DE19910278C2 - Verfahren und Anordnung zur Elimination von Schwebstoffen und Schwermetallen sowie von Bakterien und Viren aus verunreinigtem Wasser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Elimination von Schwebstoffen und Schwermetallen sowie von Bakterien und Viren aus verunreinigtem Wasser, wobei das verunreinigte Wasser an Muscheln vorbeigeleitet wird, die als Biofilter dienen; dabei wird die Vitalität der Muscheln gezielt gefördert, deren Leistung optimal ausgenutzt und deren Aktivität gesteigert. Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der US 55 20 810 A ist es bekannt geworden, Wasser zu filtern, indem es durch eine Kolonne mit lebenden Zebramuscheln geleitet wird. Bei der Durchführung des Verfahrens wurden Meßwerte bezüglich Temperatur, pH-Wert, Gehalt an gelöstem Sauerstoff und Ammoniumgehalt des verunreinigten Wassers dokumentiert.

Bei der Durchführung des Verfahren wurden eine Temperatur von 19°C im Wasser gemessen. Der pH-Wert stieg in der Kolonne von 7,1 über 7,2; 7,3 auf 7,4 an. Der Gehalt an gelöstem Sauerstoff differierten von 7.7 bis 5,9 mg/l. Der Ammoniumgehalt differierte zwischen 0,28 bis 0,24 mg/l N(Nh₃). Die Meßwerte ergeben sich offenbar aus den natürlich vorherrschenden Bedingungen im Oberflächenwasser des Milwaukee Harbor. Insbesondere der Ammoniumgehalt wird in Abläufen von Kläranlagen deutlich überschritten.

In der US 5 628 904 A wird ein Verfahren zur Behandlung bzw. Reinigung von Abwasser mit Hilfe der Zebramuschel (Dreissena polymorpha) mit dem Ziel der Entfernung organischer und anorganischer Verschmutzungsstoffe beschrieben, wobei die Muschel in den Abwasserstrom eingebracht wird und die anfallenden Fäzes, Pseudofäzes und tote Muscheln periodisch über ein Sammelrohr entfernt werden. Eine mögliche Vorbehandlung des Abwassers wird erwähnt, aber nicht näher beschrieben.

Die Nachteile des Verfahrens liegen darin, daß die Lebensbedingungen für die Muscheln auf Dauer vermutlich nicht gewährleistet sind und daß die Vitalität bzw. die Aktivität der Muscheln nicht ausreicht, um Pathogenitätsfaktoren (Bakterien und/oder Viren) zurückzuhalten. Es wird auch nicht erwähnt, wie mit den gesammelten (Pseudo-)Fäzes weiter zu verfahren ist. Es wird auch nur Dreissena polymorpha zur Nutzung vorgeschlagen.

In der DE 35 37 256 A1 wird ein Verfahren sowie eine Anlage zur Abwasserreinigung und/oder Klärschlammbeseitigung beschrieben, wobei das Medium durch belüftete Muschelbänke geleitet wird. Die Biomasse der Muscheln soll weiterverarbeitet werden und als Futter dienen. Das Verfahren wurde unter Laborbedingungen getestet.

Die Nachteile des Verfahrens liegen darin, daß die Lebensbedingungen für die Muscheln auf Dauer vermutlich nicht gewährleistet sind und daß die Vitalität bzw. die Aktivität der Muscheln nicht ausreicht, um Pathogenitätsfaktoren (Bakterien und/oder Viren) zurückzuhalten. Es wird auch nicht erwähnt, wie mit den gesammelten (Pseudo-)Fäzes weiter zu verfahren ist.

Selegean & Heidke (1994) beschrieben Dreissena als exzellenten Organismus zur Abwasserreinigung. Im dort beschriebenen Verfahren wurde der Kläranlagenablauf allerdings verdünnt (was in der Praxis nicht sinnvoll ist), da eine Ammoniumkonzentration über 2 mg/l von den Organismen nicht länger als sieben Tage toleriert wurde.

