-
TECHNISCHE ASPEKTE
-
Dieses Verfahren kann zur Reinigung
von städtischen
und industriellen Abwässern,
zur Behandlung eutrophierter Abwässer
und zur Behandlung von Abwässern
mit kontaminierenden Substanzen eingesetzt werden, die mit Hilfe
aquatischer Makrophyten abgebaut werden können.
-
BISHERIGER STANDARD
-
Konventionelle Abwasserbehandlungen
sind in der Lage, organische Stoffe während der Primärbehandlung
durch Ablagerung der schwebenden Feststoffe und mit Hilfe an inerte
Substanzen gebundener oder frei im Wasser befindlicher Mikroorganismen
zu entfernen. Diesem Wasser wird bei der Sekundärbehandlung auf natürlichem
oder künstlichem Weg
Sauerstoff zugeführt.
Die Entfernung der Mineralstoffe (tertiäre Behandlung) ist sehr teuer,
wenn sie mit konventionellen Methoden (chemische Fällung) durchgeführt wird,
weshalb viele Kläranlagen
diesen Behandlungstyp nicht verwenden und stark mit Mineralstoffen
angereichertes Wasser ablassen, das zu einer Eutrophierung der Wasserläufe und
Stauseen führt
(vor allem aufgrund des beteiligten Stickstoffs und Phosphors).
Die Umweltgesetzgebung wird in dieser Hinsicht immer strenger und
fordert eine geringere Konzentration dieser Stoffe in Wasser, das
in öffentliche
Wasserläufe
eingeleitet wird.
-
Die so genannten Grünfilter-Behandlungssysteme
verwenden inerte Substanzen wie Torf oder bestimmte, auf spezifischen
Böden oder
Substraten (in den meisten Fällen
Kies oder Sand) angebaute Pflanzen, über die die Abwässer geleitet
werden. Einige dieser Systeme verwenden „emerse Makrophyten", die in der Natur
an Flussufern und in Sumpfland wachsen, jedoch immer im Boden oder
in einem inerten Substrat verwurzelt sind. Die Oberfläche des Wurzelwerks
in direktem Kontakt mit dem Wasser ist viel geringer als bei einem
schwimmenden Wurzelsystem, das vollkommen mit dem Wasser in Berührung ist.
Ein weiterer Nachteil des Systems im Boden wurzelnder Pflanzen ist
die Schwierigkeit der Ernte des erzeugten Pflanzenvolumens (das
alle aus dem Wasser herausgefilterten Mineralien enthält). Nur
der oberhalb der Wasseroberfläche
wachsende Teil der Pflanzen wird abgeerntet, während die Wurzeln und der untere
Teil der Stängel
im Boden verbleiben.
-
Die Behandlungssysteme mit schwimmenden
Pflanzen verwendeten von Natur aus stark wuchernde Pflanzen wie
die Wasserhyazinthe (Eichornia crassipes) oder Vertreter der Lemnaceae
(Gattungen Lemma, Wolffia, Spirodella usw.), haben jedoch keine
guten Ergebnisse erzielt. So ist etwa die Wasserhyazinthe eine tropische
Spezies und kann aufgrund ihrer schnellen Ausbreitung leicht außer Kontrolle
geraten und Kanäle
und Nassgebiete vollkommen überwuchern.
Außerdem
stirbt sie in kühlen Gegenden
mit kontinentalem Klima in den Wintermonaten vollkommen ab. Die
Vertreter der Lemnaceae und anderer ähnlicher Sorten hingegen ergeben
keine großen
Erträge,
weshalb natürlich
auch ihr Reinigungseffekt begrenzt ist.
-
Die im Patent JP-09-029283 mit dem
Titel „Wasserreinigungssystem
mit Wasserpflanzen" vorgestellte
Methode besteht aus Wasserpflanzen, die auf einer schwimmenden Struktur
bestehend aus einem Gitter und einer Reihe Auftrieb gebender Schwimmelemente
befestigt werden.
-
Die von uns entwickelte Methode benötigt keine
derartigen Elemente oder ständige
Schwimmhilfen. Die Pflanzen schwimmen während des Behandlungsvorgangs
frei im Wasser.
