Scottish Water testet Regenwürmer und Flöhe zur Abwasserbehandlung

Das EU-finanzierte INNOQUA-Projekt zielt darauf ab, die Qualität natürlicher Wasserressourcen zu schützen und zu verbessern, indem es zeigt, dass naturbasierte Prozesse Abwasser reinigen können. Ein Projektpartner, Scottish Water, testet den Einsatz von Regenwürmern und Wasserflöhen.

Derzeit haben rund 2,5 Millionen Menschen weltweit keinen Zugang zu sanitären Einrichtungen. Daher ist die Entwicklung einer zugänglichen Methode zur Abwasserbehandlung von entscheidender Bedeutung. Ziel des Innoqua-Projekts ist die Bereitstellung einer dezentralen, ökologischen Abwasserbehandlung für den Einsatz in ländlichen Gemeinden wie Littlemill sowie in Industrien wie Landwirtschaft und Aquakultur.

Sanitäranlagen vor Ort Das Innoqua-System wird in 11 Ländern, darunter Schottland, getestet. Es handelt sich um ein ökologisches Sanitärsystem vor Ort, das verschiedene Technologien und Module integriert, wie zum Beispiel den Lumbrifilter, der Regenwürmer nutzt, und den Daphnia-Filter, der Wasserflöhe nutzt. Weitere Technologien umfassen mikroalgenbasierte biosolare Reinigung und UV-Desinfektion. Aufgrund seiner modularen Konfiguration erfüllt das Innoqua-System den Wasseraufbereitungsbedarf dezentraler Anlagen, Gemeinden mit Wasserknappheit, schnell wachsender Städte und Industrien sowohl in Industrie- als auch Entwicklungsländern.

Schottischer Wasserpilot Im Rahmen des Innoqua-Projekts wurden von Scottish Water im Littlemill Wastewater Treatment Works ein Lumbrifilter und ein Daphnia-Filter im Pilotmaßstab installiert. Das System wurde im Oktober 2019 installiert und wird bis Mai 2020 getestet.

Der Standort von Littlemill in Nairnshire für das 12-monatige Scottish Water-Pilotprojekt wurde vom Forschungs- und Innovationsteam aufgrund der Größe, der abgelegenen Lage und der Exposition gegenüber dem schottischen Klima ausgewählt, um die Zuverlässigkeit und Anpassungsfähigkeit der Technologie zu testen. Im Rahmen des Innoqua-Projekts wurden an Standorten in zehn weiteren Ländern Demonstrationsanlagen installiert, um ihre Leistung unter verschiedenen Bedingungen und in Kombination mit anderen naturbasierten Lösungen zu testen.

Das Littlemill-Pilotprojekt wird neben der bestehenden Kläranlage laufen, um sicherzustellen, dass die örtliche Umwelt weiterhin geschützt bleibt. Scottish Water hat sich proaktiv mit den Anwohnern in Verbindung gesetzt, um sie über das Pilotprojekt zu informieren, Pläne zu besprechen und alle Fragen zu beantworten. Regenwürmer/Lumbrifilter

Lumbrifilter, auch Vermifilter oder Mikroben-Regenwurm-Ökofilter genannt, sind technische natürliche Systeme, die auf der Interaktion zwischen Regenwürmern und Mikroorganismen basieren und in denen Regenwürmer organische Abfälle abbauen und homogenisieren, ihre Oberfläche vergrößern und den anschließenden biochemischen Abbau von Schadstoffen erleichtern mikrobieller Biofilm, der sich auf einem Filterbett bildet.

Projektmanagerin Anna Baran vom Forschungs- und Innovationsteam von Scottish Water sagte: „Die Technologie, die wir testen, reproduziert im Wesentlichen einen Prozess, der auf natürliche Weise im Boden abläuft, wir nutzen ihn jedoch zur Abwasserreinigung.“ Die erste Stufe der Behandlung umfasst einen mit Regenwürmern gefüllten Tank – die Würmer fressen die größeren Partikel organischer Substanz im Abwasser, bevor es in einen zweiten Tank mit Wasserflöhen und Mikroalgen geleitet wird, die die feineren Partikel organischer Substanz entfernen.“

Effektiver Diese Vermifilter wurden zur Behandlung sowohl von häuslichem Abwasser als auch von Industrieabwässern eingesetzt. Das behandelte Abwasser kann in die Umwelt abgegeben, wiederverwendet oder weiterbehandelt werden. Diese mikrobiellen Regenwurm-Ökofilter (MEEs) bieten nachweislich eine gleichmäßigere Behandlungsleistung als herkömmliche Biofilter, die keine Regenwürmer enthalten.

Abhängig von der Art der verwendeten Filtermedien sind sie außerdem in der Lage, Nährstoffe zu entfernen bzw. umzuwandeln und Krankheitserreger zu reduzieren – außerdem produzieren sie wenig Überschussschlamm. Die Innoqua-Lumbrifilter sind für die Behandlung primärer (abgesetzter) häuslicher Abwässer konzipiert, obwohl an mehreren Projektstandorten erfolgreich mit der Dosierung von Gesamtabwasser (gesiebt) ohne Ablagerungen experimentiert wurde.

