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Weimar Open Access

Entwickelt im Zuge des Weiterbildenden Studiums Wasser und Umwelt der Bauhaus-Universität Weimar ; Lehrmaterial Fernstudiengang Wasser und Umwelt an der Bauhaus-Universität Weimar

Oberflächenabdichtungen von Deponien sind in ihrer langfristigen Funktion häufig durch eine austrocknungsbedingter Rissbildung der mineralischen Dichtungskomponente gefährdet. Als Ursachen gelten insbesondere das standortspezifische Klima mit den stark schwankenden Randbedingungen (Niederschlag, Temperatur), Pflanzen und Tiere sowie auch ein ungeeigneter Systemaufbau. Durch einen Wasserentzug treten Schrumpfungsprozesse in der mineralischen Dichtung auf welche über negative Dehnungen zu Dehnungsbrüchen und damit zu einer Rissbildung führen. Für die Beanspruchbarkeit eines Dichtungsmaterials bei Wasserentzug sind insbesondere dessen Schrumpfverhalten und dessen Zugfestigkeit von Bedeutung. Beide Eigenschaften wurden durch eigens konzipierte Laborversuche beispielhaft an zwei typischen Dichtungsböden untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine große Abhängigkeit von der Wasserspannung sowie von der Bodenstruktur. Für die Zugfestigkeit und dem daraus abgeleiteten Dehnungsmodul gilt z. B. jeweils eine eindeutige Zunahme mit Zunahme der Wasserspannungen. Mit Hilfe der Ergebnisse aus den Laborversuchen sowie numerischen Berechnungen des Was-serhaushaltes und der vorherrschenden Spannungen kann eine erste Rissgefährdungsabschätzung für mineralische Dichtungen in Oberflächenabdichtungen abgeleitet und angewandt werden. Weitere Erläuterungen z. B. zu den Eigenschaften und der Teilsättigung bindiger Böden, analytische Zugfestigkeitsberechnungen oder Empfehlungen zum Entwurf und der Herstellung von Oberflächenabdichtungen ergänzen die Arbeit.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden die diffusen Phosphoreinträge am Beispiel des Einzugsgebietes der oberen Rur bilanziert . Im theoretischen Teil dieser Diplomarbeit werden die Grundlagen für die Darstellung des Nährstofftransportes erarbeitet. Dabei erfolgt die Beschreibung der Eintragswege von Phosphor in die Gewässer, die Herkunft und Art von Phosphoreinträgen sowie die wichtigen Eintragspfade der diffusen Phosphoreinträge. Mit diesen gewonnenen Erkenntnissen ist es möglich, den Stofftransport einschließlich der ablaufenden Prozesse mittels mathematischer Gleichungen über die Eintragspfade zu simulieren. Somit gelingt es, die Funktionsweise und die Anwendbarkeit, der zum Einsatz kommenden aktuellen Wasser- und Stofftransportmodelle zur Quantifizierung diffuser Phosphoreinträgen zu verstehen. Im praktischen Teil dieser Diplomarbeit werden die diffusen Phosphoreinträge im Einzugsgebiet der oberen Rur unter Hilfenahme der zuvor ermittelten Grundlagen bilanziert. Dabei ist es nötig, das Einzugsgebiet zu beschreiben, abzugrenzen und die enthaltenen Gewässer zu beleuchten. Weiterhin erfolgte eine Recherche der im Einzugsgebiet vorhandenen Flächennutzungen, um die Bilanzierung mit den aus der Literatur ermittelten Gleichungen und Werten durchführen zu können. Das Ergebnis ist eine Phosphorjahresfracht mit der das Einzugsgebiet bewertet werden kann.

Für die weitgehende Nutzung der enthaltenen Nährstoffe in häuslichem Abwasser und die Realisierung des Kreislaufgedankens auch in kommunalen Abwassersystemen ist eine Trennung der Abwasserströme, wie sie vielfach bereist in der industriellen Produktion eingesetzt wird, Vorrausetzung. Die getrennte Erfassung und Sammlung sowie die Nutzung bzw. Behandlung der einzelnen Teilströme weicht von den üblichen Verfahren der bisher praktizierten end-of-pipe-Systeme ab und es gilt nach alternativen Verfahrensmöglichkeiten zu suchen, um die Ziele eines teilstromorientierten Abwasserkonzeptes zu verwirklichen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein anaerobes mesophiles Behandlungsverfahren für den Teilstrom Braunwasser untersucht. Zu diesem Zweck wurden verschieden Versuche mit Faeces mit unterschiedlichen Wassergehalten und in unterschiedlichen Mischungen von Einsatz des Rohsubstrates bis hin zur Zugabe von Urin, Wasser und/oder Impfschlamm untersucht. Während der Versuche in temperierten Reaktoren fand eine Aufzeichnung der Gaserträge der einzelnen Ansätze, der pH-Werte in ausgewählten Ansätzen, der Raumtemperatur und der Substrattemperatur im Reaktor statt. Diese verschiedenen Ansätze sind anhand ihrer Zusammensetzung dargestellt und in den gewonnenen Ergebnissen untereinander und mit denen in der Startliteratur angegebenen Werten verglichen und bewertet. Ziel der anaeroben Behandlung war es, ein stabilisiertes Substrat aus der anaeroben Stufe zu erhalten. Aus den gewonnenen Ergebnissen wird ein Verfahrensvorschlag für eine anaerobe Stabilisierung gemacht.

