DE68911931T2

DE68911931T2 - Sonnen-wasser-methode und -gerät zum behandeln von abwasser.

Info

Publication number: DE68911931T2
Application number: DE68911931T
Authority: DE
Inventors: Barry Silverstein; John Todd
Original assignee: ECOLOGICAL ENG ASS
Current assignee: ECOLOGICAL ENG ASS
Priority date: 1988-11-03
Filing date: 1989-10-30
Publication date: 1994-07-07
Anticipated expiration: 2009-10-31
Also published as: EP0442946A4; EP0442946B1; CA1336924C; WO1990005118A1; US5389257A; US5087353A; EP0442946A1; DE68911931D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf die Abfallbehandlung und im besonderen auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung von Schadstoffen aus verschiedenen Abwasser-Typen unter Verwendung von biologisch aktiven Organismen und ohne Verwendung von Chemikalien und ohne große Mengen an Schlamm zu erzeugen, die Schadstoffe enthalten.

Hintergrund der Erfindung

städtische Gemeinden und industrielle Betriebe stehen dem ernsthaften Problem gegenüber, wie Schadstoffe sicher entsorgt werden können. Die Schadstoffe werden häufig im Abwasser abgelagert, welches in verschiedenen Formen vorkommt. Es kann septisches Abwasser (septage) oder normales Abwasser (sewage) sein.
Das septische Abwasser besteht aus den Inhalten von häuslichen und industriellen Faulbehandlungsbehältern. Der Hauptbestandteil des häuslichen, septischen Abwassers ist fester, menschlicher Abfall. Menschlicher Abfall trägt häufig menschliche Pathogene, welche Mikroorganismen sind, die Krankheiten hervorrufen oder auf andere Weise Menschen belasten. Menschlicher Abfall schließt biologisch abbaubare, organische Stoffe, entweder gelöst oder suspendiert, ein, welche durch einen Faktor quantifiziert werden, der als biochemischer Sauerstoffbedarf ("BSB") bekannt ist. Der BSB ist eine Meßgröße für den Grad, in dem die Abwasserbestandteile freien Sauerstoff (O&sub2;) aufnehmen. Die Sauerstoff absorbierenden Bestandteile sind weitgehend organische, abbaubare Stoffe in einem Zersetzungszustand. Biologische Verfahren zur Abwasserbehandlung (weiter unten diskutiert) hängen von der Anwesenheit ausreichender Mengen an freiem Sauerstoff im Wasser ab. Typischerweise wird die biologische Abwasserbehandlung teilweise mit Sauerstoff atmenden Bakterien durchgeführt. Daher zeigt ein hoher BSB Wert an, daß der Abfall im Wasser den gesamten verfügbaren Sauerstoff allein verbraucht und sämtliche Sauerstoff, atmenden Bakterien, die vorhanden sein können, "erstickt". Septisches Abwasser kann auch kohlenstoffhaltige organische Verbindungen (gelöst oder suspendiert) sowie Stickstoft, Phosphor und Kalium enthalten, die als "Nährstoffe" bezeichnet werden, weil sie für den Metabolismus von Organismen, sowohl von mikroskopischen als auch makroskopischen, der 5 lebenden Spezies (Pflanzen, Tiere, Pilze, Protozoen (protoctists) und Monera (Bakterien)) notwendig sind. Septisches Abwasser enthält auch Farben, Öle, Reinigungsflüssigkeiten, Schwermetalle und andere Toxine wie zum Beispiel "PCBs" (Polychlorierte Biphenole) "Teflon" (Polytetrafluorethylen) usw.. Ein Toxin wird im allgemeinen als ein Gift definiert.
Das Abwasser kann auch normales Abwasser sein, das einen viel höheren Flüssigkeitsgehalt als das septische Abwasser aufweist, welches aber die gleichen, oben genannten Schadstoff-Typen enthält. Typischerweise ist das septische Abwasser 30 bis 100 mal konzentrierter als das normale Abwasser. Typischerweise weist das normale Abwasser einen BSB kleiner als 700 und septisches Abwasser einen BSB größer als 800 auf.
Typischerweise gelangt das normale Abwasser aus den Zusammenschlüssen von Benutzereinrichtungen oder durch Regenwasserkanäle in das kommunale Abwassersystem und wird dann zu einer Abwasserbehandlungsanlage weitergeleitet, wo verschiedene Behandlungsverfahren angewendet werden. Im Gegensatz dazu wird septisches Abwasser mit Tanklastwagen als Teil einer regulären Wartung gesammelt, wenn ein einzelner Abwasserbehälter Instandhaltung benötigt, zum Beispiel, wenn das septische System verstopft oder anderweitig nicht mehr nutzbar ist, so daß Auspumpen erforderlich ist. Die Abwasser-Lastwagen transportieren das septische Abwasser zu Abfalleinrichtungen, und laden dort das septische Abwasser zur Behandlung ab.
Die Hauptverfahrensweise einer konventionellen Behandlung beinhaltet die Abtrennung von schädlichen Substanzen aus dem Wasser in verschiedenen Stufen. Partikel werden unter Anwendung von mechanischen Verfahren abgetrennt, welche Filtrieren, Zentrifugieren und Absetzen einschließen. Die aufkonzentrierten Partikel werden dann auf einer Müllgrube für festen Abfall entsorgt. Diese Partikel beinhalten jedoch noch die schädlichen Schadstoffe, und die Müllgrube muß als eine gefährliche Abfalldeponie angesehen und behandelt werden. Weitere im Wasser gelöste Schadstoffe werden in grober Suspension gehalten oder in Verbindung mit Chemikalien, die deren Löslichkeit verringern, aus dem Wasser ausgefällt. Diese zusätzlichen Partikel werden dann entfernt, wie jene in den vorausgegangenen Stufen entfernt wurden. Schließlich werden Pathogene, schädliche Organismen im Wasser, durch Chlor oder anderen Chemikalien und auch durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht abgetötet.
Die vorher erwähnten, konventionellen Verfahren haben viele Nachteile. Die mechanischen Verfahren erfordern eine Maschinerie, um große Wassermengen gegen einen Druckgradienten zu bewegen, und sind daher kostenintensiv. Ferner sind die Bau- und Betriebskosten extrem hoch. Dem System müssen große Mengen an Energie zugeführt werden, um die Filtrierung und die Abtrennung der festen Partikel aus dem Wasser zu bewirken. Schließlich und am erschütternsten ist, daß die Schadstoffe in den meisten Fällen in ihrer Grundform nicht verändert werden und schädliche Substanzen bleiben. Obwohl diese in Müllgruben vergraben werden, können sie gegebenenfalls die Umwelt schädigen, indem sie von Regen ausgewaschen werden und durch Übergang in das Grundwasser wieder in den hydrologischen Kreislauf zurückkehren.
Bei bekannten Systemen wird versucht, die Verwendung von Chemikalien zu minimieren und die Verwendung von biologischen Systemen zur Entfernung von Schadstoffen aus dem normalen Abwasser hervorzuheben. Bis heute gibt es kein biologisches System, das septisches Abwasser erfolgreich behandelt. Bei einem System wird verunreinigtes Abwasser durch Beete bestimmter lebender Pflanzen geleitet, um bestimmte Schadstoffe zu entfernen. Das Wasser wird, bevor es durch die Pflanzen behandelt wird, von den emulsierbaren Bestandteilen, wie zum Beispiel Öl oder Teer, die in einer Schicht auf dem Wasser schwimmen, abgetrennt. Grobe, suspendierte Materie setzt sich als Schlammschicht auf dem Boden eines Ablagerungsbehandlungsbehälters ab. Üblich ist ein Zwei-Stufen-Filtriersystem aus lebenden Pflanzen. In der ersten Stufe wird eine Pflanze, wie Phragmites communis, die Wurzeln hat, die sich von Knollen erstrecken, in ein aus zwei Schichten bestehendes Sandbett eingepflanzt. Die Wurzelstruktur hält im Sandbett offene Durchgänge aufrecht, so daß das Wasser frei hindurch fliegen kann. Die obere Schicht besteht verglichen mit der unteren Schicht, aus feinem Sand. Schlamm und andere suspendierte Materialien, die zu grob sind, um durch das feine Sandfiltrierbett zu sickern, sammeln sich an der Oberfläche an. Nachdem sich eine geeignete Menge an Schlamm angesammelt hat, wird der Behandlungsbehälter entwässert und ausgetrocknet. Der Schlamm konzentriert sich zu einer dünnen Schicht auf, die aufbricht, sich zusammenrollt und mechanisch entfernt wird.
Das Wasser, das das Filtrierbett verläßt, enthält gelöstes Material und pathogene Organismen. In der zweiten Stufe wird das Wasser durch ein zweites Sandbett geleitet, in das eine Pflanze, wie beispielsweise Scirpus lacustris, eingepflanzt ist. Diese Pflanze entfernt organische Verbindungen, anorganische Ionen und Bakterien aus dem Wasser. Falls notwendig, können in zusätzlichen Stufen andere Pflanzen verwendet werden, die organische Verbindungen, Ionen und Bakterien entfernen, die von Scirvus lacustris nicht entfernt werden.
Es ist bekannt, daß bestimmte Pflanzen besondere gelöste Schadstoffe aus normalem Abwasser wirkungsvoll entfernen. Scirpus lacustris (oben erwähnt) und Typha angustifolia entfernen organische aromatische Verbindungen und pathogene Organismen einschließlich E. coli, Salmonella, säure-feste Bakterien, Ascarides und Oxyuris. Sie entfernen auch wirkungsvoll chemische Anionen, Phosphate, Nitrate, Sulfate und Chloride.
Es ist auch bekannt, daß die Wurzeln einiger Arten hoch wachsender Binsen zur Entfernung von halogenierten Phenolen, wie zum Beispiel Pentachlorphenol, aus normalem Abwasser wirksam sind. In rauhen Umgebungen müssen die Pflanzen durch Verwendung eines heizbaren Gewächshausartigen Systems geschützt werden. Mit Pathogenen beladenes Wasser kann mit einer Vegetation gereinigt werden, die bestimmte bakterielle Wurzelknollen aufweist. Die Bakterien leben in den Knollen. Viele Bakterienarten produzieren ein Antibiotikum, welches diese Bakterien in der Natur vor anderen Bakterienstämmen schützt, indem es diese abtötet. Diese Bakterien können in einem Abwasserbehandlungssystem verwendet werden, um Bakterien, die für Menschen und Tiere schädlich sind, abzutöten. In bekannten Systemen wird die Oberfläche des Aufbewahrungsgefäßes mit lichtundurchlässigem Material bedeckt, um den Zutritt von Licht auf das Wasser zu verhindern, welches das Algenwachstum ermöglichen könnte.
Dieses bekannte Verfahren hat viele Nachteile. Hauptsächlich produziert es große Mengen an Schlamm, die entsorgt werden müssen. Zusätzlich kann der Schlamm nur dann entfernt werden, wenn das Filtrierbett Gelegenheit hatte auszutrocknen. Daher muß, während das Filtrierbett austrocknet, eine überflüssige Einrichtung zur Behandlung des Wassers verfügbar sein. Weiterhin ist das Entfernen des getrockneten Schlamms ein langwieriger und arbeitsintensiver Vorgang und ergibt ebenfalls Schlamm, der entsorgt werden muß.
Weitere bekannte Systeme zur Behandlung von normalem Abwasser (nicht aber septischem Abwasser) verwenden zur Behandlung von Abwasser biologische Verfahren, welche Feuchtgebiet-Systeme, Verfahren mit Wasserpflanzen und kombinierte Wasserkultur-Systeme einschließen.
Feuchtgebiet-Verfahren verwenden zur Abwasserbehandlung Sümpfe, die entweder natürlich oder künstlich sind. Die Benutzung von natürlichen Sümpfen muß sehr sorgfältig überwacht werden, um die natürliche Umwelt nicht zu verunreinigen. Feuchtgebiet-Systeme wurden erfolgreich in Pilot-Versuchen verwendet, um den BSB, suspendierte Feststoffe ("SF"), Spuren organischer Verbindungen und Spuren von Schwermetalien zu reduzieren. Jedoch sind Probleme mit Insekten, wie zum Beispiel Stechmücken, vorherrschend. Ferner benötigen Feuchtgebiet-Systeme gewaltige Oberflächenausdehnungen. Darüber hinaus werden diese, wenn sie sich weiterentwickeln, weniger wirksam. Möglicherweise werden sie so uneffektiv, daß sie nicht mehr verwendet werden können.
Für die Abwasserbehandlung sind auch Wasserpflanzensysteme bekannt, in welchen frei schwimmende Wasserpflanzen (bekannt als Makrophyten) zur Behandlung oder Verfeinerung (manchmal als "Polieren" bezeichnet) von normalem Abwasser verwendet werden. Wasserhyazinthensysteme könnten den BSB, SF, Metalle, Stickstoff und Spuren an hitzebeständigen, organischen Chemikalien reduzieren. Wasserhyazinthen können jedoch nicht in hohen Maß Phosphor entfernen. Im Wurzelsystem der Wasserhyazinthen leben aktive Massen von Organismen. Diese Organismen spielen beim chemischen Abbau von schadstoffen die Hauptrolle. Um das System aufrechtzuerhalten, müssen die Wasserhyazinthen geerntet und beseitigt werden. Die im Wasserhyazinthen-Teichsystem produzierte Menge an pflanzlicher Biomasse beträgt die vierfache Menge des Abfallschlamms, bei der herkömmlichen, aktivierten, sekundären Abwasserbehandlung. Diese Pflanzenmasse muß entsorgt werden. Die Entsorgung dieser Pflanzenmasse stellt ein Problem dar, weil die Pflanze die Schadstoffe in ihrer unveränderten Struktur aufgenommen hat und ein gefährlicher Abfall sein kann. Des weiteren ist in Wasserhyazinthensystemen die Stechmückenkontrolle sehr schwierig. Stechmücken fressende Fische müssen verwendet werden.
Für die Behandlung von normalem Abwasser wurde anstelle oder zusätzlich zur Wasserhyazinthe die Verwendung der Wasserlinse vorgeschlagen, jedoch wurden nur wenige Daten vorgezeigt.
Zur Abwasserbehandlung wurden auch kombinierte Wasserkultur-Systeme vorgeschlagen. Ein Wasserkultursystem wird definiert als ein System, das aus einem kontrollierten wässrigen Medium eine nützliche Biomasse produziert. Beispiele für eine nützliche Biomasse, sind Pflanzen, die entweder von Menschen oder Tieren verzehrt werden können. Diese Systeme sind allerdings untragbar arbeitsintensiv.