Design Konzept Vermifiltrationssysteme folgen alle ähnlichen Konstruktionsprinzipien: • Filtermedien werden in einer Reihe von Schichten aufgebaut – normalerweise mit zunehmender Partikelgröße mit zunehmender Tiefe. Diese Schichten können mineralisch (Sand, Kies oder künstliche Äquivalente) oder organisch (Kompost, Rinde, Sägemehl) sein; • Normalerweise ist eine ausgeprägte oberste „Bettschicht“ enthalten, die aus einem organischen Substrat oder einem an organischer Substanz reichen Boden besteht, um den Anforderungen epigäischer Regenwurmarten wie Eisenia fetida, Eisenia andrei, Perionyx sansibaricus oder Lumbricus rubellus gerecht zu werden. Manchmal wird in dieser obersten Schicht Vegetation angesiedelt; • Das Abwasser wird über ein Verteilersystem oben in den Filter eingeleitet. Abwasser kann als Grauwasser, Schwarzwasser oder (primäres) abgesetztes Abwasser eingeleitet werden, wobei jedes davon unterschiedliche Filtermedien, Tiefen und Betriebsvolumina erfordert, um die Behandlung zu optimieren; • Das Abwasser versickert durch das Filterbett, wo die Behandlung wie bei aeroben Tropfkörpersystemen in einem etablierten Biofilm erfolgt. Regenwürmer fressen die in das Abwasser eingebrachte mikrobielle Biomasse und Feststoffe ab, was die mikrobielle Gemeinschaft beruhigt und zur Aufrechterhaltung aerober Bedingungen beiträgt. Das behandelte Abwasser sammelt sich in der untersten Kiesschicht oder einem separaten Sumpf, von wo aus es zur Ableitung, weiteren Behandlung oder Wiederverwendung gesammelt werden kann; • Das Filterbett erfordert wenig Wartung, da eine gesunde Regenwurmpopulation ein Netzwerk von Kanälen im gesamten Medium aufrechterhält. Die Oberfläche kann sich mit der Zeit durch Regenwurmabfälle verstopfen, die zur Wiederverwendung in der Landwirtschaft oder im Gartenbau geerntet werden können; • Vermifiltrationssysteme benötigen keine externe Stromversorgung, obwohl in experimentellen Systemen häufig Pumpen zur Einleitung von Abwasser und/oder zur Entfernung von behandeltem Abwasser verwendet werden. Sie können als einzelne Einheiten oder als mehrere Einheiten in Reihe betrieben werden – je nach Standort und abwasserspezifischen Gegebenheiten.

Die Art des Einstreumaterials, die Art des Filtermediums, die Regenwurmart, die Art des Abwassers, die Temperatur, der pH-Wert, die hydraulische Belastung und andere Faktoren können zusammenwirken und die Effizienz des Systems beeinflussen.

Es wurden verschiedene Medien getestet, darunter Sägemehl, Kokosfaser, Rinde, Holzspäne, Kies, Glas und Tonkugeln – wobei Unterschiede in der Art und Höhe des Filterbetts die Verteilung von CSB beeinflussen. Es können sich dann aerob-anoxische Mikroumgebungen bilden, die sich auf die Effizienz der Nährstoffentfernung auswirken

Wirksamkeit der Lumbrifilter-Behandlung Frühere Studien haben die Behandlungswirksamkeit von Vermifiltern durch Messung von Standardeigenschaften im Abwasser vor und nach der Filtration untersucht. Zu diesen Merkmalen gehören typischerweise BSB (Biochemischer Sauerstoffbedarf), CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf), Gesamtphosphor, Gesamtschwebstoffe (TSS), pH-Wert, Gesamtstickstoff und Ammoniakstickstoff.

Es wurden hohe BSB- und CSB-Entfernungsraten nachgewiesen (bis zu 98 % bzw. 80 %), die Effizienz der Nährstoffentfernung hängt jedoch stark von der Konstruktion und dem Betrieb des Systems sowie dem erforderlichen Behandlungsgrad ab.

Es besteht die Möglichkeit, dass Filterbettmedien mit spezifischen Phosphoradsorptionseigenschaften ausgewählt werden, während lange HRTs in gut belüfteten Medien die Nitrifikation verbessern (die Ammoniakkonzentrationen im Endabfluss verringern). Das Regime der Zuflussfütterung beeinflusst auch die Behandlungseffizienz, wobei eine intermittierende Fütterung mit größerer Wahrscheinlichkeit die Entwicklung stabiler aerober Bedingungen im Filterbett ermöglicht und potenziell schädliche Auswirkungen von Ammoniak auf die Regenwürmer durch Förderung der Nitrifikation verringert.

Es wird angenommen, dass die Reduzierung von Krankheitserregern (fäkale Kolibakterien, Gesamtkolibakterien, fäkale Streptokokken, Salmonellen, E. coli) in Vermifiltern hauptsächlich auf die Wirkung von Enzymen zurückzuführen ist, die im Darm von Regenwürmern und in ihrem abgesonderten Schleim abgesondert werden. Die Temperatur im Vermifilter hat großen Einfluss auf die Entfernung von Krankheitserregern, da sie in direktem Zusammenhang mit der Aktivität von Regenwürmern und Mikroben stehen kann.

