DE10010109A1

DE10010109A1 - Kompakt-Bodenfilter-Reaktor

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Publication number: DE10010109A1
Application number: DE2000110109
Authority: DE
Original assignee: BIOPLAN ING GES
Current assignee: BIOPLAN ING GES
Priority date: 2000-03-03
Filing date: 2000-03-03
Publication date: 2001-09-13

Description

Die Erfindung betrifft einen Kompakt-Bodenfilter-Reaktor in Modulbauweise für die Entfernung von absetzbaren Stoffen und zur biologischen Reinigung von schwach bis stark verschmutztem Wasser, bestehend aus einem Absetz- und Vorlagebecken, einem vertikal durchströmten Filterraum und einem Betriebsraum. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kompakt-Bodenfilter-Reaktor in seiner Basisausführung alle erforderlichen Aggregate, Steuerungen und Armaturen inclusive der Ablaufsteuerung, für eine schwallartige Beschickung und chargenweise Reinigung von verschmutztem Wasser und darauffolgende Entleerung in einer kompakten modularen Anlage mit Betriebsraum, einschl. Schwallbeschickung über die Einlaufrinne, den Filterraum mit Drainage, eine im Bedarfsfall notwendige weitere Filterstufe, aufnimmt. Der Kompakt-Bodenfilter-Reaktor wird als Fertig-Bauteil, sinnvollerweise ohne Filterraumfüllung, zum Einsatzort transportiert, und kann durch weitere, aneinandergereihte Ergänzungsmodule als Bodenfilter-Reaktoren erweitert werden. Das gleiche Ergänzungsmodul wird auch als Absetz- und Vorlagebehälter unter bzw. oberhalb des Basis-Bodenfilter-Reaktors plaziert.

Stand der Technik

Zur biologischen Reinigung von Abwässern werden neben den bekannten Bau- und Funktionsprinzipien von kommunalen Kläranlagen auch Pflanzenkläranlagen und Bodenfilter eingesetzt.

Sie basieren auf dem Prinzip, daß mit Pflanzen bestückte Bodenkörper, die spezielle Bodenaufbauten besitzen, das durchströmende Wasser gereinigt wird; diese Anlagen können bei Beachtung bisher schon bekannter Bauprinzipien gute Reinigungsleistungen aufweisen.

Das Bodenfilterverfahren ist im Prinzip ein besonders wirtschaftliches Reinigungsverfahren. Da Bodenfilter bisher hauptsächlich für große Abwasseraufkommen angelegt wurden, bestehen vielfältige Erfahrungen bezüglich der Planung, des Baues und des Betriebs von großen Bodenfiltern, die bisher fast ausschließlich in Erdbauweise erstellt wurden.

Bodenfilter sind biologisch arbeitende Anlagen zur Abwasserbehandlung. Mechanisch gereinigtes Abwasser wird dabei zu einem bepflanzten Beet geleitet und verteilt. Es gibt horizontal (von einer Seite zur anderen) und vertikal von oben nach unten) durchflossene Bodenfilter. Vornehmlich liegt ihr Einsatzbereich bei der Reinigung von häuslichen Abwässern und zur Regenwasserbehandlung aus Misch- und Trennsystemen. Je nach Anfall des Wassers und der Art der Einbringung in bzw. auf den Bodenfilter bzw. die Pflanzenkläranlage wird in kontinuierliche und intermittierende Beschickung unterschieden. Die Reinigung des Abwassers erfolgt über äußerst komplexe Vorgänge auf physikalischer, biologischer und chemischer Art. Es werden in unterschiedlicher Qualität Stickstoffverbindungen, Kohlenstoffverbindungen und Phosphorverbindungen abgebaut bzw. umgewandelt bzw. akkumuliert.

Besonders erfolgreich werden sog. Retentions-Bodenfilter (RBF) eingesetzt. Ein Retentions-Bodenfilter ist ein naturnah gestalteter Regenrückhalteraum mit untenliegendem Mehrschichtbodenfilter in Erdbauweise.

Der Retentions-Bodenfilter besteht aus folgenden Komponenten:
Zulaufbauwerk,
Retentionsraum,
Abdichtung,
Dränsystem,
Filterkörper,
Ablaufbauwerk,
Überlaufbauwerk und
Bepflanzung.

Die Reinigungsvorgänge in Bodenfiltern beruhen auf den folgenden Teilprozessen:
Sedimentation von absetzbaren Stoffen,
Flächenfiltration von suspendierten (nicht absetzbaren Stoffen),
physikalische Anreicherungs- und Abreicherungsvorgänge (Adsorption und Desorption),
biologischer Abbau gelöster Stoffe

Um Entwicklung und Erhalt der Bodenfilterbepflanzung (zumeist Schilf) zu gewährleisten, wird heute schon die Zulaufenergie wirkungsvoll umgewandelt. Vorzugsweise geschieht dies durch die Anordnung breiter Wehrschwellen. Damit kann erreicht werden, daß die Zulaufmenge auf die Filteroberfläche breit verteilt und ein Umknicken der Schilfhalme sowie eine unerwünschte Erosion der Filteroberfläche durch hohe Schleppspannungen vermieden wird.

Die begrenzte Infiltrationsleistung des Filterkörpers und die Notwendigkeit einer gleichmäßigen Filterbelastung bedingen die Ausbildung eines Retentionsraumes. Da beim Bodenfilter-Verfahren sehr große Wassermengen erfaßt und behandelt werden, sind verhältnismäßig große Retentionsräume erforderlich, die in der Regel die Erdbauweise zwingend voraussetzen. Diese gewährleistet nicht nur günstige Baukosten, sondern bietet auch die Möglichkeiten einer naturnahen Gestaltung.

