DE10120956B4

DE10120956B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Phosphoreliminierung aus Oberflächengewässern

Info

Publication number: DE10120956B4
Application number: DE2001120956
Authority: DE
Inventors: Alfred Dr. Bruckhaus; Ruth Schäfer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-03
Filing date: 2001-04-27
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2021-04-28
Also published as: DE10120956A1

Abstract

Vorrichtung, die mindestens drei räumlich getrennte, vertikal zueinander angeordnete Kompartimente umfaßt, wobei das obere Kompartiment mit einem Wasserzulauf versehen ist und eine Füllung aus Kies und/oder Sand enthält, das mittlere Kompartiment vom oberen Kompartiment durch einen wasserdurchlässigen, jedoch Kies und Sand zurückhaltenden Boden getrennt ist und einen auswechselbaren Behälter mit Wasserzulauf umfaßt, der ein eisenhaltiges Material enthält und der mit einem Boden versehen ist, der ein Durchtropfen und/oder Durchrieseln von Wasser erlaubt und welcher das mittlere Kompartiment vom unteren Kompartiment trennt, wobei das obere und mittlere Kompartiment keine Luftzutritte aufweist und das untere Kompartiment mit Öffnungen zur Luftzufuhr ausgestattet ist, die so angeordnet sind, daß eine Durchmischung der Luft mit dem durchtropfenden und/oder durchrieselnden Wasser gewährleistet ist und sich das untere Kompartiment verjüngt, wobei das Ende der Verjüngung mit einem austauschbaren zur Eisenphosphataufnahme geeigneten Behälter ausgestattet ist und mit mindestens einem, oberhalb des Endes der Verjüngung befindlichen Überlauf versehen ist,...

Description

Die vorliegende Endung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Phosphor-Eliminierung aus Oberflächengewässern, insbesondere mittels intermittierend beschickter, vertikal durchströmter Pflanzenkläranlagen bzw. Pflanzenbeete.
Aufgrund des in den letzten Jahrzehnten gestiegenen Umweltbewußtseins werden insbesondere von den Kommunen vermehrt Konzepte gefordert, die die Reinigung und Sauberhaltung von stehenden Gewässern, wie z. B. Stadtparkteichen umfassen. Gerade die Qualität solcher Oberflächengewässer trägt im besonderen Maße zum Erholungswert von Naherholungsbereichen bei. Die Wasserqualität jedoch hängt wiederum ganz besonders vom Ausmaß der Algenproduktion während der Vegetationsphasen ab. Eine zu starke Algenproduktion in stehenden Gewässern führt, wenn die Algen absterben zu einer Verschlammung und zum sogenannten „Umkippen" des Gewässers. Ein mechanisches Entfernen des Schlamms ist kostspielig und aufwendig und muß gegebenenfalls jährlich wiederholt werden. Ziel muß es daher sein, die Algenproduktion an sich einzudämmen und so der Verschlammung vorzubeugen. Entzieht man dem Gewässer einen für die Algenvermehrung wichtigen Bestandteil, z. B. Phosphat, so führt der Mangel zu einem Engpaß in der Nahrungsversorgung der Algen und somit zu deren Wachstumshemmung.

Die Entfernung von Phosphat kann neben den zur Zeit fast ausschließlich eingesetzten chemischen Phosphatfällungsverfahren auch durch biologische Phosphor-Eliminierungsverfahren erreicht werden. Eine Möglichkeit der Phosphat-Eliminierung bieten sogenannte Pflanzenkläranlagen, die in einer Vielzahl von Verfahrensvarianten vorliegen können. Heute werden vorwiegend Pflanzenkläranlagen gebaut, die aus einem sandig kiesigen Bodenkörper bestehen und fallweise auch geringe bindige Anteile enthalten. Derartige Anlagen werden horizontal oder vertikal durchströmt und dienen zumeist der Abwasserreinigung, nicht aber der Reinigung von Oberflächenwasser, welches sehr viel geringer mit Phosphat belastet ist als Abwasser. Vertikalfilter werden heute meist intermittierend beschickt, wodurch die oberflächennahen Schichten immer wieder Sauerstoff aus der Luft aufnehmen können, der bei jedem Abwasserstoß auch in tiefere Schichten eingetragen wird. Vertikal Filter sind daher in der Regel gut mit Sauerstoff versorgt. Ferner ist bekannt, daß man, um die Phosphor-Eliminierung in Pflanzenkläranlagen zu verbessern, eisenreiches Material in den Bodenfilter einbringen kann. Bei ausreichender Anwesenheit von Sauerstoff bilden sich Eisen-(III)-Phosphate, welche schwer löslich sind und sich in der Anlage anreichern. Derartige Probleme können auch in Grauwasser-Recycling-Systemen, die in Festbettmodulen angeordnet sind und eisenhaltige Zusatzstoffe enthalten, auftreten, wenn wie in DE 4435304 C1 beschrieben, zwischen den Festbettmodulen seitliche Lufteintrittsöffnungen für eine starke Sauerstoffanreichung sorgen. Die meisten Vertikalfilter bestehen aus nur einer Filterschicht. Es gibt jedoch auch mehrschichtige Vertikalfilter, wie z. B. die Pflanzenkläranlagen von H. Löffler (System: „Phytofilt-MS"), die aus drei Filterschichten bestehen, wobei die obere und untere Schicht aerob, die mittlere dagegen anaerob ist.

