DE4119835A1 - Verfahren zur biologischen abwasserreinigung in einem mit sumpfpflanzen besetzten becken - Google Patents

Description

Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung in einem mit Sumpfpflanzen besetzten Becken.

Die biologische Reinigung von Abwässern durch Infiltration in einem mit Sumpfpflanzen bewachsenen Bodenkörper (Abwasserbehandlung in Pflanzenbeeten, Pflanzenkläranlagen) ist hinreichend beschrieben worden (vergl. Hinweisblatt H 262 des Regelwerks der Abwassertechnischen Vereinigung e. V.). Wegen der noch wenig erforschten physikalischen, chemischen sowie der mikrobiologischen und pflanzenphysiologischen Wirkmechanismen bei der Abwasserreinigung in Pflanzenkläranlagen gibt das Hinweisblatt nur sehr vorsichtig Empfehlungen zur Anwendung und zur Bemessung der Pflanzenbeete.

Unbestrittene Vorteile der Pflanzenkläranlagen sind: die Herstellung mit einfachen Erdbauweisen, der geringe Bedienungsaufwand, fehlender oder niedriger Energiebedarf, Nutzungsmöglichkeit der abgeernteten Sumpfpflanzen, die Einfügung der Pflanzenbeete als Feuchtbiotop in die Naturlandschaft und anderes. Der Vorzug eines nahezu von selbst ablaufenden Reinigungsprozesses, der kaum technischer Einwirkungen bedarf, ist jedoch auch ein Nachteil des Verfahrens: es lassen sich Störungen und Minderleistungen in der Abwasserreinigung nur schwer durch äußere Hilfe beheben. Im Gegensatz dazu gibt es bei den Belebungsanlagen beispielsweise mehrere Möglichkeiten, sich wechselnden Prozeßbedingungen durch Änderung des Schlammgehalts im Lüftungsbecken, Variation des Schlammalters, der Rücklaufschlammführung, aber auch durch Abstufung der Luftsauerstoffzufuhr und damit ggf. Steigerung der Belüftungs- und Umwälzintensität anzupassen (s. Randolf-Gruhler, Kanalisation und Abwasserbehandlung, Berlin). Diese Möglichkeit zur Steuerung des Sauerstoffeintrages beim Belebungsverfahren hat auch dazu geführt, sowohl Stickstoff als auch Phosphor in einem weiten Maße zu eliminieren. Dabei bleibt jedoch der aerobe Abbau der organischen Abwasserinhaltsstoffe vorrangig, da nur dadurch wirtschaftlich vertretbare Reaktionszeiten einzuhalten sind.

Diese Möglichkeit der Prozeßsteuerung entfällt bei den ohne künstliche Sauerstoffzufuhr arbeitenden extensiven biologischen Verfahren, wie Bodenfilter, Rieselfelder, unbelüftete Teiche oder auch bei natürlich belüfteten Tropfkörpern. Hier treten beim Fehlen von Sauerstoff Fäulnisvorgänge im Abwasser oder in Zonen des Bodens bzw. des Füllmaterials ein, die den Abbau der organischen Schmutzstoffen stark verzögern und die somit den Wirkungsgrad der Abwasserreinigung verschlechtern. Bei Tropfkörpern ist vereinzelt ein künstlicher Luftaustausch durch Abdeckung und Einbau von Ventilatoren herbeigeführt worden.

Auch bei Untergrund-Verrieselungsanlagen ist die natürliche Belüftung des Rieselrohrstranges bekannt. Weiterhin bekannt ist die künstliche Belüftung von Abwasserteichen zur Regelung des Sauerstoffhaushalts. Die Zufuhr von Sauerstoff ist somit ein wesentlicher Bestandteil im Prozeß der aeroben biologischen Abwasserbehandlung (s. Randolf-Gruhler, a. a. O.). Bei den Pflanzenkläranlagen wird der für die mikrobielle Stoffumsetzung erforderliche Luftsauerstoff aus den oberirdischen Pflanzenteilen über das Aerenchiengewebe in den Wurzelbereich eingetragen. Im Bodenkörper sind jedoch in mehr oder minder großem Umfang Zonen vorhanden, worin infolge Sauerstoffmangel reduzierende Vorgänge vorherrschen. Genauere Erkenntnisse über das Verhältnis oxydierender und reduzierender Bereiche liegen bisher nicht vor. Es ist jedoch wahrscheinlich, daß sich der Anteil der Fäulniszonen im Untergrund mit wachsender Abwasserbeschickung und größerer Tiefe des Bodenkörpers erhöht.

