-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Pflanzenkläranlage, sowie Pflanzenkläranlage (Photobioreaktor) selbst, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 9.
-
Die Wasserbehandlung, insbesondere die Abwasserbehandlung mittels Pflanzenkläranlagen ist bekannt. Dabei wird das Wasser oder das Abwasser durch Freilandbecken geleitet, die mit aquatischen und/oder Sumpfpflanzen besiedelt sind. Mit entsprechenden Verweilzeiten des Abwassers in den Kulturbecken solcher Pflanzenkläranlagen bauen die aquatischen Pflanzen sodann bestimmte Inhaltsstoffe ab. Solche bekannten Pflanzenkläranlagen befinden sich auf großen Freilandteichen, und sind üblicherweise der Witterung ausgesetzt. Da sie in der Ebene angelegt werden, werden auch entsprechend große Areale benötigt. In Konsequenz heisst dies, dass die Anlagen sehr groß und in den meisten Regionen gar nicht ganzjährig betrieben werden können.
-
Die wirtschaftlich vernünftige Einhausung solcher bekannter Pflanzenkläranlagen scheitert an den großen Arealen, wenn diese nur in einer Ebene betrieben werden. Weiterhin ist die Wasserhandlung mit solchen bekannten Anlagen nicht mehr exakt reproduzierbar, sondern eher zufällig. Die Reinigungsleistung ist damit weder gut reproduzierbar, noch ist sie vorhersehbar steuerbar, insbesondere wenn die benötigten riesigen Kulturflächen im Freiland wechselnden Witterung ausgesetzt sind. Ebenso ist kein von Jahreszeiten unabhängiger Betrieb möglich.
-
Die Wasser-, bzw Abwasserbehandlung ist auch mit geschlossenen Photo-Bioreaktoren möglich, in denen außerdem die aquatischen Kulturpflanzen zumindest zum Teil nach Schwachlichteignung ausgewählt und in Stapelkulturen angelegt sind.
-
Solche bereits vorteilhaften Einrichtungen sind bspw aus der
WO2010/043323 A2 bekannt.
-
Für die Anwendung der Reinigung hochsaliner Abwässer spielt die saline Grenzverträglichkeit der benutzten aquatischen Pflanzen eine erhebliche Rolle.
-
Gruben und Minenwasser können erhebliche Mengen von Salz, im Bereich von 45 Gramm pro Liter enthalten.
-
Pflanzen mit einer solch hohen Salzverträglichkeit sind bspw Pflanzen aus der Gruppe oder Gattung der Halophyten die auch in Salzwiesen am Wattenmeer wachsen.
-
Um jedoch einen guten Reinigungs- sprich Abkonzentrierungseffekt mittels einer Pflanzenkläranlage zu erzielen, müssen aquatische Pflanzen verwendet werden, die stark massenwüchsig sind, und zwar bei dennoch hoher Salz- oder Inhaltstoffbelastung des Abwassers.
-
Hierzu zählen für eine Ganze Reihe von Inhaltsstoffen wie bspw aber nicht ausschließlich Salz, bestimmte Gattungen und Sorten der Wasserlinsen (Lemnacea, Landoltia punctata etc).
-
Dabei ist deren Salzverträglichkeit aber geringer als bei Halophyten.
-
Im Falle eines Betriebes einer in einem Photobioreaktor geschlossenen System ist eine von Jahreszeiten und Witterungsänderungen unabhängige Betriebsweise mit geschlossenem Wärmekonzept angestrebt, wie es aus der genannten
WO 2010/0043323 A2 bekannt ist.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde bei einem Verfahren zum Betrieb einer Pflanzenkläranlage, sowie bei einer Pflanzenkläranlage selbst mit einfachen Mitteln eine Abkonzentrierung des Salzes oder anderer Inhaltsstoffe so vorzunehmen, dass die genannten aquatischen Pflanzenkulturen ohne Vorstufe zur Abkonzentrierung durch Abmischen in den gefloateten Wannen verwendet werden können.
-
Die gestellte Aufgabe wird hinsichtlich eines Verfahrens erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 8 angegeben.
-
Im Hinblick auf eine Pflanzenkläranlage der gattungsgemäßen Art ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 9 gelöst.
-
Weitere diesbezügliche Ausgestaltungen sind in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Kern der verfahrensgemäßen Erfindung besteht darin, dass das Abwasser in Durchleitwannen durchgeleitet wird, und dass die aquatischen Pflanzen in Kulturwannen angeordnet sind, und die mit dem Abwasser durchfluteten Durchleitwannen über ein oder mehrere Diffusionselemente diffusionsschlüssig verbunden sind, derart, dass das Wasser in den Kulturwannen eine gegenüber dem Wasser in den Durchleitwannen geringerere inhaltstoffliche Konzentration aufweist.
