DE19609605A1

DE19609605A1 - Naturnahes Abwasserreinigungsverfahren

Info

Publication number: DE19609605A1
Application number: DE1996109605
Authority: DE
Inventors: Stefan Weber; Rochus Ebenhoch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-05-18
Filing date: 1996-03-12
Publication date: 1996-12-05

Description

Grundgedanken

Gegenwärtig stellt sich allen Ortes die Frage nach der entsprechenden "Entsorgung" und "Weiterverarbeitung" bzw. "Endlagerung" der künstlich erzeugten Klärschlämme. Doch sollte nicht diese Frage an die erste Stelle gerückt werden - im folgenden wird sich ausschließlich auf den ländlichen Raum und der damit verbundenen dezentralen Lage bezogen -, sondern in erster Linie muß der Fragestellung nach der "Vermeidbar keit" dieses Folgeproduktes nachgegangen werden.

Die Voraussetzung, um zu einer adäquaten Lösung dieses Problems zu kommen, ist nicht das "Abfall"-Produkt an sich gesondert zu betrachten, sondern das Denken in Kreisläufen.

- Grundsätzliche Fragen:
- Ausgangsmaterial,
- (natürliche) biologische Abbaubarkeit,
- Mikroorganismen die am Abbau beteiligt sind,
- biochemische, physikalische (z. B. Bioelektronik) Abläufe.

Diese Prozesse, von denen jeder als gesonderter Kreislauf betrachtet und analysiert werden kann, laufen jedoch in der Natur nicht getrennt voneinander ab, sondern stets gemeinsam, sich zum Teil überschneidend bzw. in komplexer Abhängigkeit unter einander.

D.h., bei einer gesonderten Betrachtung der einzelnen Kreisläufe kann es zu einer durchaus fehlerhaften Beurteilung des Endergebnisses kommen, da andere synchron ablaufende oder weiterführende Prozesse nicht in die Gesamtschau mit einbezogen wurden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zur Zeit sind nur Pflanzenklärbeete vor und/oder nach mechanischen Filteranlagen in horizontaler Folge der Abwasserklärung bekannt.

Nachteilig sind

- anfallende Rückstände (Fäkalien, Roh- bzw. Faulschlämme), die kostspielig zu ent sorgen sind,
- hohe Kosten für Fremdenergie (Pumpen, Verteiler etc.),
- Geruchsemissionen,
- Frostunbeständigkeit durch große Flächen,
- hohe Bau- und Wartungskosten.

In der Fachwelt existiert derzeit nur die Auffassung einer horizontalen Folge der Klä rung von Abwasser mit Pflanzenklärbeeten.

Es gilt für den Begriff "Abwasser" die gesetzlich vorliegende Definition und Wasser mit vergleichbarer Qualität und/oder Wasser mit der Herkunft:
Bewässerung, Niederschläge, Grundwasser, Schicht(en)wasser.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist

- Reinigung entstehender Abwässer am Ort der Entstehung und Rückführung der an fallenden Fäkalstoffe in den natürlichen Stoffkreislauf (Humus) unter der Vermei dung von sonst anfallenden Fäkal/Roh- oder Klärschlämmen,
- Kein/oder minimaler Einsatz von Fremdenergie (s. Seite 4),
- Geruchsneutralität (s. Seite 14),
- Winterfestigkeit (s. Seiten 4 und 14),
- Minimale Bau- und Wartungskosten (hohe Eigenleistung durch Selbstbau möglich),
- Keine Folgekosten (z. B. durch Entsorgung anfallender Problemstoffe).

Darlegung des Wesens der Erfindung

Es bestand die Aufgabe, die Mängel des o.g. Standes zu beheben und das gestellte Ziel zu erreichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch nachfolgend dargestelltes Verfahren.

Gründe für vertikales System

- topographische Lage,
- natürliches Gefälle,
- Verzicht auf techn. Hilfsmittel (Pumpen) → Ausnutzung des natürlichen Fließverhaltens des Wassers.

Vorteile

1. kleine Grundfläche,
2. Wärmeentwicklung durch Oxidation (Winterbetrieb),
d. h. beim vertikalen System ist die Grundfläche von sekundärer Bedeutung, obligat ist eine entsprechende Mächtigkeit der Filterschicht und deren Struktur, da die Reini gungsleistung in Abhängigkeit von der Verteilgenauigkeit der zufließenden Abwässer steht und dem daraus resultierenden dichten Pflanzenbewuchs.

