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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Entfernung von Verunreinigungen aus Wasser, insbesondere zur Entfernung von Bakterien, Viren, Wurmeiern, Cryptosporidien, Schwermetallen, Algen, Belebtschlammflocken und sonstigen Partikeln, an und/oder in denen auch unerwünschte Nährstoffe wie Stickstoff und/oder Phosphor gebunden sein können.
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Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Schmutzwasseraufbereitung, die Verbesserung der Reinigungsleistung kommunaler und häuslicher Kläranlagen zum Schutz der Vorfluter vor Eutrophierung (Überdüngung) und vor dem Eintrag multiresistenter Krankheitserreger. Ferner ist die Erfindung einsetzbar und/oder nachrüstbar in natürlichen Gewässern, Bewässerungswasser, Fisch- und/oder Badeteichen, mit Einschränkung auch in der Aufbereitung von Trinkwasser und in der Wasseraufbereitung in ausgewählten Industriezweigen.
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Dabei wird die enorme Filtrationsleistung vor allem der Zebramuschel technisch genutzt, die Partikel, Bakterien u. a. aus verunreinigtem Wasser herausfiltriert, sich davon ernährt und überschüssige Substanzen in verklumpter gut absinkender Form ausscheidet. Hierzu erzeugt jede einzelne Muschel einen Wasserstrom, wobei sie Wasser durch eine Einströmöffnung ansaugt (innerer Wasserstrom), durch ihre Kiemen filtriert, worin Partikel hängen bleiben, und das partikelfreie Wasser durch eine Ausströmöffnung wieder nach außen abgibt. Der Wasserstrom setzt sich auch ausserhalb der Muschel in Kreisen von bis zu 10 cm Durchmesser fort (äußerer Wasserstrom), was in partikelreichem Wasser gut zu beobachten ist.
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Aus der
DE 19910278 C2 (Ral) ist ein Verfahren und eine Anordnung zur Elimination von Schwebstoffen und Schwermetallen sowie von Bakterien und Viren aus verunreinigtem Wasser bekannt, wobei das zu reinigende Wasser in einen Muschelreaktor eingeleitet wird, in dem die Größe der Muscheln in Fliessrichtung abnimmt und verschiedene Parameter (Ammoniumgehalt, Temperatur, pH-Wert, Sauerstoffgehalt und Calciumgehalt) auf eng begrenzte Werte eingestellt werden, zudem regelmässig eine Algensuspension zugegeben wird und die Muscheln regelmässig für 1 bis 2 Stunden trocken gesetzt werden, um eine ausreichend große Filtrationsleistung der Muscheln zu erreichen.
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Die Nachteile dieses Verfahrens sind offensichtlich: Es bedeutet einen erheblichen analytischen, technischen, organisatorischen und materiellen Aufwand, die angegebenen Werte permanent zu überwachen und auf die Sollwerte einzustellen. Aus den
1 und
2 der
DE 19910278 geht hervor, dass die Abschnitte a, b, c übereinander angeordnet sind und dass die Fliessrichtung laut Bezugszeichen
1a und
2a ausdrücklich aus der darunterliegenden Etage zur darüberliegenden Etage verläuft, wobei Wasser-undurchlässige Leitbleche den Durchfluss in Mäandern führen. Nachteilig bei dieser Anordnung ist ebenfalls, dass sich Ausscheidungen der Muscheln auf den Muscheln ablagern, die Filtrationsleistung behindern und den Entkeimungserfolg verringern.
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Weiter ist aus der
US 5628904 (Bean) ein Verfahren bekannt, nach dem kontaminiertes Wasser ebenfalls an Muscheln vorbei geleitet wird, wobei die Muscheln auf Wasser-undurchlässige Plastik-, Stahl- oder Betonplatten aufgebracht sind, durch die der Wasserstrom in vertikal auf und ab laufende Serpentinen gezwungen wird.
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Nachteilig bei diesem Verfahren ist die strenge Serpentinen-Führung des Wasserstromes, der durch die Wasserundurchlässigen Aufwuchs-Platten zustande kommt: Durch die starren Hindernisse wird der von den Muscheln erzeugte natürliche äußere Wasserstrom behindert, was die nutzbare Filtrationsleistung erheblich verringert.
