DE4237220A1

DE4237220A1 - Verfahren und Anlagen zur Reinigung von Flüssigkeiten in horizontal durchströmten bepflanzten Filterbetten

Info

Publication number: DE4237220A1
Application number: DE4237220A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Prof Dr Kickuth
Original assignee: KICKUTH ALEXANDER DIPL ING; KICKUTH JUN REINHOLD
Current assignee: KICKUTH ALEXANDER DIPL ING; KICKUTH JUN REINHOLD
Priority date: 1992-11-04
Filing date: 1992-11-04
Publication date: 1994-05-05
Also published as: PL171833B1; IT1263770B; GB2272213B; GB2272213A; HU9203839D0; CA2088469C; GB9301287D0; HU213052B; US5273653A; CH688623A5; PL297062A1; ITMI930072A0; ITMI930072A1; CA2088469A1; HUT66341A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum An legen eines mit emersen Helophyten bepflanzten Filter bettes mit einem Zulauf für eine zu reinigende Flüssigkeit und einem Ablauf für die gereinigte Flüssigkeit, bei welchem Verfahren ein Sohlschotterbett angelegt wird, das sich über einen Teil der Länge des Filterbettes in Fließ richtung der zu reinigenden Flüssigkeit erstreckt und mit dem Zulauf hydraulisch verbunden ist, wobei das Sohl schotterbett einen Stauraum bildet.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Reinigen einer Flüssigkeit, bei dem die zu reinigende Flüssigkeit durch ein mit emersen Helophyten bepflanztes Filterbett von einem Zulauf zu einem Ablauf und durch ein Sohlschotterbett geleitet wird, das über einen Teil der Länge des Filterbettes in Fließrichtung der zu reinigenden Flüssigkeit angelegt und mit dem Zulauf hydraulisch ver bunden wird, wobei das Sohlschotterbett einen Stauraum bildet.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Anlage zum Reinigen einer Flüssigkeit, enthaltend ein mit emersen Helophyten bepflanztes Filterbett mit einem Zulauf, einem Ablauf und einem Sohlschotterbett, das sich über einen Teil der Länge des bepflanzten Filterbettes in Fließ richtung der zu reinigen den Flüssigkeit erstreckt und mit dem Zulauf hydraulisch verbunden ist, wobei das Sohlschotterbett einen Stauraum bildet.

Solche Verfahren und Anlagen sind einschließlich früherer Veröffentlichungen in der veröffentlichten Europäischen Patentanmeldung 0 243 678 beschrieben. Bei dem bekannten Verfahren und der bekannten Anlage ist das Sohlschotter bett von längsverlaufenden Ableitungsrohren durchsetzt, die ablaufseitig mit Einstellmitteln zur Einstellung des Durchflusses versehen sind. Auf diese Weise bildet das Sohlschotterbett mit den Ableitungsrohren einen Neben strömungsweg für die Bodenmatrix des bepflanzten Filter bettes, der einen Teil des Zuflusses aufnimmt und durch den der Durchfluß durch das bepflanzte Filterbett extern, d. h. außerhalb des bepflanzten Filterbettes ablaufseitig eingestellt werden kann.

Unter den modernen Verfahren zur Abwasserbehandlung spielen die sog. "Pflanzenkläranlagen" eine zunehmend bedeutende Rolle. Bei ihnen geschieht die Abwasser reinigung durch Passage eines bepflanzten Bodenkörpers, der mit seiner mikrobiellen Dichte und Vielfalt zu exzes siven Reinigungsleistungen auch ungewöhnlicher Abwässer befähigt ist. Die besondere Aufmerksamkeit eilt dem äußerst geringen Einsatz an Fremdenergie im Vergleich zu mehr konventionellen Prozessen wie den Belebtschlamm verfahren oder den belüfteten Klärteichen.

Der Name "Pflanzenkläranlagen" ist nicht besonders glück lich gewählt, weil die eigentlich wirksame Einheit der durchströmte Bodenkörper ist, der durch die Pflanzen eine bekannte physikalische, chemische und biologische Akti vierung erfährt, deren nähere Beschreibung sich im er findungsgemäßen Sachzusammenhang erübrigt.

Die sog. "Pflanzenkläranlagen" haben auch dadurch an Attraktivität gewonnen, weil sich inzwischen herausge stellt hat, daß deren - anfänglich überschätzter - spezi fischer Flächenbedarf keineswegs exzessiv ist und bei 2 bis 10 m² pro Einwohnergleichwert liegt.