Bei den Böschungen haben sich Neigungen zwischen 1 : 3 und 1 : 4 bewährt. Die Wahl richtet sich hierbei nach der Umgebung. Für den Normalfall hat sich bei den Böschungen die Ansaat von Rohrglanzgras bewährt. Die Retentionsraum- Einstautiefe wird in der Regel auf 1,0 m begrenzt. Größere Einstautiefen führen bisher zu unzulässig hoher hydraulischer Filterbelastung bzw. zur übermäßigen Verdichtung der Filterschichten.

Retentions-Bodenfilter sind heute grundsätzlich gegen den Untergrund als geschlossene Systeme ausgebildet. Dadurch sind Unwägbarkeiten hinsichtlich Verbleib und Qualität des gefilterten Wassers ausgeschlossen. Zum anderen ist das Eindringen von Grundwasser unterbunden, und es ist in der Entwicklungsphase der Schilfvegetation ein gelegentlicher Einstau/Überstau des Filters zur Unterdrückung der Fremdvegetation sowie die Steuerung/Drosselung des Ablaufes zur Gewährung der Mindestaufenthaltszeit möglich.

Bei RBF wird das durch den Filterkörper perkolierte, gefilterte Wasser von einem flächenhaften, bisher horizontal auf der Sohle verlegten Dränagenetz aus Dränsträngen und Sammelleitungen aufgenommen und abgeleitet.

Die Dränrohre sind nach dem Stand der Technik in einen flächigen Kiesfilter eingebettet, damit sowohl eine vertikale als auch horizontale Anströmung des Dränrohres gegeben ist. Die Körnung des Kiesfilters ist auf die Filterstabilität gegenüber der darüberliegenden Schicht und den Dränschlitzen abgestimmt. Wegen der groben Körnung ist die Kiesfilterschicht nicht reinigungsrelevant, sondern nur Bestandteil des Dränsystems.

Der Filterkörper liegt oberhalb des Dränsystems. Als Filtersubstrate eignen sich sowohl Sande als auch feinkörnigere, bindige Bodenarten. Folgende Filtermaterialien kamen bereits zum Einsatz:

Bindiger Boden mit krümeliger Struktur zum Entfernen von partikulären Stoffen, gelöstem CSB, Ammonium, gelöstem Phosphor, Sand 0/2 zum Entfernen von partikulären Stoffen, gelöstem CSB, Ammonium, Keimen und die Kombination von bindigem Boden mit krümeliger Struktur und darunter liegender Sandschicht.

Die Dicke des Filterkörpers hat maßgeblichen Einfluß auf die Reinigungsleistung. In der Regel wurde bisher die Dicke zu 1,0 m gewählt, 0,75 m wird dabei als Minimum angesehen.

Eine weitere Einflußgröße auf das Reinigungsergebnis ist die Filteraufenthaltszeit. Der Ablauf wird deshalb gedrosselt. Da der Ablauf nahezu feststofffrei ist, entfallen die im Abwasserbereich üblicherweise auftretenden Probleme von kleinen Drosselöffnungen.

Um Verschlämmungen der Filteroberfläche zu vermeiden, werden RBF bepflanzt. Infolge der hohen Filterbelastung und der damit verbundenen langen Einstauzeit, sowie der Sedimentauflandung wird derzeit als Bepflanzung Schilf (Phragmites australis) bevorzugt. Lediglich bei sehr schwacher Filterbelastung kann eine Grasvegetation in Frage kommen. Die Schilfvegetation sorgt mit ihrem Bestandsabfall für eine Bedeckung der Filteroberfläche. Damit wird einerseits die Austrocknung und Verkrustung verhindert, andererseits ein günstiges Milieu für Bodenorganismen geschaffen, die durch ihre Aktivität zusammen mit der Pflanzenwurzel die Filteroberfläche offen hält. Es werden in der Regel bei der Schilfbepflanzung mehrtriebige, 2-jährige, getopfte Pflanzen (Phragmites australis, 4 St./m²) verwendet.

Insbesonders während der Pflanzenentwicklung, aber auch in Phasen extremer Trockenheit, muß bisher durch künstlichen Einstau eine ausreichende Pflanzenwasserversorgung gewährleistet werden.

Retentions-Bodenfilter sind vom Prinzip sehr wartungsarm, Wartungsarbeiten fallen nur in relativ großen Zeitabständen an. Die Unterhaltung beschränkt sich auf das Entfernen von Konkurrenzpflanzen. Das Abmähen oder Ernte der Schilfvegetation ist nicht erforderlich bzw. sollte immer unterlassen werden. Der Bestandsabfall der Schilfpflanze verbleibt verfahrensbedingt auf dem Bodenfilter.

Eine Sedimenträumung sollte nur nach längerem Zeitraum, nicht unter 10 Jahren, erforderlich werden. Prinzipiell kann bei der Einhaltung der Grenzwerte der hydraulischen Filterbelastung davon ausgegangen werden, daß das Sediment von der Schilfpflanze und den Bodenorganismen zu Filtersubstrat "umgewandelt" wird. Bei der Verwendung von ausschließlich einem Sandsubstrat ist ein Verbleib des Sediments für die Schwermetallbindung und zur Pflanzenwasserversorgung günstig.

Es sind noch weitere Bauweisen von Bodenfiltern und Pflanzenkläranlagen bekannt geworden:

So wird in der DE OS 196 30 831 A1 eine Pflanzenkläranlage beschrieben mit einem horizontal und vertikalen Weg des zu reinigenden Wassers. Dabei bleibt allerdings die Kläranlage in einem eher stationären Zustand der Befüllung mit Wasser; wenn überhaupt, erfolgt nur eine geringe Niveauveränderung durch den hydrostatischen Auslaufregler.