Auch hier liegen die Nachteile des Verfahrens darin, daß die Lebensbedingungen für die Muscheln auf Dauer vermutlich nicht gewährleistet sind und daß die Vitalität bzw. die Aktivität der Muscheln nicht ausreicht, um Pathogenitätsfaktoren (Bakterien und/oder Viren) zurückzuhalten.

Die Idee, Dreissena zur Verbesserung der Wasserqualität bzw. zur Biomanipulation zu nutzen, taucht gelegentlich in der Literatur auf, beispielsweise Reeders & Bij de Vaate (1990); Stanczykowska & Lewandowski (1993). Eine gezielte Reinigung schwach belasteten Flußwassers (Meuse, NL) beim Einlauf in einen See (Volkerak-Zoommeer, NL) wurde von Reeders & Bij de Vaate (1992) bzw. Noordhuis, Reeders, Marteijn (1992) in einem 217- tägigen Experiment untersucht. Hierbei wurden Schwebstoffe und daran gebundene organische Schadstoffe durch die Muscheln gebunden und sedimentiert. Erforderlich sind 1,24.10⁹ Tiere (Dreissena), um den Durchfluß von 14 m³/s zu bewältigen. In diesem Experiment wurde der Sestongehalt durch Zumischen von filtriertem Wasser künstlich konstant gehalten.

Derartige Lösungen beschränken sich auf den Einsatz in Seen oder natürlichen Fließgewässern, die bereits ein natürliches Vorkommen an Dreissena aufweisen, das im Rahmen der Biomanipulation erhalten, vergrößert oder an bestimmten Stellen konzentriert wird. In keiner der Quellen wird mit Schwebstoffen und pathogenen Keimen hochbelastetes Wasser (vergleichbar mit Kläranlagenabläufen) kontinuierlich an den Muscheln vorbei geführt. In keiner der bekannten Quellen werden die Muscheln gezielt vital gehalten und/oder zu erhöhter Aktivität angeregt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Reinigung und Entkeimung von belastetem Wasser mit minimalem technischen und energetischen Aufwand ohne den Einsatz von Chemikalien zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den im Anspruchs 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens ergeben sich in Verbindung mit den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Bei der Erfindung wird die bekannte Tatsache genutzt, daß Muscheln, vorzugsweise Süßwassermuscheln der Gattung Dreissena in besonderem Maße geeignet sind, Schwebstoffe aus dem Umgebungswasser zu filtrieren und so die Trübung zu reduzieren. Mit Hilfe einer von der Muschel produzierten schleimigen Substanz werden die filtrierten Partikel verklumpt und als Fäzes ausgeschieden. Auch bei einem Überangebot an Nahrung filtrieren die Muscheln das Umgebungswasser, wobei die darin enthaltenen Schwebstoffe zu unverdauten Pseudofäzes verklumpt ausgeschieden werden. Die Sedimentationsgeschwindigkeit der Schwebstoffe im zu reinigenden Medium erhöht sich so circa auf das Zehnfache. Zusätzlich binden Schwermetalle bevorzugt an die Schleimsubstanzen der Muscheln und werden somit als positiver Nebeneffekt ebenfalls aus dem Wasser entfernt. Die Muscheln sitzen fest auf ihrem natürlichen Substrat (beispielsweise Steine), an dem sie sich mit Hilfe eines proteinreichen Fadenbündels, dem sog. Byssus, anheften.

Überraschend ist, daß unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sogar Bakterien und Viren eliminiert werden können, auch während die Muscheln unter unnatürlichem Dauerstreß durch chemische Belastungsstoffe im zu behandelnden Wasser stehen. Um die für eine zuverlässige Bakterienelimination erforderliche optimale Aktivität zu gewährleisten reicht es nicht, die Muscheln nach dem Stand der Technik lediglich in den (Ab-)Wasserstrom einzubringen, sondern es müssen die in den Ansprüchen genannten Verfahrensbedingungen eingehalten werden.