Die Berechnung der für eine solche Anlage erforderlichen Fläche auf der Basis der reaktionskinetischen Größen für den Abbau der organischen Laststoffe, ausgedrückt etwa als BSB₅, erfolgt über einen Terminus, der die benötigte Fläche als Funktion von Abwassermenge und Verschmutzungs grad sowie dem angestrebten Reinigungsziel ausweist:

F_x = 5,2·Qd·(ln C_o/C_t) (I).

Darin bedeuten:
F_x die benötigte Fläche in m²
Qd die Tageswassermenge in m³
C_o die Zulaufkonzentration in mg/l BSB₅
C_t die Ablaufkonzentration in mg/l BSB₅ (Reinigungsziel).

Der Modul 5,2 ist eine spezifische Größe, die sich aus den reaktionskinetischen Konstanten für den BSB₅-Abbau ergibt.

Die so ermittelte Fläche kann natürlich bei den hori zontal durchströmten bepflanzten Filterbetten - und um solche handelt es sich vorwiegend - nicht beliebig ge formt sein, weil für den Durchfluß oder Transport der Wassermenge Qd durch den Bodenkörper ein bestimmter Infiltrations- oder Strömungsquerschnitt erforderlich ist. Dieser ist selbstverständlich durch die Strömungs- oder Filtriergeschwindigkeit v definiert, die der Boden körper zuläßt.

Allgemein wird das Transportgeschehen in dem horizontal durchströmten Filterbett durch die Kontinuitätsgleichung

beschrieben.

Hierin sind
⌀ der Infiltrationsquerschnitt, d.i. die Eintritts fläche (Strömungskulisse) für das Abwasser in m²,
Q der Abwasserzufluß bzw. Durchfluß in m³/sec,
v die Vorrückgeschwindigkeit oder lineare Fließ geschwindigkeit der fließenden Welle im durch strömten Bodenkörper in in/sec, also die Filtrier geschwindigkeit.

Nach DARCY läßt sich die Strömungs- bzw. Filtriergeschwin digkeit in einem Bodenkörper durch folgende Beziehung darstellen:

v = k_f·Δh/Δs (III).

Darin sind:
v die Filtriergeschwindigkeit in in/sec
k_f der Durchlässigkeitsbeiwert des Bodenkörpers in m/sec

der hydraulische Gradient.

Pflanzenkläranlagen, insbesondere die sog. "Wurzelraum anlagen", die sich am konsequentesten auf das Leistungs vermögen durchwurzelter Oberböden unter einem Helophyten bestand gründen, sind in der Regel auf eine bestimmte Tiefe - meistens 0,6 in - des Wirkraumes ausgelegt. Darunter sind sie gegen den Unterboden bzw. den Grundwasserkörper hermetisch abgedichtet.

Im so bestimmten Wirkraum bzw. der so bestimmten Boden matrix werden durch eine besondere Bodenauswahl, vor allem aber durch die sekundär strukturierende Tätigkeit der unterirdischen Pflanzenorgane (Wurzeln und Rhizome) hohe Durchlässigkeitsbeiwerte k_f erreicht, die man sonst nur von gröberen primären Körnungen kennt.

So ließ sich zeigen, daß nach mehrjähriger Durchwurzelung eines Ausgangsbodens mit einem k_f-Wert von 10^-7 m/sec ein bepflanztes Filterbett mit einem k_f-Wert von 5·10^-3 in/sec entstehen kann, einem k_f-Wert, der sonst nur bei Grobsanden zu finden ist. Dennoch ist eine solche extreme Gängigkeit die Ausnahme; mit Sicherheit lassen sich aber k_f-Werte von 5·10^-4 m/sec erreichen.

Hierin liegen auch die systembedingten Schwierigkeiten bei der Dimensionierung und für die Anwendung solcher Anlagen begründet, wie im folgenden gezeigt werden soll.

Für die Berechnung einer Wurzelraumanlage für 5000 EGW werden die üblichen Parameter zu Grunde gelegt. So ergibt sich ein täglicher Schmutzwasseranfall Qs von 750 m³. Ein Infiltrationswasseranteil von 50 l/EGW·d unterstellt, fließen einer Reinigungsanlage dann 1000 m³/d zu. Für die Berechnungszeit von 10 Stunden ergibt dieses einen Sekun denzufluß von 2,78-10^-2 m³/sec.

Für die BSB-Belastung des Abwassers wird ein Wert von 45 g/EGW·d gemäß den üblichen Richtwerten nach mechani scher Vorreinigung unterstellt. Die gesamte Zulaufkonzen tration ist daher 225 mg/l BSB₅.