-
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
System zur Behandlung von Schmutzwasser und
schadstoffbelasteten Abwässern
unter Verwendung „emerser
Makrophyten". Diese
sind so angebaut und präpariert,
dass sie in den Kanälen
verbleiben, durch die das Abwasser in Lagunen oder Teiche/Tanks
geleitet wird. Es werden immer die jeweils optimal auf die individuellen
Bedingungen des Standorts und die Verschmutzung abgestimmten Makrophytenarten
verwendet.
-
Dieses System kann für die tertiäre Behandlung
(Entfernung eutrophierender Mineralstoffe) von Abwässern der
zweiten Stufe aus konventionellen Klärsystemen und durch die an
den Wurzeln haftende Mikroorganismen auch für die sekundäre Behandlung
(Abbau gelöster
organischer Stoffe) verwendet werden. Das System kann auch zum Abbau
von am Wurzelsystem haftenden Feststoffen dienen. Die an den Wurzeln
der Pflanzen mit großer
spezifischer Oberfläche
haftenden Mikroorganismen bauen die in diesen Feststoffen enthaltenen
organischen Stoffe ab.
-
Auch zur Behandlung von eutrophierten landwirtschaftlichen
Abwässern,
von stark mit Stickstoff und/oder Phosphor und/oder Kalium belasteten Industrieabwässern und
zur Behandlung von mit diesen Elementen verunreinigtem Quellwasser
ist die Methode geeignet.
-
Einige Sorten emerser Pflanzen sind
in der Lage, mit toxischen Verbindungen wie Phenolen kontaminiertes
Wasser zu säubern
und größere Mengen Schwermetalle
zu absorbieren, weshalb dieses System bei Auswahl der geeigneten
Pflanzensorten auch zur Behandlung von Abwässern geeignet wäre, die
diese Art von Verunreinigungen enthalten.
-
Das Wesentliche dieses Systems ist
eine schwimmende Vegetationsdecke oder schicht auf der Oberfläche des
Kanals oder der Lagune, die vor allem aus Pflanzen besteht (an die
spezifischen Umweltbedingungen des Standorts angepasste ausgewählte emerse
Spezies), deren Wurzelsysteme und Teile der Stängel sich unter Wasser befinden.
Die meisten Wasserpflanzen besitzen darüber hinaus Rhizome (Fortpflanzungsorgane
der Pflanzen, die neue Ableger hervorbringen und als Energiereserve große Mengen
Kohlehydrate enthalten), die sich unter Wasser an den Wurzeln im
Bereich der Stängel bilden.
Die Gesamtoberfläche
der unter Wasser befindlichen Pflanzenteile ist aufgrund der zahlreichen Wurzeln
und Wurzeltriebe sehr groß und
bietet die Grundlage für
die mit dem Abbau der organischen Stoffe befassten Mikroorganismen.
Dieser Abbau wird auch durch den Sauerstoff unterstützt, den
die Pflanzen von den Blättern
in und durch die Wurzeln pumpen (eine besondere Eigenschaft emerser
Wasserpflanzen).
-
Emerse Makrophyten wie Binsen (Juncus subulatus
Forskal, Juncus maritimus Lam., Juncus acutus L., Juncus litoralis
C. A. Meyer, Juncus effusus L., Juncus conglomeratus L., Scirpus
holoschoenus L., Scirpus maritimus L., Scirpus litoralis Schrader,
Scirpus triqueter L., Cyperus serotinus Rotth., Cyperus longus L.,
Schoenus nigricans L.), Rohrkolben (Typha angustifolia L., Typha
latifolia L., Typha domingensis (Pers) Steudel, Typha minima Funck
in Hoppe), Schilfrohr (Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steudel)
und Sparganiaceae (Sparganium erectum L., Sparganium emersum Rehmann,
Sparganium angustifolium Michx und Sparganium minimum Wallr) bilden
nur im oberen Teil Blätter
und sind als einzelne Exemplare nicht so dicht wie im Verbund. Damit
diese Pflanzen schwimmen und angemessen wachsen, muss sichergestellt
werden, dass die im Wasser befindlichen Teile eine ausreichend stabile Grundlage
bilden und sich schnell genug ausbreiten, damit sich die Blätter und
Stängel über der
Wasseroberfläche
zu ihrer vollen Höhe
entwickeln können. Einzelne
Pflanzen neigen zum Umkippen und treiben dann seitlich auf dem Wasser.
