DE4422496A1

DE4422496A1 - Inverses Bio-Filter

Info

Publication number: DE4422496A1
Application number: DE19944422496
Authority: DE
Inventors: Juergen Stadelmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-06-28
Filing date: 1994-06-28
Publication date: 1996-01-11

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Filteranlage, die als Inverses Bio-Filter ausgebildet ist und sowohl zur Nachbehandlung von verunreinigtem Oberflächen- und Regen wasser sowie häuslichen Abwässern und Abwässern aus Bodenwaschanlagen, als auch zur Nachreinigung von Sicker wässern eingesetzt wird.

Klär- bzw. Filteranlagen besitzen mehrschichtige poröse Filter- oder/und Dispergier-Gefügekonstruktionen, deren einzelne Schichten verschiedene Körnungen aufweisen, die sowohl durch normale Schüttung der einzelnen Schich ten als auch durch Verkleben von mehreren Schichten auf gebaut und gestaltet sind.

Im Verlaufe der Wasserreinigung werden - unter anderem - Filtrierarbeitsgänge durchgeführt; es erfolgt ein biolo gischer Abbau der organischen Stoffe; fallweise erfolgt ein Austreiben von aggressiven Gasen aus den Flüssig keiten sowie eine Entwässerung, eine Austrocknung, von Abwasserschlamm.

Zur Lösung dieser Filtrier- und Entwässerungsaufgaben sind unterschiedliche Methoden bekannt.

So die Sandfilterung, die Filtrierung mittels geklebter Kiesfilter, Textil- bzw. Metallsiebe sowie die Zentrifu gal- und Vakuumfiltrierung, auch als Schlammpressen be kannt.

Der Wirkungsgrad der bekannten maschinellen Filtrier- und Entwässerungsmethoden ist günstig, ihre filtrier technologische Einsetzbarkeit aber verhältnismäßig eng, wobei ihr Einsatz in den Entwässerungstechnologien durch ihre spezifischen, hohen Investitions- und Be triebskosten beschränkt wird.

Aus diesem Grunde werden in der Abwasserreinigung über wiegend auf Verwendung von natürlichen Stoffen beruhen de Filtertechnologien angewandt, von denen die Sand filtrierung die am meisten verbreitete ist.

Aus dem durch das Sandfilter strömende Abwasser fügt sich die Festphase in die Sandschicht ein, wobei die Flüssigkeitsphase durch dieselbe strömt. Daraus folgt, daß sich die Filterschicht verstopft und nur derart wieder betriebsfähig gemacht werden kann, daß man die eingefilterte Festphase durch eine Gegenstromspülung entfernt oder die verstopften Schichten abbaut und durch neue ersetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bio-Filter-Anlage zu entwickeln, mit der eine Nachbehandlung von verun reinigten Regen- und Abwässern sowie häuslichen Abwäs sern und Abwässern als Sickerwasser und aus Bodenwasch anlagen, die aus Kläranlagen, Leichtflüssigkeitsabschei dern und weiteren technischen Filteranlagen austreten, erfolgt, wobei die Anlage als Bio-Filter arbeiten und den landschaftlichen Gegebenheiten anpaßbar gestaltet sein soll.

Die Erfindung wird durch die im Hauptanspruch heraus gestellten Merkmale gelöst.

Besondere Ausgestaltungen und vorteilhafte Anwendungs möglichkeiten sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit der erfindungsgemäßen Anlage wurde eine besondere Filteranlage bzw. ein Filter, ein Inverse-Biofilter, ge schaffen, dessen Festkörper sich aus, den hydrologi schen Verhältnissen angepaßten Kies-Sand-Filterschichten, genau definierten Körnungslinien zusammensetzt, wobei das Inverse-Biofilter gegen den Untergrund abgedichtet ist und den örtlichen Einsatzgebieten, wie Trinkwasser schutzbereichen, Naturschutzbereichen, aber auch Gewerbe gebieten, Rechnung tragend, mit bestimmten Schilf- und Binsenarten bepflanzt ist.

Die Kiesschüttung des Inverse-Biofilters ist so aufge baut, daß die obere Schicht die feinste Körnung auf weist und dann von Schicht zu Schicht die Korngröße zu nimmt, so daß im Sohlbereich das Grobkorn eingelagert ist und sich im Betriebsfall, bei Wassereinstau, das Bio-Filter ausbildet.

Die Erfindung soll mit folgendem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die dazugeörige Zeichnung zeigt in

Fig. 1 in schematischer Darstellung den Gesamtaufbau einer Inverse-Bio-Filteranlage;

Fig. 2 eine Detailansicht aus der Fig. 1;

Fig. 3 eine Körnungslinie der Kiesschüttung.