Als Reinigungsziel werden 15 mg/l BSB₅ angenommen.

Die erforderliche Fläche des bepflanzten Filterbettes ist dann nach Gleichung I

Fx = 5,2·1000·(ln 225/15)
Fx = 14 082 m².

Wie man sieht, erhält man einen spezifischen Flächenbedarf von 2,82 m² pro EGW. Das ist technisch leicht realisier bar und auch häufig realisiert worden.

Sehr problematisch stellt sich hingegen die Realisierung des erforderlichen Infiltrations- oder Strömungsquer schnitts dar, wie im folgenden gezeigt werden soll. Der Strömungsquerschnitt ist gemäß Gleichung II

Für die obigen Werte ergibt sich unter der Annahme, daß ein hydraulischer Gradient von 5% zu verwirklichen ist, was durch Herstellung eines Sohlgefälles in Strömungsrichtung geschehen könnte,

Bei einer Wirktiefe (Profiltiefe) von 0,6 m würde dies eine Anlagenbreite von 1 853 m (!) bedeuten.

Die Gesamtfläche der Anlage beträgt 14 082 m². Die Anlagen form würde sich demgemäß mit

7,6 m in der Fließrichtung und
1 853,00 m als Infiltrationsbreite darstellen.

Eine solche, hydraulisch bedingte Flächenausformung ist verteilungstechnisch nicht zu bewältigen und kann bei einem Passageweg von 7,6 m nicht zu einem verläßlichen Fließbild und einer verläßlichen Reinigung führen.

Hiermit sind die systembedingten Probleme solcher Rei nigungsverfahren exemplarisch aufgezeigt.

Angesichts der außerordentlichen sonstigen Vorteile solcher Reinigungsverfahren hat es daher nicht an Ver suchen und Vorschlägen gefehlt, diese Schwierigkeiten zu überwinden.

Zunächst ist es durchaus berechtigt, für solche Anlagen den Gesamtzufluß auf 24 Stunden gleichmäßig zu verteilen. Das kann technisch durch Ausgleichsbecken geschehen. Man kann aber auch von der großen Pufferungskapazität des be pflanzten Filterbettes selbst ausgehen. Es ergibt sich so ein Zufluß von 1,16·10^-2 m³/sec, und man erhält

772 m für die Infiltrationsbreite und
18,2 m für die Fließstrecke.

Im Prinzip ist damit nicht viel gewonnen, weil auch diese Flächenform kaum lösbare Verteilungsprobleme mit sich bringt und eine Passage von 18,2 m kaum ein homogenes Fließbild erzeugt.

Von den Schwierigkeiten, eine solche Fläche wirtschaft lich ins Gelände zu positionieren, soll hier nur am Rande die Rede sein.

Praktische Versuche, das Sohlgefälle erheblich zu ver größern, etwa auf 10%, führen zu andersartigen hydrau lischen Schwierigkeiten, zum Beispiel zu Wasseraustritten auf die Oberfläche des Bodenkörpers, bevor die Passage beendet ist. Außerdem läßt sich auch dadurch eine technisch realisierbare und abwassertechnisch wünschbare Flächen form nicht erzeugen.

In wenigen Fällen hat man sich mit der Aufteilung in mehrere Teilflächen beholfen, jedoch stößt man auch hier bei bald an Grenzen. Vor allem nimmt der technische Auf wand so bedeutend zu, daß die Baukosten nicht mehr dar stellbar sind. Jedes Teilbeet muß Zulauf- und Ablauf gruppen mit den entsprechenden Regulierungsmöglichkeiten besitzen, und jedem Teilbeet muß die gleiche bzw. teil flächenproportionale Wassermenge zugeteilt werden. Eine brauchbare technische Lösung dafür ist bisher noch nicht entwickelt worden.

Eine letzte, bekannte Möglichkeit, die hydraulischen Probleme unter Beibehaltung einer Bodenpassage zu lösen, besteht in der Wahl eines vertikalen Infiltrationsmodus. Davon wird verhältnismäßig häufig Gebrauch gemacht, obwohl diese Verfahrensvariante besondere Schwierigkeiten und auch Unwägbarkeiten mit sich bringt. Zunächst ist es schwierig, eine gleichmäßige Verteilung des Abwassers auf größere Flächen zu erzielen. Eine Verregnung kommt wegen der damit verbundenen Belästigungen meistens nicht in Be tracht, ebenso wird im allgemeinen eine freie, offene Abwasserfläche auf dein Bodenkörper nicht akzeptiert. Vor allem aber sind die unterschiedlich sich ausbildenden k_f-Werte nicht gegenzuregulieren, und eine Passage von höchstens 1 Meter durch den aktiven Wurzelraum ist selten ausreichend für eine verläßliche Reinigung durch Kontakt mit den aktiven Strukturen des Bodenkörpers.

