DE10161239A1

DE10161239A1 - Biologisches Filter

Info

Publication number: DE10161239A1
Application number: DE2001161239
Authority: DE
Inventors: Jens Maehlmann; Ralph Kusserow; Rolf Arnold; Dietrich Uhlmann; Isolde Roeske
Original assignee: Saechsisches Textilforschungsinstitut STFI eV
Current assignee: Saechsisches Textilforschungsinstitut STFI eV
Priority date: 2001-12-13
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2003-06-26

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein biologisches Filter zur Wasserreinigung mit Makroorganismen, die auf einem Trägersubstrat fixiert sind, das aus einer flexiblen durchströmbaren Trägerstruktur (5) besteht, welche von einer groben Textilstruktur gebildet wird, deren Poren (6) um ein Vielfaches größer sind als die zu filternden Partikel und von Makroorganismen (7), vorzugsweise Dreikantmuscheln, besetzt ist. Die flexible Trägerstruktur erlaubt es, das biologische Filter (Trägerstruktur und Muscheln) direkt in das entsprechende Zielgewässer oder Reaktor einzubringen. Ein zusätzliches Becken oder Behälter ist nicht erforderlich. Die Dreikantmuscheln werden auf diese Art und Weise überhaupt erst technologisch nutzbar. Dieses Filtersystem kann sehr flexibel sowohl in natürliche als auch in gebaute Gewässer wie z. B. Teich-Freibäder eingebracht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein biologisches Filter mit Makroorganismen, die auf einer Trägerstruktur fixiert zur weitergehenden Abwasserreinigung, Gewässersanierung und als Hygiene-Monitor eingesetzt werden.
Das Filtrationsvermögen von Organismen (Partikelfresser) in Flüssen und Seen ist seit langem bekannt. Bei der Biofiltration durch Suspensionsfresser handelt es sich um ein Wirkprinzip, das in Gewässern "automatisch" für eine Elimination von partikulären Stoffen verantwortlich ist. Diese natürliche Filtrationsleistung kann durch die Organismen unabhängig von Trägerstrukturen erreicht werden. Muscheln, insbesondere die Dreikantmuschel (Walz, 1978; Stanczykowska, 1975) besitzt eine sehr hohe Effizienz bei der Elimination von Trübstoffen, Algen und Bakterien in einem Größenspektrum von ca. 0,4 bis 750 µm. Es kann von einer effektiven Filtrierleistung von 1 L.Indiv.^-1.d^-1 ausgegangen werden.

Das Prinzip der Abwasserreinigung mittels Muscheln ist aus US 5,628,904 bekannt. Darin wird ein geschlossener Reaktorraum mit festen Wandungen und Platten aus Stahl, Kunststoff oder Beton als Aufwuchsträger für Dreikantmuscheln für die Reinigung kommunaler Abwässer beschrieben. Diese Aufwuchsträger können nicht durchströmt werden. Das Patent sieht die Nutzung der Dreikantmuscheln zur Gewässersanierung nicht vor.

Eine Elimination von Bakterien und Viren durch die Dreikantmuschel in einem Reaktor ist in DE 199 10 278 A1 beschrieben. Die hier beschriebene Verfahrensweise erfordert die Verwendung von Muscheln, die auf natürlichen Substraten (Steinen) fixiert sind. Weiterhin wird ein technisches Verfahren zur Zuführung von (Ab-)Wasser in einen mit Muscheln besetzten Reaktor und eine Wegführung des Filtrats benötigt. Des weiteren sind umfangreiche Maßnahmen zur Erhaltung der Vitalität der Muscheln (Einstellen des pH- Wertes, Ammoniumgehalts, Calciumgehalts, Temperatur, Sauerstoffgehalt und Zufütterung mit Algen) erforderlich. Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist der Volumenverlust im Reaktor durch die eingesetzten natürlichen Substrate sowie deren Beschaffung.

Textile Filter sind in Ihrer Porengröße auf die Partikelgröße des zu filtrierenden Gemisches abgestimmt. Dadurch wird ein Rückhalt der Partikel aus dem anströmenden Gemisch erreicht. Die sich auf dem Filter ab- bzw. anlagernden Partikel führen zu einem Verschluss der Poren im Filtermedium. Das Zusetzen erfordert eine Wartung im Sinne einer Rückspülung des Filtermediums oder Ablösung des Filterrückstands. In der DE 196 54 030 ist ein textiler Aufwuchsträger für Organismen im Bioreaktor zur Abwasserbehandlung aus einer seilartigen, dreidimensionalen Maschenstruktur aus bändchenförmigem Kunststoffmaterial bekannt, in deren Bereichen voluminöse und offenporige Flächenabschnitte vorhanden sind. Dieser Aufwuchsträger ist nur für den Einsatz von aeroben und anaeroben Mikroorganismen vorgesehen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein biologisches Filter mit einem Filtermedium aus einer passiven Trägerstruktur mit einer aktiven Komponente zu schaffen, welches sich an die Partikelgröße und -geometrie des zu filtrierenden Mediums anpaßt und durch Selbstreinigung verstopfungsfrei arbeitet. Weiterhin soll sich das Filter insbesondere für die Abwasserreinigung und Gewässersanierung einsetzen lassen.