Weiterhin beschreibt die DE OS 42 25 699 C1 eine Reinigung mit hohen Nährstoffwerten auf biologischem Wege durch eine spezielle Form der Zuführung externer organischer Kohlenstoffspender für eine verbesserte Denitrifikation.

In der DE PS 195 20 733 C1 wird ein Verfahren beschrieben, bei welchem eine spezielle Vorbehandlung des zu reinigenden Wassers mit Druckluftbelüftung und Belebtschlammbehälter beschrieben wird und zusätzlich im Bodenfilter eine weitere Belüftung im Eintragbereich stattfindet.

Zur Beschickung von Bodenfiltern werden auch Heber vorgeschlagen mit einer Verteilung zur vergleichmäßigenden Ausbringung des zu reinigenden Abwassers, wie dies in der DE OS 195 27 970 A1 dargestellt ist.

Ferner wird in der DE OS 43 13 902 A1 eine Pflanzenkläranlage beschrieben, die aus einzelnen wabenförmig angeordneten Containern besteht, wobei das zu reinigende Wasser alle Container, die bepflanzt sind, durchfließen muß. Dieser Vorgang ist kontinuierlich und der Wasserspiegel bleibt konstant.

Wieder eine andere Lösung schlägt die DE OS 34 06 004 A1 vor, indem der Bodenfilter mit Reispflanzen bestückt wird und das zu reinigende Wasser nur während einer bestimmten Periode in der Wachstumsphase eingeleitet wird.

Die DE OS 196 40 347 beschreibt eine Anlage, bei der das zu reinigende Abwasser über einen Filterbettkern nach außen über ein Filterbett, welches Bakterien enthält, in einen äußeren kreisförmigen Auffangring fließt. Das Beschicken des Filterkerns erfolgt mit Unterbrechungen und das zu reinigende Abwasser passier mehrmals in Zyklen den gesamten Filter bis es ausreichend gereinigt ist.

Bei der DE OS 44 28 052 A1 wird in eine Pflanzenkläranlage eine Drainmatte zwischen verschiedenen Bodenkörpern eingelegt, die bis über den Beckenrand der Anlage reicht und somit Kontakt mit der Außenluft erhält.

Probleme bisheriger Lösungen

- keine chargenweise Beschickung und Filterung,
- dadurch bei der Mehrzahl der kleinen Beschickungsereignissse nur sehr begrenzte Inanspruchnahme der Gesamtfilterfläche
- dadurch entsteht in der Einlaufzone hochbelasteter, kolmationsgefährdeter Bereich (Porenverstopfung)
- Entleerung kontinuierlich, entsprechend dem Eintrag von zu reinigendem Wasser, keine optimierten Reinigungsprozesse im Hinblick auf nur chargenweisen Schmutzwasserdurchsatz wegen Fehlen von optimalen geometrischen Verhältnissen des Filterraumes,
- in Abhängigkeit von der Witterung aufwendige Pflanzenwasserversorgung
- aufwendiger individueller Planungs- und Genehmigungsaufwand
- aufwendige Bauweise vor Ort mit Vielzahl an Einzelbauwerken und Einzelgewerken

Wesen der Erfindung

Kompakt-Bodenfilter-Reaktor in Modulbauweise zur Klärung von schwach bis stark verschmutzem Abwasser, Sickerwasser, Schwimmbadwasser oder Oberflächenwasser von Verkehrsflächen mit den Funktionen Sammeln, Absetzen/ Reinigen, geg. Nachreinigen und Entleeren in einen Vorfluter oder zur Versickerung.

Der Kompakt-Bodenfilter-Reaktor ist als Grundeinheit (1) komplett modulartig aufgebaut und verfügt über alle zur Reinigung erforderlichen geometrischen Bedingungen und betriebstechnischen Bauteile zur optimalen Reinigung von schwach bis stark verschmutztem Wasser. Damit liegt erstmalig ein kompletter Reaktor vor, der nach dem Prinzip der Bodenfilttration arbeitet. Der Kompakt- Bodenfilter-Reaktor wird am Einsatzort auf eine vorbereitete Grundfläche (37a) aufgestellt, mit dem Drainkies (2) und dem Filtersand (3), befüllt, mit den Schilfpflanzen (5) bestückt und in Betrieb genommen. Diese Kompaktlösung gewährleistet eine schnelle Genehmigungsphase, und führt zu sehr geringen baulichen Aufwendungen vor Ort, da alle Aufstellungs- und Betriebsbedingungen ohne weiteren Planungsaufwand durch das Modul-Konzept vorbereitet sind. Lediglich die Menge des zu reinigenden Wassers und die Größe des Reaktors werden festgelegt.

Der Reaktor beinhaltet die folgenden Funktionen, beschrieben in der Reihenfolge des Reinigungsprozesses:

Modularer Ergänzungsbehälter (19) als Absetz- und Vorlagebehälter (19a bzw. 19b)