Die in Fig. 1 dargestellte Bio-Filteranlage ist als Nachbehandlungsanlage ausgeführt, in welcher, von einem nicht dargestellten Rückhaltebecken, über Rohrleitungen zugeführtes Abwasser biotopisch nachbehandelt und ge reinigt wird.

Das dabei im Rückhaltebecken gesammelte Abwasser kann sowohl das von einer Straße/Autobahn über einen Graben abgelaufene Regenwasser sein, als auch Abwässer aus Haus halten, Gewerbe- und Industriebetrieben.

Das aus dem Rückhaltebecken über Rohrleitungen zugeführte Abwasser gelangt zuerst in einen Öl- bzw. Leichtflüssig keitsabscheider 1. Dieses Abwasser enthält sowohl orga nische Stoffe, nicht im Rückhaltebecken abgesetzte Stoffe, als auch Schwermetalle. Beispielsweise das von einer Auto bahn ablaufende Regenwasser ist angereichert mit Straßen schmutz, den Ölresten, Schmierstoffen und Benzinrückständen, die auf dem Straßenbelag aufliegen und auch teilweise im Straßenbelag schon eingelagert sind. Aber auch Reifen abrieb, Metallteilchen, Lackteilchen und weitere Schad stoffe werden mit dem abfließenden Regenwasser mitgenom men und belasten es selbstverständlich.

Diese Schadstoffe können allein durch Rückhaltebecken nicht ausgesondert werden.

Vom Abscheider 1 gelangt das Abwasser über Rohrlei tungen 2 in die als Inverse-Biofilter 3 ausgebildete Nachbehandlungsanlage, erfährt seine biologische Nach behandlung und wird über Drainrohre 4 abgeführt. Die baulichen Abmaße eines Inverse-Biofilters 3 z. B. für das von einem 1 km langen Teilstück einer Autobahn kommende Regenwasser, was auch einer Fläche von 2,5 ha entspricht, beträgt ca. 40 × 25 m bei einer Mächtigkeit der Kiesschüttung des Inverse-Biofilters 3 von 90 cm, wobei von einem fest definierten gedrosselten Zulauf in das Inverse-Biofilter 3 von 10 l/s ausgegangen wird.

Die Fig. 2 gibt einen genauen Aufbau des Inverse-Bio filters 3 wider, der durch drei übereinander gelagerte Kiesschichten 5; 6; 7 gebildet ist und umfangsseitig, in der Mächtigkeit der oberen Kiesschicht 5 ausgebildet, mit einer Kiesschicht 8 umgeben ist.

Dieser so gestaltete Filterkörper wird mit entsprechenden Pflanzen 9 bepflanzt. Bei den eingesetzten Arten handelt es sich um biotopgerechte resistente Arten, die ein Höchstmaß an Reinigungswirkung erzielen und die Versorgung der Mikrobiologie innerhalb des Filterkörpers und des so gestalteten Inverse-Biofilters 3 bewirken.

Die sich im weitesten Sinne über die Kiesschüttung 8 er gebende umlaufende Wasserverteilung im Inverse-Bio filter 3 ist mit Wasserpflanzen besiedelt, um den Sauer stoffeintrag weiter zu erhöhen.

Der Untergrund des Inverse-Biofilters 3 ist abgedichtet. Auf dem natürlichen Untergrund wird zuerst ein Feinpla num 14 aufgetragen, darauf eine Folie 13 verlegt, und auf der Folie 13 befindet sich ein Vlies 12.

Sowohl die Sohle 15 des Inverse-Biofilters 3 als auch seine Böschungen 10 sind nach diesem Strukturaufbau aus geführt.

Die zum Abführen der biologisch gefilterten Abwässer vorgesehenen Drainrohre 4 sind auf der Sohle 15 des Inverse-Biofilters 3 verlegt.

Die einzelnen Kiesschichten 5, 6, 7 des Inverse-Biofil ters 3 sind in ihrer Mächtigkeit annähernd gleich, die Körnung jedoch unterschiedlich.

Die untere Kiesschicht besteht aus einem eingetragenen Kies der Normqualität Kies 16/32.

Die Zwischenschicht, die Kiesschicht 6, besteht aus Kies der Qualität 8/16, während die obere Kiesschicht 5 aus einem Kies der Qualität 0/8 besteht, was bereits der Körnung eines feinen Sandes entspricht.

Die Kiesschicht 8 besitzt eine Kiesschüttung der Quali tät 32/64.

Der eingesetzte Kies entspricht somit den Korngrößen von Kieskorn und Sandkorn, wobei der Bereich der Körnungs struktur sich von 0,2 bis 20 mm erstreckt und der Anteil der einzelnen Kornstrukturen, deren Masseanteile, prozen tual zur Gesamtmenge im Bereich von 0-100 liegt.

