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BIOLOGISCHE Nachflockung zur ABWASSER@EHANDLGNG bas er@inungsgemäße
Verfahren bezieht sich auf die wirksame Nachreinigung von mechanisch und/ oder biologisch
vorgereinigten Abwässern in einer zweiten bilolischen Stuf durch induzierte Erzeugung
einer belebten Flocke und derer Abtrennung, Grundlage des Verfahrens ist der sogenannte
"Rhizosphäreneffekt", der die Verliehtung und Verschibung von komplexen mikrobiellen
Biozönosen im Wurzelraum höherer lanzen beinhaltet.
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Der in biologischen Reinigungsstufen bekannter @@@-führung (Tropfkörper,
Oxidationsgräben, Belebtschlammbecken u.ä.) erzielte bekannte und beachtliche Rei@igungseffekt
kommt im wesentlichen durch irikrobielle Mineral sation von im Abwasser gelösten
und suspendierten organischen Belastungskornponenten zustande, soweit sie mikrobiell
abbaubar sind, und führt dementsrennend zu einer günstigen Beeinflussung s r Kennwerte,
die den organischen Belastungsgrad von Schmutzwässen kennzeichnen, wie SB oder Kalumpermanganat-Verbrauch,
Es liegt im Wesen dieser Prozesse, daß anorganische Komponenten, insbesondere auch
Nährstoff-Ionen weniger befriedigend durch diese vorzugsweise dissimilatorisch arbeitenden
Mikroorganismen-Gesellschaften in den sprechenden Anlagen aus dem Abwasser entfernt
werden.
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Die. e Eigenart ist der Grund dafür, daß die Belastung von Vorflutern
mit anorganischen Nätur toffen wie P@@@@ phat, Nitrat, kaliumsalzen u.a., a.@ die
@@gen@@@@@@@ Eutrohierung mit ihren bekannten nacuteiligen Auswirkungen auf den
Wasserkörper anc. @ur@ v@cil@i
arbeitende biologische Reinigungsstufen
dieser Art nicht ausgeschaltet werden kann, Die Errichtung sogenannter Dritter Reinigungsstufen
wird deshalb heute allgemein gefordert. In ihr sollen vorzugsweise die mineralischen
Nährstorf-Frächte gebunden werden.
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Für den Betrieb einer Dritten Reinigungsstufe sind zahlreiche Verfahren
vorgeschlagen worden, die insbesondere die Entfernung ionischer Belastungskomponenten
durch Ionenaustausch, Adsorption und chemisdhe fällung zum Gegenstand haben.
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Von diesen scheint insbesondere die chemische Ausfällung von Phosphaten
-als einer besonders wichtigen trophischen Belastungskomponente- durch Eisen-, Aluminium-
und/oder Calciumsalze und die Abtrennung der Fällungsprodukte allgemeineren Eingang
in die Abwassertechnik zu finden, Dieses Verfahren ist gleichwohl durch eine Reihe
von Nachteilen und Mängeln gekennzeichnet, die seine Brauchbarkeit auf längere Sicht
erheblich einschränken.
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1. Die Erstellungs- und Betreibskosten einer solchen dritten Reinigungsstufe
sind sehr erheblich.
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2. Durch Ausfällung mit Eisen-,Aluminium- und Calciumsalzen ist eine
befriedigende Elimination n u r des Phosphates möglich. Wenngleich dieses auch eine
sehr wichtige Belastungskomponente darstellt, so ist es doch keineswegs die einzige
Ursache für die Vorfluterbelastung durch üblich gereinigte Abwässer, 3. Bei der
Fällung von Phosphat entstehen große Mengen anorganischer Schlämme mit hohen Eisen-,
Aluminium-oder seltener Calciumgehalten. Diese Schlämme sind außerordentlich schwierig
zu handhaben, vor allem zu entwässern. Die Wiederverwendung des in ihnen enthaltenen
Nährstoffes, an dessen Rezyklisierung ein umwelt- und produktionsbiologisches Interesse
besteht, ist praktisch ausgeschlossen. Diese Quan titäten müssen daher im kommunalen
Bereich zur Deponie gebracht werden und sind auch deshalb problematisch.