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Aus der
US 5520810 (Goudy) ist ein Verfahren und eine Anordnung bekannt, nach welchen die Muscheln in eine geschlossene Säule eingebettet werden, die von unten nach oben vertikal durchflossen wird. Nachteilig bei diesem Verfahren ist wiederum die Einbettung der Muscheln in eine starre Röhre, die die von den Muscheln erzeugte natürliche Strömungsrichtung behindert und dadurch die Filtrationsleistung schmälert. Nachteilig ist ebenfalls, dass die Sedimente nicht aus dem System entfernt werden, sondern sich auf den Muscheln ablagern. Die
6,
7 und
9 der
US 5520810 zeigen, dass mit dem dort beschriebenen System keine kontinuierliche Verringerung des Bakteriengehaltes des zu reinigenden Wassers erreicht wird.
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Weiter ist aus der
DE 3537256 (Zarnack) ein Verfahren und eine Anlage zur Abwasserreinigung bekannt, wobei das Abwasser durch belüftete Muschelbänke geleitet wird. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass weder ein Verfahren noch eine Vorrichtung vorgesehen sind, um die sich dabei bildenden Sedimente aus dem System zu entfernen. Statt dessen lagern sich die Ausscheidungen der Muscheln auf den Muscheln ab und behindern einerseits die gewünschte Filtration, andererseits vermehren sich unverdaute Bakterien in diesen Ablagerungen und treten wieder in die Wasserphase über. Ein Reinigungseffekt tritt also in der Summe nicht ein, im Ablauf ist möglicherweise sogar mit einem höheren Bakteriengehalt zu rechnen als im Zulauf.
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Aus der
DE 10161239 (Sächsisches Textilforschungsinstitut) ist eine Anordnung bekannt, nach der ein mit 30.000 bis 70.000 Muscheln/m
2 bewachsenes textiles Aufwuchsmaterial eingesetzt wird, um Partikel aus dem Wasser zu filtrieren. Eine erwachsene Dreikantmuschel beansprucht etwa 1 cm
2 Fläche, so dass auf diesen Materialien die Muscheln dicht aneinander und sogar übereinander angeordnet sind. Nachteilig hierbei ist, dass sich die Muscheln hierbei gegenseitig behindern. Insbesondere ist in dieser Anordnung der von den Muscheln erzeugten äußeren Wasserstrom zumindest behindert, auf annähernd kreisförmigen Bahnen ist ein äußerer Wasserstrom für die Mehrzahl der so angeordneten Tiere unmöglich, so dass die Filtrationsleistung der Tiere nicht ausgeschöpft werden kann.
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Auf http://www.blumberg-engineers.de/Downloads/BMBF-Projekt_Muschelfilter.pdf (Stand 25.2.2004) ist eine Versuchsplanung beschrieben, in der sogar von einer Bewuchsdichte von 350 000 Muscheln pro m
2 ausgegangen wird. Verwendet wird das gleichen textile Aufwuchsmaterial wie in der
DE 10161239 . Somit sind die Nachteile die gleichen, wie im vorigen Absatz beschrieben.
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Aus der
DE 19654030 A1 ist eine Anordnung bekannt, deren Ziel es ist, als Reinigungsmedium für Abwasser eine optimale Anwuchsfläche für Mikroorganismen zu schaffen (vergleiche Anspruch 1). Mikroorganismen, hier insbesondere Bakterien und Biofilme, können aber nur gelöste Stoffe aus verunreinigtem Wasser entfernen. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, dass hiermit keine partikulären Verunreinigungen (Schwebstoffe, pathogene Keime, Algen, Cryptosporidien) aus dem Wasser entfernt werden können.
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Aus der
DE 3624299 C2 ist ein Verfahren zum Überziehen des Meeresbodens mit einer Abdeckschicht an Endlagerstätten oder Schwermetall-belasteten Stellen bekannt. Hierbei werden vertikale Muschelkulturen zur Einlagerung von Schwermetallen genutzt. Nachteilig hierbei ist, dass keine regelmäßige Entfernung der Ausscheidungen der Muscheln oder der Muschelschalen vorgesehen ist, um angereicherte Schadstoffe zu entfernen, so dass die dort beschriebene Vorrichtung nicht geeignet ist, Verunreinigungen wie Krankheitserreger, Schwebstoffe oder gelöste organische Stoffe aus dem Gewässer zu entfernen. Es wird lediglich eine abgedeckte Endlagerstätte für Schwermetalle auf dem Meeresgrund beschrieben.