Er hat entsprechend dem modularen Konzept des Kompakt-Bodenfilter-Reaktors die gleichen Hauptabmessungen in Breite und Höhe wie der Reaktor (1) selbst, ohne die im Reaktor benötigten betriebstechnischen Einrichtungen und Einbauten, jedoch mit den gleichen Wandöffnungen (20) wie dieser; sofern die Wandöffnungen nicht für Durchleitungen gebraucht werden, sind sie mit einer dichtschließenden Verschlußkappe (21) versehen. Der Behälter dient zur Sammlung des zu reinigenden Wassers (18 bzw. 18a) und zum Absetzen von leicht absetzbaren Stoffen. Im Einlaufbereich des Behälters kann ein eingebautes Gitter (22) grobe Fremdstoffe in einem eingegrenzten Bereich zurückhalten. Sofern die örtlichen Verhältnisse es zulassen, kann dieser Behälter entweder seitlich oberhalb (Ortsposition als Nr. 19b) des Reaktors oder leicht versetzt unterhalb (Ortsposition als Nr. 19a) des Reaktors aufgestellt werden. Im ersten Fall erfolgt die Schwallbeschickung des zu reinigenden Wassers sinnvollerweise über einen schwimmer- bzw. niveaugesteuerten Heber (29) im Vorlagebehälter mit Ventil (27). Befindet sich aufgrund der örtlichen Verhältnisse der Absetz- und Vorlagebehälter unterhalb des Reaktors, so wird die Schwallbeschickung mit Hilfe einer Tauchpumpe (23) erreicht, welche sich sinnvollerweise unterhalb des Betriebsraumes des Reaktors befindet. Eine Öffnung im Boden des Betriebsraumes mit herausnehmbaren Boden (31) erlaubt auch ein gut zugängliches Reinigen des Absetz- und Vorlagebehälters (19a). Dabei fördert die Pumpe (23) diejenige Menge von Wasser (24) aus dem Vorlagebehälter (19a), die für eine funktionsgerechte Reinigung im Kompakt-Bodenfilter-Reaktor (1) erforderlich ist. Eine Restmenge als Pumpensumpf (25 und 26) von ungereinigtem Wasser verbleibt im Sammel- Absetz- und Vorlagebehälter. Die sich im Laufe der Zeit ansammelnden Absetzstoffe werden in Abhängigkeit von der Menge der abgesetzten Stoffe durch Abpumpen und Ausräumen in größeren Zeiträumen entfernt.

In Fällen, wo ein Sammelbehälter schon vorhanden ist (Ortsposition als Nr. 37) und ein Kompakt-Bodenfilter-Reaktor neu aufgestellt wird, kann die Schwallpumpe (23a) auch in den bestehenden Behälter (37) eingebaut werden.

Die Schwallpumpe wird gesteuert wahlweise über eine Zeitsteuerung oder über eine kombinierte Zeitsteuerung mit Niveauschalter (38) im Reaktor und Niveauschalter (39) im Behälter (19a bzw. 19b bzw. 37).

Schwallbeschickung des Reaktors

Oberhalb der Bodenfilter-Oberfläche befindet sich eine Rinne (6) zur gleichmäßigen Verteilung des zu behandelnden Wassers. Die Beschickung erfolgt optimal über den Ausflußweg (29, 27, 28b) bei oben liegendem Vorlagebehälter (19b) oder über die Pumpe (23, 28a bzw. 23a, 28a) durch diese Rinne, die über die längere Seite der Anlage verlegt sein kann. Sie kann angeordnet sein an einer oder beiden Längsseiten des Reaktors oder rings um die Außenwände und hat ihren Auslauf mindestens auf der Höhe des Überstaus. Sinnvollerweise wird sie angeordnet als höhenjustierbare (7) Rinne auf der Längs-Mittelachse oberhalb des Reaktors mit dem Auslauf nach beiden Seiten oberhalb des Überstaus. Dabei befindet sich an der Oberkante des Reaktors eine Aussparung oder Öffnung(30), durch welche die Zuführleitung (28a) zur Rinne führen kann. Auch kann die Rinne durch diese Öffnung zu weiteren Ergänzungsreaktoren führen.

Die Justierbarkeit der Rinne erlaubt ein auch nachträgliches Einstellen auf waagrechte Lage. Dadurch können Setzungen der Anlage ausgeglichen werden. Die Rinne ist vorteilhaft so gestaltet, daß ein oder mehrere kleine Ausläufe (41) oder ein dünner Schlitz in den Filterraum mit minimalem Durchsatz an ihrer tiefsten Stelle vorhanden ist/sind, damit die Rinne immer leer laufen kann, um nicht zuzufrieren. Die Rinne kann begehbar sein mit einem speziellen Gitterrost (36), der auf derselben angebracht ist. Aufgrund seiner Gitterlamellen quer zur Fließrichtung des Wassers in der Rinne, läßt er das Wasser gleichmäßig zwischen den Gitterlamellen aus der Rinne fließen. Eine mögliche Gestaltungsform zeigt Zeichnung 4. Dabei kann die Rinne (6) zur Schwallbeschickung als U förmiges Bauteil ausgebildet sein. Zur Reduzierung der Ausbreitung des Wasserschwalls (35) mit seiner hohen kinetischen Energie in die Bepflanzung hinein, können in den Schwallweg Hindernisse (44) eingebracht sein, die die Wassermenge senkrecht nach unten lenken. Um dem Wasser vor dem Auftreffen auf den Kiesbereich (40) unterhalb der Rinne weitere kinetische Energie zu entziehen, können zusätzliche Umlenkeinrichtungen (45) vorhanden sein.

Das Volumen des Absetz-/Vorlagebehälters ist mindestens so dimensioniert, daß eine Charge (24 bzw. 24a bzw. 24b) ausreicht, das Porenvolumen des Bodenfilters und einen zusätzlichen Überstau (4) der Filteroberfläche auf ein gewünschtes Niveau zu ermöglichen.

Die Höhe des Überstaus (4) liegt sinnvollerweise im Bereich von 0,1 bis ca. 1,0 m; ein optimaler Wert liegt bei ca. 0,3 m.