Es ist nicht möglich, die Muscheln dauerhaft in einem Abwasserstrom am Leben zu erhalten, der einen höheren Ammoniumgehalt als 8 mg/l aufweist. Für Muscheln ist nicht nur der Ammoniak toxisch, der sich aus Ammonium in einem pH-abhängigen Gleichgewicht bildet, sondern das Ammonium selbst. Unter Einhaltung des hier geschilderten Verfahrens zur Vitalitätsförderung vertragen die Muscheln eine überraschend hohe Ammoniumkonzentration von bis zu 8 mg/l dauerhaft.

Die Vitalität der Muscheln wird gemäß der Erfindung dadurch erhalten und gefördert, daß die Tiere regelmäßig mit einer Suspension aus ein- bis vierzelligen Algen, bei Bedarf auch mit Calcium, Magnesium und Hefe versorgt werden. Zusätzlich sollen die Muscheln auf ihrem ursprünglichen Aufwuchsmaterial verbleiben. Die Temperatur soll zwischen 10 und 25°C betragen (bei einer Temperaturänderung von maximal 5 K pro Stunde), der Sauerstoffgehalt soll 50% des Sättigungswertes nicht dauerhaft unterschreiten, der pH-Wert soll 7,7 bis 8,7 betragen. Ferner soll auf einen geeigneten Durchfluß (mindestens 1 cm/s) geachtet werden. Tote Tiere müssen erforderlichenfalls regelmäßig entfernt werden.

Die Weiterverarbeitung und Entkeimung der Fäzes und Pseudofäzes wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die anfallenden Fäzes und Pseudofäzes regelmäßig entfernt werden, je nach anfallender Menge beispielsweise zweimal täglich. In einem gesonderten Behälter werden sie mit Metazoen, vorzugsweise Nematoden und/oder Chironomidenlarven, angereichert und von diesen gefressen und verdaut, wobei die in den Pseudofäzes angereicherten Bakterien assimiliert werden. Chironomidenlarven können durch Siebung (kleiner oder gleich 0,2 mm Maschenweite) des Sediments eines Sees gewonnen werden und vermehren sich selbständig in belüfteten Fäzes bzw. Pseudofäzes.

Die Muscheln werden in regelmäßigen Abständen (beispielsweise zweimal täglich) für ein bis zwei Stunden trocken gesetzt. Durch Zugabe eines Neurotransmitters (beispielsweise Serotonin) und/oder mineralischer Partikel können die Muscheln zu erhöhter Aktivität animiert werden. Sobald die Muscheln nach einer Trockenpause wieder von wäßrigem Medium umgeben sind, zeigen sie eine deutlich erhöhte Filtrationsleistung.

Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Anordnung in Verbindung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 4 genannten Merkmalen dadurch gelöst, daß der Muschelreaktor mehrere in Fließrichtung hintereinander liegende Abschnitte aufweist, wobei die Größe der eingesetzten Muscheln der Gattung Dreissena, Corbicula und/oder Mytilopsis in Fließrichtung abnimmt, wobei sessile Muscheln auf ihren natürlichen Substraten in die Abschnitte eingesetzt sind.

Überraschend ist auch, daß die Nitrifikation eine optimale Vorbereitung ist, da sie selbst einen Teil der Mikroorganismen im gebildeten Biofilm zurückhält bzw. als abgescherte Biofilm- Agglomerate den Muscheln in "mundgerechter" Form zur Verfügung stellt. Während durch den Muschelreaktor alleine "nur" eine 80%ige Bakterienelimination erzielt wird, läßt sich der Bakteriengehalt durch die Kombination aus Nitrifikation und Muschelreaktor sogar um 95% reduzieren.

Um den für die Muscheln optimalen pH-Wert durch die Nitrifikation nicht zu unterschreiten, kann im Anschuß an die Nitrifikation Kalkmilch (Ca(OH)₂) zugegeben werden und/oder es kann im Anschluß an die Nitrifikation eine Denitrifikation und somit eine Erhöhung des pH- Wertes erfolgen. Die Aufenthaltszeit in den Behältern zu Nitrifikation sollte beispielsweise eine Stunde betragen, je nach Ammoniumkonzentration im zu reinigenden Wasser. Die Nitrifikation und Denitrifikation erfolgt, wie in der Fachliteratur beschrieben, z. B. ATV- Handbuch (1996) oder ATV-Regelwerk (1989).