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Nachteilig beim Stand der Technik ist ein erheblicher analytischer, technischer, organisatorischer und materieller Aufwand, die strenge Serpentinenführung und/oder der unmittelbare Kontakt der Muscheln mit Wasser-undurchlässigem Material, wobei die von den Muscheln erzeugte Wasserströmung behindert wird, sowie bei den meisten bekannten Verfahren die Ablagerung von Ausscheidungen auf den Muscheln, wobei die Filtrationsleistung behindert und ein Entkeimungserfolg nicht oder zur unzureichend erreicht wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zu schaffen, mit welcher die oben genannten Nachteile am Stand der Technik behoben werden und mit welcher eine unkomplizierte und dauerhafte Entfernung von partikulären Verunreinigungen wie Bakterien, Viren, Wurmeiern, Cryptosporidien etc. sowie von sonstigen unerwünschten Schwebstoffen und/oder Schwermetallen aus verunreinigtem Wasser erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale der Ansprüche eins und vier. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass beispielsweise ein Kläranlagenablauf ohne Energie- und Chemikalieneinsatz bis auf Badegewässerqualität entkeimt werden kann (beispielsweise gemäss den Grenzwerten der Europäischen Badegewässer-Richtlinie), wobei gleichzeitig gegen Antibiotika multiresistente Keime daran gehindert werden, in die Umwelt zu gelangen. Durch den gleichzeitigen Rückhalt von Schwebstoffen sowie daran gebundenen Schad- und Nährstoffen kann das Verfahren und die Anordnung auch eingesetzt werden, um gemäss den Anforderungen der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie bis 2015 einen guten ökologischen Zustand aller Binnengewässer zu erreichen, und zwar kostengünstig, sozial- und umweltverträglich.
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Gegenüber dem Stand der Technik hat die Erfindung den entscheidenden Vorteil, dass die Muscheln nicht auf starren Trägern sitzen, die die von den Muscheln erzeugte Wasserströmung in deren unmittelbarer Umgebung behindern, sondern dass die Tiere auf und/oder in zumindest teilweise Wasserdurchlässigen Trägermaterialien angeordnet sind. Dies hat den Effekt, dass der von den Muscheln erzeugte äußere Wasserstrom nicht gegen ein künstliches Hindernis gerichtet oder durch ein Hindernis gebremst ist, wodurch die Muscheln unnötig viel Kraft verbrauchen, sondern dass der äußere Wasserstrom in der unmittelbaren Umgebung der Tiere (Radius bis etwa 10 cm) weitestgehend in seiner Richtung flexibel bleibt. Den so eingesparten Kraftaufwand setzt die Muschel in eine erheblich effizientere Filtration und grösseren Wasserdurchsatz um. Durch die Anordnung der Muscheln auf/in zumindest teilweise Wasser-durchlässigen Materialien lässt sich eine höhere Effizienzsteigerung der Filtrationsleistung erreichen, als dies durch die aufwändige Einstellung der im Hauptanspruch der
DE 19910278 C2 benannten Rahmenbedingungen möglich war.
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Erfindungsgemäß ist ebenfalls, die Trägermaterialien 7, 9, 11 und/oder 15 vertikal oder schräg statt horizontal im zu reinigenden Wasser anzuordnen, derart dass die Fliessrichtung waagerecht daran vorbei und teilweise hindurch führt: So bilden sich keine Ablagerungen aus Ausscheidungen 16 auf den Muscheln 1, die die Filtrationsleistung behindern. Die Ausscheidungen der Muscheln sinken ungehindert ab und werden regelmässig vom Sammelbereich 17 auf dem Boden entfernt, wobei der Boden ein künstlicher Bereich der Anordnung ist. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Trägermaterialien 7, 9, 11 und/oder 15 nicht in einem speziellen Behältnis (Reaktor) integriert sind, sondern dass sie in einer beliebigen Stelle des Gewässers oder des zu reinigenden Schmutzwasserstromes angeordnet sind.
