AFS63 – der Feinanteil in den abfiltrierbaren Stoffen

Partikelkonzentration (AFS) in Wasser und Abwasser

Die Umweltbelastung durch Spurenstoffe, Mikroplastik und Schwermetallrückstände ist in der letzten Zeit immer mehr in den Fokus gerückt. Pflanzenschutzmittel, Medikamente oder Schwermetalle, die sehr oft über das Abwasser in den Wasserkreislauf gelangen, stellen ein Risiko für die Umwelt dar. In diesem Zusammenhang sind auch Feststoffpartikel in Wasser und Abwasser, die über den Parameter abfiltrierbare Stoffe (AFS) erfasst werden, Gegenstand genauerer Betrachtung geworden. Insbesondere an feine Feststoffpartikel sind Spurenstoffe und Schwermetalle in hohen Konzentrationen gebunden.

Vor diesem Hintergrund werden im technischen Regelwerk DWA-A 102 die AFS als Referenzparameter für die stoffliche Belastung von Niederschlagsabflüssen verwendet. Noch spezifischer wird auf die feinpartikulären Stoffe AFS63 (auch AFSfein genannt) mit Korngrößen unter 63 µm eingegangen. Es gibt verschiedene Untersuchungen die belegen, dass ein erheblicher Anteil des partikelgebundenen Stofftransports über Partikel dieses Größenbereichs erfolgt. Schwermetalle, beispielweise Zink und Blei, adsorbieren überwiegend an Partikeln kleiner 63 µm.

Die Niederschlagsabflüsse werden in Bezug auf AFS63-Konzentrationswerte verschiedenen Flächenkategorien zugeordnet. Durch einzugsgebietsbezogene Abschätzung der abgespülten AFS63-Fracht pro Jahr wird festgelegt, ob und in welchem Umfang das Regenwasser zu behandeln ist.

Die Ermittlung der Feststoffkonzentration wird üblicherweise durch Probenahme und Analyse im Labor durchgeführt. Die labortechnische Bestimmung des AFS63-Parameters ist sehr aufwändig und bisher nicht standardisiert. Für die kontinuierliche Messung eines AFS-äquivalents können gegenwärtig optische Sonden eingesetzt werden. Diese Messsysteme haben sich in der Praxis aber als sehr wartungs- und kalibieraufwändig gezeigt.

NIVUS hat im Rahmen eines Förderprojektes des Bundesministeriums für Bildung und Forschung ein akustisches Messsystem entwickelt, welches kontinuierlich die Partikelkonzentration und die Partikelgrößenverteilung im Wasser ermitteln kann. Dieses neue Multifrequenz-Messverfahren mit komplexen Algorithmen basiert auf Ultraschall-Rückstreuung.

Zusätzlich kann in Kombination mit einer Durchflussmessung die Frachtermittlung in einem bestimmten Zeitraum ermittelt werden.

Diese Frachtermittlung kann z.B. zur Messung der tatsächlichen niederschlagsbedingten Schmutzfracht in Regenabflüssen oder zur Analyse der tatsächlichen Rückhaltewirkung von Regenwasserbehandlungsbauwerken in Entwässerungssystemen genutzt werden. Diese Daten sind für eine optimale Dimensionierung von Behandlungsbauwerken nutzbar. Auch die Verwendung für eine qualitätsabhängige Echtzeitsteuerung von Kanalnetzen in Misch- und Trennsystemen ist möglich.

Das Messsystem erfasst auch größere Partikel. Daher liegt ein großes Anwendungspotenzial unter anderem in der Überprüfung von Feststoff- oder Retentionsbodenfliter.

Das dem Multifrequenz-Echo-Verfahren zugrundeliegende Messprinzip basiert auf der Rückstreuung und Dämpfung von Ultraschallwellen an mitgeführten Partikeln in fließenden Medien.

Dazu wird im Puls-Echo Verfahren ein akustischer Puls in das Medium gesendet und die Intensität des rückgestreuten Signals in Form von elektrischer Spannung am Partikelkonzentrationssensor gemessen. Dieser Prozess wird mit verschiedenen Frequenzen wiederholt, um Streusignale von Partikeln unterschiedlicher Größe zu erhalten. Ziel ist es hierbei, den Mittelwert und die Standardabweichung für den Rückstreukoeffizienten β und die effektive Dämpfung α des Ultraschallpulses durch das Medium zu erhalten.

Die Partikelkonzentration und -größenverteilung wird dann aus diesen Daten mit Hilfe komplexer mathematischer Gleichungen ermittelt.