Für das Wachstum der Sumpfpflanzen ist der im Bodenkörper vorhandene Sauerstoff ohne Bedeutung, da sie ihren Sauerstoffbedarf direkt aus der Luft abdecken, so wie sie andererseits den bei der Photosynthese erzeugten Sauerstoff über die oberirdischen Pflanzenteile an die Luft abgeben. Für die im Wurzelbereich der Pflanzen und im gesamten Bodenkörper lebenden Mikroorganismen ist dagegen der Sauerstoffgehalt in ihrem Lebensmilieu äußerst wichtig, so daß sich Zonen mit vorherrschend aeroben bzw. fakultativ aeroben Organismen neben Zonen mit Anaerobiern je nach der Sauerstoffversorgung des Bodenkörpers einstellen werden.

Für die Reinigung der Abwässer spielen die anaeroben Prozesse, chemisch gesehen also die Reduktionsvorgänge, bekanntlich eine untergeordnete Rolle, da der Abbau der organischen Substanz relativ langsam vor sich geht. Bekannt ist auch, durch intermittierende Beschickung der Pflanzenbeete die Entfernung der Nährstoffe Phosphor und Stickstoff beträchtlich zu verbessern. Allerdings bedeutet dieses, daß sich jeweils ein Pflanzenbeet in Ruhestellung befindet, wodurch natürlich seine Reinigungswirkung nicht ausgenutzt werden kann (Gunther Geller, Garten organisch 6/1990). Die mit der vorliegenden Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, mit einem Minimum an Sauerstoff durch die künstliche Belüftung die Eliminierung der Nährstoffe bzw. Schmutzlasten zu bewirken und das zur Verfügung stehende Pflanzenbeet dabei optimal auszunutzen.

Erfindungsgemäß wird in partielle Bereiche des Bodenkörpers mechanisch oder elektrochemisch Sauerstoff eingetragen. Dabei ist kein Unterschied festzustellen, wenn der Sauerstoffeintrag in reiner Form oder mittels Druckluft in den Bodenkörper gelangt oder auf einfachste Weise elektrochemisch erzeugt wird, wobei die Anode sich am Boden des Pflanzenbeetes befindet.

Das zu verwendende Anoden- bzw. Kathodenmaterial muß den Redoxbedingungen im Pflanzenbeet gerecht werden und da diese Bedingung dem Stand der Technik entspricht, bedarf es keiner weiteren Erläuterung.

Erfindungsgemäß soll nun einem Pflanzenbeet durch unterirdisch verlegte poröse Rohrleitungen Druckluft zugeführt werden, um die oxydativen Vorgänge im Untergrund anzuregen. Das naturnahe Verfahren der Abwasserreinigung mit Hilfe von Sumpfpflanzen erhält damit eine neuartige technische Komponente, die es sowohl in seiner Wirkung steigern als auch in einem durch die Leistungsfähigkeit der Belüftungseinrichtung vorgegebenen Rahmen regelbar machen kann.

Das nutzbare Porenvolumen für den Abwasserdurchfluß liegt bei sandigen oder kiesigen Böden im Bereich von 20 bis 30 Prozent. Dieses Volumen steht auch für die Sauerstoffanreicherung im Untergrund zur Verfügung, sei es, daß das Abwasser selbst ausreichend gelösten Sauerstoff beim Eintritt in das Pflanzenbeet mitbringt, sei es andererseits durch die Aufnahme von Sauerstoff aus der Luft an der Beetoberfläche. Eine weitere Möglichkeit ist nun die künstliche Sauerstoffzufuhr aus der Zwangsbelüftung des den Porenraum einnehmenden Abwassers über eine Druckluftanlage.

Die Druckluft-Belüftung von Abwasser beim bekannten Belebungsverfahren leidet in ihrer Wirtschaftlichkeit darunter, daß bei sehr flachen Lüftungsbecken die in feinblasiger Form aufsteigende Luft sehr schnell den Beckeninhalt an der Wasseroberfläche wieder verläßt. Je nach dem gewählten Belüftungssystem und der bei konventionellen Belebungsanlagen üblichen Beckentiefen von 3 bis 5 Metern werden nur etwa 5 bis 15 Prozent des eingetragenen Sauerstoffs verwertet. Das hat auch dazu geführt, durch Vergrößerung der Wassertiefe im Bioreaktor zu höheren Wirkungsgraden im Sauerstoffeintrag und bei der Ausnutzung der Luft zu gelangen. Beispiele hierfür sind Bio-Hochreaktoren oder das Tiefschacht-Belüftungsverfahren. Andere Lösungen wollen durch entsprechend gestaltete Einbauten die Luftblasen am lotrechten Aufsteigen im Abwasserbecken hindern.