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Es ist deshalb, vor allem aus den letztgenannten Gründen häufig die
Ansicht geäußert worden, daß es vortenlhaft sein sollte, auch die trophischen Drähte
in einer nachgeschalteten Dritten Piologischen Reinigungsstufe zu binden. Diese
sollte der zu lösenden Aufgabe gemäß vorzugsweise mit autotrophen assimilierenden
Organs men arbeiten. In praktischer Erprobung befinden sich Eliminationseinheiten,
die mit Grünalgen arbeiten sowie Anlagen, die das Nährstoff-Aneignungsvermögen höherer
grüner Pflanzen ausnutzen wollen.
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Die Ionen au inahme und -abgabe bei Grünalgen ist außerordentlich
abhängig von äußeren Faktoren und zeichnet sich überhaupt durch das Auftreten extrem.
kurzzeitiger Leistungsspitzen aus, die technisch in diesem Sinne nutzbar sind, geiolgt
von Ionenabgabe-Phaisen. Diese kurzzeitigen Leistungsschwankungen in Verbindung
mit den großen technischen Schwierigkeiten bei der Abtrennung der nährstoffbeladenen,
nichtverklumpter Organismen aus dem Wasser haben bisher einer Verbreitung dieser
an sich sehr leistungsfähigen Verfahren im vege gestanden.
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Die Ionenelimination durch höhere grüne Pflanzen, die ebenfalls in
Vorschlag gebracht worden ist, kann man als in ihrer Größenordnung für praktische
Renigungspro bleme bedeutungslos ansehen. Sie liegt in der Größenordnung 102 bis
103 kg Gesamtnährstoff pro Jahr und Hektar. Allein für eine Trophische Entsorgung
mittlerer Städte würde sich ein Flächenbedarf von rd. taunend Hektar pro 30 ooo
Einwohner errechnen.
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Abgesehen davon beruht dieser Vorschlag aber auch auf einer falschen
biologischen Voraussetzung, wegen der gleichzeitig mit der Ionenaufnahme erfolgenden
umfänglichen Evapotranspiration über Beständen emerser Ptlanzen geht einem solchen
system vergleichs-.
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weise mehr Wasser als Nährstoff verloren, 0 daß konzentriertere Ausläufe
resultieren, d .h. die Qualität de: Auslaufwassers ist gegenüber der des einlaufenden,
nechzureindgenden Wassers verschlechtert. Die zahlreichen Mißerfolge von Versuchsanlagen
auf "Hydrobotanischer
Basis finden darin ihre Erklarung.
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Das Problem einer wirtschaftlichen und beachtlichen biologischen Bindung
von trophischen Frächten aus belasteten Wässern bleibt weiterhin ungelöst.
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Es wurde nun überraschend gefunden, daß in Ausläufen aus biologischen
Anlegen der üblichen Art, aber auch in nur mechanisch vorgeklärten Wässern die Bildung
einer mikrobiellen Flocke mit sprunghaft geändertem Bindungs- und Eliminationsverhalten
für Schmutz- und Ballaststoffe in einem technisch beachtlichen Ausmaß dadurch induziert
werden kann, daß man in der Rhizosphäre geeigneter höherer Pflanzen eine Organismengesellschaft
aus Autotrophen und Heterotrophen aufbaut, die nur in enger Vergesellschaftung mit
der Wurzel tätig wird und als solche frei lebend nicht bestehen kann.
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Daß durch die mit dem Wùrzelraum höherer Pflanzen vergesellschaftete
verdichtete und veränderte Organismengesellschaft an terrestrischen tandorten weitreichende
und wichtige ökologische Prozesse gesteuert werden, ist wohlbekannt. Sie erstrecken
sich über Antibiosen, Nährstoffchelatisierung und Vitaminversorgung der Pflanze
bis zur völligen physikalischen und chemischen Veränderung des Standortes im gesamten
Wurzelbereich.
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Uber die intermediäre Nährstoffbindung solcher Gesellschaften ist
für den terrestrischen Bereich nichts bekannt geworden.
