Über Bodenfilter
Über Bodenfilter
|
|
|
|
|
| Bau- und Betriebsweise |
| Bodenfilter sind biologisch hochaktive
Abwasserbehandlungsanlagen. Sie bestehen aus zum Untergrund hin abgedichteten
Beeten, durch die das mechanisch gereinigte, feststofffreie Abwasser hindurchgeleitet wird.
Es gibt mehrere Regelwerke zur Dimensionierung von Bodenfiltern. Aufgrund der jahrelangen Erfahrung beim Bau und Betrieb von Bodenfiltern stehen heute Richtlinien (z.B. ATV) zur Verfügung, die die allgemein anerkannten Regeln und den Stand der Technik beschreiben. In bewachsenen Bodenfiltern durchströmt das Abwasser nach einer Vorreinigung einen mit höheren Wasser- und Sumpfpflanzen (Schilf, Binsen, Rohrkolben u.a.) bestandenen Bodenkörper. Die Reinigungswirkung beruht auf mikrobiologischen, physikalisch-chemischen und pflanzenphysiologischen Vorgängen im System Pflanze - Boden. Eine Differenzierung der verschiedenen Verfahren ergibt sich aufgrund
|
Abb.1: Horizontalfilter |
Bei einem Horizontalfilter durchströmt das Abwasser den Bodenfilter von einer Seite zur anderen, also horizontal. Es erfolgt ein kontinuierlicher Abwasserzulauf von der Vorklärung in den Bodenfilter.
Abb.2: Vertikalfilter
Bei einem Vertikalfilter durchströmt das Abwasser den Bodenfilter von oben nach unten, also vertikal. Die intermittierende Beschickung des Bodenfilters mit vorgereinigtem Abwasser erfolgt mehrmals täglich über eine Pumpe.
Der Boden besteht in einem Bodenfilter aus einer klar festgelegten Mischung von Sand und Kies unterschiedlicher Korngrößen.
Bei der Passage des Wassers durch den Boden finden an den Bodenpartikel Abbauprozesse statt, durch die das Wasser gereinigt wird, so dass es am Auslauf die erwünschte Qualität erreicht.
Abwasserchemische Untersuchungen belegen, dass sowohl Vertikal- als auch Horizontalfilter mit sandig-kiesigem Bodenmaterial weniger Probleme mit der Hydraulik haben, als Anlagen mit schluffig-tonigen und schwerdurchlässigen Böden (wie z.B. Wurzelraumanlagen). Dies bedingt auch deutlich bessere Ablaufwerte und Reinigungsleistungen der Bodenfilter mit sandig-kiesigem Material.
|
Sowohl der Nährstoffentzug durch die Pflanzen – meist Schilfpflanzen – als auch der Sauerstoffeintrag durch das Aerochym der Helophyten sind relativ unbedeutend. Dennoch tragen die Pflanzen z.B. durch ihre isolierende Wirkung im Winter bzw. durch die Durchwurzelung des Bodenkörpers und die damit verbundene Verbesserung der Hydraulik zu einer Optimierung des Gesamtsystems bei. |
In der Regel wird vor den eigentlichen Bodenfilter ein Vorklärbehälter gebaut, in dem Feststoffe abgetrennt werden. Der sich hier ansammelnde Schlamm muss nach einiger Zeit abgesaugt und anderweitig entsorgt werden.
Anforderungen für Anlagen mit Ausbaugrößen über 50 EW sind in dem ATV - Arbeitsblatt A 262 formuliert, wobei die Ausfaulgrube durch andere Vorklärstufen (z.B. Absetzteich) ersetzbar ist. Die maximale wirtschaftlich sinnvolle Ausbaugröße für Pflanzenkläranlagen wird durch deren Flächenbedarf begrenzt und liegt in der Größenordnung von 3000-5000 EW.