Die zur Zeit gebauten Pflanzenkläranlagen dienen meist der Reinigung von Abwasser. Für das Einleiten von behandeltem Abwasser in Gewässer gelten nur für größere Anlagen, für mehr als 20000 Einwohner, Mindestanforderungen an den Phosphatgehalt des gereinigten Wassers. Sie belaufen sich auf 1 bis 2 mg P/l. Demnach reicht es aus, mittels derartiger Pflanzenkläranlagen den Phosphorgehalt auf 1 bis 2 mg pro Liter zu senken.

Andere Anforderungen an den Gesamtphosphorgehalt werden jedoch für stehende Gewässer gefordert. So gelten diese ab einem Gesamtphosphorgehalt von 0,1 mg pro Liter als polytroph und bereits ein Phosphorgehalt des Wassers von 0,02 mg pro Liter gilt als Schwellenwert für den Beginn stärkerer Algenproduktion. Die bestehenden Systeme können daher Phosphor nicht im notwendigen Umfang beseitigen. Ein weiterer Nachteil der bestehenden Verfahren besteht darin, daß der aus dem Wasser eliminierte Phosphor zum größten Teil in den Anlagen akkumuliert wird. Dadurch steigt mit den Jahren der Phosphorgehalt im Bodenmaterial erheblich und das Bindungspotential für neu in die in die Anlage gelangten Phosphor verringert sich, wodurch die Ablaufkonzentrationen an Phosphor steigen. Dies hat zur Folge, daß das gesamte Material des Bodenfilters ausgewechselt werden muß. Ferner muß bei der Infiltration von nur sehr gering phosphatbelastetem Oberflächenwasser in herkömmlichen Anlagen mit einer Rücklösung von Phosphat aus dem Filtermaterial gerechnet werden.

Aufgabe der Erfindung war es, die oben beschriebenen Nachteile der herkömmlichen Filteranlagen zu überwinden und auch bei hohen Wasserdurchsätzen den Phosphorgehalt des Oberflächenwassers auf unter 0,02 mg pro Liter zu senken. Dabei soll ein großer Teil des eliminierten Phosphors nicht in der Anlage akkumuliert werden, sondern aus der Anlage austragbar sein ohne die Anlage komplett austauschen zu müssen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, das zur Eisenphosphat-Fällung benötigte eisenhaltige Material, wenn dieses verbraucht ist, und das gefällte Eisenphosphat mit minimalem Aufwand aus der Anlage entfernen zu können. Auch soll bei Zugabe von nahezu phosphatfreiem Wasser keine Anreicherung des Wassers mit Phosphat beim Passieren der Anlage erfolgen.

Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung gelöst, die mindestens drei räumlich getrennte, vertikal zueinander angeordnete Kompartimente umfaßt, wobei das obere Kompartiment mit einem Wasserzulauf versehen ist und eine Füllung aus Kies und/oder Sand enthält, das mittlere Kompartiment vom oberen Kompartiment durch einen wasserdurchlässigen, jedoch Kies und Sand zurückhaltenden Boden getrennt ist und einen auswechselbaren Behälter mit Wasserzulauf umfaßt, der ein eisenhaltiges Material enthält und der mit einem Boden versehen ist, der ein Durchtropfen und/oder Durchrieseln von Wasser erlaubt und welcher das mittlere Kompartiment vom unteren Kompartiment trennt, wobei das obere und mittlere Kompartiment keine Luftzutritte aufweist und das untere Kompartiment mit Öffnungen zur Luftzufuhr ausgestattet ist, die so angeordnet sind, daß eine Durchmischung der Luft mit dem durchtropfenden und/oder durchrieselnden Wasser gewährleistet ist und sich das untere Kompartiment verjüngt, wobei das Ende der Verjüngung mit einem austauschbaren zur Eisenphosphataufnahme geeigneten Behälter ausgestattet ist und mit mindestens einem, oberhalb des Endes der Verjüngung befindlichen Überlauf versehen ist, durch den aufgereinigtes Wasser abfließen kann.