Beschreibung und Funktionsweise des Verfahrens Verfahren

Das mit Schmutzfracht angereicherte Medium ("Trinkwasser") soll von der Schmutz fracht getrennt werden, um anschließend gereinigt in einen Vorfluter eingespeist zu werden

- Vorgehen
- Trennung der mitgeführten Grobstoffe von der flüssigen Phase (physikalische Vorreinigung) in der ersten Reinigungsstufe (Grobstoffrottefilter),
- Physikalische und bio-chemische Reinigung des entstandenen Grauwassers in der zweiten Reinigungsstufe (Schilfbeet),
- Physikalische und bio-chemische Reinigung in der dritten Reinigungsstufe (Sandfilter),
- Einleitung des gereinigten Mediums in einen Vorfluter.

Bei der Wahl eines entsprechenden Reinigungsverfahrens stellte sich zuerst die Frage nach der Beschaffenheit der mitgeführten Schmutzfracht eines Haushaltes/landwirt schaftlichen Betrieb:

- Hausfäkalien (Grobstoffe),
- Spülwasser,
- Waschmaschinenlauge.

Da in der ersten Reinigungsstufe (Vorreinigung) lediglich die Grobstoffe vom Träger medium getrennt werden sollen, ist ein Verfahren mit einer physikalischen Filterwirkung ausreichend.

Da die Grobstoffe z.g.T. aus Eiweiß bzw. eiweißhaltigen Verbindungen bestehen stellt sich in der "Weiterverwertung" dieser organischen Bestandteile die entscheidende Frage:

- Überführung in einen anaeroben abiotischen Zustand (Fäulnisprozeß) mit der Problematik einer entsprechenden Entsorgung

oder

- Überführung in einen aeroben biologischen Zustand (Rotteprozeß) und der Mög lichkeit der Rückführung in den natürlichen Kreislauf.

Unter der gesetzten Prämisse der "Vermeidung" wird im folgenden ausschließlich die zweite Möglichkeit weiterbehandelt.

Ausführungsbeispiel

Im Ausführungsbeispiel, dargestellt durch ein Schnittbild (Fig. 1), wird der Ablauf des Verfahrens sowie der Aufbau des Grobstoffrottefilters und der zwei nachfolgenden phytomechanischen Reinigungsstufen dargestellt.

Die ausführliche Beschreibung erfolgt auf Seite 7 ff.

Funktionsweise Grobstoffrottefilter (Reinigungsstufe I) (7)

Über ein Zulaufrohr (1), das frei über dem Grobstoffrottefilter (7) endet, wird die Schmutzfracht mittels eines mechanischen Verteilers (2) dünn auf der Strohmehl schicht (3) verteilt. Durch die große Oberfläche der Strohmehleinstreu wird das Abwas ser aufgesogen, sickert bei Übersättigung langsam durch die weiteren Schichten (Holzhäcksel (4), Feinsandschicht (5), Grobkiesschicht (6)) nach unten und wird durch ein Abflußrohr (18) in das Schilfbeet (9) geleitet.

Die Grobstoffe werden von der Strohmehlschicht zurückgehalten und durch die ständig vorhandenen Komponenten Luft, Wasser, Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) ist die Ba sis für den Beginn der Verrottung gelegt.

Durch das stetige Angebot von C, O₂ und Wasser kommt es zu Erwärmungen von < 50°C und dadurch zu einer Abtötung von evtl. Krankheitserregern.

Nach Befüllung einer Grubenhälfte wird das Material, nach weiterer ein- bis zweiwöchi ger Lagerung im Behälter, entnommen und auf einem vorbereiteten Platz bis zur end gültigen Humifizierung kompostiert.

Verrottung bzw. Rotte

Rotte = Umwandlung der eiweißhaltigen Grobstoffe über verschiedene Stufen in stabilen Dauerhumus durch

1. Zufuhr von C-haltigen Materialien (angestrebtes ausgeglichenes C:N-Verhältnis = 20 : 1) in diesem Falle Strohmehl (→ große Oberfläche = große Angriffsfläche für Mikroorganismen = rasche Umsetzung).
2. Stetige Luftzufuhr zur Schaffung aerober Bedingungen.
3. Kontinuierliche Befeuchtung.
4. Periodische Einstreu von Gesteinsmehl (Basalt/Diabas) aufgrund seines reichli chen Gehaltes von Kobalt (Spurenelement) → Bildung von Cobalamin (= Vitamin B₁₂) über Azotobakterbakterien.