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Dieser Effekt offenbarte sich eindeutig und umfänglich bei der erfindungsgemäßen
Ausnutzung des Rhizosphären effekts für die Reinigung von verschmutztem Wasser,
Die im Wurzelraum bestimmter Pflanzen tätige Mikroorganismengesellschaft, ihre biologische
Tätigkeit und ihr Zuwachs gibit sich durch die ständige 2'lockenbildung zu erkennen.
In dieser biologischen Flocke, die sich erheblich von frei gebildeter socke unterscheidet
sind große Mengen mineralischer Nährstoffe gebunden, die durch geeignete Abführung
des Schlammes aus dem system entfernt werden können. Mit der Tätigkeit von Mikroorganismen
im Wurzelraum geeigneter höherer Pflanzen ist außerdem ein beachtlicher weiterer
Abbau
organischer, auch toxischer Belastungskomponenten verbunden
und ebenso die auffa@lige Reduktion allochtnoner Mikroorganismen (pethogene Bormen),
Das Verfahren arbeitet im Anschluß an mechanische oder biologische stufen vo@ Abwasser-Reinigungsanlagen.
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Sein grundsätzlicher Aufbau ist durch folgende Gliederung gekennzeichnet
(Figur 1) : I. Ein Stabilisierungs- und Ausgleichsglied II. Ein oder mehrere Bepflanzungsglieder
III. Ein Eliminationsglied für Feinflocke IV. Ein Eliminationsglied für Grobflocke
Das Stabilisierungsglied kann aus bepflanzten und unbepflanzten Strecken bestehen.
Im X e einer bepflanz ten Strecke sind die zu verwendenden Pflanzen nach den bekannten
Prinzipien der Hvdreponikkultur fre Cm iTerinne zu kultivieren. Das Stabilisierungsglied
hat die Aufgabe, einen möglichst gleichtmäßigen InPut an Belastung insbesondere
an oganischer Belastung für das Repflanzungsglied herzustellen. Es hat sich gezeigt,
daß die Leistungsfähigkeit dieser eigentlichen Wirkinneit (II) in Bezug auf die
Ionenelimination besonders stark vom Sauerstoffpartialdruck im Wasser und der Höhe
des BSB5 abhängt. Ein Ausgleich den an sich stark undulierenden Belastung in kommunalen
Abwäsn findet zum Teil sc hoii durch hydrodynamische Faktoren (Durchmischung, Verweilzeit)
statt, doch findet insbesondere in bepflanzten Stabilisierungs#strecken auch bereits
eine beachtliche Nivellierung der BSB5-Werte durch Abbau statt, Die Figuren 2 und
5 geben die gemessenen Stabilisierungseffekte an einer Anlage von 6o m2 bepflanzter
Fläche und einem Wasserdurchsatz von 200 m3 pro tfag wieder.
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Im Bepflanzungsglied (II) werden die durch einen besonders günstigen
Rhizosphäreneffekt gekennzeichneten Pflanzen ebenfalls im Hydroponikverfahren kultiviert.
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Das dafür erforderliche Becken ist vor allem hinsichtlich seiner Tiefe
so zu bemessen, daß mindestens der für das maximale Tiefenwachstum der werwendeten
Pflanzen erforderliche Raum verfügbar ist, höchstens aber
so, daß
keine anaerobe 7one im unteren Teil des Bekkenkörpers entsteht. Als optimal hat
sich bei den bisher als besonders wirksam erkannten Pflanzen eine Beckentiefe von
40-50 cm erwiesen. Sollen Flockenfangschächte bereits innerhalb des Bepflanzungsgliedes
unter dem Wurzelraum der flanzen vorgesehen werden, -was als besondere technische
Ausführung des Eliminationsgliedes für Grobflocke (IV) zu gelten hat- so muß für
einen außerordentlich schnellen und kontinuierlichen Abzug der Flocke und des sauerstoffverarmten
Wassers aus dieser tieferen Region in bekannter Weise Sorge getragen werden.
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Die Entfernung von im Wurzelraum der Pflanzen festsitzenden Flockenanteilen
und ihre Überführung in die Eliminationseinheiten III und IV mit der fließenden
Welle wird in an sich bekannter Weise durch diskontinuierliches Ausblasen des Wurzelraumes
mit Luft und/oder durch Rütteln der Befestigungsvorrichtungen für die Pflanzen bewirkt.