Zur Behandlung von Abwasser aus Zitrusfrüchte verarbeitenden Fabriken wurde ein Verfahren vorgeschlagen, welches die Einleitung des Abwassers in ein Becken beinhaltet, das absorbierendes Material wie Torfmoos oder zerkleinertes Papier und eine große Menge an Regenwürmern enthält. Das Torfmoos oder das zerkleinerte Papier absorbiert die Schadstoffe aus der Flüssigkeit und die Regenwürmer verzehren das Papier oder das Torfmoos. Zusätzlich werden flußabwärts Fische wie Tilapia eingebracht, die sich vom niederen Ende der Nahrungskette ernähren (z.B. kleinere Tiere wie zum Beispiel Plankton). Dieses Verfahren sollte nicht zur Behandlung von Abwasser angewendet werden, das Mineralöle und/oder Industriechemikalien enthält, welche die Würmer zerstören würden.
Ein Wasserteich, bestückt mit einer groben Anzahl an Organismen wie zum Beispiel Fischen, Schnecken, Würmern, Schildkröten, Kaulquappen, Bakterien, Mikroorganismen, Algen, Wasserlilien und anderer Vegetation wurde vorgeschlagen, um den bereits vorher durch andere Prozesse reduzierten BSB weiter um 80 bis 95% zu reduzieren. Vorgeschlagen wurde ein Verfahren zum Schutz des Wasserteichs gegen Zusammenbruch infolge einer Abfallüberladung durch die Abwasserpflanzen. Es stellt wegen der konstanten Zugabe von mit Sauerstoff gesättigtem Wasser einen Zufluchtsort bereit, in welchem eine für die Wiederbevölkerung des Teiches nötige Saatkolonie des Wasserlebens vorhanden ist und bleibt.
Es wurde ein anderes Abwasserbehandlungssystem vorgeschlagen, welches eine Stufe beinhaltet, in der Feststoffe durch Einwirkung unspezifischer, anaerober Bakterien zersetzt werden, welche komplexe organische Verbindungen zu einfachen organischen Säuren hydrolysieren und verdauen. Eine weitere Stufe ist vorgesehen, in der Abwasser mit aktiviertem Kohlenstoff und einer gemischten mikrobiellen Population behandelt wird, welche organische Stoffe, organischen Stickstoff, Ammomiak (NH&sub3;) und Stickstoff in den Formen von Nitrat (NO&sub3;) und Nitrit (NO&sub2;) aus dem behandelten Abwasser entfernen. Jedoch müssen, um Phosphate zu entfernen, Chemikalien verwendet werden und ein chemisches Fällungsmittel sowie weitere Chemikalien wie zum Beispiel Hypochlorit werden hinzugegeben. Auch Ozon (O&sub3;) wird dem Abwasser zugefügt, wodurch chlorierte Verbindungen, eine potentielle Gesundheitsgefahr, entstehen können.
In der US-A-4.169.050 wurde ein anderes Abwasserbehandlungssystem vorgeschlagen, welches eine Kombination natürlicher, ökologischer Prozesse anwendet, das eine belüftete Lagune, einen großen, überschwemmten Oberflächenbereich, aktivierte Substrate aus Biogeweben, die einen fixierten bakteriellen Film bereitstellen; schwimmende Wasserpflanzen zur Entfernung von Nährstoffen (Schadstoffen); eine Polykultur von Mikro-Wirbellosen, Fischen und Schalentieren in einer ausgewogenen Nahrungskette zum Entfernen von Nährstoffen und organischen Chemikalien aus dem Abwasser und Aufkonzentrierung in einer Biomasse, einschließt. Es wird eine sonnenbeheizte Art Gewächshaus-Abdeckung zum Schutz des Systems vor Kälteschäden offenbart. Nachteile dieses Systems sind, daß die Handhabung zeitraubend ist wobei es schwierig ist, die physikalische Trennung zwischen mit Sauerstoff angereicherten und nicht mit Sauerstoff angereicherten Zonen aufrechtzuerhalten.
Es wurde offenbart, daß bestimmte Bakterienplasmide (kleine DNA-Moleküle) Bakterien befähigen, unangenehme, halogenierte, organische Abfälle, wie chlorierte aromatische Verbindungen, abzubauen.
Zur Reinigung von schadstoffhaltigem Wasser wurde ein Verfahren vorgeschlagen, das die Anwendung von Wasserpflanzen im Wasser miteinschließt. Diese Methode ist insbesondere für nicht-punktförmig eingetragene Schadstoffe wie Düngemittel vorgesehen. Das System weist vier verschiedene Arten von Pflanzenzonen auf: eine Moorzone, eine Sumpfzone, eine Schilfzone und einen Zittergras-Sumpf (quaking bog). Dieses System leidet, an saisonbedingten Schwankungen seiner Funktionalität, Alterung, exzessiven Reinigungsanforderungen und an schlechten Auswirkungen auf das Grundwasser.
Es wurde auch vorgeschlagen, normales Abwasser unter Verwendung eines erweiterten Bett-Reaktors zu reinigen, der einen Film enthält, auf dem Methan produzierende anaerobe Bakterien wachsen. Dieses System muß vor Licht geschützt werden, da die Bakterien kein Licht vertragen.
Weitere Verfahren und Vorrichtungen zur Entfernung von suspendierten und gelösten Schadstoffen aus Wasser oder die vollstandige Behandlung von normalem, sanitärem Abwasser sind in der US-A-3.770.623 und in der US-A-4.209.388 offenbart. Es wird eine kombinierte anaerobe und aerobe Behandlung von normalem Abwasser oder die Verwendung von getrennten Betten unter Verwendung von verschiedenen Vegetationsarten, wie Pflanzen, die in Eliminierungsbetten enthalten sind, gelehrt.
In der JP-A-60-895 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Metabolisieren von organischem Abwasser offenbart, bei welchem eine gezüchtete, flüssige Aufschlämmung verwendet wird, die Lehm, Schlamm, Schwefelbakterien, Purpurschwefelbakterien und gemischte Euglena-Stämme enthält. In dem Verfahren gemäß der JP-A-60-895 wird der BSB entfernt, und die Fest- und Nährstoffe werden entweder als Futter oder Dünger verwendet.
Die JP-A-59-199 099 schlägt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von schmutzigem Wasser vor, bei denen photosynthetisch aktiver Bioschlamm verwendet wird. Ein aus lichtdurchlässigem Material hergestelltes Gefäß wird in einem Wasserbehälter bereitgestellt, schmutziges Wasser wird in den Wasserbehälter eingelassen, das schmutzige Wasser wird mit photosynthetisch aktiven Mikroorganismen und aeroben Bakterien beimpft und das schmutzige Wasser wird mit Licht bestrahlt. Die JP-A-59-199 099 offenbart also einen einzigen Behälter, und das offenbarte Verfahren beruht auf der Verwendung von Bioschlämmen, die auf eine Plastikoberfläche aufgebracht werden.
Alle vorgenannten Verfahren leiden an bestimmten Nachteilen, wie bereits erörtert.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung betrifft beides, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Abwasser, einschließlich septischem Abwasser (septage) und normalem Abwasser (sewage), durch Entfernen unerwünschter Substanzen aus diesem. Beide, sowohl das Verfahren als auch die Vorrichtung verwenden biologische Reinigungselemente. Die Erfindung ist besonders wirksam in ihrem Vermögen, septisches Abwasser, eine sehr konzentrierte Form von Abfall enthaltender Flüssigkeit, zu behandeln.
Die Vorrichtungsmerkmale sind eine mehrstufige Strecke, durch die das Abwasser fließt, wobei die Strecke eine erste Anzahl an energiedurchlässigen Behandlungsbehältern aufweist, die so angeordnet sind, daß elektromagnetische Energie einschließlich Licht im wesentlichen durch das gesamte darin enthaltene Abwasser hindurch übertragen werden kann. Eine vielfältige Anzahl von Mikroorganismen- Typen werden in den Behandlungsbehältern bereitgestellt. Diese Mikroorganismen schliefen Bakterien, Protozoen, Pilze, Pflanzen und Tiere ein. Die Strecke beinhaltet außerdem eine zweite Anzahl an energiedurchlässigen Behandlungsbehältern, die so angeordnet sind, daß elektromagnetische Energie einschließlich Licht im wesentlichen durch das gesamte darin enthaltene normale Abwasser hindurch übertragen werden kann, und ist mit einer vielfältigen Anzahl von Pflanzen, die keine Wasserpflanzen sind, bestückt. Diese Pflanzen werden von feststehenden Zubehörteilen getragen, so daß sich die Pflanzenwurzeln in das Abwasser, welches durch die zweite Anzahl an Behandlungsbehältern fließt, ausbreiten. Die Strecke weist auch einen Sumpf auf, in welchem eine Vielzahl von verschiedenen Sumpfpflanzen wachsen, und es wird, eine dritte Anzahl an energiedurchlässigen Behandlungsbehältern bereitgestellt, die ebenfalls so angeordnet sind, daß elektromagnetische Energie einschließlich Licht im wesentlichen durch das gesamte darin enthaltene Abwasser hindurch übertragen werden kann. Eine Vielzahl von Spezien höherer Tiere einschließlich Zooplankton, Phytoplankton (Algen), Fischen und Weichtieren, wie zum Beispiel Schnecken und Süßwassermuscheln, wird in der zweiten und dritten Anzahl an Behältern bereitgestellt. Für relativ kalte Klimata muß ein Gewächshaus bereitgestellt werden, um während des Winters das System warm genug zu halten, damit die Pflanzen und Tiere wachsen. Das Abwasser wird durch alle Anzahlen an Behandlungsbehältern und durch den Sumpf geleitet. Die biologische Aktivität der Spezien von Bakterien, Pflanzen und Tieren, reinigt das Abwasser.
Ein wichtiger Gesichtspunkt der Vorrichtung ist, daß die Behandlungsbehälter weitgehend über ihr gesamtes Volumen Energie in das Abwasser durchlassen. Die Behandlungsbehälter können Energie über ihre Außenwände, vorzugsweise 100% entlang ihres Umfangs und über ihre volle Höhe durchlassen. Die Energie hat überwiegend die Wellenlänge von Licht, beides, sichtbares und nichtsichtbares. Hin breiter energiedurchlässiger Oberflächenbereich ermöglicht eine sehr aktive und dichtbevölkerte photosynthetisch aktive Mikroorganismenpopulation, beides, aerobe und anaerobe, von der Oberseite bis zum Boden der Behandlungsbehälter und entlang ihres Umfangs, über das gesamte Volumen. Die photosynthetisch aktiven Mikroorganismen besetzen einen beträchtlichen Teil des Oberflächenbereiches der Behandlungsbehälter. Diese Anordnung bringt Organismengemeinschaften hervor, die zuvor weder in solcher Qualität noch in solcher Quantität beobachtet wurden. Bekannte biologische Abwasserbehandlungssysteme verwenden lediglich konventionelle Becken, die in die Erde eingelassen sind. Licht wird dabei nur durch die obere Wasseroberfläche durchgelassen. Bei vielen bekannten Systemen wird tatsächlich infolge des Schattens der Wasserpflanzen nur minimal Licht durchgelassen.
Das Verfahren der Erfindung weist die Schritte der Bereitstellung der oben beschriebenen Vorrichtung auf und, wie oben beschrieben, deren anfängliches Bestücken mit Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen. Die Mikroorganismen, mit welchen die ersten beiden Behälterreihen beschickt werden, schließen Bakterien und Algen ein. Die Mikroorganismenpopulationen müssen, um eine hohe Artenvielfalt aufrechtzuerhalten, häufig neu beschickt werden.
Das Verfahren schließt auch den Schritt des Rührens des im Behandlungsbehälter enthaltenen Abwassers durch Luftzufuhr und andere Mittel ein, um das Absetzen des Schlamms auf dem Boden der Behandlungsbehälter zu verhindern und um die Partikel über das ganze Volumen des Behandlungsbehälters zu verteilen. Dies ermöglicht, daß praktisch alle Verunreinigungen im Abwasser eher durch die im Abwasser lebenden Organismen entfernt werden, als das es den Verunreinigungen erlaubt wird, sich auf dem Boden abzusetzen. Rühren durch Luftzufuhr führt in die Behandlungsbehälter auch Sauerstoff (O&sub2;) ein. Dieser ersetzt den freien Sauerstoff, der beim Zerfall von biologisch abbaubaren organischen Verbindungen verbraucht wird. Freier Sauerstoff wird von anaeroben Bakterien benötigt, die viele Schadstoffe metabolisieren und damit abbauen.
Es ist vorteilhaft, eine möglichst vielfältige Population von Bakterienarten und anderen Mikroorganismen aufrechtzuerhalten. Verschiedene Schadstoffe dienen als Nährstoffe für verschiedene Mikroorganismen. Die Aufrechterhaltung einer breiten Vielfalt an Arten von Mikroorganismen erleichtert das Entfernen einer großen Zahl verschiedener Nährstoffe in verschiedenen Formen. Ferner ist es vorteilhaft verschiedene Bakterienarten aufrecht zu erhalten, die im Hinblick auf ihre Nährstoffbedürfnisse überzählig sind und die sich in ihrer Überlebensfähigkeit in rauher Umgebung (z.B. Temperatur, Licht, Veränderungen der Antibiotika) unterscheiden, so daß bei einer der gegebenen vielfältigen Umgebungsbedingungen immer eine Bakterienart gegenwärtig sein wird, die den Umgebungsbedingungen standhält und die Nährstoffe metabolisiert. Eine Vielfalt von Bakterienarten werden in A New Bacteriology von Sorin Sonea und Maurice Panisset, Jones & Bartlett Publishers, Inc. (1983), New York, beschrieben, zuerst 1980 von Les Presses de l'Universite de Montreal auf Französisch publiziert.
Es ist ebenfalls ein Gesichtspunkt des Verfahrens der Erfindung, ein kleines, aber signifikantes Volumen des teilweise behandelten Abwassers aus den verschiedenen Zwischenstufen der Strömungsstrecke zu vorherigen Stufen, einschließlich zum Einlaß, zurückzuführen. Die Rückführung stellt ein Mittel dar zur automatischen Aufrechterhaltung eines höheren Niveaus der Artenvielfalt an Mikroorganismen in den Anfangsstufen, in erster Linie am Einlaß, wo die Bedingungen am härtesten sind.
Schließlich ist ein Gesichtspunkt des Verfahrens der Erfindung, im ersten Behälter das Gewichtsverhältnis der Menge an Kohlenstoff in Form von Calciumcarbonat zu der Menge an Ammoniak und gelösten Nitraten in einem bestimmten Bereich aufrecht zu halten. Es wurde gefunden, daß dieses Verhältnis die, für die Ernährung der wachsenden Mikroorganismen, geeigneten Kohlenstoffmengen bereitstellt.