Zahlreiche Planer haben sich daher von der Inanspruchnahme der hochkomplexen und hoch aktiven Bodenmatrix bepflanzter Filterbetten abgewandt und benutzen statt dessen durch strömte Kies- oder Grobsandbetten zur Abwasserreinigung - selbstverständlich mit all den Einbußen an Leistung und biochemischer Versatilität, die einen Boden kennzeichnet und angesichts der stets selbst im häuslichen Abwasser vorhandenen Xenobiotika auch wünschenswert ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgemäß darin, Verfahren und Anlagen der eingangs genannten Art mit einer in der Praxis technisch brauchbaren Flächenform, d. h. einem in der Praxis technisch brauchbaren Verhältnis von Infil trationsbreite und Fließlänge zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach einem Aspekt des Verfahrens dadurch gelöst, daß ein den bautechnischen Mög lichkeiten entsprechender Infiltrationsquerschnitt gewählt und das Sohlschotterbett derart ausgeführt wird, daß die Fließstrecke vom ablaufseitigen Ende des Sohlschotterbettes bis zum Ablaufpunkt des Ablaufs einen dem gewählten Infil trationsquerschnitt entsprechenden hydraulischen Gradienten dadurch ergibt, daß die Sickerlinie der zu reinigenden Flüssigkeit durch den im Sohlschotterbett ausgebildeten artesischen Druck bis zum ablaufseitigen Ende des Sohl schotterbettes unmittelbar an der Oberfläche des bepflanz ten Filterbettes verläuft.

Nach einem weiteren Aspekt des Verfahrens wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die zu reinigende Flüssigkeit das bepflanzte Filterbett entlang einer Sicker linie durchsetzt, die durch den im Sohlschotterbett aus gebildeten artesischen Druck über die Länge des Sohlschotter bettes bis an die Oberfläche des bepflanzten Filterbettes angehoben wird, daß die zu reinigende Flüssigkeit einen ent sprechend den bautechnischen Gegebenheiten gewählten Infil trationsquerschnitt homogen durchsetzt und daß die Flüssig keit das bepflanzte Filterbett vom ablaufseitigen Ende des Sohlschotterbettes bis zum Ablaufpunkt des Ablaufs unter einem durch die gewählte Länge des Sohlschotterbettes be stimmten hydraulischen Gradienten durchströmt.

Hinsichtlich der erfindungsgemäßen Anlage wird diese Auf gabe dadurch gelöst, daß in dem bepflanzten Filterbett eine Sickerlinie verläuft, die durch einen während des Betriebs der Anlage im Sohlschotterbett ausgebildeten artesischen Druck bis an die Oberfläche des bepflanzten Filterbettes angehoben ist, das am Zulauf ein entsprechend den bautech nischen Gegebenheiten ausgewählter Infiltrationsquerschnitt ausgebildet ist, den die zu reinigende Flüssigkeit während des Betriebs der Anlage homogen durchsetzt, und daß in dem bepflanzten Filterbett vom ablaufseitigen Ende des Sohl schotterbettes bis zu einem Ablaufpunkt des Ablaufs ein durch die Länge des Sohlschotterbettes bestimmter hydrau lischer Gradient eingestellt ist.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß das Sohl schotterbett eine höhere hydraulische Leitfähigkeit als die Bodenmatrix des bepflanzten Filterbettes hat und daß dadurch dem Fließdruck in der Bodenmatrix eine nach oben gerichtete, artesische Druckkomponente überlagert wird. Es läßt sich so eine Durchströmung erzielen, die das be pflanzte Filterbett über eine durch das Sohlschotterbett gegebene Länge horizontal und homogen durchsetzt. Der Infiltrationsquerschnitt wird so gewählt, wie es den baulichen Gegebenheiten entspricht, und so, daß der vor genannte homogene Durchfluß erzielbar ist. Die Anpassung an den durch den Zufluß geforderten Durchfluß erfolgt dann durch die Einstellung des hydraulischen Gradienten zwischen dem ablaufseitigen Ende des Sohlschotterbettes und dem Ablaufpunkt des Ablaufs. Nach der Erfindung wird es daher möglich, technisch realistische und dem Reinigungs ziel entgegenkommende Infiltrationsquerschnitte innerhalb weiter Grenzen zu wählen.