-
Das Innovative des hier beschriebenen
Systems liegt darin, dass die normalerweise am Grund oder an den
Ufern der Wasserläufe
verwurzelten Pflanzen auf der Oberfläche des durch Kanäle fließenden oder,
bei ausreichender Tiefe (im Allgemeinen 25 bis 50 cm), in Teichen
oder Lagunen gespeicherten Wassers wachsen und dort ihren gesamten Lebenszyklus
durchleben. So entsteht, kurz gesagt, durch den Wachstumsprozess
ein Vegetationsteppich aus den natürlich miteinander verflochtenen
Unterwasserteilen der Pflanzen (unterer Teil der Stängel, Rhizome
und Wurzeln).
-
Zur Erzeugung eines solchen Vegetationsteppichs
müssen
Jungpflanzen im Wachstumsstadium oder Rhizome verwendet werden.
Diese Jungpflanzen oder Rhizome müssen separat und in einigem
Abstand voneinander (ca. 10–30
cm) an einer schwimmenden Struktur befestigt werden, damit sich
die Wurzelsysteme der benachbarten Pflanzen ineinander schlingen
können.
Die Bildung dieser geschlossenen Deckschicht hängt stark davon ab, in welchem
Abstand die einzelnen Pflanzen oder Rhizome auf die Basisstruktur
gesetzt wurden. Einige emerse Pflanzen (z. B. Rohrkolben) haben
röhrenförmige Stängel (Hohlstile),
die im Wasser auf der Seite liegend schwimmen und keine Basisstruktur
benötigen.
Sie bilden lange Ableger, die aus Knospen in den Blattachseln und
Wurzeln hervorgehen.
-
Die Bildung einer schwimmenden Decke
direkt auf einem Wasserlauf erfordert eine Verankerung der Schwimmstrukturen
und der röhrenförmigen Stängel der
verwendeten Makrophyten, damit die Pflanzen nicht von der Wasserströmung weggeschwemmt
werden. Eine ähnliche
Methode muss auf stark bewindeten Teichen und Lagunen angewendet werden,
von deren Oberfläche
die Pflanzen weggeweht werden könnten.
Für Systeme,
die zur Bildung der Vegetationsdecke mit einer großen Anzahl
Jungpflanzen bestückt
werden müssen,
empfiehlt sich eine Vorkultur der Setzlinge in einem Substrat mit
geeignetem Gewicht, das die Pflanzen vom Anfang an aufrecht im Wasser
hält. Das
Gewicht des Substrats einschließlich
des Wurzelballens plus das Gewicht der Pflanze muss etwas höher sein
als der Druck, den das Wasser auf den eingetauchten Pflanzenteil ausübt.
-
Obwohl die Art und Form der verwendeten Schwimmstruktur
je nach Zweck (Entwicklung einer schwimmenden Vegetationsschicht)
variieren kann, ist im Allgemeinen die Verwendung linearer Strukturen
mit niedriger Dichte vorzuziehen, die an den Enden von Kanälen oder
den Ufern von Teichen und Lagunen befestigt werden können. Bei
sehr langen Kanälen
kann die Verankerung bei Längsausrichtung der
Schwimmstrukturen auch abschnittweise erfolgen. Ein sehr geeigneter
linearer Werkstoff mit niedriger Dichte, der leicht in größeren Mengen
und zu einem günstigen Preis
beschafft werden kann, sind Niederdruckschläuche für Tropfbewässerung aus Polyäthylen mit
einem Durchmesser von 12 mm oder 16 mm.
-
Zur Erleichterung der Platzierung
der Pflanzen oder Rhizome auf den schwimmenden Basisstrukturen müssen die
Jungpflanzen bei der Anlieferung mit einem Befestigungssystem versehen
sein. Zur Befestigung kann dünner
Draht (dünner
als 1 mm Durchmesser) verwendet werden, dessen eines Ende um den
Wurzelballen oder die Blätter
der Pflanze geschlungen wird, während
das andere Ende zu einem Clip o. Ä. gebogen oder, je nach Anbringung der
Pflanze an der Basisstruktur, gerade gelassen wird.