Aufgaben der Erfindung

Verschiedene Aufgaben der Erfindung sind es somit, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von Abwasser durch entfernen von unerwünschten Substanzen bereitzustellen:
unter Verwendung biologisch aktiver Organismen;
ohne Chemikalien zu verwenden, die umweltschädlich sind;
ohne große Mengen an Schlamm zu produzieren, der Schadstoffe enthält;
die biologisch abbaubare, organische Verunreinigungen wirksam entfernen;
die Farben, Öle, Reinigungsmittel, Schwermetalle und andere Toxine wirksam entfernen;
die verwendet werden können, um septisches Abwasser zu behandeln;
die verwendet werden können, um normales Abwasser zu behandeln;
die geringere Kapitalausgaben als bei konventionellen Abfallbehandlungssystemen benötigen;
das leicht und schnell zu bauen ist;
das ein relativ geringes Betriebsbudget im Vergleich zu konventionellen Behandlungssystemen benötigt;
das keine schädlichen Chemikalien in die natürliche Umgebung abgibt;
das gegenüber Veränderungen der Gehalte an unerwünschten Substanzen im Abwasser flexibel ist und darauf anspricht;
das beim Betrieb relativ geringe Energiemengen benötigt;
das an konventionelle Abfallbehandlungssysteme als ein nachträgliches Modul angeschlossen werden kann;
das in einem weiten Bereich bezüglich Temperatur und Lichtbedingungen verwendet werden kann;
das in Entwicklungsländern eingesetzt werden kann;
das in Verbindung mit einem natürlichen Sumpf- Abfallbehandlungssystem verwendet werden kann;
das normales Abwasser und septisches Abwasser bis zu einem solchen Ausmaß reinigen kann, daß es natürlichen Wassersystemen wieder zugeführt werden kann;
und welches normales Abwasser und septisches Abwasser behandeln kann, ohne die Bildung von Schlamm oder Biomasse, wie zum Beispiel Pflanzen, Fische usw., die gefährliche Stoffe enthalten.
Weitere Aufgaben der Erfindung werden aus den Überlegungen der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und der Figuren ersichtlich.

Figuren

Figur 1 ist eine schematische, perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß der Erfindung, welche die mehrstufige Strömungsstrecke einschließlich mehrerer Stufen von Behandlungsbehältern und einen künstlichen Sumpf zeigt.
Figur 2 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Behandlungsbehälters der Vorrichtung gemäß der Erfindung mit weggebrochenen Teilen.
Figur 3 ist eine schematische Querschnittsansicht eines künstlichen Sumpfes der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Figur 4 ist eine schematische Ansicht des Grundrisses von mehreren in einem Gewächshaus untergebrachten Modulen der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Figur 5 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines ovalen Behandlungsbehälters der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Figur 6 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines am Boden beleuchteten Behandlungsbehälters der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Figur 7 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Behandlungsbehälters der Vorrichtung gemäß der Erfindung, der einen großen Oberflächenbereich aufweist.
Figur 8 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Behandlungsbehälters der Vorrichtung gemäß der Erfindung, der Lichtkanäle aufweist.
Figur 9 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Behandlungsbehälters der Erfindung, der unter der Erde angeordnet ist und künstlich beleuchtet wird.
Figur 10 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Behandlungsbehälters der Vorrichtung gemäß der Erfindung der ein internes Licht aufweist.
Figur 11 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines ringförmigen Behandlungsbehälters der Vorrichtung gemäß der Erfindung der ein internes Licht aufweist.
Figur 12 ist eine schematische Grundrißansicht, die eine Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt, einschließlich eines zweiten Sumpfes am Außlaßende des Systems.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung

In Figur 1 wird eine schematische Darstellung einer perspektivischen Ansicht der Vorrichtung gemäß der Erfindung gezeigt. Mehrere energiedurchlässige Behandlungsbehälter (1-20) bilden eine Strömungsstrecke, manchmal als "künstlicher Fluß" bezeichnet, durch welchen Abwasser, zum Beispiel septisches Abwasser fließt, der Schadstoffe enthält. Für Klarheitszwecke wurden einige Bestandteile einzelner Behandlungsbehälter 1-20 aus Figur 1 weggelassen. Der Aufbau eines einzelnen Behandlungsbehälters, zum Beispiel Behälter 1, wird weiter unten mit Bezug auf Figur 2 erläutert. Der Anschluß der Behandlungsbehälter aneinander und an den Abwassereinlaß und Auslaß wird ebenfalls weiter unten erläutert. Ein künstlicher Sumpf 22 wird ungefähr auf halbem Weg entlang der Strecke des künstlichen Flusses der Behandlungsbehälter angeordnet. Abwasser wird dem System durch den Einlaß 24 zugeführt. In Abhängigkeit davon, ob das Abwasser in Form von septischem Abwasser oder normalem Abwasser vorliegt kann der Einlaß entweder ein unterirdischer Vorratsbehälter oder eine offene Lagune (im Fall von septischem Abwasser) sein, oder jede Stufe eines städtischen Abwasserbehandlungssystems, von unbehandeltem, normalen Abwasser bis zum vollständig behandelten, normalen Abwasser. Aus dem Einlaß 24 wird das normale Abwasser durch die Rohrleitung 26 in den Behandlungsbehälter 1 eingeleitet. Behandlungsbehälter 1 ist der erste aus einer ersten Anzahl von Behandlungsbehältern, die alle so angeordnet sind, daß sie eine große Menge an elektromagnetischer Energie, einschließlich Licht, empfangen.
Mit Bezug auf Figur 2 wird nun der Aufbau eines typischen Behandlungsbehälters in einer bevorzugten Ausführungsform, dem Behandlungsbehälter 1, erläutert. Der Behandlungsbehälter besteht aus einem ungefähr anderthalb bis zwei Meter hohen und im Durchmesser anderthalb bis zwei Meter breiten Zylinder 301 der elektromagnetische Energie, einschließlich Licht, durchläßt. Die Wandstärke beträgt ungefähr 1,1 mm (0,045 in). Das Abwasser gelangt durch Rohrleitung 26 in den Zylinder 30. Das Abwasser verläßt den Zylinder 30 durch Steigrohr 32. Wasser wird mit dem Steigrohr 32 vom Boden des Behandlungsbehälters 30 in den benachbarten Behandlungsbehälter (in diesem Fall Behandlungsbehälter 2) gesaugt. Alternativ dazu kann eine Gefällezuführung verwendet werden, indem man die obere Erweiterung des Steigrohrs 32, unterhalb des Wasserspiegels des Behälters hält, in welchem es steht. In der gezeigten Ausführung hat das Steigrohr 32 einen Durchmesser von ungefähr 5 cm (2 in).
Unter die Wasseroberfläche 34 wird Luft durch die Rohrleitung 36 und durch die Belüftungssteine 37a und 37b zugeführt, die ihrerseits durch die Rohrleitungen 28 und 36 mittels Kompressor 38 (Figur 1) komprimierte Luft erhalten. Die Zahl der Belüftungssteine pro Behandlungsbehälter schwankt von Behandlungsbehälter zu Behandlungsbehälter und ist abhängig vom Sauerstoffbedarf der Fauna und Flora in jedem einzelnen Behandlungsbehälter.
In jedem Behandlungsbehälter wird ein schwimmender Träger 40 bereitgestellt. (Aus Gründen der Übersicht sind die Träger 40 in Figur 1 nicht abgebildet). Pflanzen 41, die von solchen Trägern 40 getragen werden, werden in den Behandlungsbehältern 3, 8, 13 und 18 gezeigt. Es sollte jedoch so verstanden werden, daß die schwimmenden Träger 40 und die von ihnen getragenen Pflanzen (weiter unten diskutiert) für jeden der Behandlungsbehälter 1-20 vorgesehen sind. Die Träger 40 können aus Styrolschaum (styrofoam), aus hölzernen Gittern oder aus jeder anderen Struktur bestehen, die physikalisch geeignet ist, eine Pflanzenmasse über der Abwasseroberfläche zu halten, während die Pflanzenwurzeln die Möglichkeit haben, durch den Träger hindurch in das Abwasser zu ragen. Ferner sollten die Träger leicht entfernbar sein, um die Pflanzen zu ernten, oder um die mechanischen Bestandteile oder das Abwasser aus dem Behandlungsbehälter zu warten, oder um die Pflanzen zu anderen Stellen des Systems zu versetzen, wie unten erläutert wird. Wie in Figur 2 gezeigt, wird eine Vielzahl an Pflanzenarten 42, 44, 46 (nur schematisch abgebildet) von den Trägern 40 getragen. Die Wurzeln 41 der Pflanzen erstrecken sich tief in das Abwasser hinein, im wesentlichen bis auf den Boden eines Behandlungsbehälters. (Es sollte so verstanden werden, daß auch in Figur 2 die Pflanzenanzahl unter eine realistische Menge reduziert wurde, um zu verhindern, daß die Figur überladen wird.)
Anhand der Figur 1 wird die Anordnung der Behandlungsbehälter 1-10 erläutert. Wie bereits erwähnt, fließt das Abwasser durch das Steigrohr 32 aus dem Behandlungsbehälter 1 in den Behandlungsbehälter 2 und ebenso aus dem Behälter 2 in Behälter 3, aus Behälter 3 in Behälter 4 auf dem gesamten Weg zu Behandlungsbehälter 10. Ebenso wird in jeden Behandlungsbehälter über die Rohrleitung 28 und über eine entsprechende Leitung 36, komprimierte Luft aus Kompressor 38 eingeleitet. Die Belüftungssteine 37a und 37b führen die Luft als eine Vielzahl von Blasen den Behandlungsbehältern zu und verteilen die Luft im allgemeinen überall im Wasser des Behandlungsbehälters. Für die gezeigte Ausführungsform mit einem täglichen, septischen Abwasserzufluß-BSB von 1 000 mg/l und suspendierten Feststoffen von 200 mg/l sollte der gelöste Sauerstoff bei 5 mg/l oder größer gehalten werden. 50 scfm leiten 25,2 kg (56 pounds) an gelöstem Sauerstoff pro Tag in das Abwasser.
An verschiedenen Stufen des künstlichen Flusses wird etwas Abwasser zurückgeführt. Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform wird Abwasser vom Auslaßrohr 33 mittels einer Pumpen- und Ventileinrichtung 54 und durch Rohr 56 zum Einlaß des Behandlungsbehälters 1 zurückgeleitet. Ähnlich wird der Auslaß aus Behandlungsbehälter 10 durch die Pumpen- und Ventileinrichtung 58 über das Rohr 60 in den Behandlungsbehälter 5 geleitet. Daher wird durch die Kombination der Rückleitungsrohre 60 und 56 etwas Abwasser aus dem Behandlungsbehälter 10 zusammen mit den kleinen Organismen, die darin leben, in Behandlungsbehälter 1 wieder zurückgeführt. Rückführung von anderen Stellen zu anderen Stellen ist auch möglich.
In der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform durchläuft das Abwasser das den Behandlungsbehälter 10 verläßt, zunächst einen künstlichen Sumpf 22. Für ein System von der in Figur 1 gezeigten Größe, ist der künstliche Sumpf aus einem Sperrholzgestell 86 mit einem dreieckigen Querschnitt aufgebaut, das am oberen Ende ungefähr einen Meter breit und am Bodenscheitel einen halben Meter tief ist. Das Sperrholzgestell 86 ist mit Plastik oder mit einem geeigneten wasserfesten Material 88 so ausgekleidet, daß die Umgebung unter Kontrolle gehalten werden kann. Die Sumpflänge beträgt ungefähr 40 in (116 ft). Das Sperrholzgestell ist in seiner gesamten Länge mit Sand 64 gefüllt. Der Sumpf ist so geneigt, daß der sich neben der Leitung 62 befindliche Einlaß höher liegt als der Auslaß am entgegengesetzten Ende. Verschiedene Arten von Pflanzen werden in dem Sumpf bereitgestellt. Die Auswahl und Funktion der Pflanzen wird unten erläutert.
Der Sumpf hat einen Auslaß 68, der über Rohr 70 an einem T- Ventil 72 und an einer Pumpe 73 angeschlossen ist. Durch die Wirkung der Pumpe 73 und des T-Ventils 72 werden ungefähr 10% des Flusses des teilweise behandelten Abwassers durch Rohr 74 dem Einlaß von Behandlungsbehälter 1 wieder zugeleitet. Die verbleibenden 90 % fließen durch Rohr 76 in den Einlaß von Behandlungsbehälter 11. Die Behandlungsbehälter 11-20 sind in der gleichen Weise wie die Behandlungsbehälter 1-10 miteinander verbunden, jedoch ist kein Rücklauf vorgesehen, wie über die Rohre 60 und 56 gewährleistet. Ein Rücklauf könnte auch bereitgestellt werden, aber die erhaltenen Vorteile sind in der Regel, wegen der flußabwärts vorgefundenen geringeren Gehalte an mikrobieller Aktivität und des geringeren Nährstoffgehalts des teilweise behandelten Wassers, minimal.
Behandlungsbehälter 20 ist mit einer Luftpumpe und einem Filter 80 vom Fiberglas-Typ ausgestattet, um einen pH- Puffer und zusätzliche Kapazität zur Denitrifizierung bereitzustellen. Der Auslaß des Behandlungsbehälters 20 wird auf einen mit Sand gefüllten Filtrierbehandlungsbehälter 82 geleitet, der zusätzlich Plankton und andere Feststoffe entfernt. Nach dem Durchgang durch den Sandfilter 82, kann das behandelte Abwasser zum Sterilisieren durch eine UV-Lichtkammer (nicht gezeigt) geleitet werden.
Das Verfahren zur Abwasserbehandlung unter Verwendung der oben beschrieben Grundvorrichtung wird unten beschrieben. Ist die Vorrichtung einmal bereitgestellt, wird jeder Behandlungsbehälter 1-20 mit sauberem Wasser gefüllt. Der Fluß durch die Behandlungsbehälter 1-10 und 11-20 wird eingeleitet. Pflanzensetzlinge, die zum Wachsen in den Pflanzenträgern 40 ausgewählt wurden, werden in die Träger 40 eingebracht und die Träger 40 in jeden der entsprechenden Behandlungsbehälter 1-20 gesetzt. Die Pflanzenauswahl wird unten erläutert. Sumpfpflanzen werden ebenfalls in den Sumpf zusammen mit besonderen Pflanzen eingepflanzt, die sich an bestimmten Orten entlang des Sumpfes befinden.
Mikroorganismen und Phytoplankton (Algen) und kleine Tiere, einschließlich Zooplankton, werden in die Behandlungsbehälter 1-10 eingesät. Am Anfang wird jeder Behandlungsbehälter mit einem identischen Besetzung an Mikroorganismen beschickt. Die Behandlungsbehälter werden mit einer breiten Vielfalt an Bakterien, einschließlich der folgenden besät: Bacillus, Pseudomonas, Nitrobacter, Nitrosomonas, Cellulomonas, Aerobacter und Rhodopseudomonas. Zusätzlich sind die Mikroorganismen überall verbreitet und werden durch den Zufluß, von den Pflanzenwurzeln, die dem System zugegeben werden, und aus der Atmosphäre zugeführt. Daher können nicht alle vorhandenen Arten von Mikroorganismen identifiziert werden. Einer dieser Mikroorganismen, der identifiziert wurde, ist Anabaena.
Zusätzlich zu den Mikroorganismen, werden die Behandlungsbehälter 11-20 mit höheren Tieren besetzt. Alle werden mit mehreren Arten von Weichtieren, einschließlich Schnecken, einschließlich Lymnaeidae (Schlammschnecken, right hand) und Planorbidae (Tellerschnecken, ramshorn) und Süßwassermuscheln, einschließlich Unio und Odonta. Plankton wird in die Behandlungsbehälter 15 und 16 eingeführt und wandert mit dem Abwasser flußabwärts. Schmalmündiger Barsch (Small-mouthed bass) und Bachforelle (river trout) werden in den Behandlungsbehältern 16,17,18 und 19 und Plecostomous (Harnischwelse, suckerfisch) werden auch im Behandlungsbehälter 19 bereitgestellt.