Die Pumpe (23 bzw. 23a) für die Beschickung ist so ausgelegt, daß der Eintrag von zu reinigendem Wasser schwallartig möglichst schnell einen Überstau bzw. eine vollständige und gleichmäßige Beanspruchung der Gesamtfilterfläche bzw. Aktivierung des Gesamtfilterraums ergibt. Dabei ist es vorteilhaft, die Schwallmenge zu Beginn des Wassereintrages besonders groß zu machen bis ein erster geringer Überstau von zu reinigendem Wasser über der Bepflanzung vorhanden ist (und damit die gesamte Filteroberfläche gleichmäßig aktiviert ist) und danach die Schwallmenge soweit zu reduzieren, daß der Kompakt-Bodenfilter-Reaktor optimal befüllt wird entsprechend der Durchlässigkeit und Porenraumgehaltes des eingebrachten Filtersubstrates für das zu reinigende Wasser, ohne daß der Notüberlauf in Aktion tritt. Die Dauer der Befüllung bzw. der Beschwallung ist also abhängig von den oben dargestellten Bedingungen von Durchlässigkeit.

Porenvolumen, Filter-Überstauvolumen und als externe Größe von der Menge des zu reinigenden Wassers im Sammel-, Absetz- und Vorlagebehälters.

Die Schwall-Rinne ist über der Filteroberfläche so angeordnet, daß oberhalb des Überstaus nochmals ein Freibord (42) bis zur oberen Kante des Reaktors von üblicherweise 0,1 bis 0,4 m vorhanden ist.

Filterraum des Reaktors

Der Reaktor hat bezüglich des Filterraums den folgenden Aufbau (von unten nach oben beschrieben):

Direkt über dem Behälterboden befindet sich eine 0,2 bis 0,5 m starke Wasserspeicher- und Drainschicht (2) aus Kies 2/8 mm; darin eingebettet ist ein Drainagesystem aus Drainrohren (8) mit einem unteren Abstand vom Boden von mindestens 0,1 m, optimal ca. 0,15 m. In diesem untersten Raum verbleibt ein Wasserrestvolumen zur Versorgung der Pflanzen über die Wurzeln im Reaktor. Das Drainagesystem (8) in der Kiesfilterschicht führt zu einer gleichmäßigen Entleerung des gereinigten Wassers. Es ist direkt angeschlossen an die im angrenzenden Betriebsteil untergebrachte Ablaufsteuerung (10, 11, 12, 13) und gegebenenfalls an eine weitere Filterstufe (33) mit Pumpe (22), falls erforderlich. Über der Kiesfilterschicht (2) liegt eine Sandfilterschicht (3) (Filtersand der Körnung 0,1 bis 2 mm mit der folgenden Korngrößenverteilung: < 0,06 mm < 5%; 0,06-0,2 mm ca. 25%; 0,2-0,6 mm ca. 50%; 0,6-2,0 mm ca. 25%; < 2,0 mm < 5%), die Stärke kann je nach erforderlicher Reinigungsleistung, entsprechend dem Verschmutzungsgrad des Wassers variieren von 0,6 bis 1,8 m Dicke. In die Oberfläche der Sandfilterschicht sind Schilfpflanzen (5) oder ähnliche Pflanzen eingebracht. Die Bepflanzung hat die Aufgabe, die Filterschicht dauerhaft aufzulockern und für einen optimalen Siedlungsraum für Mikroorganismen im Bereich der Wurzeln zu sorgen. Die Auflockerung durch die Wurzeln dient einer nachhaltig guten Porenbildung im Sandfilter, für eine ausreichende Durchlässigkeit und zur Durchlüftung nach dem Ablaufen des gereinigten Wassers bis zur nächsten Befüllung.

Die optimale angestrebte Reinigungsleistung des Kompakt-Bodenfilter-Reaktors wird durch das Zusammenspiel von Schwallbeschickung, damit verbundener sehr homogener Verteilung und Verweilung des zu reinigenden Wassers im Reaktor und der darauffolgenden kompletten Entleerung (bis auf den unteren Teil unterhalb des Drainagesystems) erreicht.

Dabei kann man von den folgenden Richtgrößen ausgehen:
Befüll-Schwalldauer: 0,5-10,0 min/m²
Befüll-Schwallmenge: 0,1-2 l/s*m²
Filterdurchlässigkeit: 5.10^-4 bis 5.10^-5 m/s
Ablaufmenge: 0,01-0,3 l/(s*m²)
Ruhezeit des Reaktors nach Entleerung bis zur nächsten Schwallbeschickung:
min 12 h, max. unbegrenzt
Reinigungsmenge pro Jahr und pro m² Filterfläche (Filterbelastung):
10-100 m³/m²

Beispiel für die Berechnung der Versickerung durch einen Bodenfilter-Reaktor mit einer Filterfläche von 10 m²

In der Filteranlage erfolgt ein weitgehend aerober Abbau der im zu reinigenden Wasser enthaltenen Stoffe. Durch die intermittierende chargenweise Beschickung im Schwall und dem Vorhandensein der Pflanzen wird der Filter durch ein regelmäßiges Trockenfallen belüftet. Die üppige Bepflanzung mit Schilf und die Belüftung führen zu einer stofflichen und hydraulischen Regeneration des Filters über eine lange Betriebszeit. Das Drainagesystem besitzt zusätzlich Kontroll- und Belüftungsschächte (15); über diese Schächte erfolgt ebenfalls eine zusätzliche Belüftung bei der Entleerung des Reaktors, da die Abdeckungen luftdurchlässig sind (34).

Des weiteren ist ein Notüberlauf (14) im Reaktorbecken vorhanden, der über eine Öffnung (20) in der Reaktorwand über den Betriebsraum in den Vorfluter oder Ablaufkanal abgeleitet wird.