Es ist vorteilhaft, das obere Kompartiment mit einer Kies- und/oder Sandfüllung derart auszugestalten, daß die Körnung von oben nach unten abnimmt und daß auf deren Oberfläche ein Pflanzenbewuchs existiert. Sowohl der Pflanzenbewuchs als auch die abnehmende Körnung verhindern ein vorzeitiges rasches Verstopften des oberen Filterkompartiments. Als Pflanzen sind verschiedene Pflanzenarten gebräuchlich, so z. B. Reetgras, Binse oder Schwertlilien. Besonders wirkungsvoll arbeitet die Vorrichtung, wenn für eine gute Durchwurzelung der Kies- und/oder Sandschichten gesorgt wird und eine hohe Bakteriendichte in diesen Schichten vorherrscht. Die Pflanzenart wird nach Einsatzort gewählt. So ist zum Beispiel, wegen der zu erwartenden Sichtbehinderungen, hochwüchsige Biomasse vor Gebäuden vielfach ungeeignet.

Durch das Vorhandensein von Bakterien, Pilzen und Protozoen, die sich von selbst im oberen Kompartiment einnisten, wird der im Wasser befindliche Sauerstoff teilweise veratmet. Des Weiteren wird der sich in diesen Schichten durch Zersetzung bildende Ammoniak durch bakterielle Oxidation zu Nitrat umgesetzt, was ebenfalls den Sauerstoffgehalt im oberen Kompartiment senkt. Hierfür verantwortlich sind vornehmlich die Bakterienarten Nitrosomonas und Nitrobacter. Unter den entstehenden anaeroben Bedingungen wird unlösliches Phosphat in lösliches Phosphat umgewandelt und freigesetzt. Das so durch lösliches Phosphat angereicherte sauerstoffarme Wasser gelangt dann in das mittlere Kompartiment, welches ein eisenhaltiges Material enthält.

Das eisenhaltige Material ist vorzugsweise ein Eisen(III)oxidhydrat wie, zum Beispiel Ferrihydrit. Der Einsatz anderer Eisenoxide oder Eisenoxidhydrate ist jedoch ebenfalls denkbar. Das eisenhaltige Material kann sowohl alleiniger Bestandteil des mittleren Kompartiments sein oder zwischen weitere Filtermaterialien eingestreut vorliegen. Als Filtermaterialien eignen sich auch Sand sowie Kies verschiedener Körnungsgrade. Durch den Eintrag des phosphathaltigen sauerstoffarmen Wassers geht ein Teil des unlöslichen eisenhaltigen Materials durch Reduktion in lösliche Eisen(II)salze über. Diese gelangen durch den Boden des zweiten Kompartiments in das untere Kompartiment der Filtervorrichtung. Der Boden des mittleren Kompartiments kann hierbei sowohl als Auflagefläche für den Behälter des mittleren Kompartiments dienen oder einfacher noch, den Boden des Behälters des mittleren Kompartiments bilden. Der das eisenhaltige Material enthaltende Behälter des mittleren Kompartiments ist hierbei vorzugsweise als Schublade ausgebildet, welche z. B. auf Schienen gelagert sein kann. So ist ein regelmäßiger Austausch verbrauchten eisenhaltigen Materials auf einfache Art und Weise möglich. Eine komplette Erneuerung der gesamten Vorrichtung ist somit nicht notwendig. Der Boden des mittleren Kompartiments muß so gestaltet sein, daß ein Durchtropfen bzw. Durchrieseln des phosphathaltigen und eisen(II)haltigen Wassers möglich ist.