Wie auch in einer technischen Kläranlage ist das Ziel der Abwasserreinigung in einem Bodenfilter in erster Linie die Entfernung von C-Verbindungen, N-Verbindungen und Phosphor. Daneben sollen Mikroorganismen – pathogene wie nicht pathogene – aus dem Wasser entfernt werden.
Bereits ohne besondere Maßnahmen können bewachsene Bodenfilter über die geforderte Grundreinigung hinaus einen erheblichen Anteil der zugeführten Nährstoffe eliminieren.
Im belebten Boden finden die Bakterien günstige Bedingungen, den organisch gebundenen Stickstoff zu Ammonium, Nitrat und schließlich zu Luftstickstoff umzusetzen und damit dem Wasser zu entziehen.
Das in einem bewachsenen Bodenfilter zurückgehaltene Phosphat wird im Bodenmaterial angelagert.
Durch die in der Regel intermittierende Betriebsweise wird auf geringer Fläche (2 - 5 m²/EW) eine hohe Reinigungsleistung erzielt. Die Vertikalfilter sind bekannt für einen guten CSB-Abbau und eine weitgehende Nitrifikation.
Eine Reihe von Autoren (u.a. Kunst und Flasche 1995, Bahlo 1997, Platzer 1997) belegen, dass Vertikalfilter leistungsfähiger sind als Horizontalfilter. Die durchschnittliche Gesamtstickstoffablaufkonzentration liegt bei Vertikalfiltern mit durchschnittlich 67 mg/l Gesamt-Nitrat (Ges.-N) über dem Wert für Horizontalfilter, die Ablaufwerte von 52 mg/l Ges.-N aufweisen (u.a. Geller 1997).
Abb.3: Reinigungsleistung von Vertikal- und Horizontalfiltern im Vergleich
Die Untersuchung der räumlichen Verteilung der mikrobiellen Aktivitäten ergab, dass der CSB-Abbau zu mindestens 80% bis 20 cm Bodentiefe erfolgt. Bei sehr guter Sauerstoffversorgung ist sogar schon 90% des CSB bis zu dieser Bodentiefe eliminiert (Kunst und Flasche 1995, Platzer 1997).
Auch die Nitrifikation findet fast ausschließlich in diesem Bereich statt. 95% des abwasserbürtigen NH4-N-Stickstoffes sind unter günstigen Sauerstoffverhältnissen bis 20 cm Bodentiefe nitrifiziert. Das Potential für die Nitrifikation ist in den ersten 5 cm Boden am höchsten. Wenn die hydraulische oder organische Belastung ansteigt, dehnt sich die Nitrifikationszone in tiefere Bodenschichten aus.
In 50 cm Bodentiefe eines Vertikalfilters, der aus einem sandig-kiesigen Material aufgebaut ist, liegt der Gesamtstickstoff zu über 80% als Nitrat und nur ca. 10% als Ammonium vor. Der Gesamtstickstoff-Abbau ist gering, weil die Denitrifikation durch die Durchlüftung des Bodens in den besonders aktiven oberen Bodenschichten gehemmt bzw. unterbunden ist.
Aus diesen Untersuchungsergebnissen folgt :
Optimierungsansätze:
Bewachsene Bodenfilter zeichnen sich im Sommer wie im Winter durch eine hohe Betriebssicherheit aus. Hierzu liefern viele Beispielanlagen den Beleg.
Natürlich ist im Winter durch die verlangsamten Stoffwechselprozesse mit gewissen Leistungseinbussen zu rechnen. Allerdings ist durch die normale Abwassertemperatur sowie die isolierende Wirkung der Pflanzen ein stabiler Betrieb und das Einhalten der geforderten Ablaufwerte die Regel.
Im Sommer kommt es durch höhere Verdunstung zu einer Verringerung des Abflusses - in manchen Fällen bis zu einem abflusslosen Zustand. Die Beschattung durch die Pflanzen wirkt einem Austrocknen entgegen.