Auf die stets wiederkehrende Frage nach den hygienischen Aspekten wird auf die Er gebnisse der bereits 1955 erstellten Großversuche des damaligen Instituts für "Humus wirtschaft und Kompostierung" in Berlin verwiesen.

Es wurde nachgewiesen, "daß die in einer Versuchs-Kompostmiete eingelegten hoch gefährlichen Krankheitserreger, wie Milzbrand, Paratyphus, Tbc., Starrkrampf u. a., durch die biologischen Vorgänge während der Kompostierung abgetötet werden. Ins gesamt waren es 18 der gefährlichsten Krankheitserreger, die von Medizinern und Hy gienikern geprüft wurden . . . . So konnte u. a. im Kompost reines Penicillin nachgewie sen werden. Selbst die harten Chitinhüllen der Ascariden, der Spulwürmer, wurden in wenigen Tagen infolge wirksam werdender Fermente (Chitinase) zerstört und abgetö tet." Erhard Hennig, Humustrilogie, 1988, 2. Teil S. 12.

ERGO

Das tragende Element, Fäulnis zu verhindern, ist einzig und allein der Luftsauerstoff.

Die Belüftung und Fütterung der in den Fäkalien reichlich vorkommenden Mikroorga nismen mit kohlenhydratreichem Strohmehl fördert die aeroben Bakterien besonders stark.

Das Strohmehl liefert den Mikroben die Energie, der Stickstoff des Kot-Harn-Gemi sches dient dem Eiweißaufbau.

Der flüchtige Ammoniakstickstoff (NH₃) liegt dann als Bakterienkörpereiweiß (gebunden) vor, stinkende Fäulnisstoffe werden somit vermieden.

Dementgegen steht, daß organische Stoffe, die bereits in den echten Fäulnisprozeß (Entzug von Kohlenstoff) überführt sind (z. B. ausgefaulter Klärschlamm), sich nicht mehr in Rottevorgänge umwandeln lassen.

Funktionsweise Schilfbeet (Reinigungsstufe II) (9)

Nach der physikalischen Vorreinigung im Grobstoffrottefilter (7) wird das Abwasser zur Hauptreinigung über eine Leitung (18) mit vertikal ausgerichtetem Stutzen durch einen mittig angebrachten Parabolverteiler (8) gleichmäßig auf dem Schilfbeet (9) verteilt.

Vorteil des Parabolverteilers

- gleichmäßige kreisförmige Verteilung,
- keine Kurzschlußströmungen,
- Vermeidung von Rinnenbildung,
- keine Deformierung des Bodenkörpers durch Aufschlagskräfte (gleichmäßiger, ruhiger Fluß).

Aufbau

- Schilf (10),
- Bodensubstrat (11) (Komposterde vermischt mit Strohmehl → C-haltige Startgabe für die Pflanzen),
- Feinsandschicht (5),
- Feinkiesschicht (12),
- Grobkiesschicht (6).

Die Bemassung der Flächen richtet sich nach den Angaben der jeweilig gültigen Merk blätter der Abwassertechnischen Vereinigung (ATV) in Hennef.

Wirkungsweise des Schilfbeetes (9)

Die Reinigung des Abwassers beruht auf dem Zusammenwirken physikalischer, chemi scher und biologischer Vorgänge:

- Ausfilterung evtl. noch mitgeführter Grobteilchen (physikalisch),
- Bindung von phosphor- und teilweise stickstoffhaltigen Verbindungen durch Bodenteilchen (physikalisch-chemisch),
- Bakterieller Abbau von Eiweiß, Kohlenhydraten, Fetten, Harnstoff u. a. zu Wasser, Kohlendioxid, Ammonium, Nitrat und schließlich zu Stickstoff.

Funktionsweise Sandfilter (Reinigungsstufe III) (13)

Nach der Hauptreinigung in Reinigungsstufe II (9), wird das Abwasser zur Feinreini gung und Schönung in gleicher Weise über eine Leitung (19) mit vertikal ausgerichte tem Stutzen durch einen mittig angebrachten Parabolverteiler (8) gleichmäßig auf dem bewachsenen Sandfilter (13) verteilt.