Betriebsraum (9)

Im Betriebsraum (9), der sinnvollerweise an der Stirnseite des Kompakt-Bodenfilter- Reaktors (1) angeordnet ist, befindet sich normalerweise die Zuleitung (28a) von der Schwallpumpe zur Rinne, die Wanddurchlässe (20) der Drainage, gegebenenfalls eine Filterentleerungspumpe (32), die das gereinigte Wasser zu einer nachgeschalteten weiteren Filterstufe (33) transportiert oder eine Ablaufsteuerung (10, 11, 12, 13), die dafür sorgt, daß nach erfolgter Reinigung, der Reaktor zügig bis auf Höhe der Drainage entleert wird. Eine derartige Ablaufsteuerung wurde schon in der DE OS 198 06 317 A1 beschrieben.

Sinnvollerweise wird eine Ablaufsteuerung bzw. eine Entleerungspumpe kombiniert mit einem zusätzlichen geregelten Absperrorgan (10) zur Steuerung der Verweilzeit des zu reinigenden Wassers im Reaktor. Demnach arbeitet die hier zur Anwendung kommende Ablaufsteuerung rückwärtsgerichtet, d. h. der Ablauf erfolgt erst nach einer ausreichend bemessenen Verweilzeit des Wassers im Kompakt-Bodenfilter- Reaktor. Als nachgeschaltete Filterstufe kann noch ein Aktivkohlefilter (33) zum Einsatz kommen. Er dient als Sicherheitsstufe für Extremfälle. Die Kombination aus Kompakt-Bodenfilter-Reaktor mit nachgeschaltetem Aktivkohlefilter stellt eine ganz besonders vorteilhafte Kombination dar, da der Kompakt-Bodenfilter-Reaktor außer seiner biologischen Reinigungsleistung eine besonders effiziente und außergewöhnlich hohe Abscheidewirkung für absetzbare Stoffe besitzt und Aktivkohlefilter als Voraussetzung für eine hohe Betriebssicherheit und Wirtschaftlichkeit nur mit Wasser beaufschlagt werden sollten, die frei von absetzbaren Stoffen sind.

Am Ende des Reinigungsprozesses verläßt das gereinigte Wasser den Betriebsraum über den Abfluß (17).

Wird der Kompakt-Bodenfilter-Reaktor so aufgestellt, daß seine Oberkante auf Höhe des fertigen Bodenniveaus liegt, so erfolgt der Einstieg in den Betriebsraum über eine verschließbare und befahrbare Decken-Öffnung (16).

Ist die benötigte Filterfläche aufgrund der Menge des zu reinigenden Wassers größer, als im Basisreaktor (1) zur Verfügung steht, so werden modulare Erweiterungsbehälter (19) direkt im Anschluß an den Basisreaktor aufgestellt, in der Zeichnung dargestellt als (19c und 19d). Diese Erweiterungsbehälter in der Ausführung als Ergänzungsreaktoren haben die gleichen technischen Einbauten im Filterraum wie der Basisreaktor, besitzen jedoch keinen integrierten Betriebsraum, sondern nutzen für alle Beschickungs- und Entleerungsprozesse den Betriebsraum (9) des Basisreaktors (1).

Die Behälter in Modulbauweise können als Fertigbetonteile hergestellt werden; ihre Gesamtlänge überschreitet dann sinnvollerweise nicht eine Länge von etwa 8,4 m.

Weiterhin kann der Kompakt-Bodenfilter-Reaktor aus einzelnen Teilen bestehen, die zusammenmontiert werden. So kann der Filterteil des Reaktors das gleiche Bauteil sein wie der Ergänzungsreaktor/-behälter und der Betriebsraum bildet als komplette weitere Baugruppe zusammen mit dem Ergänzungsteil den eigentlichen Kompakt- Bodenfilter-Reaktor. Das Ergänzungsteil kann wiederum modulartig ausgebildet sein, indem die Stirnwände vorgefertigt, mit U-förmigen Elementen wasserdicht zusammengebaut werden.

Außer Fertigbeton kommen noch eine Reihe weiterer Materialien alleine und/oder als Verbundmaterialien zum Einsatz.

So ist es sinnvoll, für kleine Filterdicken bei kleinen zu reinigenden Wasservolumina Kunststoffe zur Herstellung des Kompakt-Bodenfilter-Reaktors einzusetzen, auch und besonders hier in Form des Zusammenbaus aus vorbereiteten Stirnplatten und U-förmigen Behältermodulen; falls aufgrund der Größe und des verwendeten Kunststoffes erforderlich, sind Verstärkungen durch Stahlträger sinnvoll.

Eine weitere besondere Ausführungsform zeigt schematisch die Zeichnung 6: Dabei wird der Filterteil des Kompakt-Bodenfilter-Reaktors zum Teil geöffnet und der geöffnete Teil als naturnah gestalteter Bodenraum mit außerhalb des Reaktorteils durch Folien abgedichteten Filterraum angelegt. Die Rinne zur Schwallbeschickung ist gleichermaßen oberhalb der Filteroberfläche angebracht und an der Stirnfläche des Betriebsraums auf der einen Seite befestigt. Das andere Auflager (46) der Rinne kann dann aber vor Ort am entgegengesetzten Ende erstellt werden. Der Filterboden in Folienausführung (47) ist wasserdicht mit dem Boden des Reaktorteils verbunden. Diese Ausführungsform ist sowohl möglich für einen völlig ebenen Einbau als auch bei abschüssigem Gelände.