-
Dies bewirkt, dass bspw die Kulturwanne, die direkt mit dem Abwasser gespeist wird, nunmehr bei beispielsweise einer Salzfracht von 45 gramm pro Liter liegen kann, während in der darin direkt schwimmenden Schwimmwanne nur noch eine Salzfracht von weniger als 12 gramm pro Liter vorliegt. In der Schwimmwanne liegt somit eine deutlich niedrigere Salinität vor, die in diesem Falle soweit abgemildert ist, dass bspw die Wasserlinsen darin wachsen können.
-
Bei entsprechenden Verweilzeiten wird durch die Umsetzung in Biomassezuwachs innerhalb der Kulturwanne eine Bindung des Salzes und damit ein Konzentrationsgefälle durch den Boden der bspw in der Durchleitwanne schwimmenden Kulturwanne bewirkt, dass stetig Salz aus dem Wasser der Kulturwanne entnommen wird.
-
Bei dem hierbei dargestellten Beispiel ist Salz nur Platzhalter für eine Vielzahl von im Abwasser kritischen Stoffen, die auf diese Weise abkonzentriert und biogen in Biomasse gebunden werden kann.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist daher angegeben, dass als Diffusionselemente selektiv durchlässige Dochte oder Diffusionsmembranen verwendet werden. Diese bewirken eine in der Wirkung abkonzentrierende Durchleitung des Kulturwassers in dem oben beschriebenen Sinn. Ein Beispiel hierzu wird in dem Ausführungsbeispiel weiter unten beschrieben. Eine erste Alternative ist damit gegeben, dass Durchleitwanne und Kulturwanne jeweils dicht nebeneinander oder übereinanderliegend betrieben werden. Die Wannen folgen dabei einer nach der anderen und in der gestapelten Anordnung von oben nach unten, so dass eine schlüssige, quasi in Etagen gefaltete und damit kompakte gesamte Durchleitstrecke entsteht.
-
In weiterer Ausgestaltung ist daher eine weitere Alternative angegeben, nämlich dass die Kulturwannen in den Durchleitwannen schwimmen und die Schwimmwannen zumindest bodenseitig mit einem Material einer fertigungstechnisch einstellbaren Kapillarität oder Flüssigkeitsdurchlässigkeit oder mit einer selektiv durchlässigen Membrane versehen sind.
-
Auch hierbei ist eine über Etagen verteilte schlüssige gesamte Durchleitstrecke in Etagen gefaltet und gestapelt und damit kompakt ausgestaltet. Die Stapelbarkeit wird unter anderem durch die besagte Verwendung von Schwachlichtpflanzen realisiert. Auch eine Fremdbeleuchtung durch Kunstlicht ist möglich, wenn die Stapeldichte hoch ist und/oder das verfügbare Tageslicht nicht ausreicht.
-
Diesbezüglich ist weiter ausgestaltet, dass die Durchleitwannen in der Tiefe so gewählt sind, dass die darauf schwimmenden Kulturwannen maximal einen Bruchteil des in der Kulturwanne vorhandenen Wassers in das Innere der schwimmenden Kulturwanne durchlassen.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Kapillarität zwischen 10 Mikrometer und 0,0001 Mikrometer so eingestellt wird, dass die schwimmende Kulturwanne Wasser vom höher konzentrierten Wasser der Durchleitwanne in das Innere der Kulturwanne zieht, in der die aquatischen Pflanzenkulturen angelegt sind.
-
Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass die Schwimmwanne aus einem Polystyrol-Kunststoff besteht.
-
In Bezug auf ein Verfahren zur Herstellung einer schwimmenden Kulturwanne für den Einsatz im Betriebsverfahren ist angegeben, dass zumindest der Boden der schwimmenden Kulturwannen aus einem aus Kugeln oder Partikeln in thermisch unterstütztem Pressverfahren hergestellten Werkstoff bestehen, bei dem durch Wahl der Abmessung der Kugeln oder Partikeln und/oder des Pressdruckes und/oder der Prozesstemperatur die Kapillarität einstellbar ist. Dieser Werkstoff kann dabei ebenfalls Polystyrol sein.
-
So lässt sich der Durchlässigkeitsbereich bei der Herstellung der schwimmenden Kulturwannen oder des Bodenelementes der schwimmenden Kulturwanne einstellen.