Das geschönte Trägermedium wird im Sohlebereich über eine Drainageleitung (20) in den nachgeschalteten Kontrollschacht (15) und von diesem über eine PVC-Leitung (21) in den Vorfluter (16) weitergeleitet.

Aufbau

- Schilf (10), Rohrkolben (14) und/oder andere Pflanzenarten (17),
- Bodensubstrat (11), (Humus-Strohmehl-Sandgemisch),
- Feinsandschicht (5),
- Feinkiesschicht (12).

Wirkungsweise des Sandfilters

Feinreinigung (Schönung) des im Schiltbecken (9) vorgereinigten Trägermediums

- Elimination der evtl. noch mitgeführten Nährstoffe Stickstoff und v.a. Phosphor durch eine eisenhaltige Sandfilterschicht (Fixierungskapazität).

Um die ganzjährige Funktionsfähigkeit der Anlage zu gewährleisten ist überdies zu beachten:

Schilfbecken (9) und Sandfilter (13) sollten in einer Mindestentfernung von 15 m von Laubbäumen installiert werden, da die Gefahr der Bildung einer kompakten (wasser- und luftundurchlässigen) Schicht auf dem Bodenkörper durch Laubfall besteht.

Ist dieser Mindestabstand nicht einzuhalten, sollten die beiden Reinigungsstufen II (9) und III (13) präventiv mit einem Netz abgeschirmt werden, um eine evtl. Störung des Betriebes zu vermeiden.

Funktion der Repositionspflanzen

- Schaffung günstiger Voraussetzungen für Mikroorganismen im Wurzelbereich (diese können die angebotenen organischen Verbindungen nutzen und abbauen).
- Akkumulierung, Fixierung und teilweise Ablagerung von biologisch nicht abbau baren Substanzen in der Biomasse durch die Pflanzen.
- Mineralisierung organischer Stoffe des Wasserkörpers und des Bodensubstrates durch Wurzelausscheidungen.
- Nährstoffbindung und Teilmineralisation durch die Pflanzendeckschicht.
- Offenhaltung der Bodenoberfläche zur Infiltration des Oberflächenwassers.
- Sauerstoffeintrag in den Wurzelraum.
Die Rhizome der Wasser-, Sumpf- und Röhrichtpflanzen stehen durch ein reiches Hohlraumsystem mit der Atmosphäre in Verbindung und im Aus tausch (dadurch Veränderung der Redoxverhältnisse im unmittelbaren Wurzelbereich, Abgabe von Kohlenstoffverbindungen und Wurzelexsudaten usw.).
- Bildung einer Ansatzoberfläche für Bakterien und andere Mikroorganismen durch die langsam verrottbaren Teile der absterbenden Pflanzen (Bereitstellung von Kohlenstoff).
- hohe Verdunstungsleistung während der Vegetationszeit.
- Dämpfung evt. Geruchsemissionen und des Wärmeentzuges im Winter.

Funktion des Bodenkörpers

- Phosphorhaltige Verbindungen werden festgehalten (v.a. durch eisen- und alu miniumhaltige Mineralien).
- Ammonium (NH₄⁺) entstanden beim Abbau von Eiweißen und Harnstoff u. a., wird von Bakterien zu Nitrat (NO₃⁻) "nitrifiziert", dieses anschließend zu Stickstoff (N₂) "denitrifiziert".

Pflanzenarten

- Schilf (Phragmites australis) (10).

Vorteile

- durchwurzelt als einzige Pflanze auch grobkörnigere Filtermaterialien bis 1 m Tiefe (mit Ausnahme von reinem Kies und Grobsanden),
- zeigt bezüglich des Einflusses auf Redoxbedingungen größte Leistungsfähigkeit,
- durchwächst die eigene abgestorbene Biomasse völlig problemlos.

Weitere mögliche Pflanzen

- Breitblättriger Rohrkolben (Typha latifolia) (14).
- Schmalblättriger Rohrkolben (Typha angustifolia) (17).
- Schwertlilie (Iris pseudacorus) (17).
- Flechtbinse (Schoenoplectus lacustris) (17).
- Kalmus (Acorus calamus) (17),
insbesondere dann, wenn der Filter nicht horizontal sondern vertikal durch strömt wird (Bildung eines dichten, oberflächennahen Wurzelwerkes).