Darüber hinaus hat sich auch überraschenderweise gezeigt, daß die Entwicklung der Pflanzenwurzeln und Rhizome durch diese artesische Komponente, insbesondere im Hinblick auf die Tiefenerschließung, günstig beeinflußt wird.

Dieses hängt offensichtlich damit zusammen, daß die unter irdischen Organe dem von unten an strömenden Wasser und den darin gelösten Nährstoffen entgegenwachsen, während sie bei oberflächennaher Beschickung zur Ausbildung großer Biomassen nur in den oberen 20 bis 30 cm neigen, während die unteren Zonen des Bodenkörpers sehr viel weniger erschlossen werden.

Vorteilhafterweise ist bei den erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Anlage das Sohlschotterbett mit einer zur Sohle des Filterbettes abwärts gerichteten Neigung, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 5%, angelegt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Abbil dungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend an Hand der Bezugszeichen im einzelnen erläutert und be schrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des bepflanzten Filterbettes nach der Erfindung;

Fig. 2 die Druckverhältnisse und die Sickerlinie bei dem bepflanzten Filterbett nach Fig. 1, und

Fig. 3 die Trockenmasse der unterirdischen Organe in g/m² der Bodenmatrix als Funktion der Tiefe im Vergleich zu einer Bodenmatrix nach dem Stand der Technik.

Der Aufbau und die Erstellung der bepflanzten Filter betten ist aus der eingangs genannten Literatur im Prinzip bekannt. Es sei daher hier nur kurz und zu sammenfassend erwähnt, daß ein in seiner Größe durch den jeweiligen Anwendungszweck bestimmtes Bett ausge hoben wird, das auf der Sohle und an den Seitenwänden mit einer für die zu reinigende Flüssigkeit undurch lässigen Membran oder Folie verkleidet wird. An den gegenüberliegenden Stirnseiten wird ein Zulauf ausge bildet, durch den die zu reinigende Flüssigkeit dem bepflanzten Filterbett zugeführt wird, und ein Ablauf, der die aus dem bepflanzten Filterbett austretende, gereinigte Flüssigkeit aufnimmt und beispielsweise einem Vorfluter zuführt. Das ausgehobene Bett wird mit einem geeigneten Bodenkörper, zum Beispiel Parabraunerde (B-Horizont) oder monolithischem, lehmigen Sand aus gefüllt, der mit emersen Helophyten, zum Beispiel der Arten Phragmites, Iris, Scirpus und ähnlichen bepflanzt wird. Dafür werden generell Pflanzen eingesetzt, die über ihr Aerenchym ihrem Wurzelsystem und dem adhärenten Wurzelraum Sauerstoff zuführen können und dadurch in der hydromorphen Bodenmatrix des bepflanzten Filterbettes ein Muster aus aeroben und anaeroben Kleinbezirken aufbauen, die für die Reinigungsleistung des bepflanzten Filter bettes verantwortlich sind.

In dem in Fig. 1 in einer Schnittansicht dargestellten Ausführungsbeispiel einer Anlage zur Reinigung von Flüssig keiten wie Abwasser erkennt man das mit emersen Helophyten bepflanzte Filterbett 1, das an einer Stirnseite mit einem Zulauf 2 in Gestalt eines mit Schotter verfüllten Zulauf grabens versehen ist. An der gegenüberliegenden Stirnseite befindet sich ein Ablauf 3, ein zum Beispiel als Dränage rohr ausgebildetes Ablaufrohr, das die aus dem Filter bett 1 austretende gereinigte Flüssigkeit aufnimmt und zu einem Kontrollschacht bzw. zum Vorfluter führt. Die Sohle 4 und die Seitenwände des Filterbettes 1 sind mit einer wasserundurchlässigen Folie abgedeckt.

Zwischen dem Filterbett 1 und der zur Abdichtung gegen den Grundwasserkörper verwendeten Folie ist ein Sohl schotterbett 5 von 15 bis 20 cm Stärke angeordnet. Das Sohlschotterbett 5 ist mit dein Zulauf 2 hydraulisch ver bunden.

In Fig. 1 hat das Sohlschotterbett 5 eine geringere Länge als das bepflanzte Filterbett 1 und verläuft unter einer abwärts gerichteten Neigung zur Sohle 4 des be pflanzten Filterbettes 1. Diese Neigung ist durch ein Sohlgefälle im Bereich von 1% bis 5% bestimmt.

In dem bepflanzten Filterbett 1 wird in der bekannten Weise durch die emersen Helophyten die aktive Boden matrix 6 mit einem Infiltrationsquerschnitt 7 ausgebildet.