Erläuterungen der Nummern zu den Fig. 1 bis 6

1

Basis-Reaktor

2

Kiesfilterschicht als Drainschicht

3

Filtersandschicht

4

Überstau des zu reinigenden Wassers

5

Schilfpflanzen (Phragmites australis), sinnvollerweise als Mattenbepflanzung eingebracht

6

Schwallbeschickungsrinne

7

Höhenverstellbarkeit der Schwallbeschickungsrinne

8

Drainrohr

9

Betriebsraum

10

Absperrorgan mit Steuerung zum Öffnen und Schließen

11

Ablaufregelorgan mit Nieveaueinstellung

12

Drosselventil zur Durchflußregulierung über den Heber der Ablaufsteuerung

13

Minimalausflußventil zur geregelten Entleerung der gereinigten Wassermenge zwischen dem unteren Pegel der Abflußregelung und der Drainageunterkante

14

Notüberlauf

15

Kontroll-Reinigungs-Probennahme- und Belüftungsschacht

16

Abdeckung bei Einbau des Kompakt-Bodenfilter-Reaktors unterhalb Bodenniveau

17

Abflußleitung des gereinigten Wassers zum Vorfluter oder zur Versickerung in einer Rigole

18

Einlauf des zu reinigenden Wassers in den Absetz- und Vorlagebehälter

18

a Einlauf des zu reinigenden Wassers in den Absetz- und Vorlagebehälter (separate Aufstellung, falls der Absetzbehälter schon vorhanden)

19

Ergänzungsbehälter als Erweiterung des Kompakt-Bodenfilter-Reaktors, angereiht an der Stirnseite des Basisreaktors

19

a Ergänzungsreaktor als Absetz- und Vorlagebehälter unterhalb des Kompakt- Bodenfilter-Reaktors

19

b Ergänzungsreaktor als Absetz- und Vorlagebehälter oberhalb des Kompakt- Bodenfilter-Reaktors

19

c Ergänzungsreaktor als Erweiterung des Kompakt-Bodenfilter-Reaktors, angereiht seitlich vom Basisreaktor

20

Öffnung im Reaktor für Rohrdurchführung

21

Dichtschließende Verschlußkappe, falls Rohrdurchführung nicht im Einsatz

22

Gitter zum Zurückhalten von groben Fremdstoffen im Einlaufbereich des zu reinigenden Abwassers in den Sammel- und Absetzbehälter

23

Pumpe zur Schwallbeschickung der Rinne des Kompakt-Bodenfilter-Reaktors

24

Unteres und oberes Niveau der zu reinigenden Abwassermenge, welche durch die Pumpe zur Schwallbeschickung in den Kompakt-Bodenfilter-Reaktor gepumpt wird

24

a Unteres und oberes Niveau der zu reinigenden Abwassermenge, welche durch den Heber aus dem oben liegenden Sammel- Absetz- und Vorlagebehälter in den Kompakt-Bodenfilter-Reaktors pro Schwallbeschickung eingebracht wird

24

b Unteres und oberes Niveau der zu reinigenden Abwassermenge in einem möglicherweise vorhandenen unterirdischen Sammel- und Absetzbehälter

25

Pumpensumpf innerhalb des Gitters am Einlauf in den Absetz- und Sammelbehälter

26

Pumpensumpf im Absetz- und Vorlagebehälter außerhalb des Rückhaltebereiches für grobe Fremdstoffe

27

Regelorgan mit Ventil zur Schwallbeschickung aus dem Sammel- Absetz- und Vorlagebehälter, falls dieser aufgrund örtlicher Geländeverhältnisse oberhalb des Kompakt-Bodenfilter-Reaktors angeordnet werden kann

28

Einlauf in die Rinne zur Schwallbeschickung, wenn der Sammel-Absetz- und Vorlagebehälter unterhalb des Kompakt-Bodenfilter-Reaktors eingebaut ist

28

b Einlauf in die Rinne zur Schwallbeschickung des Kompakt-Bodenfilter-Reaktors wenn der Sammel- Absetz- und Vorlagebehälter oberhalb des Kompakt-Bodenfilter- Reaktors angeordnet ist

29

Heber zum Schwallbeschicken der Rinne des Kompakt-Bodenfilter-Reaktors aus dem Sammel- Absetz- und Vorlagebehälter oberhalb des Kompakt-Bodenfilter- Reaktors

30

Aussparung in den Stirnwänden des Kompakt-Bodenfilter-Reaktors und des Erweiterungsmoduls zur Durchführung von Versorgungsleitungen und der Rinne, bei hintereinanderliegenden Reaktoren

31

Herausnehmbarer Boden im Betriebsraum, auch als Gitterrost ausgebildet, zur Begehung des darunterliegenden Sammel-, Absetz- und Vorlagebehälters

32

Pumpe zur Entleerung des gereinigten Wassers aus dem Kompakt-Bodenfilter- Reaktor zur Weiterleitung durch einen Aktivkohlefilter im Betriebsraum

33

Aktivkohlefilter

34

Luftdurchlässige Abdeckung des Kontroll-Reinigungs- und Belüftungsschachtes

35

Schwallwasser aus der Rinne im Moment der Befüllung des Kompakt-Bodenfilter- Reaktors

36

Laufgitter oberhalb der Rinne mit quer zur Rinne angebrachten Lamellen zur gleichmäßigen Verteilung des Wassers beim Schwallbeschicken

37

Separat stehender vorhandener Sammelbehälter

38

Niveausensor im Reaktor

39

Niveausensor im Sammelbehälter

40

Grobkiesbereich unterhalb der Einlauf-Rinne für das Schwallwasser

41

Kleine Auslauföffnungen zur vollständigen Entleerung der Rinne

42

Freibord oberhalb der Wasserlinie des maximalen Überstaus

43

Rinne in U-Form

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Hindernis zur Reduzierung der Ausbreitung des Wasserschwalls