Der Vorteil der Erfindung besteht in der Erhaltung der Vitalität der Muscheln trotz der Streßbedingungen, der Steigerung der Filtrationsleistung durch definierte Trockenpausen, der optimalen Ausnutzung der Filtrationsleistung durch die Anordnung der Muscheln, bei Bedarf weiterer Reinigung gefolgt von Larven der Gattung Simuliidae (Kriebelmücken). Der Vorteil besteht weiter im Abbau der in den anfallenden Fäzes und Pseudofäzes agglomerierten Nährstoffe und Bakterien durch Chironomidenlarven und/oder Nematoden.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Fig. 2 eine Aufsicht auf einen Abschnitt des Muschelbehälters

Als Einrichtung ist eine Konstruktion geeignet, durch die das belastete Medium mit geeigneter Strömungsgeschwindigkeit an den Filtrierern vorbei geleitet wird und die geeignet ist, die durch das Verfahren geforderten Bedingungen bereitzustellen. Fäzes, Pseudofäzes und sonstige sedimentierte Partikel müssen sich absetzen können und/oder es muß die Möglichkeit zur Rückspülung bestehen, beispielsweise nach Eintrag grob- und feinblasiger Luft. Auch tote Tiere und lose Schalen müssen praktikabel aus der Einrichtung entfernt werden können.

Die gesammelten Fäzes und Pseudofäzes werden mit Chironomiden angereichert, die mit einem Netz der Maschenweite 0,2 mm aus dem Sediment eines Sees gewonnen werden können und sich in belüfteten (Pseudo-)Fäzes selbständig vermehren.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel, in dem das zu reinigende Wasser (Zulauf 1) in den belüfteten, zu ca. 70% (Vol.) mit Aufwuchsträgern gefüllten Behälter zur Nitrifikation 2 gelangt, von dort in einen zweiten Behälter 3 gelangt, der der Nitrifikation und/oder Denitrifikation dient. Die Nitrifikation und Denitrifikation kann entfallen, falls der Ammoniumgehalt des zu reinigenden Wassers immer unter 8 und überwiegend unter 5 mg/l Ammonium liegt. Zur Erhöhung des pH-Wertes kann dem Medium erforderlichenfalls Kalkmilch (CaOH₂) an Position 4 zugegeben werden, bevor es mit Hilfe einer Pumpe 5 in den Muschelreaktor 6 gelangt, der mit einer ausreichenden Anzahl an Belüftungseinrichtungen 7 versehen ist und in dem sich die Tiere auf ihrem natürlichen Substrat 8 befinden. Die beste Reinigungsleistung wird erzielt, wenn die größten Muscheln in den Abschnitt a) eingebracht werden, mittelgroße Muscheln in den Abschnitt b), kleine Muscheln in den Abschnitt c). Der Ablauf 9 aus dem Muschelreaktor wird zur Rückhaltung eventuell gelöster adulter Tiere durch ein geeignetes Sieb 10 geleitet. Die anfallenden Fäzes und Pseudofäzes sammeln sich in dem Absetztrichter 11 und werden regelmäßig entfernt. Die Fäzes und Pseudofäzes 12 können in Segmenten eines belüfteten flachen Behälters 13 von Chironomiden und Nematoden weiterverarbeitet werden. Bei Bedarf einer noch gründlicheren Reinigung des Wassers kann der Ablauf aus dem Muschelreaktor in einem Simuliidenreaktor 14 weiter gereinigt werden, in dem die Simuliiden mit Hilfe ihrer Haftscheibe auf hartem Substrat 15 haften, welches auf durchlässigen Trägern 16 liegt. Durch den Ablauf 17 fließt das gereinigte Wasser ab.