Die Auswirkung der Gestaltung nach Fig. 1 ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Man erkennt darin das bepflanzte Filterbett 1 mit dem Zulauf 2, dem Ablauf 3, der Sohle 4, dem geneigten Sohlschotterbett 5, der Bodenmatrix 6 und dem Infiltrationsquerschnitt 7. Mit 8 ist der Flüssig keitsspiegel im Zulauf 2 bezeichnet, aus dem die zu reini gende Flüssigkeit durch den Infiltrationsquerschnitt 7 in die Bodenmatrix 6 (und das Sohlschotterbett 5) eintritt und diese im wesentlichen in horizontal er Richtung ent sprechend dein durch die Pfeile 9 angedeuteten Fließdruck durchsetzt. Infolge der gegenüber der Bodenmatrix 6 erheb lich größeren hydraulischen Leitfähigkeit des Sohlschotter bettes 5 baut sich über diesem über seine Länge ein arte sischer Druck aus, der quer zum Fließdruck verläuft und durch die Pfeile 10 angedeutet ist. Wegen der Neigung des Sohlschotterbettes 5 nimmt dieser artesische Druck bis zum ablaufseitigen Ende 11 des Sohlschotterbettes 5 zu. Das hat die Wirkung, daß die gepunktete Sickerlinie 12 der Flüssig keit, die die Bodenmatrix 6 durchsetzt, bis zum ablauf seitigen Ende 11 des Sohlschotterbettes 5 im wesentlichen horizontal und an, d. h. parallel dicht entlang der Ober fläche 13 der Bodenmatrix 6, praktisch auf der Höhe des Flüssigkeitsspiegels 8 im Zulauf 2, verläuft. Zum Vergleich ist in Fig. 2 die Sickerlinie 14 eines konventionellen bepflanzten Filterbettes gestrichelt eingezeichnet. (Zur Sickerlinie und deren Bestimmung vgl. B.O.Lüken, "Phänomene der hydraulischen Leitfähigkeit dauernd hydromorpher Boden matrices", Dissertation Gesamthochschule Kassel 1989).

Für den störungsfreien Betrieb der Anlage ist es notwendig, im Zulauf 2, der im allgemeinen als Zulaufgraben aus gebildet ist, einen konstanten Flüssigkeitsspiegel 8 auf der Höhe der Oberfläche 13 des bepflanzten Filterbettes 1 aufrechtzuerhalten. Dazu kann der Zulaufgraben in an sich bekannter Weise mit einer Überlaufeinrichtung versehen werden, die überstehende Flüssigkeit aufnimmt und Flüssig keitsmangel ausgleicht.

Es ergibt sich somit, daß als Folge des von dem Sohl schotterbett 5 ausgehenden artesischen Drucks in der Bodenmatrix 6 zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Durch strömungsverhältnissen ausgebildet werden: In einem ersten Abschnitt 16, der sich über die Länge L des Sohlschotter bettes 5 vom Zulauf 2 bis zum ablaufseitigen Ende 11 des Sohlschotterbettes 5 erstreckt, wird die gesamte Boden matrix 6 von der zu reinigen den Flüssigkeit entsprechend der Sickerlinie 12 im wesentlichen horizontal durchsetzt. In einem zweiten Abschnitt, der sich über eine restliche Länge L des bepflanzten Filterbettes 1 vom ablaufseitigen Ende 11 des Sohlschotterbettes 5 bis zum Ablauf 3 er streckt, wird die Bodenmatrix 6 von der zu reinigenden Flüssigkeit entsprechend der Sickerlinie 12 unter einem relativ steilen hydraulischen Gradienten Δh/Δs durch setzt, da dessen Fließstrecke Δs durch die nur kurze restliche Länge 1 bestimmt ist.

Insgesamt wird somit das Ergebnis erhalten, daß der Durch fluß bzw. die Reinigungsleistung des bepflanzten Filter bettes 1 dadurch an die jeweiligen örtlichen Anforderungen angepaßt werden kann, daß beim Bau der Anlage der Infil trationsquerschnitt 7 in Verbindung mit der Länge L des Sohlschotterbettes 5 bzw. der restlichen Länge 1 des be pflanzten Filterbettes 1 entsprechend Gleichung IV ge wählt werden. Bei dieser Ausgestaltung wird somit der Durchfluß Q durch die Bodenmatrix 6 intern, d. h. innerhalb der Bodenmatrix 6 eingestellt. Daraus folgt die Realisierung einer Anlage für die eingangs genannten Bedingungen (1000 m³/d; gleichmäßiger Zufluß über 24 Stunden von 1,16 m³/sec) mit folgenden Daten
Fx (Gleichung I) = 14 082 m²;
Gesamtlänge 100 m, daraus ermittelte
Infiltrationsbreite 140,8 m.