-
In Bezug auf eine Pflanzenkläranlage mit einer zumindest teilabgeschlossenen Außenhaut in der Art eines Photobioreaktors bildenden Einhausung, innnerhalb welcher in gestapelten Wannen zumindest teilweise aquatische Schwachlichtpflanzen kultiviert werden, besteht die Erfindung darin, dass das Abwasser in Durchleitwannen durchleitbar ist und die aquatischen Pflanzen in separaten Kulturwannen platziert sind, dass die Durchleitwannen neben oder unter den Kulturwannen angeordnet sind, und das Abwasser der Durchleitwannen über ein oder mehrere Diffusionselemente diffusionsschlüssig mit den Kulturwannen verbunden sind, derart, dass das Wasser in den Kulturwannen eine gegenüber dem Wasser in den Durchleitwannen geringerere inhaltstoffliche Konzentration aufweist.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Diffusionselemente selektiv durchlässige Membranen oder selektiv durchlässige kapillarische Dochte sind.
-
Aber auch bei der Einrichtung ist wesentlich, dass die Wannen in Stapeln angeordnet sind, derart, dass die verwendeten Pflanzen noch ausreichend Steulicht erhalten.
-
Außerdem kann dieser so als Pflanzenkläranlage betriebene Photobioreaktor auch zusätzlich CO2-begast werden, bspw aus CO2-haltigen Abgasen eines Biomasse- oder Biogas-Blockheizkraftwerkes. Dies, weil ein höheres CO2-Angebot auch das Wachstum der aquatischen Pflanzen stimuliert. Ein erhöhtes Wachstum führt auch zu einer erhöhten effektiven Reinigungswirkung des eingespeisten Abwassers oder Grubenwassers, oder Weidewassers, oder Brackwassers, oder gar Meerwassers.
-
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend weiter beschrieben.
-
Es zeigt:
-
1: erste Alternative mit schwimmender Kulturwanne in Durchleitwanne
-
2: zweite Alternative mit gänzlich separierten Wannen
-
1 zeigt die erste Alternative, bei der die Durchleitwanne 1 bspw mit salzigem Brackwasser befüllt wird, bei einer Leitfähigkeit von ca 70 milliSiemens (mS). Innerhalb der Durchleitwanne 1 schwimmt die Kulturwanne 2, die entweder ganz oder zumindest bodenseitig aus einem Material mit der genannten selektiven Diffusivität besteht. Hierzu können Werkstoffe eingesetzt werden wie bspw spezielle Polystyrolmaterialien, bei denen über die Größe der einzelnen Polystyrol-Partikel die Diffusivität erstellungsmäßig eingestellt werden kann. Die schwimmende Kulturwanne 2 wird dabei mit einem Nullwasser, d. h. mit einem Kulturwasser bei quasi 0 mS Leitfähigkeit befüllt und mit bspw Wasserlinsen besiedelt. Zwischen dem Wasser der Durchleitwanne und dem Kulturwasser der Schwimmwanne besteht nun über die selektive Diffusionsstrecke ein Konzentrationsgradient, der so genutzt wird, dass salziges Wasser aus der Durchleitwanne in das Kulturwasser der schwimmenden Kulturwanne diffundiert, aber Salz entlang der Diffusionsstrecke zumindest soweit moderiert wird, dass nachhaltig nicht mehr als 20 mS Leitfähigkeit oder weniger in dem Kulturwasser der schwimmenden Kulturwanne verbleiben.
-
Bspw die Wasserlinsen vertragen ein Kulturwasser von maximal 20 mS, aber auf keinen Fall dauerhaft 70 mS. Auf diese Weise aber ist durch die besagte selektive Diffusion eine Herabsetzung der Salinität und damit der Leitfähigkeit im Kulturwasser gegeben.
-
Innerhalb der Kulturwanne nimmt die Wasserlinse das Kulturwasser auf und verstoffwechselt dieses. Der Biomassenzuwachs führt dazu, dass immer mehr des salinen Wassers in abkonzentrierter Form biogen gebunden wird.
-
Die besagte Diffusionsstrecke führt also zu einer Abmilderung der Salinität in einer Weise, dass dieses Wasser von den Kulturpflanzen 5 bspw Wasserlinsen aufgenommen werden kann.
-
Der gesamte Prozess wird dabei nicht nur in einer Wanne durchgeführt, sondern in einer gestapelten Anordnung, wie dies in einem Photobioreaktor aus der
WO 2010/0043323 A2 gezeigt ist. Die Durchleitwannen sind miteinander verbunden und führen so das gesamte Abwasser von oben nach unten seriell von Wanne zu Wanne.
-
Die Kulturwannen werden regelmäßig bspw täglich teilbeerntet mit mindestens 20% der enthaltenen Biomasse oder mehr. Dadurch wird der Massenwuchs zu einen stimuliert, und zum anderen generiert die neue Biomasse auch ein neues Depot für aufzunehmende Inhaltsstoffe (bspw Salz) aus dem Wasser.