Gelöst wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 beschriebenen Erfindungsmerkmale. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Erfindungsgemäß wird ein biologisches Filter mit einem Filtermittel aus einer Textilstruktur bereitgestellt. Dieses Filtermittel zeichnet sich durch Poren aus, die größer als die zu filtrierenden Partikel sind. Es dient als Aufwuchsfläche (passives Element) und wird mit filtrierenden Organismen, insbesondere der Dreikantmuschel (Dreissena polymorpha), besetzt. Der Besatz kann durch gezielte Beimpfung mit Tieren oder Larvenstadien geschehen oder auf natürlichem Weg durch Einbringen der textilen Trägerstruktur in ein Gewässer.

Die Bestandsdichte benthischer Filtrierer, zu denen die Dreikantmuschel gehört, zeichnet sich durch eine weitaus größere zeitliche Konstanz aus, als die der planktischen Filtrierer, wie z. B. Daphnia. Durch das Bereitstellen zusätzlicher Ansatzflächen in Form textiler Trägerstrukturen wird die große aktive Oberfläche des Benthon, der Lebensgemeinschaft des Gewässergrundes, in die Freiwasserregion ausgedehnt. Die besonders günstige Exposition der besiedelten Trägerstruktur im Freiwasser (Pelagial) ermöglicht einen äußerst günstigen "mittleren Abstand" zum Plankton, der Hauptnahrung filtrierender Organismen. Bei einer Besiedlung mit 20-30 kg.m^-2 Muscheln auf der textilen Trägerstruktur (etwa 30.000-70.000 Tiere/m²) ergibt sich eine Filtrierleistung von 1,5 m³.m^-2.h^-1.

Hierbei wird weder ein Reaktor noch eine Prozesseinheit genutzt. Durch die Schaffung bzw. Bereitstellung zusätzlicher Aufwuchsfläche sollen Muscheln und weitere Organismen der benthischen Lebensgemeinschaft in die jeweiligen Zielgewässer (z. B. Schönungsteich) eingesetzt bzw. in einem Gewässer gefördert werden. Beim Einsatz in Gewässern, die der Erholung oder Trinkwassergewinnung dienen, kommt der Dreikantmuschel als Expositionsmonitor zur hygienischen Bewertung (Fäkalkeime, Viren, Parasiten) außerdem eine besondere Bedeutung zu.

Die flexible Trägerstuktur erlaubt es, das biologische Filter (Trägerstruktur und Muscheln) direkt in das entsprechende Zielgewässer oder Reaktor einzubringen. Ein zusätzliches Becken oder Behälter ist nicht erforderlich. Die Dreikantmuscheln werden auf diese Art und Weise überhaupt erst technologisch nutzbar. Dieses Filtersystem kann sehr flexibel sowohl in natürliche als auch in gebaute Gewässer wie z. B. Teich-Freibäder eingebracht werden. Durch die Integration von formgebenden Elementen kann die Trägerstruktur einfach an die jeweiligen Funktionen, wie Besiedlungsphase, Transport, Filter angepasst werden. Das so eingesetzte biologische Filter passt sich an die Partikelgröße und -geometrie des zu filtrierenden Mediums an und arbeitet verstopfungsfrei.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Die Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze zur Partikelelimination mit Hilfe der Dreikantmuscheln. In den Fig. 2 bis 4 sind mögliche Anwendungsformen des erfindungsgemäßen Filters dargestellt.

Die Fig. 1 zeigt, daß mit dem Einsatz einer groben dreidimensionalen Textilstruktur als Trägerstruktur 5 für die Dreikantmuscheln 7 ein gesteuertes Durchströmen des Biofilters ermöglicht wird, wobei die Poren 6 dieser textilen Trägerstruktur 5 um ein Vielfaches größer sind, als die zu filtrierenden Partikel 1 bis 3. Die an der Trägerstruktur 5 aufwachsenden Muscheln 7 filtrieren zur Nahrungsaufnahme aktiv Partikel 4 aus dem Wasser, die entweder zum Aufbau von Biomasse (a) oder als sogenannte Pseudofaeces (b) deponiert werden.

Die eingesetzte Dreikantmuschel (Dreissena polymorpha) ist eine der Miesmuschel ähnliche Art, die im Süß- und Brackwasser lebt. Die Dreikantmuschel ist in der Lage, sich dauerhaft an eine feste Unterlage zu heften. Dazu bildet sie Proteinfäden (Byssus), die im Wasser erhärten und sie sicher mit der Unterlage verbinden. Ein Verschlammen der schwimmenden Muschelbank durch eigenen Kot ist nicht möglich. Als Folge der Filtrationstätigkeit der Dreikantmuscheln ist eine Zunahme der Sichttiefe zu erwarten.

Um eine optimale Versorgung der Muscheln mit Sauerstoff und einen guten Kontakt zum filtrierenden Medium zu gewährleisten, erfolgt vorzugsweise die senkrechte Anordnung der Trägerstruktur 5. Um die Gefahr des Erfrierens bei zufrierender Gewässeroberfläche zu verhindern und einen Fraßschutz (Fische, Wasservögel) zu bieten, erfolgt die Anordnung der Trägerstruktur 5 unterhalb der Wasseroberfläche.

