fläche abfliessenden Dränwässer wurden ursprünglich in eine als einfache Sickermulde ausgebaute Grube geleitet, um von hier in das Grundwasser versickert zu werden.

Zu Beginn der Untersuchungen wurde diese Grube nach einem Konzept der Landwirtschaftskammer NRW – Versuchszentrum Gartenbau Straelen/Auweiler – zu einem Biofilter als Mehrkammersystem aus Vorlaufschacht – Vorlagespeicher – Biobed (ca. 150 m2) – Pflanzbeet (ca. 90 m2) umgebaut (Abbildung 1). Die von der Versuchsfläche abfließenden Dränwässer sammelten sich zunächst im Vorlaufschacht und wurden von hier zur Zwischenspeicherung in einen ca. 120 m3 großen Vorlagespeicher gepumpt. Von hier wurden die Dränwässer je nach Befüllung über ein Düsensystem kontinuierlich über das mit einem organischen Substrat aus Stroh, Holzhackschnitzeln und Weisstorf aufgefüllte Biobed ausgebracht und nach dessen Durchströmung zur Versickerung in das Pflanzbeet gepumpt. Durch eine umfangreiche Messtechnik konnte der quantitative Abfluss von der Versuchsfläche im Zeitverlauf sowie durch regelmäßige Beprobungen die Entwicklung der Dränwasserbeschaffenheit (Nitrat und PSM-Rückstände) im Durchfluss durch die Anlage beschrieben werden.

Ergebnisse
Dränwasseraufbereitung, Biofilter

Abbildung 1: Schematische Übersicht über die dreistufige Anlage bestehend aus Vorlage, Biobed und Pflanzenbereich (L1 bis L6: Literzähler/Wasseruhren, EC1 bis EC6: EC-Sensoren, R1: Regenmesser, P1 bis P5: Pumpen, F1 bis F4: Füllstandssensoren, BF1 bis BF6: Bodenfeuchtefühler, V1 bis V4: Ventile)

Die Untersuchungen zur quantitativen Entwicklung der von der Versuchsfläche abfließenden Dränwässer zeigten, dass im Mittel der Untersuchungsjahre ca. 55 % (ca. 7.600 m3/a) der durch Niederschläge und Bewässerung der Fläche zugeführten Wassermengen als Dränwasser abflossen. Ein Dränwasserabfluss erfolgte dabei insbesondere in Folge von Niederschlagsereignissen.

Insgesamt zeigten die Untersuchungen, dass die zum Teil hohen PSM-Rückstände und Nitratfrachten in den von der Versuchsfläche abfließenden Dränwässern vor allem in dem mit organischem Material befüllten Biobed durch Sorption bzw. Abbau sehr gut zurückgehalten wurden. So konnten die Nitratkonzentrationen der Dränwässer (bei Spitzenkonzentrationen von tw. > 200 mg/l in den hydrologischen Sommerhalbjahren) nach Durchfluss durch das Biobed auf mittlere Konzentrationen von < 50 mg/l gesenkt werden. Die ebenfalls in teilweise hohen Konzentrationen im Dränwässer vorhandenen PSM-Rückstände konnten im Biobed bei der weit überwiegenden Mehrzahl der untersuchten Wirkstoffe um ca. 80 – 98 % auf mittlere Konzentrationen von < 1 µg/l reduziert werden (siehe auch Abbildung 2). Als problematisch erwies sich allerdings insbesondere der herbizide Wirkstoff Metribuzin, der regelmäßig in hohen Konzentrationen im Dränwasser nachgewiesen wurde. Im Biobed reduzierte er sich auf Grund seiner physiko-chemischen Eigenschaften aber lediglich in Größenordnungen von ca. 30 – 60 %.

 

Biofilter, PSM-Fracht

Abbildung 2: Entwicklung der mittleren PSM-Fracht im Durchfluss durch die Anlage im hydrologischen Sommerhalbjahr 2014 (ohne Metribuzin)

Eine weitere Reduzierung der nach der Biobedpassage verbleibenden und ins Pflanzbeet eingeleiteten Schadstofffrachten ist grundsätzlich während der hier angedachten Versickerung ins Grundwasser zu erwarten, erwies sich am Versuchsstandort auf Grund der standörtlichen Bedingungen (geringe Grundwasserflurabstände, geringe Versickerungsleistung) aber als wenig praktikabel.

Insgesamt zeigten die Untersuchungen, dass sich durch eine derartige Anlage die in entsprechenden Dränwässern enthaltenen Schadstofffrachten und damit auch die Risiken einer Gewässerbelastung in erheblichem Umfang reduzierten. Weiterhin wurden wesentliche Maßzahlen zum Bau und Betrieb praxisrelevanter Anlagen entwickelt. So zeigte sich z. B., dass unter den praktizierten Versuchsbedingungen für das wesentliche als Biofilter dienende Element der Anlage – das Biobed bzw. das darin eingebrachte organische Substrat – eine „Lebensleistung“ von ca. 4 – 5 Jahren zu erwarten ist, bevor das Substrat auszutauschen ist.

Ausblick

In einer – wiederum durch das MULNV NRW geförderten – Ende 2018 startenden 3. Projektphase wird die Versuchsanlage nun auf Basis der erarbeiteten Erkenntnisse und Kennzahlen in eine praxisrelevante Anlage umgebaut. In einer ca. 2-jährigen Betriebsphase unter realen Praxisbedingungen sollen die bisher erarbeiteten Erkenntnisse zu ihrer Leistungsfähigkeit verifiziert bzw. zum Ausbau und Betrieb präzisiert werden.

Projektbegleitend wird ein Leitfaden erstellt, welcher sowohl für Anlagenbetreiber als auch für den behördlichen Vollzug als Arbeitshilfe zum Bau und Betrieb entsprechender Anlagen dienen soll.

Ansprechpartner:

Dr. Reinhard Fohrmann

Florian Schindler, M. Sc.