Durch regelmäßige Wartung kann die ohnehin gute Betriebssicherheit der Anlagen weiter gesteigert werden.
Zum Langzeitbetrieb von Bodenfiltern (>> 10 Jahre) sind z.Zt. Aussagen über bis zu 15 Jahren möglich, weil bewertbare Betriebsführungen nur für diesen Zeitraum vorliegen.
Bewachsene Bodenfilter haben sich zur Behandlung häuslicher Schmutzwässer im Dauerbetrieb bewährt. Abwasserchemische Untersuchungen belegen, dass Anlagen mit nichtbindigem, durchlässigem (sandig-kiesigem) Bodenmaterial als Horizontal- und Vertikalfilter deutlich bessere Ablaufwerte und damit Reinigungsleistungen aufweisen als die mit bindigem, schwerdurchlässigem (schluffig-tonigem) Bodenkörper ausgestatteten Wurzelraumanlagen. Nicht nur die Anforderungen für Kläranlagen der Größenklasse 1 (< 1000 EW, Kleinkläranlagen, kleine Kläranlagen), sondern auch Anforderungen an Anlagen der Größenklasse 3, z.T. auch 4 und 5 können eingehalten werden.
Abb.4: Ablaufwerte von bewachsenen Bodenfiltern nach 5- und 10jähriger Betriebszeit
Die organischen Inhaltsstoffe des Abwassers werden mikrobiologisch abgebaut, veratmet oder als Humus im Boden angereichert. Auf die Wasserdurchlässigkeit hat die Humusbildung keine negativen Auswirkungen, für die Reinigungsleistung ist sie förderlich. Für den Abbau der organischen Schmutzstoffe und von Stickstoff gibt es keine zeitliche Begrenzung der Leistungsfähigkeit.
Die Dynamik des Pflanzenwachstums und die Ausbildung von gut durchwurzelten Bodenstrukturen garantieren prinzipiell eine ausreichende hydraulische Funktion bei nichtbindigem, durchlässigem Bodenmaterial der Anlagen auch nach vielen Jahren.
Im Dauerbetrieb können die verschiedenen Einzelvorgänge zur Elimination der Abwasserinhaltsstoffe ohne zielgerichteten Sauerstoffeintrag auch zur Kolmation (Verstopfung) sowie zu Schlamm- und Stoffanreicherungen im Boden führen.
Als Ergebnis von Untersuchungen auf abwasserrelevante Einzelstoffe bzw. Summenparameter ist festzustellen, dass im Langzeitbetrieb durch Transformation-, Filter- und Sorptionsprozesse sowie Fällungsreaktionen Abwasserinhaltsstoffe angereichert werden. Anlagentypbedingt verteilen sich diese auf den unmittelbaren Zulaufbereich, einzelne Schichthorizonte oder diffus über die gesamte Anlage. Hohe stoffliche Belastungen sind in Wurzelraumanlagen festzustellen (Abb.5 ),
 |
HG
- Hintergrundwert
|
| Abb.5: Anlage Schwalmtal-Hopfgarten, Zn-Gehalte (Feststoff) |
dagegen sind in sandig-kiesigen Bodenfiltern nach bis zu 15jähriger Betriebsführung keine auffälligen Stoffanreicherungen erkennbar (Abb.6, Tab.1).
 |
Ah - Auflagehorizont
|
| Abb.6: Anlage Germerswang, Zn- Gehalte (Feststoff) |
Die stofflichen Belastungen sind dort am höchsten, wo abfiltrierbare Stoffe eingetragen werden oder durch absterbende Biomasse sich ein Auflagehorizont (Humusbildung) über mehrere Jahre entwickelt. Als Leitparameter für diesbezügliche Bewertungen bieten sich der TOC, AOX, Zn, Cu oder Nährstoffe an (HAGENDORF, 1999). Sie führen im Vergleich mit Richt- und Grenzwerten teilweise zur Einstufung als entsorgungspflichtige Abfälle.