Pflanztechnik

Bei allen angegebenen Pflanzarten ist eine ganzjährige Ballenpflanzung möglich (am besten zwischen Oktober bis April).

Bei Schilf (10) kann die Pflanzung auch mit Hilfe von Rhizomschnittlingen und/oder Halmstecklingen erfolgen.

Wichtig ist, daß die Pflanzen von Anfang an ausreichend mit Wasser versorgt werden.

Erfahrungsgemäß sind Einfahrphasen ungünstig.

Vorkehrung gegen Austrocknung

Infolge der ständigen hohen Verdunstungsleistung der Pflanzen in der Vegetationszeit ist eine ausreichende Versorgung der Pflanzen mit Wasser sicherzustellen.

ERGO

Die Wirkung der Pflanzen beruht neben dem rein physikalischen Filterprozeß im Zu rückhalten von Schwebstoffen aus dem Wasserkörper, v.a. auf der Versorgung des Wurzelraumes mit Sauerstoff über ein reiches Hohlraumsystem in Sprossen und Hal men, bis in den Wurzelbereich hinein.

Außerdem treten die Pflanzen über Poren in den Wurzeln direkt in Kontakt mit dem Bo densubstrat und Wasser, indem es zur Ausscheidung verschiedener Stoffwechselpro dukte in den Wurzelraum (Hormone, organische Säuren, Vitamine, Aminosäuren, Koh lenhydrate) kommt, d. h. mikrobizide bzw. bakterizide Stoffe die Coli-Bakterien abtöten und die Gesamtkeimzahl vermindern.

Zu beachten ist, daß das genannte Verfahren ein dynamisches System ist: es entwickelt sich im Laufe der Zeit.

Das bedeutet, z. B. auf die Lebensdauer für Phosphatfestlegung bezogen, daß die ur sprüngliche durch die Art des Filtermaterials vorgegebene Sorptionskapazität sich ver längern kann - Anreicherung von Eisen oder Aluminium usw. in den organischen Be standteilen.

Sie kann sich auch verringern, wenn mehr Eisen oder Aluminium im Abwasserstrom aus- als eingetragen wird. Dies hängt auch mit den Redox- und pH-Verhältnissen in Boden und Abwasser zusammen.

Das eingesetzte Filtermaterial wirkt sich nicht nur auf Durchlässigkeit, Sorption und Pflanzenwachstum aus, sondern auch auf die mikrobiellen Aktivitäten.

Insgesamt erreicht das genannte Verfahren dann seine optimale dauerhafte Leistungs fähigkeit, wenn nicht nur einzelne Teile auf einzelne Optionen hin optimiert werden, sondern wenn das Gesamtsystem entsprechend der Aufgabenstellung optimiert wird.

Das genannte Verfahren stellt ein Multifunktionselement in der Landschaft dar.

Neben der Abwasserreinigung dienen die im Verfahren einbezogenen Flächen auch Zwecken des Naturschutzes, der Bereicherung des Landschaftsbildes, der Minimierung von Eingriffen in die Landschaft und der Wasserretention.

Literaturhinweise

- Hennig, E. (1988)
Humustrilogie
Eigen-Verlag, 2. Teil, S. 12.

Claims

1. Naturnahes Abwasserreinigungsverfahren für Haushalte im dezentralen Bereich
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verfahren

- Trennung der mitgeführten Grobstoffe von der flüssigen Phase (physikalische Vorreinigung) in der ersten Reinigungsstufe (Grobstoffrottefilter),
- Physikalische und bio-chemische Reinigung des entstandenen Grauwassers in der zweiten Reinigungsstufe (Schilfbeet),
- Physikalische und bio-chemische Reinigung des Trägermediums in der dritten Reinigungsstufe (Sandfilter)

aus einem Grobstoffrottefilter mit zwei nachgeschalteten phytomechanischen Reini gungsstufen besteht.

2. Verfahren nach Patentanspruch (1) mit vertikalem Durchfluß, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in unverwechselbarer Reihenfolge der dargestellten Reinigungsstu fen (Grobstoffrottefilter, Schilfbeet, Sandfilter) und deren dargestellten entsprechenden Aufbau gekennzeichnet ist.