Was die verwendeten Pflanzenarten anbetrifft, so sollten die Pflanzen in den Behandlungsbehältern 1-20 und im Sumpf 22 jung und in einem Stadium hohen Wachstums sein, um die Nährstoffaufnahme zu maximieren. In einem experimentellen Behandlungssystem für septisches Abwasser, errichtet in Harwich, Massachusetts, werden die folgenden Pflanzen, wie angezeigt, verwendet. Behandlungsbehälter 1 wird mit einer großen Weide (willow) und mit Wasserweiden, die von den Pflanzenträgern 40 getragen werden, sowie mit Wasserstern (water starwart) versehen. Behandlungsbehälter 2 ist mit einer Wasserweidenpflanze und mit Weidensetzlingen versehen, die wieder von einem Träger getragen werden. Behandlungsbehälter 3 weist Wasserhyazinthen auf und eine Wasserpflanze, die auf der Oberfläche schwimmt und keinen Träger benötigt. Behandlungsbehälter 4 ist mit einer Schwimmpflanze, der untergetauchten Wasserlinse (star duckweed), ausgestattet. Behandlungsbehälter 5 wird mit Weidensetzlingen versehen, die getragen werden müssen. Behandlungsbehälter 6 wird mit Kopfblume (buttonbush) und Wasserweide versehen, die beide getragen werden müssen. Behandlungsbehälter 7 ist mit Zypergrasgewächsen (umbrella plants), Tomatenpflanzen, Kapuzinerkresse (nasturtium) und Eukalyptus, die alle getragen werden müssen und mit den Schwimmpflanzen Leichkraut (pondweed) und Wasserstern versehen. Behandlungsbehälter 8 ist mit getragenen Weidensetzlingen und schwimmenden Wasserhyazinthen versehen. Behandlungsbehälter 9 ist mit schwimmenden Wasserhyazinthen, und getragenen Tomaten, Kapuzinerkresse und Kermesblumengewächsen (pokeweed) versehen. Behandlungsbehälter 10, direkt vor dem Sumpf gelegen, ist mit duftender Wasserlilie und Wasserhyazinthe (pickeral weed), die beide getragen werden müssen, zusammen mit Wasserhyazinthen, versehen.
Der sich hinter dem Sumpf befindende Behandlungsbehälter 11 ist mit getragenen Tomaten und Kapuzinerkresse versehen. Behandlungsbehälter 12 ist mit schwimmender Teichlinse versehen. Die Behandlungsbehälter 13 und 14 werden mit schwimmenden Hyazinthen und Teichlinse versehen. Behandlungsbehälter 15 ist mit getragenen Wasserhyazinthen und duftender Wasserlilie sowie schwimmenden Hyazinthen versehen. Behandlungsbehälter 16 ist mit Tomaten, Kapuzinerkresse und Wasserhyazinthen versehen. Behandlungsbehälter 17 ist mit schwimmenden Wasserhyazinthen und Tomaten, Kapuzinerkresse und Eukalyptus versehen. Behandlungsbehä1ter 18 ist mit schwimmender Teichlinse und getragener Wasserhyazinthe versehen. Behandlungsbehälter 19 ist mit getragener Kapuzinerkresse und Eukalyptus versehen. Behandlungsbehälter 20 ist mit schwimmender Azolla versehen. Die Wurzeln von Azolla stellen ein Lebensraum für die Stickstoff fixierenden Bakterien Anabaena zur Verfügung. Es versteht sich von selbst, daß diese Aufzählung in Bezug auf beides, Spezien und Standort, nur beispielhaft ist. Es ist möglich verschiedene Pflanzen an verschiedenen Stellen einzusetzen. Häufig ist es auch vorteilhaft, die Pflanzen, je nach Wachstum und Reife, sowie je nach dem Wechsel der Jahreszeiten, von einem Ort an einen anderen Ort zu versetzen.
Was die Pflanzen anbetrifft, die im Sumpf 22 wachsen, so schließen diese Scirpus lacustrus (Seebinsen, bulrushes), Iris pseudacorus (gelbe Schwertlilie, yellowflag), Typha spp (Rohrkolbengewächse, cattails) und andere Pflanzenarten mit nicht bakteriziden und antiviralen Eigenschaften ein. Wie die in den Behandlungsbehältern wachsenden Pflanzen, stellen diese Pflanzen ebenfalls nur Beispiele dar.
Nachdem das System, wie oben beschrieben, ausgestattet wurde, hat der Lauf von der Einlaßvorrichtung 24 bei der oben beschriebenen Behältergröße eine Fließgeschwindigkeit von ungefähr 4 500 l (1 200 gals) pro Tag. Jeder Behandlungsbehälter enthält ungefähr 2 250 l (600 gallons) Abwasser. Das Abwasser verbleibt ungefähr zwölf Stunden in jedem Behandlungsbehälter, was eine Gesamtverweilzeit in den zwanzig Behandlungsbehältern und im Sumpf von ungefähr zehn Tagen ergibt. Wenn künstliches Licht verwendet wird, kann, wie unten erläutert, der Durchfluß erhöht werden. Natürliches Sonnenlicht, angewendet bei septischem Abwasser, der in den oben beschriebenen Behandlungsbehältern zurückgehalten wird, stellt genügend Energie bereit, um 4 500 l (1 200 gallons) pro Tag während der Sommermomate in Harwich, NA, U.S.A. zu behandeln.
Wie weiter unten im einzelnen erläutert wird, erhält man ein vorteilhaftes Ergebnis bei der Verwendung von Behandlungsbehältern mit einem Durchmesser von ungefähr zwei Metern. Daher ist die Gesamtgröße des Behandlungsbehältersystems, bei dem natürliches Licht und einfache zylindrische Behandlungsbehälter verwendet werden, grob auf die Größe des in Figur 1 dargestellten Systems begrenzt. Es ist möglich, die Höhe und den Durchmesser der Behandlungsbehälter leicht zu erweitern, wobei die Kapazität vielleicht um den Faktor zwei erhöht wird. Jedoch kann, das in Figur 1 beschriebene System leicht mit einer beliebigen Anzahl von idemtischen Systemen parallel betrieben werden, wie in Figur 4 schematisch gezeigt wird, wodurch ein System mit jeder gewünschten Kapazität geschaffen wird. Das in Figur 1 gezeigte System 84 mit zwanzig Behandlungsbehältern, sollte als Modul mit einer bestimmten Reinigungskapazität angesehen werden. Andere Anordnungen der Behandlungsbehälter sind möglich, wie unten erläutert wird.
Bevor das Abwasser die gesamte Strecke durch die Behandlungsbehälter 1-20 passiert hat, kann es nötig sein, Nährstoffe für die Mikroorganismen und für die eingesetzten Pflanzen in den flußabwärts gelegenen Behandlungsbehälter 1-20 zur Verfügung zu stellen. Oder, alternativ dazu, können die sich flußabwärts befindlichen Behandlungsbehälter zu einem späteren Zeitpunkt als die Behandlungsbehälter, die sich flußaufwärts befinden, versorgt werden, der zeitlich mit der ersten Ankunft des teilweise behandelten Abwassers übereinstimmt.
Wie erwähnt, sind alle ersten zehn Behandlungsbehälter mit identischen Mikroorganismensortimenten ausgestattet. Hat das System jedoch eine relative Stabilität erreicht, sind einige Mikroorganismen-Typen in den verschiedenen Stadien entlang des Laufs durch die Behandlungsbehälter in der Überzahl und verschiedene Mikroorganismen-Typen sterben oder nehmen zahlenmäßig stark ab.
In diesem Zusammenhang soll die Bedeutung der elektromagnetischen Energie, die die Behandlungsbehälter durchlassen, verstanden werden. Die Behandlungsbehälter bestehen aus 1,1 mm (0,045 in) dünnem Fiberglas, welches ein Spektrum an elektromagnetischer Energie, einschließlich der gesamten Lichtenergie, mit Ausnahme von ultraviolettem Licht, durchläßt. Die Behandlungsbehälter brauchen nicht aus dünnem Material angefertigt sein, solange die Behandlungsbehälter dieses Spektrum an elektromagnetischer Energie durchlassen. Das oben genannte Material ist ausreichend und wegen der dünnen Wandstärke von einem relativ leichten Gewicht, nicht teuer und leicht aufzubauen. Weil die Behandlungsbehälter elektromagnetische Energie, insbesondere Licht, mit verschiedener Bandbreite, in das Abwasser entlang des gesamten Umfangs der Behandlungsbehälter, und über ihre gesamte Höhe durchlassen, steht den photosynthetisch aktiven und anderen Mikroorganismen eine große Menge an elektromagnetischer Energie zur Nutzung zur Verfügung. Dies ist auch dort der Fall, wo Blattpflanzen, wie zum Beispiel Wasserhyazinthen, die Wasseroberfläche der Behandlungsbehälter vollständig bedecken. In bekannten, septischen- und normalen Abwasser- Systemen, wurde Lichtenergie niemals in einem so hohen Ausmaß angewendet und deren Verwendung wurde faktisch wegen des sich aus dem hohen Algenwachstum ergebenden vermeintlichen Nachteils, entmutigt.
Wenn das System das Gleichgewicht erreicht, werden die Wände der flußaufwärts befindlichen Behandlungsbehälter (z. B. Behälter 1-5) mit vielen verschiedenen Typen photosynthetisch aktiven Bakterien und Mikroorganismen bedeckt, einschließlich verschiedener Typen von Cyanobakterien, beide Purpur und Grün. Die Beschichtung mit Flora und Fauna an den Wänden wächst auf eine Dicke von ungefähr 3 mm (0,125 in).
Ein Nebenprodukt der Photosynthese ist Sauerstoffgas (O&sub2;) welches von aeroben Mikroorganismen genutzt wird. Aerobe Organismen können aus der Lichtenergie keinen direkten Vorteil ziehen, um Sauerstoff herzustellen.
Natürliche Systeme, die bis heute bewertet wurden haben keine so große Menge und Vielfalt an photosynthetisch aktiven Mikroorganismen gezeigt, wie in den Behandlungsbehältern vorhanden, die gemäß der Erfindung arbeiten. Dies kommt daher, daß die meisten natürlichen Systeme wie Teiche oder Wasserläufe so gestaltet sind, daß elektromagnetische Energie in Form von Licht nur durch die Oberfläche eindringen kann, wobei die Oberfläche häufig jedoch mit Pflanzen bedeckt ist. In dem Behandlungsbehältersystem der vorliegenden Erfindung ist die hohe Menge an eindringendem Licht einzigartig. Daher wurden auch Mikro-Tiere (von Bakterien zu unterscheiden) mit photosynthetischer Kapazität beobachtet.
Die photosynthetische Aktivität bewirkt einen Nährstoffverbrauch und eine Sauerstoffgasproduktion (O&sub2;). Wie oben erläutert wurde, hat rohes, septisches Abwasser einen charakteristischen hohen BSB. Ein typischer BSB für das strömende septische Abwasser ist größer als 1 000 mg/l (oder 1 000 ppm) . Die photosynthetisch aktiven Bakterien, die O&sub2; produzieren, wie die Cyanobakterien, sind anaerob und benötigen daher keinen Sauerstoff, um zu wachsen. Der durch die Bakterien erzeugte Sauerstoff wird von dem organischen Material in dem Abfall, der für den hohen BSB verantwortlich ist, aufgenommen, wodurch der BSB reduziert wird.
Verschiedene Typen von photosynthetisch aktiven Mikroorganismen sind in der Lage, unterschiedliche Bandbreiten des elektromagnetischen Energiespektrums in photosynthetische Energie umzuwandeln. Wasser dämpft die Durchlässigkeit der elektromagnetischen Energie in Abhängigkeit von ihrer Wellenlänge. Kürzere Wellenlängen elektromagnetischer Energie werden schneller als längere Wellenlängen gedämpft. Daher werden Mikroorganismen, die nur kürzere Wellenlängen nutzen können, häufiger näher an der Oberfläche gefunden als Mikroorganismen, die von den längeren Wellenlängen Vorteil nehmen. Nach dem Durchgang durch einen Meter Wasser wird die gesamte nützliche elektromagnetische Energie vom Wasser absorbiert. Deshalb kann in einer Entfernung von ungefähr einem Meter von einer Energieeinlaßquelle, keine photosynthetische Aktivität stattfinden.
