Biologische Badewasseraufbereitung mit Biofilter (Biofilter-Teststand für Produktsicherheit und Innovation zur biologischen Badewasseraufbereitung)

• Research unit: FOEN
• Project number: UTF 533.09.16

Key words (German)

Schwimmteiche, Biofilm, Biofilter, Phosphor, Nährstoff-Elimination, Badewasseraufbereitung, biologisch, Qualitätsstandard, Teststand

Short description (German)

Das Wasser von naturnahen Schwimmteichen wird mit Biofiltern aufbereitet. Biofilter sind mit Substrat gefüllte, vom Wasser durchströmte Filterkörper, die Aufwuchsfläche für Biofilme aus Mikroorganismen bieten. Die eingetragenen Stoffe werden entweder abgebaut (organische Stoffe, Stickstoff, Krankheiterreger) oder an das Filtermedium und den Biofilm gebunden (Phosphor). Durch die resultierende Phosphorlimitierung können unerwünschte Algenblüten im Schwimmteich vermieden werden.

Die Filter müssen periodisch rückgespült werden, um den im Filter gebundenen Phosphor aus dem System zu entfernen. Bisher wurden die Filter dafür 14 Tage lang abgestellt womit die Sauerstoffzufuhr im Filterkörper unterbrochen wird. Durch die entstehenden anaeroben Bedingungen im Filterkörper sollten sich Nährstoffe aus dem absterbenden Biofilm lösen und über die Rückspülung (Wasser ablassen) entfernt werden können. Vorversuche im Labor und Messungen im Feld haben jedoch gezeigt, dass mit diesem Verfahren nur ein geringer Prozentsatz des eingebrachten Phosphors ausgetragen werden kann, und weitere Verbesserungen am Rückspülverfahren notwendig sind.

Bis jetzt sind Biofilter in der Schweiz nicht normiert. Im vorliegenden Projekt sollen die Voraussetzungen für einen transparenten Qualitätsstandard und damit für eine künftige Verbesserung und Normierung von Biofiltern für Schwimmteiche geschaffen werden. Hypothese ist, dass der Biofilm das entscheidende Element für die Leistungsfähigkeit des Biofilters ist. Es geht also darum, optimale und standardisierte Wachstumsbedingen für die auf den Biofilmen lebenden Mikroorganismen zu finden und diese Bedingungen reproduzieren zu können. Optimierungsbedarf besteht bei den Faktoren Filtersubstrat und –struktur, Dimensionierung und Aufbau des Filters, Filtermanagement (z.B. Rückspülungsmodus und –zyklen) und Wasserchemie.

Das vorliegende Projekt soll durch den Aufbau eines Teststandes ermöglichen, dass verschiedene Biofiltersysteme miteinander verglichen werden können sowie Wasserzusätze für die Schaffung optimaler Wachstumsbedingungen für die Biofilme  Die Ergebnisse werden einerseits der Weiterentwicklung von Biofiltern dienen, andererseits in Form eines Planungs- und Kontroll-Tools den Praktikern zur Verfügung stehen und die Basis legen für eine Zertifizierung der Filterleistung. Der SVBP als Interesseverband von ca. 45 Betrieben, die auf den Bau von Schwimmteichen spezialisiert sind, unterstützt das Projekt finanziell und logistisch.

Das Projekt wurde aufgrund des Beitragsgesuchs vom 14.03.2016 (Beilage 1) genehmigt.

Results according to contract (German)

1. Eine Datenbank mit systemunabhängigen Kenndaten zum Stand der Biofilter-Technik ist erstellt.
2. Das Prüfverfahren und die 15 Filterprüfstande sind einsatzbereit (inkl. SOP). Die SOP beinhaltet die Definition von Versuchsaufbau, Probenahme und Analytik, Beschickung, Testwasser und die Bilanzierung der Nährstoffe. Der Betrieb der 15 Testanlagen ist anhand der SOP validiert. Die Leistung der Filter ist aufgrund der P-Bilanz aus der Filterrückspülung und der Filtersubstratanalyse beschrieben. Der Stand der Technik als Vergleichsgrösse ist als Auswertung aus der Datenbank ersichtlich. Meilenstein 1

    

3. Die am häufigsten gebauten Filteranlagentypen und Betriebsweisen gemäss der Datenbank wurden auf den Filterprüfständen getestet in 2 Testdurchgängen von ca. 4 Monaten und die Leistung der Filter und Betriebsparameter sind erfasst.

    

4. Die künftige Trägerschaft des Filterprüfstandes ist definiert.

 

    5.   Redaktion eines Schlussberichtes mit Darstellung der Ergebnisse aus 1 bis 4.

 

    6.    Bereitstellung von Textbausteinen und Illustrationen für die Erstellung eines Publikums-Factsheets

 

    7.    Präsentation der Ergebnisse an einem wissenschaftlichen Kolloquium beim BAFU mit           entsprechender Power-Point Darstellung

Project aims (German)

15 Filterprüfstände sind betriebsbereit inkl. Standard Operating Procedure (SOP) und für die normierte Prüfung von Biofiltern erprobt. Für Schwimmteichbauer ist ein Planungs- und Kontroll-Tool für die Messung der Leistungsfähigkeit der Filter vorhanden. Eine Datenbank zur Definition des Stands der Technik ist erstellt.