Daphnienfilter Daphniden oder Wasserflöhe sind kleine Krebstiere, die normalerweise in Seen, Flüssen und anderen geeigneten Süßwasserlebensräumen auf der ganzen Welt vorkommen. Daphnia magna ist eine häufig vorkommende Art, die häufig für ökotoxikologische Studien verwendet wird. Es hat eine weite natürliche Verbreitung und wurde von Russland bis Indien und Südafrika identifiziert.

Andere Arten besetzen ähnliche ökologische Nischen in so unterschiedlichen Ländern wie Australien, Mexiko und Sri Lanka. Daphnia magna bevorzugt eine Wassertemperatur um die 20 °C, kann sich aber aufgrund ihrer Verbreitung an einen weiten Temperaturbereich anpassen.

Daphniden sind Filterfresser, die im Wasser schwebende kleine Partikel fressen. Dieser Zufuhrmechanismus unterscheidet nicht zwischen organischem und anorganischem Partikelmaterial. Daphnia magna kann unter experimentellen Bedingungen Partikel zwischen 2 und 30 μm filtern.

Design Konzept Aufgrund der natürlichen Filterfresseigenschaften von Daphnien können sie suspendierte Feststoffe entfernen, die sich bei der primären Abwasserklärung normalerweise nicht absetzen. Dieser Zufuhrmechanismus entfernt auch einige Bakterien, was darauf hindeutet, dass Daphnien sowohl zur Klärung als auch zur Desinfektion von behandeltem Abwasser als naturbasierte Tertiärbehandlung eingesetzt werden könnten.

Daphnien reagieren empfindlich auf bestimmte Abwassereigenschaften, darunter Ammoniak, Nitrit und Schwermetalle. Das bedeutet, dass jedes System, in dem diese Organismen verwendet werden, einer anfänglichen primären und/oder sekundären Abwasserbehandlung unterzogen werden muss. Im Innoqua-System befindet sich der Daphnienfilter immer stromabwärts eines Lumbrifilters und das endgültige Abwasser wird entweder in die Umwelt abgeleitet oder durch eine UV-Desinfektionseinheit geleitet, wo eine Wiederverwendung des Wassers geplant ist.

Der Innoqua Daphnia-Filter zielt darauf ab, die Filterfähigkeiten von Daphnien mit den Nährstoffumwandlungs- und -entfernungsfähigkeiten von Mikroalgen-/Bakterienbiofilmen zu koppeln. Es ist nicht zu erwarten, dass der Daphnia-Filter den Grad der Desinfektion bietet, der für die direkte Wiederverwendung von Wasser erforderlich ist. Allerdings wird die Verringerung der Trübung durch die Entfernung suspendierter Feststoffe die Effizienz der nachgeschalteten UV-Desinfektionsstufe verbessern.

Der Daphnienfilter ist als Tank konfiguriert, der mit lokalen Cladocera-Arten (normalerweise Daphnia magna) beimpft ist, die sich frei in der Wassersäule auf und ab bewegen können. Interne Wehr- und Prallmechanismen sorgen dafür, dass die Daphnien im Reaktor bleiben, während zusätzliche Oberfläche für die Etablierung des Mikroalgen-/Bakterienbiofilms bereitgestellt wird.

Wie effizient ist der Daphnienfilter? Verschiedene bisherige Experimente haben das Aufklärungspotenzial von Daphnien untersucht. Man errichtete eine Reihe von 1 m3 fassenden Sedimentationstanks, an die sich jeweils ein Daphnia-Filter gleicher Größe anschloss, in denen Populationen von Daphnia magna untergebracht waren. Jeder Tank wurde mit einer hydraulischen Verweilzeit (HRT) von einem Tag betrieben.

Die Studie ergab, dass das gesamte Sedimentations-/Filtrationssystem eine Entfernung von Schwebstoffen von bis zu 99 % ermöglichte, wenn die Daphnia magna-Populationen zwischen 10 und 50 Organismen pro Liter lagen. Eine Laborstudie mit einer ähnlichen Anordnung entfernte mehr als 90 % der suspendierten Feststoffe, obwohl etwa 60 % dieser Entfernung auf Sedimentation zurückzuführen waren und der Rest auf die Daphnienfiltration zurückzuführen war. Im Innoqua-System würde die anfängliche Sedimentations- oder Feststoffentfernungsphase in einem Lumbrifilter stattfinden.

In die Zukunft schauen Da nun alle Demonstrationsstandorte in Betrieb sind und der Littlemill-Test voraussichtlich im Mai 2020 abgeschlossen sein wird, prüft Anna Baran das Potenzial für Auswirkungen auf globaler Ebene. „Dies ist für uns ein wirklich spannendes Projekt, das das Potenzial hat, einen echten Einfluss auf die Art und Weise zu haben, wie weltweit mit Abwasser umgegangen wird, insbesondere in Entwicklungsländern.“