|
|
Bodenfilter |
Bodenfilter |
Bodenfilter |
Abfall- und |
normale Gehalte in Böden * |
|
alle Angaben in mg/kg Trockensubstanz |
|||||
|
Blei |
7,4 |
29 |
0,35 |
900 |
2-60 |
|
Cadmium |
0,05 |
n.e. |
0,01 |
10 |
<0,5 |
|
Chrom |
11,6 |
42 |
0,24 |
900 |
5-100 |
|
Kupfer |
7 |
20 |
0,73 |
800 |
14642 |
|
Nickel |
8,7 |
29 |
0,33 |
200 |
18384 |
|
Quecksilber |
0,01 |
n.e. |
n.e. |
8 |
<0,5 |
|
Zink |
52,4 |
104 |
1,59 |
2500 |
29495 |
|
AOX |
17 |
8 |
n.e. |
500 |
|
|
Dioxine |
0,12 |
n.e. |
n.e. |
100 |
0,7-5 |
n.e.: nicht ermittelt
* Quelle: Scheffer/Schachtschnabel 1989
Geller/Thum 1999
Tab.1: Schadstoffgehalte nach 5 bzw. 10
Betriebsjahren
|
Anlage |
Schwalmtal Hopfgarten |
Höhenberg |
See |
Germerswang |
|||||||||||||||
|
Beet / Bereich |
1 |
1 |
2 |
1 |
2.1 / 2.2 |
1 |
2 |
||||||||||||
|
Bodenhorizont d. Probennahme |
Ah |
oyYr |
Yr |
Ah |
Yor |
Yr |
Ah |
Yor |
Yr |
Fr/Ah |
Yr |
Yr |
Yo/Yr |
Ah |
Yor |
Yr |
Ah |
Yor |
Yr |
|
Proben ges. (n) |
9 |
10 |
6 |
1 |
9 |
3 |
1 |
6 |
3 |
6 |
5 |
8 |
8 |
9 |
11 |
12 |
13 |
13 |
13 |
|
TA Siedl.abfall |
|||||||||||||||||||
|
TOC (mg/l) > 20 |
8 (89%) |
4 (40%) |
1 (100%) |
5 (83%) |
9 (100%) |
13 (100%) |
|||||||||||||
|
NH4N (mg/l) >4,1 |
7 (78%) |
1 (10%) |
1 (100%) |
6 (100%) |
3 (60%) |
4 (50%) |
4 (50%) |
2 (22%) |
7 (54%) |
4 (31%) |
8 (62%) |
||||||||
|
AbfklärV |
|||||||||||||||||||
|
Zn(mg/kg TS) > 2500 |
1 (11%) |
||||||||||||||||||
|
Cu (mg/kg TS) >800 |
|||||||||||||||||||
Anteil an Gesamtproben : n (%)
Quelle: U. Hagendorf, UBA, 2000
Tab 2.: Prozentualer Vergleich von Bodenprobenanzahl, deren Messbefunde die Anforderungen der TA Siedlungsabfall und Abfallklärschlammverordnung überschreiten
Für den Abbau der organischen Schmutzstoffe und von Stickstoff gibt es keine zeitliche Begrenzung der Leistungsfähigkeit.
Systeme, die für die entsprechende Belastung ausreichen dimensioniert sind und eine angepasste Vorklärung haben, sind in ihrer Funktionsdauer hauptsächlich durch die Lebensdauer der technischen Peripherie begrenzt.
Bewachsene Bodenfilter können Krankheitserreger wirkungsvoll vermindern.
Häusliche Schmutzwässer enthalten eine Vielzahl krankheitserregender Mikroorganismen, die je nach Art und Anzahl den Menschen gesundheitlich gefährden können und daher im Rahmen der Abwasserbehandlung zu vermindern sind. Man kann davon ausgehen, dass Erreger vieler Infektionskrankheiten in Abwässern vorkommen können.