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Hindernis zur Reduzierung der kinetischen Energie des Wasserschwalls

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Auflager für Rinne

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Folienabdichtung

Claims

1. Kompakt-Bodenfilter-Reaktor für die Entfernung von absetzbaren Stoffen und zur biologischen Reinigung von schwach bis stark verschmutztem Wasser, bestehend aus einem Absetz- und Vorlagebecken, einem vertikal durchströmten Filterraum, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisreaktor die Schwallbeschickung über die Einlaufrinne, den Filterraum mit Drainage, eine im Bedarfsfall notwendige weitere Filterstufe und alle erforderlichen Aggregate, Steuerungen und Armaturen inclusive der Ablaufsteuerung, in einer kompakten modularen Anlage mit Betriebsraum aufnimmt für eine schwallartige Beschickung, chargenweise Reinigung von verschmutztem Wasser über eine Verweilzeit im Filter-Reaktor und darauffolgende Entleerung mit anschließender Trockenphase des Filter-Reaktors, der als fertiges Bauteil (ohne Filterraumfüllung) zum Einsatzort transportiert werden kann und daß modulartige Ergänzungsreaktoren ohne den betriebstechnischen Teil als weitere Bodenfilterreaktoren aneinandergestellt und/oder das gleiche Ergänzungsteil als Absetz- und Vorlagebehälter je nach örtlichen Gegebenheiten unter bzw. oberhalb des Basisreaktors plaziert werden kann.

2. Kompakt-Bodenfilter-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinne zur Beaufschlagung des Bodenfilters mit dem zu reinigenden Wasser in ihrer Höhe justierbar ist, um diese exakt waagrecht auszurichten.

3. Kompakt-Bodenfilter-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterraum im oberen Bereich mit Schilf bepflanzt ist.

4. Kompakt-Bodenfilter-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterraum eine Gesamthöhe von mindestens 70 cm bis max. 170 cm aufweist.

5. Kompakt-Bodenfilter-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Bereich des Filterraumes eine Kiesschicht eingebracht ist, in welcher sich ein Drainrohrsystem befindet, um das durch den Filter hindurch gelaufene gereinigte Wasser zur Ablaufsteuerung zu leiten.

6. Kompakt-Bodenfilter-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drainrohrsystem so eingebracht ist, daß ein mindestens 10 cm hohes Wasserrestvolumen im Filterbecken verbleibt, um die Pflanzenwasserversorgung über den unteren Wurzelbereich zu gewährleisten.

7. Kompakt-Bodenfilter-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompakt-Bodenfilter-Reaktor eine Gesamthöhe von maximal 3 m, eine Filterraumlänge von maximal 8 m, und eine maximale Breite von 3 m aufweist.

8. Kompakt-Bodenfilter-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorlagebecken unterhalb des Filterraumes angeordnet ist und die schwallartige Beschickung mittels einer Pumpe erfolgt.

9. Kompakt-Bodenfilter-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorlagebehälter oberhalb des Kompakt-Bodenfilter-Reaktors steht und das zu reinigende Wasser diskontinuierlich schwallartig über eine Heberanlage oder über eine Mengenregelung in die Rinne des Kompakt-Bodenfilter-Reaktor abgelassen wird.

10. Kompakt-Bodenfilter-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Auslauf aus dem Filterbecken und der Ablaufsteuerung ein zusätzlicher Aktivkohlefilter als Sicherheitsstufe für Extremfälle im Reinigungsgrad des Wassers zwischengeschaltet ist.

11. Kompakt-Bodenfilter-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entleerung mittels einer Ablaufsteuerung erfolgt, die sicherstellt, daß dieser mit einer Ablaufgeschwindigkeit pro m² Filterfläche von 0,01 bis 0,3 l/sec entleert wird.

12. Kompakt-Bodenfilter-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ergänzungsmodule entsprechend der Menge des zu reinigenden Wassers in Parallelschaltung nebeneinandergestellt werden können und eine gemeinsame Drainageleitung zum Betriebsraum mit Ablaufsteuerung führt.

13. Kompakt-Bodenfilter-Reaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschickung diskontinuierlich und abwechselnd erfolgt, um bei größerem Reinigungsbedarf pro Modulreaktor eine ausreichende Trockenfallzeit zur Belüftung zu erreichen.

14. Kompakt-Bodenfilter-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die komplette, mit Rinne, Drainage und Ablaufsteuerung vormontierte, Anlage zum Aufstellungsort transportiert werden kann.

15. Kompakt-Bodenfilter-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Module aus vorgefertigten Wannen bestehen, die aufeinander stapelbar und aneinander anreihbar sind und alle für den Betrieb erforderlichen technischen Öffnungen und Einbauteile werkseitig montiert sind.

16. Kompakt-Bodenfilter-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage aus U-förmigen Modulen in der Anzahl, entsprechend dem Aufkommen von zu reinigendem Wasser aneinandergereiht werden und daß die beiden Stirnwände und etwaige Zwischenwände mit den notwendigen Durchlässen versehen sind und mit den U-förmigen Modulen verbunden sind.

17. Kompakt-Bodenfilter-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Teil des Basisreaktors mit dem Betriebsraum kombiniert wird mit einer naturnah gestalteten Filterraum-Erweiterung.

18. Kompakt-Bodenfilter-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinne zur Schwallbeschickung U-förmig mit Hindernissen zur Reduktion des Ausbreitens des Wasserschwalls und gegebenenfalls auch mit Hindernissen zur Reduzierung der kinetischen Energie des Wasserschwalls ausgestattet ist.