Bei einer üblichen Infiltrationstiefe von 0,6 m ist der Infiltrationsquerschnitt ⌀ 84,5 m².

Der gewünschte Durchsatz von 1,16·10^-2 m³/sec wird aus Gleichung IV erhalten, wenn

d. h. wenn die restliche Länge des bepflanzten Filterbettes 1 ca. 2,18 in bzw. die (horizontale) Länge des Sohlschotter bettes 5 ca. 97,8 m beträgt.

Es sei jedoch angemerkt, daß

a) sich diese Berechnung ohne Berücksichtigung eines baulich realisierbaren Sohlgefälles, und
b) ohne Berücksichtigung der auseinanderlaufenden Höhen linien für die Bodenoberfläche (z. B. 1%) und die Anlagensohle (bis 5%) ergibt.

Man erkennt, daß sich zahlreiche numerische Konstellationen und Möglichkeiten ergeben, die dem Planer einen weiten Spielraum lassen, in jedem Falle aber die Länge und Posi tion des Sohlschotterbettes 5 bei bestimmten Vorgaben ein deutig festlegen oder der neuen Möglichkeit entsprechend definierte Vorgaben für die Formgebung einer Pflanzen kläranlage zulassen. Durch Kombination mit anderen Lösungs ansätzen (zum Beispiel Aufteilung auf zwei Arbeitsein heiten, was technisch einfach und meistens auch erwünscht ist) lassen sich entsprechende Lösungen auch für kom plizierte Fälle und für große Anlagen finden.

In bekannter Weise, läßt sich auch aus dem Sohlschotter bett 5 eine Kurzschlußleitung aus der Anlage hinausführen, die bei Notfällen geöffnet werden kann und eine voll ständige und schnelle Entwässerung der Anlage erlaubt.

Fig. 3 ist ein Diagramm, das in A die Durchwurzelung der Bodenmatrix eines konventionellen, mit emersen Helophyten bepflanzten Filterbettes 1 ohne Sohlschotterbett und in B die Durchwurzelung der Bodenmatrix 6 eines Fig. 1 analogen Filterbettes 1 mit einem Sohlschotterbett 5 von 10 cm Stärke als Funktion der Tiefe bis 0,6 m zeigt. Die bepflanzten Filterbetten 1 befanden sich in vergleichbaren Ent wicklungszuständen. Als Maß der Durchwurzelung dient das Gewicht der Trockenmasse der unterirdischen Organe in g/m²; die Proben wurden auf folgende Weise entnommen und unter sucht:

Dazu wurden von einem abgemessenen Teil der Oberfläche des bepflanzten Filterbettes Pflanzen und Detritus entfernt und ein Stahlkasten mit den Abmessungen 1 m×0,5 m×0,5 m in das Filterbett getrieben. Der Stahlkasten enthielt an einer Langseite Schlitze in 10 cm Abstand, durch die von einer ausgeschachteten Grube ausgehend Stahlbleche an Führungen in das Filterbett eingeführt werden. Aus jeder so gewonnenen 10 cm dicken Schicht des Filterbettes wurde der anhaftende Boden ausgespült. Die verbleibenden unter irdischen Pflanzenorgane jeder 10 cm dicken Schicht wurden in einem Trockenschrank bei 105°C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet (ca. 3 Tage). Das Gewicht der so erhaltenen Trockenmassen ist in Fig. 3 angegeben.

Es ergibt sich unmittelbar aus dem Vergleich der Diagramme A und B, daß die Bodenmatrix 6 bei Anwesenheit des Sohl schotterbettes 5 bis zu größerer Tiefe und bis dicht an das Sohlschotterbett 5 gleichmäßig gut durchwurzelt ist, während die konventionelle Bodenmatrix 6 in den oberen Schichten stärker und dann in den unteren Schichten rasch abnehmend immer weniger gut durchwurzelt ist.