Die derzeitige Abwasser- und Reststoffentsorgung eines landwirtschaftlichen Betriebes stellt sich wie folgt dar: Die Abwassersammlung der Mitarbeiter erfolgt in zwei unterschiedlichen Mehrkammergruben, deren Überläufe in einen Gülle- bzw. Gärrestbehälter gelangen. Die Klärschlämme werden einmal jährlich geleert. Die Gülleauffangbehälter dienen zur Speicherung der Fäkalien der Nutztiere, von wo aus die Gülle regelmäßig der betriebseigenen Biogasanlage zur Energiegewinnung zugeführt wird. Eine effektivitätssteigernde Gasproduktion kann durch die zusätzliche Vergärung von Kosubstraten, wie beispielsweise Silomais gewährleistet werden. Das Gärsubstrat aus der Biogasanlage wird in einen Gärrestbehälter geleitet. Neben dem Gärrest gelangen ebenfalls die Abwässer der Milchproduktion aus dem Melkhaus in diesen Auffangbehälter. In regelmäßigen Abständen wird der Inhalt des Gärrestbehälters zur Düngung auf die landwirtschaftlichen Nutzflächen aufgetragen. Die Niederschläge auf die befestigten Flächen und Dächer können in einem Regenwasserkanal in einen Regenwasserteich, welcher sich unweit des Betriebsgeländes auf einer landwirtschaftlichen Nutzfläche befindet, eingeleitet und dort versickert werden. Das Ziel der Betriebsführung des landwirtschaftliche Betriebes ist die anfallenden Abwasserströme zur gezielten Biomassenproduktion zu nutzen. Die Biomasse soll anschließend energetisch verwertet werden. Für die gezielte Biomassenproduktion soll ein System, bestehend aus natürlichen Trägermatten, welche mit Repositionspflanzen bestückt sind, eingesetzt werden. In einem Wasserspeicher wird Niederschlagswasser gesammelt und fließt kontinuierlich über die Pflanzenträgermatten. Die auf den Trägermaterialien befindlichen Pflanzen nehmen über ihr Rhizomsystem Nährstoffe und Wasser auf und setzen diese in Biomasse um. An Beispielen der Abwasserströme des ausgewählten landwirtschaftlichen Betriebes soll herausgefunden werden, inwieweit nicht nur Regenwasser sondern auch vorgeklärtes Abwasser zur gezielten Biomassenproduktion eingesetzt werden kann. Unter der Nutzung vorhandener Abwasseranlagen sowie der örtlichen Gegebenheiten bieten sich mehrere Möglichkeiten der alternativen Abwasser- und Reststoffverwertung. Die verschiedenen Varianten zur gezielten Biomassenproduktion unterscheiden sich in den dafür zu verwendenden Abwasserströmen, der Verwertung der anfallenden Reststoffe sowie im Materialeinsatz und der abschätzbaren Reinigungsleistung. Vom Erfinder des System Dernbach liegen noch keine Erkenntnisse zur technischen Realisierung seines Verfahrens hinsichtlich Bemessung oder Reinigungsleistung zur Abwasserbehandlung vor. Es ist jedoch davon auszugehen, dass sich bei der direkten Behandlung der vorgeklärten Sozial- und Melkhausabwässer auf den Pflanzenträgermatten biologischer Überschussschlamm ansammelt. Des weiteren ist nicht geklärt, welche Reinigungsleistung im System Dernbach hinsichtlich der Phosphor- und Stickstoffelimination zu erwarten sind. Diese Informationen sind allerdings im Hinblick auf die Vorflutersituation von enormer Bedeutung. Die gereinigten Abwässer sollen in einen nahegelegenen Bach eingeleitet werden. Bei einer zu hohen Phosphor- oder Stickstoffbelastung droht dieses Gewässer aufgrund des hohen Nährstoffangebotes zu eutrophieren. Aus diesem Grund sollte das System Dernbach lediglich zur Nachbehandlung gereinigten Abwassers eingesetzt werden. Für die Vorbehandlung der Sozial- und Melkhausabwässer zusammen mit den anfallenden Niederschlägen bietet sich u.a. eine Abwasserteichanlage an, da diese entsprechend den Spülstößen bei auftretenden Niederschlägen bemessen werden kann. Für die getrennte Abwasserbehandlung kann nach Meinung des Bearbeiters ein bepflanzter Bodenfilter eingesetzt werden. Das System Dernbach kann mit dem Ablauf dieser Anlage, zusammen mit dem Regenwasser, beschickt werden. Eine weitere Alternative stellt die Möglichkeit ausschließlich die gesammelten Niederschläge zur Biomassenproduktion zu nutzen dar. Nach der Ernte kann die Biomasse zum einen zusammen mit Holzhackschnitzeln thermisch verwertet werden. Die dabei entstehende Wärme dient zur Erwärmung der Kuhställe des landwirtschaftlichen Betriebes. Zum anderen besteht die Möglichkeit der Vergärung der Biomasse in der betrieseigenen Biogasanlage. Um eine Variante als Vorzugslösung anzugeben, ist bei den verschiedenen Alternativen der mögliche Energiegewinn mit den bei der jeweiligen Alternative entstehenden Kosten zu vergleichen. Der mögliche Energiegewinn ist direkt von der Biomassenproduktion abhängig. Die produzierbare Biomasse entsprechend des organischen Inputs ist allerdings schwer abzuschätzen, da keine konkreten Angaben zum Wachstum dieser Repositionspflanzen in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Nährstoffe oder Wassermengen bekannt sind, wodurch eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung empfindlich erschwert wird.