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Durch anthropogene Aktivität hat sich der Nährstoffeintrag in die Umwelt stark erhöht. Die Hauptquellen sind die Landwirtschaft, kommunales und industrielles Abwasser. Erhöhte Stickstofffrachten haben einen starken Einfluss auf den Stickstoffkreislauf. Das Überangebot an Stickstoff führt zu Eutrophierung in Gewässern und somit zu einem weniger diversen, instabileren Ökosystem.
Die Stickstoffeliminierung aus Abwässern ist essentiell für den Schutz der Ökosysteme. Das etablierte System der Nitrifikation/Denitrifikation ist aufgrund des hohen Sauerstoffbedarfs sehr energie- und somit auch kostenintensiv. Der Anammox-Prozess (anaerobe Ammonium Oxidation) ist eine potentielle Alternative zur konventionellen Stickstoffelimination. Anammox-Bakterien nutzen Ammonium und Nitrit als Elektronenakzeptor. Durch Nutzung der partiellen Nitrifikation in Kombination mit Anammox (PN/A) kann bis zu 60 % der Belüftungsenergie eingespart werden. Trotz Erfolgen in der Teilstrombehandlung ist der Prozess noch nicht erfolgreich in der Hauptstrombehandlung eingesetzt worden. Die größten Herausforderungen sind die niedrigen Temperaturen, geringe Zulaufkonzentrationen und hohe Konzentrationen organischen Kohlenstoffs.
Die vorliegende Arbeit konnte die Wirksamkeit von membranbelüfteten Biofilm Reaktoren unter Verwendung von synthetischem Abwasser bei niedrigen Temperaturen (18 - 8 °C) belegen. Die Innovation in diesem System ist die räumliche Trennung von nitrifizierenden Bakterien und Anammox Bakterien. Die regelmäßige mechanische Entfernung des Nitrifikanten-Biofilms ermöglichte einen langzeitstabilen Reaktorbetrieb.
Diese Reaktorkonfiguration konnte auch erfolgreich für hochsaline Abwässer (5 -30 g NaCl*L-1) bei einer Reaktortemperatur von 30 °C und auch unter Zugabe von TOC (40-100 mg TOC*L-1) genutzt werden.
Weiterhin wurden Untersuchungen zur Aktivität von salzadaptierter Anammox-Biomasse und nicht adaptierter Biomasse in einem Bereich von 0 bis 50 g NaCl*L-1 durchgeführt. Bei Konzentrationen unter 30 g NaCl*L-1 konnten keine signifikanten Unterschiede im Abbauverhalten festgestellt werden. Allerdings war adaptierte Biomasse bei höheren Salzkonzentrationen konkurrenzstärker.
Außerdem wurden Langzeitlagerungsversuche durchgeführt. Die Lagerungsbedingungen variierten in der Lagerungstemperatur, im Redoxpuffer und der Nährstoffversorgung. Nach 106 Tagen bei 4 °C konnte die Anammox-Biomasse noch 91 % ihrer ursprünglichen Aktivität erhalten. Somit konnte eine einfache und kostengünstige Lagerungsmethode für Anammo-Bakterien entwickelt werden.
Diese Arbeit ist eingebettet in das BMBF-geförderte Projekt NITROLIMIT II, in dem unter anderem ein Nährstoffreduktionskonzept für die Storkower Seenkette entwickelt werden soll. Ziel dieser Bachelorarbeit war es, Nährstofffrachten für Teileinzugsgebiete in der Storkower Seenkette zu ermitteln, welche als Grundlage zur Planung und Verortung von Sanierungsmaßnahmen im Einzugsgebiet dienen sollen. Die berechneten Nährstofffrachten sollten anschließend mit den Ergebnissen einer Messkampagne des Landesamtes für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz Brandenburg aus dem Jahr 2011/12 verglichen werden sowie mögliche Sanierungsmaßnahmen diskutiert werden.
Zur Bestimmung der Nährstofffrachten wurden die Gesamtphosphor- (TP) und Gesamtstickstoff-Konzentrationen (TN) aus Wasserproben von sieben Messstellen des Untersuchungsgebietes analysiert, die von Februar bis Dezember 2015 gesammelt wurden. Die TP-Analysen wurden vom Kandidaten mittels Natrium-Peroxodisulfat-Aufschluss und anschließender photometrischer Messung nach DIN EN ISO 6878 (DIN, 2004) durchgeführt. Die TN-Analyse erfolgte mittels Fließinjektionsanalyse nach DIN EN ISO 13395 (DIN, 1996). Als Basis für die Frachtberechnungen wurden die Daten der Durchflussmessungen aus zwei Studienprojekten verwendet. Für die drei Klärwerke, die Klarwasser im Untersuchungsgebiet in die Vorfluter einleiten, wurden die Ablauffrachten berechnet.