Daher kann im Falle der Behandlungsbehälter der vorliegenden Erfindung praktisch keine photosynthetische Aktivität, mehr als einen Meter von einer Oberfläche, an welcher das Licht in das Abwasser eindringt, stattfinden. Daher beträgt für eine Grundausführung dieser Erfindung der maximale Durchmessers des Behandlungsbehälters 30, bei welchem photosynthetische Aktivität über die gesamte Breite und Tiefe erwartet werden kann, ungefähr zwei Meter. Es ist möglich, das effektive photosynthetisch aktive Volumen eines Behandlungsbehälters zu erhöhen, indem ein langer, ovaler Behälter 130 mit einer kleineren Achse von weniger als zwei Metern (Figur 5), verwendet wird. Es ist auch möglich, Behandlungsbehälter 230 mit einer gewellten Oberfläche (Figur 7) zu verwenden, zur Erhöhung des Oberflächenbereichs und der Lichtdurchlässigkeitskapazität, um dadurch die mikrobielle Vielfalt und damit die photosynthetische Aktivität zu erhöhen. Alternativ dazu können nadel- oder kammartige Ausbuchtungen aus den Wänden strahlenförmig nach Innen stehen.
Es ist auch möglich, künstliches Licht auszunutzen und einen Behandlungsbehälter 330 (Figur 10) mit einem Durchmesser von ungefähr viereinhalb Metern zu verwenden, der mit einer axial angebrachten künstlichen Lichtquelle 110 versehen ist. Die künstliche Lichtquelle 110 kann ein versenkbares Licht sein. Alternativ dazu kann im Zentrum des Behandlungsbehälters 430 ein konzentrischer, lichtdurchlässiger Kamin 434 (Figur 11) vorgesehen sein, in den eine konventionelle Lichtquelle 410 eingehängt werden kann. Auf diese Weise kann ein zwei Meter dicker Ringraum wirkungsvoll genutzt werden. Weitere Pläne für künstlich beleuchtete Behälter können entworfen werden, wie zum Beispiel die Beleuchtung der Behälterböden 530 (Figur 6) oder das Vorsehen mehrerer lichtdurchlässiger Kamine 634 (Figur 8) in einem großen Becken 630 (Figur 8). Wenn künstliches Licht 710 verwendet wird, ist es nicht erforderlich, daß die Behandlungsbehälter überirdisch liegen. Sie können wie die konventionellen Becken 730 und Behälter (Figur 9) unter der Erde liegen. Ferner arbeitet, wenn künstliches Licht verwendet wird, das System auch nachts, wenn natürliches Licht nicht zur Verfügung steht.
Die lichtabsorbierende Eigenschaft des Wassers, verbunden mit den Anforderungen verschiedener Bakterien, Energie aus einem schmalen Frequenzband zu benötigen, und deren anaerobe Natur beschränken die Menge an photosynthetischer Aktivität an offener Oberfläche und unter dem Wasser, auf eine solche, wie sie in konventionellen, unbeleuchteten Behältern, bisheriger "natürlicher" Behandlungssysteme vorgefunden wird. Die meisten photosynthetisch aktiven, anaeroben Bakterien vertragen keinen Sauerstoff. An der Oberfläche eines Beckens ist der Sauerstoffgehalt wegen des Durchmischens, verursacht durch Wind und Wellen, manchmal hoch. Daher können anaerobe, photosynthetisch aktive Bakterien, die Licht kürzerer Wellenlängen benötigen, nicht überleben. Diese Bakterien können jedoch in den Behandlungsbehältern der vorliegenden Erfindung im Übermaß überleben.
Zusätzlich zu den photosynthetisch aktiven, anaeroben und aeroben Anordnungen zur Energieerzeugung existiert ein dritter Mechanismus, welcher sich die Energie in bestimmten Molekülen zu Nutze macht. Chemoautotrophie nutzt CO&sub2; und Energie, die in Schwefelwasserstoff (H&sub2;S), Ammoniak- (NH&sub3;), und Methangasen (CH&sub4;) gebunden ist. Diese Organismen dominieren in dunklen, sauerstoffarmen Regionen, wo H&sub2;S, NH&sub3; oder CH&sub4; vorhanden sind. Sie können in stark beleuchteten Bereichen nicht überleben.
Was die auf der Oberfläche der Behandlungsbehälter getragenen Pflanzen anbelangt, besteht die Hauptfunktion der Pflanzen darin, eine physische Umgebung oder Substrat für das Wachstum der Mikroorganismen bereitzustellen, die die Schadstoffe metabolisieren. Es ist wichtig, daß die stromaufwärts vorhandenen Pflanzen von einer Art sind, die schnell eine umfangreiche und kräftige Wurzelstruktur ausbilden und die sich tief in das Abwasser ausbreitet, im wesentlichen den ganzen Weg bis zum Boden des Behandlungsbehälters. Infolge des Aufrührens des Abwassers im Behandlungsbehälter durch die Belüftung aus Rohr 36, als Ergebnis des Ansaugens von Abwasser vom Boden des Behandlungsbehälters über das Steigrohr 32 und durch die Fischfütterung in den Behandlungsbehältern 15-20 werden feste Partikel in dem Behandlungsbehälter einheitlich verteilt und gegebenenfalls vom Wurzelsystem der Pflanzen eingefangen. In den Wurzelsystemen werden winzige, örtliche Umgebungen entstehen. Einige werden, wo Sauerstoffblasen aus der Belüftung eingefangen werden, aerob sein. Andere werden, wo kein Sauerstoff vorhanden ist, anaerob sein. Andere werden Kombinationen davon, mit niedrigeren Sauestoffgehalten sein.
Man nimmt an, daß in den ersten wenigen Behandlungsbehältern Purpurcyanobakterien Toxine, wie beispielsweise Phenole, Benzole, Chloramine, Pestizide und Herbizide abbauen. Rhodopseudomonas, ein anaerobes Bakterium, verwendet Lichtenergie, um organische Verbindungen zu oxidieren. Die Verdauungsprodukte sind für andere Bakterien Nährstoffe. Während der ersten Stufe entfernen heterotrophe Bakterien (jene Bakterien, die organisches Material metabolisieren) Bacillus und Pseudomonas auch lösliche Verbindungen. Bacillus oxidiert eine Vielfalt von Kohlehydraten, organischen Säuren, Fetten, Ölen, Proteinen und Stärken. Diese zwei Bakterien erhalten Sauerstoff aus dem Metabolismus der oben erwähnten Stoffe, und somit ist die Belüftung und die Sauerstofferzeugung der photosynthetisch aktiven und aeroben Bakterien sehr wichtig. Lösliche, organische Chemikalien werden gemäß der biochemischen Gleichung: CH&sub3;COOH + 2O&sub2; ergibt 2CO&sub2; + 2H&sub2;O entfernt. Bacillus sondert auch Enzyme ab, die als Coenzyme bekannt sind, welche Proteine, Fett und Stärke in kleinere Molekulareinheiten zerlegen, die ihrerseits von anderen, flußabwärts befindlichen Bakterien metabolisiert werden können. Während Bedingungen mit geringem Sauerstoff reduziert Pseudomonas ebenfalls Nitrat- und Stickstoffgehalte. Zusätzlich verdaut Aerobacter Kohlehydrate, um daraus kurzkettige organische Verbindungen, Kohlendioxid (CO&sub2;) und Wasser (H&sub2;O) zu erzeugen. Die kurzkettigen, organischen Verbindungen stellen Kohlenstoff und Energie für Pseudomonas bereit.
Die gesamte Umgebung in den ersten fünf Behandlungsbehältern ist überwiegend anaerob. Für septisches Abwasser ist der anfängliche BSB größer als 1 000 mg/l. Suspendierte Feststoffe, die größtenteils aus biologisch abbaubaren und biologisch nicht abbaubaren organischen Verbindungen bestehen, sind normalerweise am Einlaß des septischen Abwassers, mit einem BSB größer als 500 mg/l, vorhanden.
Während der ersten Stufe (Behandlungsbehälter 1-5) ist die primäre Aufgabe, den BSB und die suspendierten Feststoffe zu reduzieren. Deshalb gedeihen photosynthetisch aktive, anaerobe Bakterien. Darüber hinaus sind die bevorzugten Pflanzenarten am Anfang des Abfallstrecke abgehärtet, d.h. fähig, Toxinen zu widerstehen, die ein gut ausgebildetes oder schnell sich ausbildendes Wurzelsystem aufweisen, um ein Substrat für das Wachstum der anaeroben Mikroorganismen bereitzustellen. Bei der erläuterten Ausführungsform sollte das septische Abwasser mindestens einen Tag in der anaeroben Stufe verbleiben.
Bei einem Behandlungszentrum der oben beschriebenen und in Figur 1 abgebildeten Größe und Flußrate findet die zweite Stufe der Behandlung im allgemeinen in den Behandlungsbehältern 6-10 und während des dritten und vierten Tages statt. Diese Stufe ist durch höherere Gehalte an gelöstem Sauerstoff als in der ersten Stufe gekennzeichnet, d.h. sie ist überwiegend aerob. In dieser Stufe wird zusätzlich Ammoniak durch die zwei Bakterien Nitrosomonas und Nitrobacter entfernt. Nitrosomonas oxidiert Ammoniak zu Nitrit. Nitrobacter oxidiert die Nitrite zu Nitraten. Die Gesamtreaktion von Ammoniak zu Nitrat verläuft gemäß der chemischen Rektionsgleichung 2NH&sub3; + 4O&sub2; ergibt 2NO&sub3;- + 2H&sub2;O + 2H&spplus;. Ammoniak, Nitrate und lösliche Orthophosphate werden also direkt durch Grünalgen und Bakterien aus dem Wasser entfernt, die an den Pflanzenwurzeln wachsen.
Während der Behandlungsphase der Behandlungsbehälter 6-10 werden typische BSB-Gehalte auf 50-150 mg/l reduziert und suspendierte Feststoffe auf ungefähr 100 mg/l reduziert. Während dieser Stufe überleben auch Schnecken, die das Schlammvolumen signifikant reduzieren, indem sie den Schlamm fressen und einiges davon in Energie, einiges in Gewebe und einiges davon in Abfall umwandeln. Das behandelte septische Abwasser sollte bei der erläuterten Ausführungsform mindestens einen Tag in der aeroben Stufe verbleiben.
Ungefähr 2,5% - 20% des Flusses aus Behandlungsbehälter 5 in Figur 1 werden am Ventil 54 über das Rohr 56 zu dem Behandlungsbehälter 1 zurückgeleitet. Diese Rückführung füllt die mikrobielle Gemeinschaft in Behandlungsbehälter 1 auf, die sich wegen der rauhen anaeroben Bedingungen vermindert haben könnte.
Das Ende der zweiten Gruppe der Behandlungsbehälter 6-10 ist durch eine überwiegend aerobe Aktivität gekennzeichnet. In dieser Umgebung oxidiert Aerobacter Kohlenhydrate und kurzkettige organische Säuren zu Kohlendioxid (CO&sub2;) und Wasser (H&sub2;O). Cellulomonas wandelt Cellulose in lösliche Kohlehydrate um, die es dann als Zellbestandteil zum Wachsen und als Energiequelle verwendet. Auch andere Bakterien verwenden die hergestellten Kohlehydrate.
Höhere Pflanzen in der aeroben Stufe, der Behandlungsbehälter 6-10, nehmen die Schadstoffe als Nährstoffe auf. Bestimmte höhere Pflanzen (einschließlich Phragmites) nehmen vorzugsweise Nitrate auf, falls bestimmte andere Nährstoffe, wie zum Beispiel Kalium und lösliche Orthophosphate, im richtigen Verhältnis vorhanden sind. Die Nitrate werden direkt aufgenommen und in das Gewebe der Pflanzen eingebaut. In dieser Stufe werden schneller wachsende Pflanzen verwendet, die schnell Nährstoffe entfernen können. Die Wurzelsysteme dieser Pflanzen reichen ebenfalls tief in die Behandlungsbehälter hinein und tragen eine große Population weidender Tiere, insbesondere Schnecken. Schnecken fressen und entfernen auf diese Weise auch suspendierte Feststoffe. Phosphor wird während dieser Stufe auch entfernt, indem er direkt von den Pflanzen und Tieren aufgenommen und in Gewebe umgewandelt wird. Bis zum Behandlungsbehälter 10 wurde Ammoniak (NH&sub3;) auf ungefähr 4 mg/l reduziert.