-
Eine zweite Alternative zeigt 2. Dort sind die Durchleitwannen 1 und die Kulturwannen 2 nebeneinander oder übereinander angeordnet. Durch die Durchleitwannen 1 wird wie im Beispiel oben das hochbelastete Wasser durchgeleitet. Mit dem Wasserkörper der Durchleitwanne steht der Wasserkörper 1 der Kulturwanne 2 über eine Mehrzahl von selektiven Diffusionsbrücken oder selektiv diffusive Dochte in Verbindung. Die Kulturwanne 2 ist dabei bspw mit Wasserlinsen besiedelt. Die Durchleitung ist entweder pflanzenlos oder wegen der dort höheren Salzkonzentration mit Halophyten besetzt, an deren Wurzelbereich vorbei das Durchlaufwasser strömen kann. Solche Pflanzen aus der Gattung der Halophyten sind hoch salzverträglich. Dabei wird der Wasserspiegel in der Durchleitwanne gegenüber dem Wasserspiegel in der Kulturwanne durch bspw ventilgesteuerte Zuflussregelung so geregelt, dass der Wasserspiegel in der Durchleitwanne gegenüber dem Wasserspiegel in der Kulturwanne so erhöht ist, dass die Diffusion so mit beinflusst werden kann. Die selektive Diffusivität wird im Übrigen über die Kapillarität, die Dichte, Faserdichte, Faserdurchmesser, Oberflächentextur der Fasern der Dochte etc in bekannter Weise eingestellt.
-
Auch hier ergeben sich die im ersten Ausführungsbeispiel angegebenen Leitfähigkeitsverhältnisse, von bspw 70 mS in der Durchleitwanne 1 und bspw 20 mS in der Kulturwanne 2, so dass bspw die Wasserlinse gut mit dem Kulturwasser zurecht kommt, und nachhaltig Salz bei niedrigerer Konzentration aufnehmen kann.
-
Zusätzlich kann in dieser Ausführungsform die Durchleitwanne 1 auch mit aquatischen Pflanzen besiedelt sein wie bspw mit hoch salzverträglichen Pflanzen der Gattung der Halophyten, wie oben ausgeführt. Diese Pflanzen vertragen eine dauerhafte Beaufschlagung mit hoher Salinität bei bpsw 70 mS. Der Massenzuwachs ist zwar kleiner als der bei Wasserlinsen, aber dafür arbeiten beide Kulturen parallel an der Abkonzentrierung von Salz in dem zugeführten Wasser. Dabei ist es jedoch vorteilhaft, den Wurzelballen der aquatischen Pflanzen (Halophyten) nicht mit Erde zu versehen, weil dies das Wasser der Durchlaufwanne 1 zusätzlich verkeimen würde, sondern als Wurzelsubstrat Steinwolle oder Blähton zu verwenden, an dem das Wasser der Durchleitwanne vorbeiströmt.
-
Dieses Prinzip lässt sich auf jeden Inhaltsstoff und jedes Abwasser applizieren, indem man Pflanzen mit hoher spezifischer inhaltsstofflicher Resistenz in der Durchleitwanne kultiviert, und parallel dazu in so abkonzentriertem Nebenfluss final die Wasserlinse kultiviert.
-
In beiden Ausführungsformen gehört wegen der benutzen abgeschlossen eingehausten Anlage auch das Verdunstungswasser mit zum gesamten Wasserkörper. Dies weil diese besagten Einrichtungen (Photobioreaktoren) auch mit Prozessabwärme gespeist werden, so dass es durch die durch die Pflanzen gegebene Vervielfachung der verdunstenden Oberfläche zu einem großen Anfall von Kondensatwasser kommt.
-
So können bpsw die Durchleitwannen und/oder die Kulturwannen mit zusätzlich und darüber angeordneten lichtdurchlässigen Kondensationsschalen versehen sein, die das Kondensat entweder in das Wasser der jeweiligen Wanne zurücktropfen, oder das Kondensat tropft so ab, dass es in separate Rinnen vom Wasserkörper der Wannen getrennt gesammelt wird.
-
Diese Kondensatwasser gehört aber in Summe mit zu dem gesamt durchgeschleusten Wasserkörper des Photobioreaktors und wird mit zur Unterstützung der Abkonzentrierung des durchgeschleusten Wassers in Wasserkörper, d. h. zu den Kulturen zurückgeführt, bevor es aus der Anlage mitsamt dem biogen abkonzentrierten Wasser ausgeleitet wird.
-
In beiden Ausführungsformen wird dabei eine Stapelreaktoranordnung gewählt, wie sie aus der
WO 2010/0043323 A2 bekannt ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Durchleitwanne
- 2
- Kulturwanne
- 3
- Selektives Diffusionselement Boden oder Wandung
- 4
- Selektives Diffusionselement Docht
- 5
- Aquatische Kulturpflanze
- 6
- Kulturpflanze
- 7
- Rücktropf-Kondensatfallen
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- WO 2010/043323 A2 [0005]
- WO 2010/0043323 A2 [0012, 0042, 0051]