Für den Einsatz kann das biologische Filter durch die Verwendung flexibler Textilstrukturen mit angearbeiteten Halteorganen durch Einhängen in ein Becken, Teich oder See (Gewässer) schnell und problemlos angeordnet werden, wobei die filtrierenden Muscheln 7 bereits an der Trägerstruktur 5 angesiedelt sein können und gemeinsam mit dieser zum Zielgewässer transportiert werden können oder sich erst im Zielgewässer darauf ansiedeln.

Das erfindungsgemäße biologische Filter kann in vielfältigen Anwendungsformen eingesetzt werden, wie beispielsweise in den Fig. 2 bis 4 dargestellt. Gemäß Fig. 2 kann die Ausführung durch unten und an den Seiten geschlossene Anordnung der Trägerstrukturen 10, die durch Auftriebselemente 9 über dem Grund in Schwebe gehalten werden, erfolgen. Eine mehrfache Anordnung der Trägerstrukturen 10 übereinander ist möglich. Ein Schutz von oben kann durch überspannende, ggf. auch selbst schwimmfähige, vorzugsweise textile Strukturen 8, erfolgen, die vorzugsweise in einem relativ geringen Abstand über den Auftriebselementen 9 vorgesehen sind.

Durch eine Integration oder Befestigung an formgebenden Elementen, z. B. flexible Stäbe 12 (Fig. 3) kann eine sackartige Form der textilen Aufwuchsträger 11, die um eine Zentralachse 13 mit Aussteifungen 14 angeordnet sind, erreicht werden.

Die Fig. 4 zeigt als weitere Anwendungsform des biologischen Filters rohrförmige Strukturen 17 mit geöffneten oder geschlossenen Stirnseiten, die durch Auftriebskörper 15 und Beschwerungselemente 16 in ihrer Lage im Wasser beliebig angeordnet und gehalten werden können.

Derartige Filter sind beispielsweise zur Leistungssteigerung von Schönungsteichen von Bedeutung. Auf Grund der verlängerten Verweilzeit des Abwassers in den Schönungsteichen und des vergleichsweise hohen Nährstoffangebots ist häufig eine Sekundärverschmutzung der Abläufe durch Algenblüten zu beobachten.

Die nachgewiesene Keimelimination (Ral, 1999) und die potentielle Eliminationskapazität der Makroorganismen bezüglich Parasiten bzw. enteraler Viren ist im Hinblick auf den Einsatz des Muschelfilters in Erholungsgewässern von besonderer Bedeutung.

Ein weiteres potentielles Einsatzgebiet ist die Anwendung von filtrierenden Organismen, z. B. der Dreikantmuschel als biologischer Indikator zur hygienischen Bewertung von gereinigtem Abwasser, Badegewässern und Oberflächengewässern, die zur Trinkwasseraufbereitung herangezogen werden. Fäkalkeime, humanpathogene Parasiten und schwebstoffgebundene Viren werden von diesen Organismen, z. B. der Dreikantmuschel filtriert und lassen sich im Organismus nachweisen.

Claims

1. Biologisches Filter zur Wasserreinigung mit Makroorganismen, die auf einem Trägersubstrat fixiert sind, das aus einer flexiblen durchströmbaren Trägerstruktur (5) besteht, welche von einer groben Textilstruktur gebildet wird, deren Poren (6) um ein Vielfaches größer sind als die zu filternden Partikel und von Makroorganismen (7), vorzugsweise Dreikantmuscheln, besetzt ist.

2. Biologisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die textile Trägerstruktur (5) nahezu senkrecht angeordnet ist.

3. Biologisches Filter nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die textile Trägerstruktur (5) in offener oder geschlossener geometrischer Form, wie beispielsweise rohr-, sack- oder taschenförmig, ausgebildet ist.

4. Biologisches Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die textile Trägerstruktur (5) durch beispielsweise intergrierte Auftriebkörpern (9, 15) und/oder Beschwerungselementen (16) beliebig im Wasser angeordnet und gehalten wird.

5. Biologisches Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die textile Trägerstruktur (5) formgebende Elemente, z. B. flexible Stäbe (12) oder dgl., integriert sind.

6. Biologisches Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die textile Trägerstruktur (5) aus einem netz-, gitter- oder schlauchartigen Flächengebilde, beispielsweise Gewebe, Gestricke, Gewirke, Nähgewirke, Vliesstoff oder dgl. besteht.

7. Biologisches Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die textile Trägerstruktur (5) aus einer dreidimensionalen Maschenstruktur aus bändchenförmigen Material besteht.

8. Biologisches Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die textile Trägerstruktur (5) aus textilem und/oder nichttextilem Material gefertigt ist.

9. Biologisches Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter zuätzliche Besiedelungsflächen enthält.

10. Biologisches Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter zur Abwasserreinigung, Gewässersanierung und als Hygiene-Monitor eingesetzt werden kann.