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Als erforderliche Bepflanzungsfläche hat o,2 m2 für 1 m- Abwasser
pro Tag mit einer Belastung von BSB5 = 150, P-Gehalten von lo mg/l und N-Gehalten
von 30 mg/l zu gelten, Mit Einheiten dieser Auslegung ließen sich Ergebnisse gemäß
der Tabelle 1 erzielen: Das Eliminationsglied für Feinflocke (III) hat die Aufgabe,
die mit der fließenden Welle ständig aus der Bepflanzungseinheit (II) austretende
überschüssig gebildete flockige Masse von Rhizospärenorganismen als Träger gebundener
Nährstoffe aus dtm System zu entfernen. Als besonders wirksames Verfahren hat sich
das an sich bekannte Ausblasen und Abschäumen erwiesen.
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Dieses wird dadurch begünstigt, daß als Rhizosphäenorganismen im Bepflanzungsglied
II zahlreiche Formen mit Polysaccharid-schleimhüllen auftreten, die eine Bildung
stabiler Schäume in III auch dann ermöglichen, wenn die im Abwasser vorhandenen
Detergentien weitgehend abgebaut sind.
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Das Sedimntationsglied IV ist dem Eliminationsglied für Feinflocke
III unmittelbar nacbgeschaltet und dient dem Zweck, die durch Ausblasen bzw Abschäümen
nicht entfernbare Grobflocke dur Sedimenation in an sich bekannter Weise au dem
System zu alimineren.
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Für die Bepflanzung der Eliminati@@sein@et (Bepflanzngsglied II) werden
Pflanzen gewählt, deren Rhizosphärc@ effekt in der Bildung großer Oranismenmassen
mit nohem Nährstoff-Aneignungsvermögen besteht, Zu diesen Pflauzen gehören unter
anderen: Limnische Arten: luis pseudacorus Typha-Arten Phragmites australis Arundo
dcnax Eleocharis-Art5rt Terrestrische Arten : Armoracia-Arten Ricinus communis Heracleum
Arten Rheum-Arten Gunnera-Arten @nd Kulturarten wie Z@@ mage @li@nthus anm@u@ Brassica-trten
Das Stabli#sierungsglied I wird zwec@mäbiger Weise mit Pflanzen besetzt, die gegen
toxische Stöße im einlaufenden Abwasser unempfindlich sint oder toxische Be lastungskomponenten
selbst oder über ihre rhizosphären flors abbauen können. Zu diesen Pfle@zen zählen
u a. : Juncus effusus Juncus maritimus Juncus glaucus Eleocharis-Arten Phragmites
australis Schoenoplectus dacustris Urtica-Arten Atriplex-Arten Carex-Arten Typha
latifolia
Durch das erfindungsgemäße Reinigungsverfahren wird das
gesamte Spektrum der im Abwasser gelösten anorganischen und organischen Belastungskomponenten
erfaßt.
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darüberhinaus wird naturgemäß auch ein beachtlicher Effekt hinsichtlich
der bakteriellen Belastung erreicht.
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In der Tabelle 2 sind die in einer technischen Anlage der besctriebenen
und beanspruchten Anordnung gewonnenen Elimintionsleistungen in kg . ha . Jahr dargestellt:
für Phosphor 28 700 Stickstoff 123 200 Kalium 33 580 Natrium 1281 Hoo Calcium 112
700 Chlorid 272 loo BSB5 349 900 Detergentien 1 960 Tabelle 2 Jahres- und Hektarabbauleistunen
einer biologischen Nachflockung auf der Grundlage des Rhizosphäreneffektes.
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Die spezifischen Leistungen einer Anlage auf der Basis des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind in der Tabelle 1 den spezifischen Leistungen einer normalen Kläranlage
mit 1. mechanischer Stufe und 2. biologischer Stufe CBelüftungsbecken) gegenübergestellt.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren operierende Einheit war in diesem Falle
der 1. und 2. Reinigungsstufe als 3. Stufe nachgeschaltet.