Der Strukturaufbau und seine Zusammensetzung sind aus der in der Fig. 3 dargestellten Körnungslinie zu ent nehmen.

Bei der Bemessung und deren Einsatz der Körnung für die einzelnen Kiesschichten 5, 6, 7 finden solche Faktoren wie die zur Verfügung stehende Fläche, die anfallende Wassermenge, die Verweildauer im Inverse-Biofilter 3 und der Durchlässigkeitswert Berücksichtigung.

Unter Beachtung dieser Bedingungen wird sowohl die Struk tur der Kiesschichten 5, 6, 7 als auch die Größe der gesamten Anlage des Inverse-Biofilters 3 bestimmt, was folgende Ausführungen belegen.

1. Festlegung Saugerabstand

Sauger = Drainrohre in "Fließrichtung"

Begrenzender Faktor: Durchlässigkeit der oberen Schicht, k_fo = 10⁴ m/s (einschl. Zehnerpotenz Sicherheit)

Zulauf (im Beispiel): Q_omax = 40 l/s = 0,04 m³/s

Erforderliche Filterfläche:

Voraussetzung: In der mittleren Schicht ist das hydraulische Gefälle I = H/L = 1

H = Druckhöhe über der Drainage (Durch die Be- und Entlüftungs schächte erfolgt ein Druckausgleich - deshalb kann H maximal der unteren Schichthöhe entsprechen.)

Gewählte Abmessungen: 20 m × 20 m Sohlfläche

Saugerabstand: 2,5 m (6 Sauger á 20 m Länge)

2. Ermittlung der Ablaufleistung

Ablauf durch die untere Schicht: Q_{u max} = k_fu · F_u · I · 1000 [l/s]

mit

Es findet somit zwar ein Aufstau über dem Filter statt (wird ja auch gewollt z. B. für die Rentention); die Ablaufleistung insgesamt ist aber nie gefährdet, da die Durch lässigkeiten der unteren Schichten um Zehnerpotenzen größer sind.

Sollte die Durchlässigkeit der oberen Schicht mit der Zeit stark nachlassen, ist immer noch das seitliche Eindringen durch die 32/64-Schicht möglich. Allerdings müssen dann im Zuge regelmäßiger Wartungsarbeiten die "dichten" oberen 2-3 cm des Filters erneuert werden.

Berücksichtigt man Leistungsminderungen (Verstopfungen, Gaseinschlüsse etc.), sollte man von

ausgehen. Diese Bedingung wäre für das Beispiel mit 32,4 l/s annähernd eingehalten. Bei Erhöhung der Schichtdicke der unteren Schicht auf 0,42 m wäre der "Idealzustand" gegeben, nämlich Q_umin = 40 l/s. Auf diese Art und Weise läßt sich das Inverse Bio-Filter für jeden Zulauf bemessen.

Die Körnungsstruktur in den Kiesschichten 5, 6, 7 kann dabei der in folgenden Beispielen aufgezeigten Größenordnungen und Anteilen entsprechen:

1. Sieb- und Schlämmanalyse

Tiefe: U/Cc = 3.5/0.9
Durchmesser (mm) Durchgang (%)
Durchmesser bei 10% Durchgang = 0.26302 mm
Durchmesser bei 15% Durchgang = 0.31339 mm
Durchmesser bei 30% Durchgang = 0.47646 mm
Durchmesser bei 50% Durchgang = 0.74391 mm
Durchmesser bei 60% Durchgang = 0.91755 mm
Durchmesser bei 85% Durchgang = 1.65865 mm
Abgeleitete Größen:
Ungleichkörnigkeit/Krümmungszahl = 3.5/0.9
kf (Hazen) = 8.0E-4 m/s
kf (Beyer) = 5.9E-4-6.6E-4 m/s.

2. Sieb- und Schlämmanalyse

Tiefe: U/Cc = 2.5/1.0
Durchmesser bei 10% Durchgang = 2.24203 mm
Durchmesser bei 15% Durchgang = 2.63022 mm
Durchmesser bei 30% Durchgang = 3.66342 mm
Durchmesser bei 50% Durchgang = 4.98765 mm
Durchmesser bei 60% Durchgang = 5.71097 mm
Durchmesser bei 85% Durchgang = 8.36524 mm.

Abgeleitete Größen:
Ungleichkörnigkeit/Krümmungszahl = 2.5/1.0
kf (Hazen) = 5.8E-2 m/s
kf (Beyer) = 4.8E-2-5.3E-2 m/s (nur gültig für d10 <= 0.6 mm).