Selbst wenn der Eintrag der Druckluft im Pflanzenbeet nur in einer Tiefe von etwa 40 bis 90 cm erfolgt, ist ein schnelles Entweichen der Luft aus dem Bodenkörper nicht zu befürchten. Ein senkrechtes Aufsteigen der Luftblasen wie in einem Wasserbecken ist schon deshalb nicht möglich, weil das Korngefüge des Bodenkörpers die Luft dazu zwingt, vielen Richtungsänderungen zu folgen, bis die Beetoberfläche erreicht ist. Zum anderen setzt das Sand- bzw. Kiesbett der Luft einen Widerstand entgegen, der die Aufstiegsbewegung abbremst.

Es sei angemerkt, daß ein Anheben des Sand/Kiesbettes und damit das Aufheben einer dichten Kornlagerung wie beim Rückspülen eines Sandfilters mit Druckluft in der Trinkwasseraufbereitung wegen der wesentlich geringeren Luftmengen und -drücke nicht eintreten kann.

Konstruktionsmäßig läßt sich das Eintragen der Druckluft (oder des Sauerstoffs) in den Bodenkörper des Pflanzenbeetes in unterschiedlicher Art lösen. Zweckmäßig ist es, bei einer längsgerichteten horizontalen Abwasserströmung im Pflanzenbeet die Lüftungsrohre quer zur Abwasserfließrichtung im Bodenkörper an der Beetsohle anzuordnen. Das sollte in kleinen Beeten bis 50 EGW mindestens in drei, bei größeren Beeten entsprechend erfolgen. Bei kleinen Beeten wird die Luft nur von einer Beckenlängsseite aus eingetragen, bei breiteren Becken auch beidseitig mit einer zur Beetmitte gerichteten Strömungsrichtung der Luft. Die Lüftungsrohre können auch mit einer Schüttung aus großporigem Material umgeben und überlagert sein. Die porösen Luftverteilungsrohre sind an eine dichte Zuführungsluftleitung angeschlossen, in die ein Ventilator die Luft eindrückt.

Der Widerstand, den das Wasser im Beet der Luft entgegensetzt, ist im Vergleich zu den Lüftungsbecken des Belebungsverfahrens gering. Damit sind für die Drucklufterzeugung keine Kompressoren mit hohen Förderdrücken erforderlich, sondern höchstens einstufige Gebläse oder besser kleine Ventilatoren. Der Ventilator wird von einem Elektromotor angetrieben. Es ist aber auch möglich, die Windenergie für den Antrieb des Ventilators zu nutzen, wobei das Windrad über eine Getriebewelle direkt mit dem Ventilator gekuppelt wird. Es ist für das hier beschriebene Verfahren der künstlichen Belüftung eines Pflanzenbeetes nicht so sehr von Bedeutung, daß bei einem Windenergieantrieb zeitweilig bei Flaute die Belüftung des Bodenkörpers ausfällt, da die Belüftung keine primäre, sondern stets nur eine ergänzende Funktion für den Abwasserreinigungsprozeß in Pflanzenkläranlagen besitzt.

Zu den vorteilhaften Wirkungen der künstlichen Belüftung einer Pflanzenbeet-Kläranlage zählt neben der Reduzierung von Fäulniszonen im Bodenkörper und damit der Vergrößerung der Zonen aeroben Abbaus auch, daß sich die oxydativen und reduktiven Phasen im Chemismus des Systems Abwasser/Boden alternierend gestalten lassen. Das ist für die Eliminierung des Stickstoffs von Bedeutung, da sich hierbei die Nitrifikationsphase und die Denitrifikationsphase abwechseln müssen, um den Stickstoff aus dem Abwasser gasförmig austreiben zu können.

Die Möglichkeit zur Steuerung der Nitrifikations/Denitrifikationsvorgänge durch entsprechende Anordnung der Lüftungsrohrleitungen sowie durch die Menge der eingetragenen Luft beim Verfahren der künstlichen Belüftung von Pflanzenbeet-Kläranlagen ist ein wesentlicher Vorteil für die Nährstoffeliminierung durch Pflanzenkläranlagen.

Die bei der Drucklufterzeugung entstehende Kompressionswärme ist für den Winterbetrieb des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft. Diese Wirkung wird noch gesteigert, wenn die Luft zusätzlich erwärmt wird.