Was die Arbeitsweise des Sumpfes anbelangt, wird der Sumpf 22 primär dafür verwendet, um unerwünschte Bakterien und Viren abzutöten und um Schwermetalle und bestimmte toxische organische Verbindungen zu entfernen. Stark verwurzelte Pflanzen wie zum Beispiel Phragmites communis werden verwendete um durch den Sand Durchgänge für den Wasserdurchlauf zu bilden. Wie oben erwähnt wurde, schaffen Scirpus lacustris (Seebinsen), Iris pseudacorus (gelbe Schwertlilie) und Typha spp (Rohrkolbengewächse) eine Umgebung, die für Bakterien und auch für bestimmte Viren feindlich ist. Bestimmte Pflanzen, insbesondere Alnus glutinosa, haben entlang ihrer Wurzeln Knoten, die als Rhizome bekannt sind. Diese Rhizome sind die Wohnstätte der Rhizobium-Bakterien, die Stickstoff fixieren (d.h. sie entfernen N direkt aus den N&sub2;-Molekülen der Luft) und stellen auch ein Antibiotikum her, das bestimmte andere Bakterien abtötet. Rhizobium wird auch in vielen Leguminosen-Pflanzen gefunden.
Diese Sumpfpflanzen 90 (Fig. 3) sind auch in der Lage, bevorzugt bestimmte Metalle und auch toxische, organische Verbindungen in ihr Gewebe aufzunehmen. Die Schwermetallaufnahme in schnell wachsenden Pflanzen stellt kein Abfallentsorgungsproblem dar, weil die Pflanzen schnell wachsen, so daß die Metalle sich nicht auf einem gefährlichen Niveau anreichern. U.S. Patent No. 3 770 623, von Seidel, hiermit als Referenz eingefügt, identifiziert viele verschiedene Pflanzen und deren Funktionen.
Zusätzlich befördern die Pflanzen Sauerstoffgas (O&sub2;) von ihren Blättern 92 zum Wurzelsystem 94. Diese Aktivität stellt eine zusätzliche Belüftung dar, die durch die im System verbleibenden Mikroorganismen verwendet werden, die organische Verbindungen abbauen. Denitrißizierung, d.h. die Reduktion von Nitraten (NO&sub3;) zu freiem Stickstoff (N&sub2;) und Wasser, wird im Sumpf durch den Mechanismus des Metabolismus fortgesetzt. Die Umgebung des Sumpfes variiert aufgrund der Tiefe. Bestimmte Teile 96 sind aerob und tiefere Zonen 98 sind anaerob. In diesen Stufen werden Nitrate (NO&sub3;) durch die Aktivität von Bakterien in Stickstoffgas (N&sub2;) umgewandelt.
Falls Schwermetalle ein signifikantes Problem darstellen, sollten spezielle Sumpfpflanzen, die als "Hypoakkumulatoren" bekannt sind, bereitgestellt werden. Hypoakkumulatoren akkumulieren selektiv bestimmte Metalle in einer Konzentration, die hoch genug ist, so daß die Metalle gemäß bekannter Verfahren aus den Pflanzen geschmolzen oder raffiniert werden können. Beispiele von Hypoakkumulatoren sind Zypergrasgewächse und einige Arten von Weidenpflanzen, die beide toxisches Aluminium akkumulieren.
Der Abfluß aus dem Sumpf läuft durch das T-Ventil 72 (Figur 1). Eine Pumpe 73 führt einen Teil des Abflusses aus dem Sumpf über das Rohr 74 zum Einlaß des Behandlungsbehälters 1 zurück. Ungefähr 2,5 - 20 % des Abflusses sollten zurückgeführt werden. Dies stellt, wie zuvor erläutert, eine andere Route für das Wiederauffüllen mit Mikroorganismen dar. Der übrige Abfluß aus dem Sumpf wird mit Pumpe 73 über Rohr 76 zum Behandlungsbehälter 11 gepumpt.
Die Behandlungsbehälter 11-20 sind hauptsächlich zum Polieren des behandelten Abwassers vorgesehen. Mit "Polieren" ist gemeint, daß die Wasserqualität zu einem feinen Grad verbessert wird und dar zusätzliche Nährstoffe entfernt werden. Schnecken und Süßwassermuscheln fahren in diesen Bereichen fort, Schlamm zu verdauen und werden selbst wiederum von Fischen, einschließlich schmalmundigem Barsch (small-mouthed bass) und Bachforelle (river trout), gefressen. In dem experimentellen, oben beschriebenen septischen Abwasser-Harwich-System wird Ammoniak (NH&sub3;) bis zum Behandlungsbehälter 20 auf weniger als 1 mg/l reduziert, und Phosphor wird auf weniger als 10 mg/l reduziert. Der gesamte Kjeldahl-Stickstoff wird auf weniger als 10 mg/l reduziert. Suspendierte Feststoffe werden von über 500 mg/l auf weniger als 10 mg/l reduziert, und der BSB wird von über 1 000 mg/l auf weniger als 10 mg/l reduziert. Fäkales coloform wird auf unter 100 mg/l, weniger als 99% des Zuflusses, und gesamtes coloform wird auf unter 1 000 mg/l, also weniger als 99% des Zuflusses, reduziert. Es ist bei der erläuterten Ausführungsform vorteilhaft, daß das behandelte septische Abwasser mindestens drei Tage in diesem Polierbereich verbleibt.
Die Fische in den letzten einzelnen Behandlungsbehältern reduzieren die Planktonpopulation und dienen auch als Indikatoren für die Wasserqualität. Im allgemeinen, wenn die Wasserqualität schlecht ist, werden die Fische Symptome aufweisen, die helfen das Problem zu diagnostizieren.
Es ist auch vorteilhaft, das Verhältnis von Kohlenstoff in der Form von Calciumcarbonat zu der kombinierten Ammoniak- und Nitratkonzentration in einem vorbestimmten Bereich zu halten. Für das oben erläuterte System wurde entdeckt, daß dieses Verhältnis 7 zu 1 beträgt. Dieses Verhältnis sollte im ersten Behandlungsbehälter der ersten Anzahl der Behandlungsbehälter aufrecht erhalten werden. Zum Beispiel sollte, falls Calciumcarbonat mit 210 mg/l vorhanden ist und die kombinierte Ammoniak und Nitratmenge bei 30 mg/l liegt, das System ausreichend arbeiten. Das Verhältnis neigt dazu, sich zu vermindern, wenn das System arbeitet, und daher muß Kalkstein zugesetzt werden, um den Calciumcarbonat-Gehalt zu erhöhen. Zusätzlich zu Calciumcarbonat kann Natriumbicarbonat verwendet werden, um die Alkalität zu erhöhen. Natriumbicarbonat wirkt schneller als Calciumcarbonat.
Mit Bezug auf die allgemeine Arbeitsweise des Systems können selbstverständlich Variationen der Pflanzen- und Tieranordnung entstehen. Die allgemeine Daumenregel ist, daß falls ein Organismus an einem bestimmten Platz überlebt, er dort verwendet werden sollte und wenn er es nicht tut, dann sollte er dort nicht verwendet werden. Falls er überlebt, bedeutet dies, daß er entnimmt, was er als Nährstoffe aus dem Wasser benötigt. Wenn er nicht überlebt, dann bekommt er nicht, was er braucht, und übt daher keine nützliche Wasserbehandlungsfunktion aus. Bei der Behandlung von Abwasser könnte man denken Pflanzen, Tieren und Bakterien als Sammler zu verwenden, um Nährstoffe aus dem Wasser zu ernten. Wenn sie überleben, dann müssen sie Schadstoffe entfernen. Veränderungen der Umgebung mit den Jahreszeiten benötigen im allgemeinen eine Veränderung des Pflanzenstandorts.
Da die Bedingungen nicht immer für das Überleben aller Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen passend sind, neigt die Vielfalt im System dazu, mit der Zeit abzunehmen. Daher müssen die Pflanzen-, Tier- und mikrobiellen Spezien periodisch ergänzt werden, um die Vielfalt aufrecht zu erhalten. Pflanzenarten können visuell beobachtet werden und müssen daher nur ergänzt werden, wenn festgestellt wird, daß sich die Vielfalt vermindert hat. Mit Bezug auf die bakterielle und andere mikrobielle Vielfalt sollte ein periodisches Programm übernommen werden.
In kälteren Klimaten ist es notwendig, das System vor der Kälte zu isolieren. Dies kann damit erreicht werden, daß um das System, ein konventionelles Gewächshaus gebaut wird. Ein Gewächshaus 100 ist schematisch in Fig. 4 gezeigt, das sechs Module 84 von Behandlungsbehältern und Sümpfe umgibt, wie oben erläutert. Es sollte normale Gewächshaustechnologie angewendet werden. Zusätzlich stellen die Behandlungsbehälter eine thermische Kapazität dar, welche hilft die Temperatur zu regeln. Ferner fangen die photosysnthetisch aktiven Bakterien Lichtenergie ein. Die chemischen Reaktionen, welche durch die Bakterien vermittelt werden, sind im Gleichgewicht exotherm (d.h. sie geben Wärme ab), und somit wird die Temperatur des Behandlungsbehälters aufrechterhalten, ohne extern angewandte Wärme aus anderen Quellen als der Sonne oder den künstlichen Lichtern, falls verwendet, zu benötigen. Wie oben angezeigt, ist die Kapazität des Systems weitgehend durch die lichtabsorbierenden und lichtdurchlässigen Eigenschaften des Abwassers, begrenzt. Wie oben angemerkt, ist es möglich die Kapazität etwas zu erhöhen, indem die Höhe der Behandlungsbehälter erhöht wird. Es ist auch möglich, ergänzendes künstliches Licht für Ausführungsformen mit natürlichem Licht zu verwenden, wie z.B. die oben erläuterte Ausführungsform mit axial angeordneter Lichtquelle. Dies erhöht die Kapazität des Systems um einen Faktor von ungefähr vier. Weiterhin ist das System relativ einfach aufzubauen und kann als ein modulares Element eines größeren Systems, das viele ähnliche Module enthält, angesehen werden. Es müssen so viele Module wie nötig bereitgestellt werden, um das Abwasser einer Kommune vollständig zu behandeln. Das oben beschriebene System, das in der Lage ist mindestens 4 500 l (1 200 gallons) am Tag zu behandeln, nimmt eine Fläche von ungefähr 110 m² (1 200 ft²) ein.
Die Anordnung des Systems kann zum Beispiel verändert werden, indem ein U-förmiger Sumpf bereitgestellt wird, indem alle Behandlungsbehälter in einer einzigen Reihe aufgestellt werden, indem die Behandlungsbehälter auf zwei oder drei Reihen u.s.w. verteilt werden. Die Möglichkeiten sind praktisch unbegrenzt. Es ist manchmal auch vorteilhaft, die Anordnung des Sumpfes bezüglich der Behandlungsbehälter zu verändern. Zum Beispiel kann bei der Behandlung von Abwasser, das hohe Schwermetallgehalte aufweist, der Sumpf früher in das System eingeführt werden. Ferner kann der Sumpf, zur Anpassung an variierende, saisonbedingte Schadstoffe, sogar beweglich sein, auf einem Aufbau vom Typ eines kleinen Eisenbahnwagens. Alternativ können, da der Sumpf einfach an den Strom der Wasserbehandlungsbehälter durch Rohre angeschlossen wird, die Rohre leicht zu verschiedenen Zeiten während des Jahres umgeleitet werden, um dann den speziell benötigten Fluß zu gewährleisten. Es kann vorteilhaft sein, eine zweite Sumpfstufe 122 nach der letzten Behandlungsbehälterstufe des Systems 84 anzubringen, um das Wasser zu sterilisieren (Figur 12).
Es ist auch möglich, die Komponenten des Systems, insbesondere die Behandlungsbehälter, in jede Stufe eines konventionellen Abfallbehandlungssystems einzuführen, sofern die Chemikalien, die durch das Abfallbehandlungssystem eingeführt werden, nicht bei einer Stufe in das natürliche System eingeleitet werden, in welcher sie die natürlichen Bestandteile abtöten.
Schließlich sind Veränderungen von Licht und Temperatur während des Betriebs des Systems vorteilhaft, indem die Veränderung einen variierenden Lebensraum für die verschiedenen Organismen, die im System leben, ermöglicht. Manche funktionieren in beleuchteter Umgebung gut, und einige im Dunkeln. Somit ist die tägliche Anwendung von natürlichem Sonnenlicht in Abwechslung mit unbeleuchteten Perioden der Dunkelheit während der Nachtzeit vorteilhaft. Ferner funktionieren manche Organismen bei kalten (oder warmen) Bedingungen besser als andere. Das experimentelle Harwich-System erlebte tägliche Temperaturschwankungen von mindestens - 7ºC (20ºF) bis zu dem Gesamtbereich von 10ºC (50ºF) bis 38ºC (100ºF), mit vorteilhaften Ergebnissen.