Das so in das untere Kompartiment eintropfende bzw. einrieselnde Wasser wird mit Luft vermischt, welche durch entsprechende Eintrittsöffnungen dem unteren Kompartiment zugeführt wird. Der Sauerstoffgehalt der Luft bewirkt eine Oxidation der zweiwertigen Eisenionen zu dreiwertigen Eisenionen und somit die Ausfällung von wasserunlöslichem Eisen(III)phosphat. Durch die sich verjüngende Ausgestaltung des unteren Kompartiments wird erreicht, daß das ausgefällte Eisen(III)phosphat sich am Ende der Verjüngung ansammelt und über einen an diesem Ende angebrachten Behälter jederzeit einfach der Filtervorrichtung durch Austausch des Behälters entnommen werden kann. Dies beinhaltet auch Ausführungsformen, bei denen der Behälter durch eine Sperrvorrichtung, wie zum Beispiel einen Absperrhahn, vom unteren Kompartiment getrennt ist und wobei durch Öffnen der Sperrvorrichtung eine Ausspülung des gefällten Eisen(III)phosphats über einen Ablauf in den Behälter erfolgt. Das so ausgespülte Eisen(III)phosphat kann dann der Filtervorrichtung gezielt entnommen werden. Die Verjüngung des unteren Kompartiments ist vorzugsweise in Form eines Trichters ausgeführt. Das sich über dem ausgefällten Eisen(III)phosphat befindliche phosphatarme Wasser wird durch einen oberhalb des Endes der Verjüngung befindlichen Überlauf aus der Vorrichtung ausgeführt. Durch die regelmäßige Entnahme des Eisenphosphats mittels des austauschbaren Behälters wird verhindert, daß sich dieses bis zur Höhe des Überlaufs ansammelt und diesen verstopft.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird erreicht, daß das aufgereinigte Oberflächenwasser einen Phosphorgehalt von weniger als 0,02 mg/l besitzt. Des Weiteren ist durch die einfache Entnahmemöglichkeit verbrauchten eisenhaltigen Materials sowie ausgefällten Eisen(III)phosphats eine schnelle Regeneration der Filtervorrichtung gewährleistet.

1 zeigt beispielhaft einen möglichen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung, der im folgenden beschrieben wird.
Wie aus 1 ersichtlich, wird bei dem zur Reinigung von Oberflächengewässern dienenden Wasserfilter das Wasser mit Hilfe einer Pumpe gleichmäßig auf dem Filter verteilt. Der Filter kann bewachsen oder unbewachsen sein. Das Wasser durchfließt mehrere Schichten aus Kies oder Sand mit abnehmender Körnung, wodurch organische Schwebstoffe ausgefiltert werden und dabei die Sauerstoffversorgung von oben nach unten stark absinkt. Durch die anaeroben Bedingungen gelangt Phosphat automatisch in Lösung.
Das anaerobe Wasser mit dem darin gelösten Phosphat gelangt nun in einen Schubladenbereich, der mit eisenhaltigem Filtermaterial gefüllt ist und von durchlässigen Haltesieben begrenzt wird. Durch die anaeroben Bedingungen geht Eisen in Lösung.
Nachdem das anaerobe Wasser den Schubladenbereich durchflossen hat und gelöstes Eisen und Phosphor ausgeschwemmt wurden, gelangt es tröpfchenweise in die Tröpfchenkammer. Sie ist mit Öffnungen für eine gute Luftzirkulation ausgestattet. Das eintropfende Wasser wird mit Sauerstoff angereichert, wodurch sich das gelöst vorliegende Phosphat und das Eisen zu Eisenphosphat verbinden und ausfallen.
Durch die trichterförmige Form des unteren Teils der Anlage, die Auffangwanne mit Überlauf, wird das Eisenphosphat in der Spitze des Trichters abgelagert. Dieses Eisenphosphat wird durch Öffnen des Absperrhahns in den Eisenpartikelabscheider gespült und kann so entnommen werden, es reichert sich also nicht in der Anlage an.
Durch die Überläufe der Auffangwanne wird das phosphatfreie Wasser in das Ursprungsgewässer rückgeführt.
Der untere Schubladenboden kann mit dem darauf lagernden ausgelaugten eisenhaltigen Filtermaterial hinausgezogen werden und das Filtermaterial anschließend einfach ausgetauscht werden.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Phosphateliminierung aus Oberflächengewässern zur Verfügung, wobei phosphatbelastetes Wasser durch eine Schicht aus Kies und/oder Sand geleitet wird, in der anaerobe Bedingungen herrschen, anschließend durch einen wasserdurchlässigen, jedoch Kies und Sand zurückhaltenden Boden, dem ein auswechselbarer Behälter folgt, der ein eisenhaltiges Material enthält und der mit einem Boden versehen ist, der ein Durchtropfen und/oder Durchrieseln von Wasser erlaubt und durch den das Wasser in eine sich verjüngende Filtereinheit gelangt, in die Luft zugeführt und in der Eisenphosphat ausgefällt wird, wobei das Eisenphosphat über die Verjüngung in einen auswechselbaren Auffangbehälter gelangt und das gereinigte Wasser durch mindestens einen, oberhalb des Endes der Verjüngung befindlichen Überlauf abgeführt wird:

1: Wasserzulauf mittels einer Pumpe
2: Bauteil zur gleichmäßigen Wasserverteilung
3: Grobkiesfilter
4: Filter mit Kies mittlerer Körnung
5: Feinkiesfilter
6: Tragfähiges Haltesieb
7: Schublade gefüllt mit Filtersubstrat und eingemengtem Ferrihydrit
8: Tragfähiger Schubladenboden
9: Tröpfchenkammer zur Anreicherung mit Sauerstoff
10: Öffnungen für die Luftzirkulation
11: Auffangwanne mit Überlauf
12: Überlauf
13: Rückführung phosphatfreien Wassers in das Ursprungsgewässer
14: Absperrhahn zur Entnahme der Eisenphosphat – Partikel
15: Eisenpartikelabscheider
16: Filterbereich zur Ausfilterung organischer Schwebstofte mit von oben nach
: unten stark sinkender O₂ Versorgung
17: Filterbereich zur Ausschwemmung gelösten Eisens und Phospats
18: Bereich des O₂ Zutritts und der O₂ Anreicherung eintropfenden Wassers
: und Bereich der Ausfällung von Eisenphospat

Claims

Vorrichtung, die mindestens drei räumlich getrennte, vertikal zueinander angeordnete Kompartimente umfaßt, wobei das obere Kompartiment mit einem Wasserzulauf versehen ist und eine Füllung aus Kies und/oder Sand enthält, das mittlere Kompartiment vom oberen Kompartiment durch einen wasserdurchlässigen, jedoch Kies und Sand zurückhaltenden Boden getrennt ist und einen auswechselbaren Behälter mit Wasserzulauf umfaßt, der ein eisenhaltiges Material enthält und der mit einem Boden versehen ist, der ein Durchtropfen und/oder Durchrieseln von Wasser erlaubt und welcher das mittlere Kompartiment vom unteren Kompartiment trennt, wobei das obere und mittlere Kompartiment keine Luftzutritte aufweist und das untere Kompartiment mit Öffnungen zur Luftzufuhr ausgestattet ist, die so angeordnet sind, daß eine Durchmischung der Luft mit dem durchtropfenden und/oder durchrieselnden Wasser gewährleistet ist und sich das untere Kompartiment verjüngt, wobei das Ende der Verjüngung mit einem austauschbaren zur Eisenphosphataufnahme geeigneten Behälter ausgestattet ist und mit mindestens einem, oberhalb des Endes der Verjüngung befindlichen Überlauf versehen ist, durch den aufgereinigtes Wasser abfließen kann.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Füllung des oberen Kompartiments pflanzenbewachsen ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kies- und/oder Sandfüllung des oberen Kompartiments eine von oben nach unten abnehmende Körnung besitzt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das eisenhaltige Material ein Eisen(III)oxidhydrat ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das eisenhaltige Material Ferrihydrit ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der auswechselbare Behälter des mittleren Kompartiments als Schublade ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung des unteren Kompartiments trichterförmig ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserzulauf des oberen Kompartiments so gestaltet ist, daß eine gleichmäßige Wasserverteilung erfolgt.
Verfahren zur Phosphateliminierung aus Oberflächengewässern, dadurch gekennzeichnet, daß phosphatbelastetes Wasser durch eine Schicht aus Kies und/oder Sand geleitet wird, in der anaerobe Bedingungen herrschen, anschließend durch einen wasserdurchlässigen, jedoch Kies und Sand zurückhaltenden Boden, dem ein auswechselbarer Behälter folgt, der ein eisenhaltiges Material enthält und der mit einem Boden versehen ist, der ein Durchtropfen und/oder Durchrieseln von Wasser erlaubt und durch den das Wasser in eine sich verjüngende Filtereinheit gelangt, in die Luft zugeführt und in der Eisenphosphat ausgefällt wird, wobei das Eisenphosphat über die Verjüngung in einen auswechselbaren Auffangbehälter gelangt und das gereinigte Wasser durch mindestens einen, oberhalb des Endes der Verjüngung befindlichen Überlauf abgeführt wird.