3. Sieb- und Schlämmanalyse

Tiefe: U/Cc = 1.8/1.0
Durchmesser bei 10% Durchgang = 7.30281 mm
Durchmesser bei 15% Durchgang = 8.07503 mm
Durchmesser bei 30% Durchgang = 9.90323 mm
Durchmesser bei 50% Durchgang = 12.19999 mm
Durchmesser bei 60% Durchgang = 13.50142 mm
Durchmesser bei 85% Durchgang = 18.34693 mm.

Abgeleitete Größen:
Ungleichkörnigkeit/Krümmungszahl = 1.8/1.0
kf (Hazen) = 6.2E-1 m/s
kf (Beyer) = 5.6E-1-6.4E-1 m/s (nur gültig für d10 <= 0.6 mm).

4. Sieb- und Schlämmanalyse

Tiefe: U/Cc = 1.8/1.0
Durchmesser bei 10% Durchgang = 14.51840 mm
Durchmesser bei 15% Durchgang = 16.06147 mm
Durchmesser bei 30% Durchgang = 19.63885 mm
Durchmesser bei 50% Durchgang = 23.59715 mm
Durchmesser bei 60% Durchgang = 25.44092 mm
Durchmesser bei 85% Durchgang = 29.88862 mm.

Abgeleitete Größen:
Ungleichkörnigkeit/Krümmungszahl = 1.8/1.0
kf (Hazen) = 2.4E+0 m/s
kf (Beyer) = 2.2E+0 m/s-2.5E+0 m/s (nur gültig für d10 <= 0.6 mm).

Mit dem erfindungsgemäßen Inverse-Biofilter ist ein System geschaffen worden, das sich durch die besondere Ausgestaltung und den Aufbau der Kiesschüttung, den Einsatz und die Bepflanzung des Inverse-Biofilters mit bestimmten Schilf- und Binsenarten auszeichnet und somit den natürlichen Filtrierbedingungen sehr nahe kommt, sich kostenmäßig in seiner Erstellung und Betrei bung zu den bekannten Verfahren und Methoden wesentlich günstiger abhebt und sowohl in Trinkwasser- und Natur schutzbereichen als auch in Gewerbe- und Industrieberei chen Anwendung findet.

Die Bepflanzung des Inverse-Biofilters 3 bewirkt im Wur zelraum der Pflanzen 9 eine Sauerstoffanreicherung. Die zusätzliche Reinigungsleitung wird durch die Mikro organismen erreicht, dessen Träger die Pflanzen 9 sind und deren Entwicklung sie gleichzeitig begünstigen.

Durch die auf der Sohle 15 des Biofilters 3 verlegten Drainrohre 4 erfolgt, wie bereits oben beschrieben, die Abführung des Wassers. Damit ist eine Zwangsführung der Strömung vorgegeben, die garantiert, daß der gesamte Filterkörper des Inverse-Biofilters 3 diagonal bzw. ver tikal durchströmt wird und dadurch Aufenthaltszeiten von mehr als 6 Stunden bei vorgenanntem Beispiel erreicht werden.

Für die Drainage sind Spülschächte in Form von einfachen Kunststoffschächten vorgesehen, die in der weiteren Entwicklung dafür genutzt werden können, z. B. zusätz lich Sauerstoff in den Filterkörper einzutragen, falls dies erforderlich sein sollte. Im Normalfall dienen sie aber lediglich zur einfachen Wartung bzw. Reinigung der Drainrohre 4 im Inverse-Biofilter 3.

Claims

1. Inverses Biofilter zur Nachbehandlung von verunrei nigtem Oberflächen- und Regenwasser, häuslichen und industriellen Abwässern mittels mehrerer, unterschied liche Strukturen aufweisenden Kiesschichten, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Filteranlage als ein Inverses Biofilter (3) mit mindestens drei übereinander gelagerten Kiesschich ten (5; 6; 7) ausgebildet und in einem zum Erdreich abgedichteten Becken angeordnet ist,
- die mit der feinsten Korngröße versehene Kies schicht (5) oben, die mit dem größten Korn ausge bildete Kiesschicht (7) auf der Sohle (15) des Beckens vom Inverse-Biofilter (3) und die Kies schicht (6), mit der mittleren Kornstruktur, zwi schen den Kiesschichten (5; 7) lagernd, angeordnet sind,
- das Inverse-Biofilter (3) mit Pflanzen (9) be pflanzt ist,
- das Inverse-Biofilter (3) umfangsseitig, zwischen der oberen Kiesschicht (5) und der Böschung (10) eine weitere Kiesschicht (8) aufweist und
- auf der Sohle (15) des Inverse-Biofilters (3) Drain rohre (4) angeordnet sind.

2. Inverse-Biofilter, nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Sohle (15) und die Böschung (10) aus Formsteinen (11) mit darunter angeordnetem Vlies (12) und einer nachfolgenden Folie (13) be stehen.