Es ist auch vorgesehen, die warme Abluft aus Gebäuden der Massentierhaltung den zur Drucklufterzeugung eingesetzten Ventilatoren oder Gebläsen zuzuführen, um sie in den Bodenkörper der biologischen Abwasserbehandlungsanlagen einzutragen. Zur Bestimmung der Anteile von oxydierenden und reduzierenden Zonen werden im belüfteten Bodenkörper Redoxpotentialmessungen vorgenommen. Dadurch kann die Menge der Druckluft so bestimmt werden, daß sie ein für die Stickstoffeliminierung günstiges Verhältnis von alternierenden Nitrifikations- und Denitrifikationsphasen herstellt. Die Redoxpotentialwerte lassen sich auch direkt in einem Regelkreis, der die Leistung der Antriebsaggregate für die Drucklufterzeugung steuert, einfügen.

Ausführungsbeispiel

Das Verfahren wird anhand der Fig. 1 - Längsschnitt - und Fig. 2 - Grundriß - einer dem Verfahren entsprechenden Anlage erläutert:

Das Abwasser fließt über eine Zulaufleitung 1 und eine Einlaufkulisse 2 dem Bodenkörper 3 des mit Sumpfpflanzen 4 besetzten Beckens 5 zu und durchströmt ihn in horizontaler Richtung. Dabei wird ihm durch quer zur Strömungsrichtung verlegte poröse Rohre 6 Druckluft über eine geschlossene Rohrleitung 7 aus einer Drucklufter­ zeugungseinrichtung 8 zugeführt, wobei eine Schüttung aus grobporigem Material 9, bestehend aus zerkleinerten Kunststoffen, den Lufteintritt in den abwassergefüllten Bodenkörper erleichtert. Während sich im Bereich der porösen Rohre aerobe (oxydierende) Zonen im Bodenkörper ausbilden, sind die zwischen den porösen Rohren liegenden Zonen den anaeroben (reduzierenden) Bereichen zuzuordnen. Das durch die physikalisch-chemisch-biologische Vorgänge im Bodenkörper behandelte Abwasser verläßt das Becken 5 über die Auslaufkulisse 10 und die Ablaufleitung 11 weitgehend gereinigt und wegen der alternierenden Nitrifikations- und Deni­ trifikationsphasen auch vom Stickstoff befreit.

 1 Zulaufleitung (Abwasser)
 2 Einlaufkulisse
 3 Bodenkörper
 4 Sumpfpflanzen (Schilf)
 5 Becken
 6 poröse Rohre (Druckluftleitung)
 7 geschlossene Rohrleitung (Druckluft)
 8 Drucklufterzeugungseinrichtung
 9 grobporiges Material
10 Auslaufkulisse
11 Ablaufleitung

Claims (13)

1. Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung in einem mit Sumpfpflanzen besetzten Becken, worin das Abwasser innerhalb eines teilweise durchdie Pflanzenwurzeln eingenommenen Bodenkörpers in einer vorbestimmten Richtung fließt und durch physikalisch-chemisch-biologische Vorgänge von den vorwiegend organischen Abwasserinhaltsstoffen befreit wird, dadurch gekennzeichnet, daß in partielle Bereiche des Bodenkörpers, mechanisch oder chemisch Sauerstoff eingetragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanisch eingetragene Sauerstoff durch Überdruck in reiner Form oder mittels Druckluft in den Bodenkörper gelangt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluft über poröse Rohre, die in der Beckensohle innerhalb des Bodenkörpers verlegt sind, in den Bodenkörper eingetragen wird, wobei die Druckluft den porösen Rohren über geschlossene Rohrleitungen zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die porösen Rohre senkrecht zur Fließrichtung des den Bodenkörper durchströmenden Abwassers verlegt sind und daß sie mehrere, in ihrer Anzahl durch die Beckengröße und Beckenform bestimmte parallele oder ringförmige Reihen bilden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die porösen Rohre von einem grobporigem Material um- und/oder überschüttet sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß als grobporiges Material zerkleinerte Kunststoffabfälle verwendet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluft zusätzlich zur entstehenden Kompressionswärme erwärmt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abluft aus Gebäude für die Massentierhaltung zur Erzeugung der erwärmten Druckluft genutzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Drucklufterzeugung verwendete Ventilator oder das Gebläse durch ein Windrad angetrieben wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugte Druckluftmenge im Betrieb durch einen Regelkreis verändert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß in den Regelkreis die Ergebnisse von Redoxpotentialmessungen aus dem Bodenkörper einbezogen sind.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff elektro-chemisch erzeugt und eingetragen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Elektroenergie ein Windrad verwendet wird.