Claims

1. Vorrichtung zur Entfernung von Schadstoffen aus Wasser mit: A) einer Reihe von Behältern (1-20, 30, 130, 330, 440), welche Wasser enthalten, in dem sich Organismen zur Enternung von Schadstoffen aus dem Wasser befinden, wobei ein jeder dieser Behälter (1-20) einen Boden und lichtdurchlässige Seitenwände umfaßt und Energie im wesentlichen in alle Bereiche des Wassers durchläßt;

B) Mitteln zum Verbinden dieser Behälter (1-20) in einer Reihe so, daß Wasser längs dieser Behälterreihe (1-20) von einem ersten Behälter (1) zu einem letzten Behälter (20) überführt werden kann;

C) Mitteln zum Beschicken (24, 26) des ersten Behälters (1) mit Schadstoff enthaltendem Wasser; und

D) Mitteln, um das Wässer, aus welchem die Schadstoffe entfernt worden sind, aus dem letzten Behälter (20) abzulassen;

wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Behälterreihe

a) einen ersten Behälter oder mehrere Behälter (1-5) mit verunreinigtem Wasser und mit Baktetien zur Entfernung von zumindest einigen der Schadstoffe aus dem Wasser;

b) einen zweiten Behälter oder mehrere Behälter (6-10), welche in Reihe mit dem ersten Behälter oder den mehreren Behältern (1-5) verbunden sind und Pflanzen, aber keine Wasserpflanzen enthalten, die befähigt sind mindestens einige der Schadstoffe aus dem Wasser zu entfernen, und Trägermaterial (40), um die Pflanzen an der Oberfläche des Wassers zu halten; und

c) einen dritten Behälter oder mehrere Behältern (11-20), welche in Reihe mit dem zweiten Behälter oder den mehreren Behältern (6- 10) verbunden sind, die verunreinigtes Wasser und Fische enthalten, welche in der Lage sind, mindestens einige der Verunreinigungen aus dem Wasser zu entfernen,

umfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Behälter (1-20) zylindrch ausgebildet ist, vorzugsweise mit einem maximalem Durchmesser von 2 m.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Behälter (1-20) eine ovale Querschnittsform aufweist (130), vorzugsweise mit einer maximalen kleinen Achse von 2 m.

4. Vorrichtung nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, welche zusätzlich ein lichtdurchlässiges Dach (100) aufweist, unter welchem die Reihe von Behältern (1-20) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, welche zusätzlich Mittel zur Bereitstellung von künstlichem Licht (110/410) für das Wasser aufweist, welches sich mindestens in einem der Behälter befindet (1-20).

6. Vorrichtung nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Behälter (1-20) Trägermittel (40) umfaßt, um eine Pflanne (42, 44, 46) über der Oberfläche des Wassers (34) zu halten, welches in dem mindestens einen Behälter (1-20) enthalten ist, während sich die Wurzeln (41) der Pflanze (42, 44, 46) in das Wasser erstrecken können.

7. Vorrichtung nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, welche zusätzlich Morast (22) mit Sand (64) zwischen den zweiten (1-10) und dritten Behältern (11-20) mit Pflanzen (90), welche darin wachsen und in der Lage sind, Schwermetalle aus Wasser zu entfernen, enthält.

8. Vorrichtung nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das in mindestens einem Behälter in der Reihe von Behältern (1-20) enthaltene Wasser umfaßt: Mikoorganismen einschließlich Bakterien, Protozyten, Pilze, Pflanzen und Tiere; Pflanzen, aber keine Wasserpflanzen; oder höhere Tiere einschließlich Zooplankton, Phytoplankton (Algen), Fische, Mollusken wie beispielsweise Schnecken und Süßwassermuscheln.

9. Verfahren zur Behandlung von Wasser, welches umfaßt:

A) Miteinanderverbinden von mehreren Behältern (1-20), wobei jeder Wasser aufnehmen kann, in einer Reihe so, daß Wasser durch die Reihe von Behältern (1-20) von einem ersten Behälter (1) zu einem letzten Behälter (20) geleitet werden kann, wobei jeder der Behälter (1-20) einen Boden und lichtdurchlässige Seitenwände enthält, so daß Energie in nahezu den gesamten Bereich des darin enthaltenen Wassers geleitet werden kann;

B) Füllen der Behälter (1-20) mit Wasser und Organismen zur Entfernung von Verunreinigungen aus dem Wasser;

C) Einfüllen von Verunreinigungen enthaltendem Wasser in den ersten Behälter (1);

D) Ablassen von Wasser, aus welchem die Verunreinigungen entfernt worden sind, aus dem letzten Tank (20);

wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte:

a) Beschicken eines verunreinigtes Wasser enthaltenden ersten Behälters oder mehrerer Behälter (1-5) mit Bakterien zur Entfernung von mindestens einer der Verunreinigungen aus dem Wasser;

b) Versorgen eines zweiten Behälters oder mehrerer Behälter (6-10), welche mit dem ersten Behälter oder mehreren Behältern in Reihe verbunden sind, mit Pflanzen, aber keinen Wasserpflannen, welche in der Lage sind, mindestens einige der Verunreinigungen aus dem Wasser zu entfernen, und Ausstatten mit einem Trägermaterial (40), um die Pflanzen an der Oberfläche des Wässers zu halten; und

c) Zusetzen von Fischen, welche in der Lage sind, mindestens einige der Verunreinigungen aus dem Wasser zu entfernen zu dem dritten Behälter oder mehreren Behältern (11-20), welche mit dem zweiten Behälter oder mehreren Behältern (6-10) in Reihe verbunden sind. entfernen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, welches weiterhin die Rückführung (54, 56, 58, 60) von Wasser zwischen den Behältern (1-20) in die Reihe von Behältern (1-10) umfaßt.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 9 oder 10, welches zusätzlich die Luftzufuhr (28, 36, 38, 37a, 37b) in das Wasser mindestens einer der Behälter (1-20) umfaßt.

12. Verfahren nach jedem der Ansprüche 9-11, welches zusätzlich das Rühren von Wasser in mindestens einem der Behälter umfaßt.