Es zeigte sich, dass besonders die Fließstrecken unterhalb der drei Kläranlagen (Rieploser Fließ (KA Storkow; 22202 EGW) und Kuppengraben I (KA Friedersdorf; 1650 EGW und KA Wolzig; 467 EGW)) stark von Nährstoffen belastet sind und direkten Einfluss auf die Biomasseproduktion der unterhalb liegenden Gewässer nehmen. Vor allem für den davon betroffenen Stahnsdorfer See wird Handlungsbedarf gesehen, um eine Verbesserung gegenüber dem gegenwärtigen, polytrophen Zustand zu erreichen.
Der Vergleich der 2015 ermittelten Daten mit den Ergebnissen der Messkampagne des LUGV aus den Jahren 2011/12 hat gezeigt, dass die im Einzugsgebiet transportierten Nährstoffmengen relativ konstant sind. Trotz der verschiedenen Niederschlags- und somit auch Durchflussmengen in den unterschiedlichen Jahren konnten Nährstofffrachten in sehr ähnlicher Größenordnung berechnet werden.
Vor dem Hintergrund der ermittelten Nährstofffrachten wurden die geplanten Sanierungsmaßnahmen im Bereich des Rieploser Fließes betrachtet. Besonderes Augenmerk lag dabei auf der geplanten Umleitung des Rieploser Fließes. Eine mögliche Variante sieht vor, das Fließ vor seiner Mündung in den Stahnsdorfer See durch ein Wehrbauwerk abzutrennen und das Wasser in ein künstliches Feuchtgebiet südlich des Sees zu leiten. Der dort befindliche ehemalige Torfstich könnte zu einem Schilfpolder umgestaltet werden und so als Retentionsfläche dienen. Diese Maßnahme könnte eine Nährstoffentlastung um ca. 30% für den Stahnsdorfer See bringen. Außerdem wurde durch diese Arbeit nachgewiesen, dass der Kuppengraben I im Vergleich zu anderen Messstellen bis zu 10fach höhere TP-Jahresmittel bzw. 4fach höhere TN-Jahresmittelwerte aufweist. Daher sollten auch für diesen Klärwerksableiter oder an den einleitenden Klärwerken Sanierungsmaßnahmen durchgeführt werden.
Eutrophierung von Oberflächengewässern durch anthropogene Einträge von Stickstoff und Phosphor ist ein globales Problem. Die Einträge stammen aus der Landwirtschaft (v. a. diffuse Einträge) und aus urbanen Gebieten (Punktquellen und diffuse Einträge). In Deutschland wurden in den letzten drei Jahrzehnten die Einträge von Stickstoff in Fließgewässer um ca. 45% und von Phosphor um ca. 71% vermindert [1], wozu insbesondere Modernisierungen in Kläranlagen beigetragen haben. Dennoch beträgt der derzeitige Anteil der urbanen Quellen 21% der Stickstoff- und 45% der Phosphoreinträge [1]. Daher besteht im urbanen Bereich noch immer Handlungsbedarf für weitere Maßnahmen zur Nährstoffreduktion, um den von der EU-WRRL geforderten „guten“ ökologischen Zustand der Gewässer zu erreichen.
Konkret stammen in urbanen Bereichen die Einträge aus geklärten Abwässern aus Klärwerken, Regenwasserabflüssen und Überläufen aus Mischwasserkanalisation. In Mischwasserkanälen wird häusliches Abwasser und Regenwasser zusammen zum Klärwerk geleitet. Tritt ein Starkregenereignis auf, kann überschüssiges Mischwasser ungeklärt in ein Gewässer gelangen und dieses kurzfristig mit hohen Schmutz- und Nährstofffrachten belasten. Regenwasser, das im separaten Kanalnetz (Trennkanalisation) gesammelt wird, wird meist direkt einem Oberflächengewässer zugeführt. Es enthält Nährstoffe aus der Atmosphäre und insbesondere aus der Abwaschung von Dächern und Straßen (z.B. aus Blättern und Pollen). Bei der Trennkanalisation behandeln Klärwerke nur das im Schmutzwasserkanalnetz gesammelte Abwasser (in der Regel ohne Regenwasseranteil).
Ein Katalog zu Maßnahmen zur Reduktion von Nährstoffeinträgen aus urbanen Bereichen, deren Effizienz und Kosten sowie eine Bewertung der aus den Maßnahmen resultieren-den Umweltauswirkungen existieren bislang nicht. Insbesondere im Fall von Großkläranlagen, welche bereits ca. 80% der Stickstoff- und ca. 97% der Phosphorfrachten aus dem Abwasser entfernen, gilt es zu berücksichtigen, dass Verfahren zu einer weitergehenden Reduktion teilweise erhebliche Aufwendungen an zusätzlicher Energie, Chemikalien und Infrastruktur benötigen.