Claims

1. Verfahren zum Anlegen eines mit emersen Helophyten bepflanzten Filterbettes (1) mit einem Zulauf (2) für eine zu reinigende Flüssigkeit und einem Ablauf (3) für die gereinigte Flüssigkeit, bei welchem Verfahren ein Sohlschotterbett (5) angelegt wird, das sich über einen Teil der Länge (L) des Filterbettes (1) in Fließrichtung der zu reinigenden Flüssigkeit erstreckt und mit dem Zulauf (2) hydraulisch verbunden ist, wobei das Sohl schotterbett (5) einen Stauraum bildet, dadurch gekennzeichnet, daß ein den bautechnischen Gegebenheiten entsprechender Infiltrationsquerschnitt (7) gewählt und das Sohlschotterbett (5) derart ausgeführt wird, daß die Fließstrecke vom ablaufseitigen Ende (11) des Sohlschotterbettes (5) bis zum Ablaufpunkt (15) des Ablaufs (3) einen dem gewählten Infiltrationsquerschnitt entsprechenden hydraulischen Gradienten dadurch ergibt, daß die Sickerlinie (12) der zu reinigenden Flüssigkeit durch den im Sohlschotterbett (5) ausgebildeten arte sischen Druck bis zum ablaufseitigen Ende (11) des Sohl schotterbettes (5) unmittelbar an der Oberfläche (13) des bepflanzten Filterbettes (1) verläuft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sohlschotterbett (5) unter einer abwärts ge richteten Neigung zur Sohle (4) des bepflanzten Filter bettes (1) angelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sohlschotterbett (5) mit einem Sohlgefälle im Bereich von 1% bis 5% angelegt wird.

4. Verfahren zum Reinigen einer Flüssigkeit, bei dem die zu reinigende Flüssigkeit durch ein mit emersen Helophyten bepflanztes Filterbett (1) von einem Zulauf (2) zu einem Ablauf (3) und durch ein Sohlschotterbett (5) geleitet wird, das über einen Teil der Länge (L) des Filter bettes (1) in Fließrichtung der zu reinigenden Flüssig keit angelegt und mit dem Zulauf (2) hydraulisch ver bunden wird, wobei das Sohlschotterbett (5) einen Stau raum bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die zu reinigende Flüssigkeit das bepflanzte Filterbett (1) entlang einer Sickerlinie (12) durchsetzt, die durch den im Sohlschotterbett (5) ausgebildeten artesischen Druck über die Länge (L) des Sohlschotterbettes (5) bis an die Oberfläche (13) des bepflanzten Filterbettes (1) angehoben wird, daß die zu reinigende Flüssigkeit einen entsprechend den bautech nischen Gegebenheiten gewählten Infiltrationsquerschnitt (7) homogen durchsetzt und daß die Flüssigkeit das be pflanzte Filterbett (1) vom ablaufseitigen Ende (11) des Sohlschotterbettes (5) bis zum Ablaufpunkt (15) des Ab laufs (3) unter einem durch die gewählte Länge (L) des Sohlschotterbettes (5) bestimmten hydraulischen Gradienten durchströmt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sohlschotterbett (5) unter einer abwärts gerich teten Neigung zur Sohle (4) des bepflanzten Filter bettes (1) angelegt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Sohlschotterbett (5) mit einem Sohlgefälle im Bereich von 1% bis 5% angelegt wird.

7. Anlage zum Reinigen einer Flüssigkeit, enthaltend ein mit emersen Helophyten bepflanztes Filterbett (1) mit einem Zulauf (2), einem Ablauf (3) und einem Sohlschotter bett (5), das sich über einen Teil der Länge (L) des bepflanzten Filterbettes (1) in Fließrichtung der zu reinigenden Flüssigkeit erstreckt und mit dem Zulauf (2) hydraulisch verbunden ist, wobei das Sohlschotterbett (5) einen Stauraum bildet, dadurch gekennzeichnet, daß in dem bepflanzten Filter bett (1) eine Sickerlinie (12) verläuft, die durch einen während des Betriebs der Anlage im Sohlschotterbett (5) ausgebildeten artesischen Druck bis an die Oberfläche (13) des bepflanzten Filterbettes (1) angehoben ist, daß am Zulauf (2) ein entsprechend den bautechnischen Gegebenheiten ausgewählter Infiltrationsquerschnitt (7) ausgebildet ist, den die zu reinigende Flüssigkeit während des Betriebs der Anlage homogen durchsetzt, und daß in dem bepflanzten Filterbett (1) vom ablaufseitigen Ende (11) des Sohlschotterbettes (5) bis zu einem Ablauf punkt (15) des Ablaufs (3) ein durch die Länge (L) des Sohlschotterbettes (5) bestimmter hydraulischer Gradient eingestellt ist.

8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Sohlschotterbett (5) mit einer abwärts ge richteten Neigung zur Sohle (4) des bepflanzten Filter bettes (1) erstreckt.

9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sohlschotterbett (5) ein Sohlgefälle im Bereich von 1% bis 5% hat.