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Der Vorteil des technisch verbesserten Verfahrens liegt darin, dass sich die Filtrationsleistung der Muscheln dadurch so erheblich verbessert, dass die Einstellung der Rahmenbedingungen nach dem Stand der Technik demgegenüber vernachlässigbar ist.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand von zumindest teilweise in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 inneren Wasserstrom durch eine Muschel und äußeren Wasserstrom in ihrer näheren Umgebung
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2 Gitter als Ausführungsbeispiel eines wasserdurchlässigen Trägers
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3 Gitterkorb als weiteres Ausführungsbeispiel
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4 beispielhafte Anordnung
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5 Ausführungsbeispiel nach dem Stand der Technik
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1 zeigt die Wasserströmungen durch eine Muschel und in ihrer näheren Umgebung, wobei die Muschel 1 durch die Einströmöffnung 2 Wasser ansaugt, einen inneren Wasserstrom 4 durch die Kiemen und das Körperinnere erzeugt, der durch die Ausströmöffnung 3 das Tier verlässt und sich durch die ständige Wiederholung des Vorganges als ein äußerer Wasserstrom 5 in der Umgebung der Muschel 1 im Umgebungswasser auf kreisähnlichen Bahnen fortsetzt. Mit Hilfe spezieller Haftorgane 6 sitzt die Muschel 1 auf einer Oberfläche 7 fest. Da das Trägermaterial gemäss der Erfindung wasserdurchlässige Bereiche 8 vorsieht, kommt ein grosser Strömungsradius zustande, somit wird eine wesentlich grössere Wassermenge durch jede einzelne Muschel 1 filtriert als nach dem Stand der Technik. Nach dem Stand der Technik sitzen die Muscheln 1 auf Wasser-undurchlässigen Materialien ohne die schraffiert dargestellten wasserdurchlässigen Bereiche 8, somit kommen grössere Kreise des äußeren Wasserstromes 5, , nicht zustande und der Filtrationsprozess bleibt ineffizient.
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2 zeigt eine Aufsicht auf ein Gitter als vorteilhafte Ausgestaltung des wasserdurchlässigen Trägermaterials, wobei die Muscheln 1 auf einem Gitter 9 angeordnet sind, dessen Öffnungen 10 beispielsweise 1 cm × 1 cm messen. Auch eine Ausführungsform mit ausschliesslich in einer Richtung verlaufenden Gitterstreben ist möglich. Statt eines Gitters 9 ist auch eine gelochte Platte, ein Gewebe oder Gewirk aus Schnüren oder Kunststoffbändern oder jede beliebig andere Form denkbar, die sowohl Fraktionen mit festem Untergrund, als auch Abschnitte für den Wasserdurchtritt aufweist.
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3 zeigt einen dreidimensionalen Gitterkorb 11 als weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen wasserdurchlässigen Trägermaterials, in den die Muscheln 1 entweder einzeln eingefüllt werden oder ganze Muschelcluster 12 eingelegt werden, wie sie in der Natur beispielsweise auf Steinen vorkommen. Statt eines Gitterkorbes kann auch ein Netz oder ein sonstiges Behältnis mit wasserdurchlässigen Auslassungen genutzt werden.
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4 zeigt eine beispielhafte Anordnung im zu behandelnden Wasserkörper 13, wobei die Fliessrichtung 14 des zu reinigenden Wassers in Form von Blockpfeilen dargestellt ist und der äußere Wasserstrom 5 in der Umgebung der Muscheln 1 als dünner Pfeil. Die senkrechte Anordnung der Trägermaterialien, beispielsweise Gitter 9, Gitterkorb (nicht dargestellt) und/oder mit Muscheln 1 besetzte Röhren oder Seile 15 hat den Vorteil, dass Ausscheidungen 16 der Muscheln 1 ungehindert absinken können und sich nicht auf den Muscheln 1 ablagern.
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5 zeigt demgegenüber ein Ausführungsbeispiel nach dem Stand der Technik, wobei die Fliessrichtung durch feste Oberflächen 7 in Serpentinen gezwungen wird. Einzelne Muscheln 1 oder Muschelcluster 12 auf natürlichem Material liegen auf waagerechten Oberflächen, was den nachteiligen Effekt hat, dass sich die Ausscheidungen 16 der Muscheln 1 auf den Tieren ablagern und den Filtrationsprozess behindern.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination und Modifikation der genannten Mittel und Merkmale weitere Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Muschel
- 2
- Einströmöffnung
- 3
- Ausströmöffnung
- 4
- innerer Wasserstrom durch die Kiemen
- 5
- äußerer Wasserstrom in der Umgebung der Muschel
- 6
- Haftorgane
- 7
- feste Oberfläche mit oder ohne Öffnungen
- 8
- wasserdurchlässiger Bereich
- 9
- Gitter
- 10
- Öffnungen
- 11
- Gitterkorb
- 12
- Muschelcluster auf natürlichem Material
- 13
- Wasserkörper
- 14
- Fliessrichtung
- 15
- Rohr oder Seil
- 16
- Ausscheidungen der Muscheln
- 17
- Sammelbereich für Ausscheidungen