Fig. 2 zeigt einen Abschnitt des Muschelreaktors mit Steinen, die von Muscheln als natürliches Substrat genutzt werden. Geeignet sind Muscheln einer Schalenlänge von 0,8 bis 4 cm, wobei größere Tiere eine höhere Filtrationsleistung zeigen und am Anfang der Fließstrecke anzuordnen sind, kleinere Tiere halten kleinere Partikel zurück und werden daher zur Nachreinigung in Fließrichtung hinter den großen Tieren angeordnet. Beim Einsatz einer neuen (jungen) Muschelcharge erfolgt ein zyklischer Tausch der Aufwuchsträger der Muscheln in den Abschnitten des Reaktors, so daß die Größe der Muscheln in Fließrichtung abnimmt.

Mit Hilfe dieser Anordnung wurde im Ablauf einer kommunalen Kläranlage pro 3000 Muscheln bei einen Durchfluß von 100 l/h eine über mehrere Monate kontinuierliche Reduktion des Bakteriengehaltes von 10⁷ Zellen/ml auf 1,5.10⁶ Zellen/ml erreicht. Diese Angaben beziehen sich auf die Gesamtzellzahl, die nach Fluoreszenzfärbung mit DAPI (4-,6- Diamidino-2-Phenylindol-dihydrochlorid) mikroskopisch ermittelt wurde (Methode nach Porter & Feig, 1980). Bezogen auf die Gesamtzellzahl nach DAPI besitzt der Ablauf des Muschelreaktors also annähernd Trinkwasserqualität. Eine noch höhere Eliminationsleistung wurde bezogen auf die auf Nähragar kultivierbaren Keime ermittelt, insbesondere bezogen auf den Fäkalindikator Escherichia coli.

Eine Algenkultur kann beispielsweise über die Georg-August-Universität Göttingen (Botanisches Institut), bezogen werden. Als Nährlösung eignet sich 3 g Pepton (tryptisch verdaut), 2 g Glucose, 0,2 g Kaliumhydrogehphosphat (KH₂PO₄) auf 1 l Leitungswasser; alle zwei Tage hiervon jeweils 75 ml zu 50 l Algenkultur zugeben. Die Kultur sollte unter Lufteintrag an einem Südfenster stehen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Elimination von Schwebstoffen und Schwermetallen sowie von Bakterien und Viren aus verunreinigtem Wasser, wobei

• - das verunreinigte Wasser in einen Muschelreaktor eingeleitet wird,
• - im Muschelreaktor die Größe der eingesetzten Muscheln in Fließrichtung abnimmt,
• - der Ammoniumgehalt des verunreinigten Wassers auf einen Wert bis maximal 8 mg/l eingestellt wird, angenommen ein Bereich von 0,24 bis 0,28 mg/l,
• - die Temperatur des verunreinigten Wassers zwischen 10 und 25°C gehalten wird, wobei die Temperaturänderung maximal 5 Kelvin pro Stunde beträgt,
• - der pH-Wert zwischen 7,7 und 8,7 gehalten wird,
• - der Gehalt an gelöstem Sauerstoff mindestens 5 mg/l beträgt,
• - ein Calciumgehalt von mindestens 125 mg/l, eingestellt wird,
• - dem Muschelreaktor regelmäßig eine Algensuspension aus ein- bis vierzelligen Algen zugegeben wird, und
• - die Muscheln in regelmäßigen Abständen für 1 bis 2 Stunden trocken gesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das verunreinigte Wasser vor der Einleitung in den Muschelreaktor nitrifiziert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Muschelreaktor anfallenden Fäzes und Pseudofäzes abgeleitet und mit Hilfe von Metazoen, vorzugsweise Chironomiden oder Nematoden, weiter mineralisiert und entkeimt werden.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, ausgebildet als Muschelreaktor mit einer Zuleitung für das verunreinigte Wasser und einer Ableitung des gereinigten Wassers, dadurch gekennzeichnet, daß der Muschelreaktor mehrere in Fließrichtung hintereinander liegende Abschnitte (a, b, c) aufweist, wobei die Größe der eingesetzten Muscheln der Gattung Dreissena, Corbicula und/oder Mytilopsis in Fließrichtung abnimmt, wobei sessile Muscheln auf ihren natürlichen Substraten in die Abschnitte (a, b, c) eingesetzt sind.