-
Abgesehen von der Reinigung des Wassers bietet
dieses System darüber
hinaus die Möglichkeit zur
Produktion von Biomasse für
die Energieerzeugung oder für
industrielle Zwecke. Die Erträge
sind deutlich höher
als bei jeder an Land angebauten Feldfrucht. Im Fall der Rohrkolben
kann mit einem jährlichen
Ertrag von 2,23 kg/m2 trockenen, oberhalb der
Wasseroberfläche
wachsenden Materials gerechnet werden. Dies entspricht einer Biomasse,
die gleich viel Wärme
erzeugt wie 1 Liter Benzin. In Bezug auf die in den Rhizomen enthaltenen
Zucker und Stärken
kann festgehalten werden, dass der jährliche Ertrag bei 1 kg/m2 liegt. Eine Verwertungsmöglichkeit der
in den Rhizomen enthaltenen Kohlehydrate wäre die Erzeugung von Äthanol.
-
Einige der größten Vorteile dieses Systems gegenüber den
Behandlungsystemen mit im Grund oder Substrat verwurzelten emersen
Makrophyten sind folgende:
- – Preiswertere Anlage
- – Einfachere
Anlage direkt auf dem Kanal oder Teich ohne Ablassen des Wassers
und bei jeder beliebigen Wassertiefe
- – Größere Behandlungskapazität durch
vollen Kontakt des Wurzelsystems mit dem Wasser
- – Leichtes
Abernten der entstehenden Biomasse, falls eine Entfernung der von
den Pflanzen fixierten Mineralstoffe gewünscht wird, oder zur Verwertung
der Biomasse in der Energieerzeugung oder für industrielle Zwecke
- – Im
Fall von Pflanzen, die stärkehaltige
Rhizome bildenden (z. B. Rohrkolben usw.), erlaubt dieses System
ein einfaches Abernten dieser Rhizome mit dem Teil der Pflanze,
der über
der Wasseroberfläche
wächst.
Dies ist bei normalerweise in konventionellen Systemen verwendeten
Arten, die im Kanalgrund wurzeln, weit schwieriger, da die Rhizome
im Boden oder im Kies- oder Torfbett verborgen sind. Dieses neuartige
System bietet außerdem
die Möglichkeit
der Verwendung der Rhizome in der Industrie, vor allem zur Herstellung
von Stärke
und Derivaten wie Äthanol.
-
EINZELHEITEN DER EINRICHTUNG
-
Zum besseren Verständnis folgt
eine beispielhafte Beschreibung zur Einrichtung eines Abwasserreinigungssystems
für einen
Ort mit 1000 Einwohnern. Die Beschreibung geht von der Annahme aus,
dass 2,5 m2 schwimmende Filterpflanzen der Sorte
Rohrkolben (Typha latifolia) zur Behandlung des von einer Person
erzeugten Abwassers ausreichen. Anlage des Kanals. Auf der Grundlage
der obigen Angaben wäre
die Anlage eines Kanals oder Teichs mit einer Gesamtfläche von
2.500 m2 (0,25 ha) zur Installation der
schwimmenden Filter angemessen. Der Prozess beginnt mit den nötigen Erdarbeiten.
Dabei muss berücksichtigt
werden, dass der Neigungswinkel des Kanalgrunds nie mehr als 1° betragen
darf. Falls erforderlich, müssen
zum Ausgleich größerer Unebenheiten des
Terrains Kaskaden eingebaut werden. Die Breite des Kanals kann je
nach Bodengegebenheiten veränderlich
sein, wobei zur Mahd der Biomasse eine Breite von 2–3 m empfohlen wird.
Die Grabung muss bis zu einer Mindesttiefe von 50 cm durchgeführt werden.
Zur Vermeidung von Verunreinigungen sollten die Ränder ca.
30 cm über die
Bodenkante hinaus hochgezogen werden. Grund und Seiten des Kanals
müssen
mit Plastikfolie oder anderen wasserdichten Matenalien ausgekleidet werden,
damit die Pflanzen sich nicht einwurzeln können. Der Kanal kann auch aus
Beton oder Fertigteilen erstellt werden, was den Bau jedoch deutlich verteuert.