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Der selektive Einfluß des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Mikroflora
des Abwassers geht aus den Figuren 4, 5 und 6 hervor, in denen für die Gesamtkeimzahlen
sowie Escherichia coli als Fäkalindikator die Belastungen in Ein- und Ausläufen
gegenübergestellt sind,
Dans erfindungsgemäße Verfahren ist in
w eitestem Umfange anwendbar. Eine Anpassung as de vorgegebenen Verhältnisse insbesondere
an die Beiastung der zureinigenden Abwässer ist durch Wahl der Pflanzen unter dem
Gesiontspunkt der quantativen und qualitativen Ausprägung ihres Rhizesphäreneffektes
möglich. So können je nach Art des Abwassers z.B. große bindungskapazitäten für
anorganische, trophische Frächte oder hervortretende dissimilatorische Fähigkeiten
zur Absenkung der organischen Belastung oder aber antibiotische Leistungen zur Beeinflussung
unerwünschter Keimbelastungen die Kriterien für die Auswahl rfler Pflanzen sein.
Im allgemeinen steht aber d Bindungsvermögen für anorganische Nährstoffe an erster
Stelle des Interesces, weil das erfindungsgemäße Verfaghren vorzugsweise als 3.
biologische Reinigungsstue vorgesehen ist. Unter diesem Gesichtspunkt sind auch
die auf elfte 7 dcr Patontbeschreibung aufgeführten Pflanzen ausgewählt.
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Die den Eliminationsprozess bewirkende Rhizosphärenflora ist auch
während er Vegetationsruhe im Wurzelraum der Pflanze tätig, sodaß das Verfahren
- im Gegensatz zu den sogenannten hydrobotanischen Stufen - nicht an die Ve.ct tionszeit
der verwendeten Pflanzen gebunden ist. Voraussetzung dafür ist natürlich die al
perennierender Arten, deren Wurzelsystem auch über die Zeit der Vegetationsruhe
vital bleibt. Ein Listungsabfall von 10 - 2o tritt hingegen wegen der erniedrigten
Wassertemperatur in den Wintermonaten auf. Diesem Leistungsabfall kann man weitgehend
dadurch begegnen, daß man das Einlaufwasser nach bekannten Verfahren auf eine Temperatur
von po - 2¼ C aufheizt oder die Temperatur durch Zumischen verfügbarer Warmwasserqualitäten
insbesonere von Kühlwässern erhöht.
JAHRESLEISTUNGEN IM VERGLEICH
| I II III |
| Abmessungen Durchsätze Leistungen Spez. Durchs Spez. Durchs.
Spez. Leistung |
| Anlage Fläche Raum Wasser- BSB5 BSB5- m³ Wass m³ Wass t BSB5
t BSB5 t BSB5 T BSB5 |
| Durchs. Durchs. Elimin. in % m² Fla- m³ Raum m² Flä. m² Raum
m² Flä. m³ Raum |
| Hauptanl. 840 m² 2745 m³ 4,5 # 106 600 t 450 t 75 5350 164
0,715 0,22 0,535 0,164 |
| Versuchs 60 m² 36 m³ 2,0 # 104 0,7 t 0,3 t 43 333 556 0,0012
0,019 0,005 0,0084 |
| anlage 12,5 m² 5 m³ 2,5 # 104 0,8 t 0,48 t 60 2000 5000 0,064
0,16 0,038 0,096 |
JAHRELEISTUNGEN IM VERGLEICH
| I II III |
| Abmessungen Durchsätze Leistungen Spez. Durchs Spez. Durchs.
Spez. Leistung |
| Anlage Fläche Raum Wasser- P P m³ Wass m³ Wass t P t P t P
El. T P El |
| Durchs. Durchs. Elimin. in % m² Fla. m² Raum m² Flä. m³ Raum
m² Flä. m³ Raum |
| Hauptanl. 840 m² 2745 m³ 4,5 # 106 42.7 t 11,56 27 5350 164
0,050 0,015 0,013 0,004 |
| Versuchs 60 m² 36 m³ 2,0 # 104 0,139t 0,015 11,3 333 556 0,0002
0,003 0,0002 0,0004 |
| anlage 12,5 m² 5 m³ 2,5 # 104 0,174t 0,036t 21 2000 5000 0,013
0,0348 0,028 0,0072 |
Tabelle 1