Für die Leistungsfähigkeit von bewachsenen Bodenfiltern sowohl hinsichtlich des biologischen Abbaus der Abwasserinhaltstoffe als auch hinsichtlich der Elimination von Krankheitserregern, sind die von Mikroorganismen besiedelten Oberflächen (Bodenpartikel, Wurzeln) von herausragender Bedeutung. Diese Biofilme finden sich prinzipiell in allen abwasserdurchströmten Bereichen eines Bodenfilters, wobei die Artenzusammensetzung, Zelldichte und Aktivität der Mikroorganismen jedoch in den einzelnen Bodenfilterabschnitten und -tiefen unterschiedlich sind.
Die Mikroorganismen sind aufgrund antagonistischer Beziehungen in der Lage, pathogene Keime und Viren zu eliminieren und tragen dadurch besonders zur Hygienisierung des Abwassers bei, wobei die Eliminationsraten von verschiedenen Faktoren (u.a. Ausgangsbelastung, Verfahren, Sauerstoffeintrag mikrobiellen Lebensgemeinschaften) beim Betrieb biologischer Abwasserbehandlungsverfahren abhängen.
Zur Beurteilung der Eliminationsleistung von bewachsenen Bodenfiltern für pathogene Mikroorganismen wurden bisher hauptsächlich Untersuchungen zum Verhalten von Indikatororganismen (u.a. E.coli, Fäkalstreptokokken, coliforme Keime) durchgeführt (Abb. , Abb. ). Hohe Eliminationsraten um bis zu 5 Zehnerpotenzen bestätigen die besonderen Leistungsmöglichkeiten dieser Form von Kläranlagen. Inwieweit auch eine Verminderung pathogener Keime (u.a. Campylobakter, Clostridien, Salmonellen, Yersinien) erreicht wird, wurde nur vereinzelt untersucht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass unter bestimmten Voraussetzungen auch hier ein großer Wirkungsgrad erreicht werden kann.
 |
|
|
Abb.7: Verminderung von E.coli in verschiedenen Bodenfilteranlagen
|
|
|
|
Abb.8: Verminderung von Fäkalstreptokokken in verschiedenen Bodenfilteranlagen |
Diese hervorragenden Eliminationsraten sind vor allem auch für den Betrieb von Hauskläranlagen (Kleinkläranlagen auf privatem Grundstück) von großer Bedeutung.
Abb.9: Foto einer Hauskläranlage
Im ländlichen Raum stellen Bodenfilter eine kostengünstige und umweltfreundliche Alternative zur Abwasserentsorgung dar, wenn der Anschluss an eine konventionelle Kläranlage über Abwasserkanäle zu teuer ist.
Bei Einhaltung optimaler Planungs- und Ausführungsanforderungen sowie notwendiger Wartungs- und Pflegearbeiten sind Bodenfilter voll funktionsfähig.
Abb.10: Baukosten von Bodenfiltern in Abhängigkeit von der Ausbaugröße
Bewachsene Bodenfilter gehören zu den Klärverfahren mit vergleichsweise sehr geringem Pflege- und Wartungsaufwand.
Der Anteil der technischen Einrichtungen ist sehr gering, teilweise kommen diese Kläranlagen ganz ohne elektrische Einrichtungen aus. Selbst dort, wo Pumpen eingesetzt werden, sind diese lediglich wenige Minuten pro Tag in Betrieb. Hochkomplizierte Regeleinrichtungen werden bislang ebenfalls nicht eingesetzt.
Der Klärschlamm der biologischen Stufe (Überschussschlamm) entfällt bei Bodenfilteranlagen. Der Schlamm aus der Vorklärung (Primärschlamm) muss, wie bei anderen Kläranlagen auch, behandelt und entsorgt werden.
Abb.11: Betriebskosten von Bodenfiltern in Abhängigkeit von der Anschlussgröße