-
Damit die Wassertiefe immer mindestens
30 cm beträgt,
müssen
je nach Neigung des Kanals in den geeigneten Abständen Schleusen
und Siele eingebaut werden. So müssen
zur Erhaltung einer Wassertiefe von 30–50 cm (als Beispiel) bei einem
Neigungswinkel des Grundes von 1° alle
20 m Schleusen von 50 cm Höhe
eingebaut werden. Bei einer Breite von 2,5 m wäre eine Gesamtlänge von
1000 m nötig,
die dem natürlichen
Gefälle
des Drainageflusses folgend gebaut werden kann.
-
Vorbereitung der Pflanzen aus Samen.
Die Samen von Rohrkolben müssen
anfangs flach ausgesät
werden und können
nach ca. einem Monat pikiert und in Setzlingscontainer von 4 × 4 cm und
7 cm Tiefe mit einem Substrat aus Torf, Erde und Sand in einem Verhältnis 1
: 1 : 2 vereinzelt werden. Bei der Vorbereitung der Setzlingsbox
mit dem geeigneten Substrat wird ein 0,5 mm dicker ausgeglühter Eisendraht
von 15–20
cm Länge,
der 5 mm vom unteren Ende rechtwinklig abgeknickt wird, mit in die
Erde gesteckt, um besser mit dem Wurzelballen zu verwachsen. Der
Draht gibt nicht nur das für
das Wachstum der Jungpflanze notwendige Eisen ab, er dient beim Umsetzen
in den Kanal auch zur Befestigung der Pflanze an der schwimmenden
Basisstruktur. Nach 2–3
Monaten ist die Pflanze bereit zum Umpflanzen in den Kanal. Die
beste Jahreszeit zur Verpflanzung ins Freie ist das Frühjahr, eine aktive
Wachstumsperiode, die die Bildung des Vegetationsteppichs besonders
unterstützt.
-
Aussetzen der Pflanzen in den Kanal.
Als schwimmende Basisstruktur werden Niederdruckschläuche aus
Polyäthylen
mit 12 mm Durchmesser (für
Tropfbewässerung)
verwendet, die in alle Teilstücke
des Kanals eingelegt und an beiden Enden befestigt werden. Damit
sich der Vegetationsteppich schnell schließt, wird ein Abstand von ca.
50 cm zwischen den einzelnen Basiselementen empfohlen. In einem
2,5 m breiten Kanal wären
5 Strukturen in Längsrichtung
nötig.
Der anfängliche
Abstand zwischen den Pflanzen auf den Basisstrukturen sollte ca.
25 cm betragen. Die mit Befestigungsdrähten versehenen Pflanzen werden
mit einem einfachen System (Draht um den Wurzelballen der Pflanze)
an den Basisstrukturen befestigt, während der Wurzelballen die
Pflanze durch sein Eigengewicht aufrecht hält. In Abhängigkeit von den Temperaturen
der jeweiligen Gegend ist der Vegetationsteppich nach ca. 3–6 Monaten
voll ausgewachsen. Für
eine zügige
erste Bepflanzung werden etwa 8–10
Pflanzen pro m2 benötigt. Der verwendete Draht
hält lange
genug, um eine ausreichende Vernetzung des Vegetationsteppichs zu
gewährleisten.
Nach einem gewissen Zeitraum verrottet der Draht vollkommen und
die Polyäthylenschläuche können entfernt
werden. Der ausschließlich
aus Pflanzen bestehende Vegetationsteppich verbleibt an Ort und
Stelle.
-
Entfernung der Biomasse. Am Ende
der Wachstumsperiode kann der über
der Wasseroberfläche
wachsende Teil der Pflanzen abgemäht oder die Deckschicht kann
ganz oder teilweise entfernt werden. Sie kann aber auch mehrere
Jahre an Ort und Stelle bleiben. Die über der Wasseroberfläche wachsende
Biomasse kann in getrocknetem Zustand zur Energiegewinnung (Verbrennung),
im Handwerk (für
Sitzpolster), als Isoliermaterial für Gebäude, als Rohstoff für Papierpaste
oder als Bindemittel für Leichtbauplatten
für die
Bauindustrie verwendet werden. Die im Wasser befindliche Biomasse
verfügt über stark
stärkehaltige
Rhizome, deren industrielle Verwertung von der Ertragsmenge und
dem Vorhandensein der geeigneten Verwertungsindustrie abhängt.