Description of results (German)

1. Systemunabhängige Definitionen/Kenngrössen zur Beschreibung der Biofilter-Technik und -Leistung wurden erstellt, der Stand der Technik 2021 wurde in einem Normentwurf festgehalten.
2. Über Theoretische Herleitung wurden Ein- und Austräge von Phosphor qualitativ beschrieben und quantitativ abgeschätzt.
3. Biofilterprüfstände (Hardware) wurden entwickelt und aufgebaut (15 Stk.), ein Prüfverfahren (Methode) wurde weiterentwickelt und mehrfach angewendet. Die Leistung von Biofiltern unter verschiedenen Bedingungen im Labor wurde nachgewiesen.
4. Die Leistung von Biofiltern unter verschiedenen Bedingungen «im Feld» wurde nachgewiesen.
5. Erst Untersuchungen zu mikrobiellen Gesellschaften auf Biofiltermedien (im Teststand und im Feld) wurden durchgeführt und das Tststandverfahren aufgrund der Resultate optimiert.
6. Die Erkenntnisse aus den oben genannten Punkten wurden in ein Daten-Modell überführt, Phosphorkuven im Nutzungsbereich simuliert und das Resultat mit tatsächlich gemessenen IST-Werten «im Feld» verglichen.
7. Der Betrieb der 15 Testanlagen ist anhand der SOP validiert. Die Leistung von Biofiltern unter verschiedenen Bedingungen wurde beschrieben.
8. Angaben zur Optimierung von Biofiltern (Planung, Bau, Betrieb) in der Praxis, wurden festgehalten.
9. Eine künftige Trägerschaft des Teststandes sowie das weitere Vorgehen wurden vorgeschlagen.

Transfer and application (German)

Das Wasser von biologisch aufbereiteten Badegewässern (folgend BAB) (Biopools, Schwimmteiche, etc.) wird mit Biofiltern aufbereitet. Biofilter sind mit Substrat gefüllte, vom Wasser durchströmte Filterkörper, die Aufwuchsfläche für Biofilme aus Mikroorganismen bieten.

Mit dem Projekt konnten die Grundlagen für einen transparenteren Qualitätsstandard und Teile für eine künftige Normierung von Biofiltern für BAB geschaffen werden. Die Hypothese, dass die mikrobielle Gemeinschaft im Biofilm ein entscheidendes Element für die Leistungsfähigkeit des Biofilters ist, konnte nachgewiesen werden. Es geht also darum, optimale Wachstumsbedingen für die auf den Biofilmen lebenden Mikroorganismen zu finden. Mögliche Einflussgrössen wurden auf verschiedenen Wegen überprüft (Theorie, Entwicklung und Betrieb eines Filter-Teststands, Feldmessungen, Datenmodell).

In den Resultaten wurden die Relevanz einzelner Faktoren auf die Leistung von Biofiltern zur biologischen Wasseraufbereitung in Bädern aufgezeigt. Weiterer Optimierungsbedarf besteht bei den Dimensionierungsregeln der Branche. Gleichermassen wurden die in der Realität vorkommenden Nährstoffeinträge über die Badegäste (Dynamik der Besucherzahlen) als relevantester Faktor beurteilt, den es weiter und genauer zu untersuchen gilt.

Follow up (German)

1. Detailliertere mikrobiologische Analysen (Sequencing von Bakterientaxa) zur Vertiefung des Verständnisses der Entwicklungs-Dynamik der Gesellschaften in Biofiltern.
2. Leistungstests mit dem Filterprüfstand zur Überprüfung weiterer Einflussgrössen und Optimierung der Nährstoffbilanz.
3. Datenmodell: Optimierung des Datenmodells über in situ Messungen und IST-SOLL-Vergleich (z.B. Tagesgänge). Anwendung an verschiedenen Anlagen.
4. Auswertung von Besucherzahlen verschiedener Bäder, zur Studie der zu erwartenden Belastungs-Dynamik (Tageseintritte und Badegäste im Becken, Paralleldaten wie Temperatur).
5. Hygiene in BAB: Stichprobenmessungen und Tagesverläufe der massgebenden Indikatorkeime unter verschiedenen Betriebsbedingungen in situ.
6. Entwicklung von Planungstools und Anlagensteuerung, die auf die oben genannten Punkte automatisiert Betriebseinstellungen vornehmen kann
7. Systematische Untersuchung und Bewertung von bestehenden BAB zur Überprüfung der theoretischen Grundlagen in der Praxisanwendung.