Projekt 07946/01

Entwicklung eines Hydro-Pflanzen-Klärsystems (HPKS)

Projektdurchführung

Josef Bruns
49413 Dinklage

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Hydro-Pflanzen-Klärsystems (HPKS), mit dem die Abbauleistung und Nährstoffelimination im Vergleich zu herkömmlichen Pflanzenklärsystemen wesentlich verbessert werden kann. Dieses Ziel soll dadurch erreicht werden, dass die die wesentlichen Nachteile bestehender Systeme (nachlassende hydraulische Wasserleitfähigkeit und Verschlammung des Bodens sowie geringe Steuerungsmöglichkeiten der Anlage) vermieden werden. Darüber hinaus hat sich in vorangegangenen Studien gezeigt, dass der notwendige Flächenbedarf durch den Einsatz eines bodenlosen Systems erheblich geringer ausfallen kann.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDer erste Arbeitschritt ist der Bau einer HPKS-Versuchsanlage für vier Personen. Die Anlage besteht aus einem ersten Teich (Hydrokultur), einem vertikalen Pflanzenfilter und einem zweiten Teich sowie aus ei-nem variabel handhabbaren Rückführsystem. Alle wesentlichen Parameter werden über eine Wettersta-tion und einen mobilen Messkoffer direkt an der Anlage als auch im Labor geprüft. Bei den Untersuchung geht es vor allem um eine Verbesserung der
- Elimination der organischen Stoffe in dem ersten Teich,
- Nitrifikation und Phosphorelimination in dem Pflanzenfilter,
- Denitrifikation in dem ersten und zweiten Teich.
In der ersten Phase des Projektes, die bis zum Frühjahr 1997 dauern wird, werden erste Ergebnisse gesammelt und ausgewertet. Auf der Basis der gewonnenen Erkenntnisse soll die Anlage dann optimiert werden. Die zweite Phase geht dann bis Juli 1998.
Bau der Versuchsanlage sowie die Pflege und den Betrieb übernimmt die Firma Josef Bruns GmbH, Bahlen. Für den wissenschaftlichen Teil des Projektes ist die Hochschule in Vechta verantwortlich.
Das Hydro-Pflanzen-Klärsystem soll eine umweltfreundliche und Weiterentwicklung für herkömmliche Pflanzenkläranlagen sein, es soll sich aber auch als Alternative zu anderen Kleinkläranlagen etablieren.


Ergebnisse und Diskussion

Durch diese Untersuchungen sollte gezeigt werden, dass durch eine Kombination zwischen Pflanzen- und Abwasserteichanlagen ein neues naturnahes Reinigungsverfahren entwickelt werden kann, in dem ohne Energieaufwand das Abwasser voll behandelt werden kann und dass die Reinigungswirkung im Sommer wie auch im Winter vergleichbar oder größer als bei zentralen kommunalen Kläranlagen der Größenklasse 5 werden kann.
Elimination der organischen Substanz
Das Abwasser aus einem Einfamilienhaus mit vier Einwohnern fließt zur Versuchsanlage. Bevor das Abwasser zum ersten Teich (0,5 m2/ Einwohner) und dann zum Pflanzenfilter (ebenfalls 0,5 m2/ Einwohner) kommt, wird es im Dreikammersystem vorbehandelt. Wie die bis heute erzielten Ergebnisse belegen, ist schon die organische Substanz im Hydro-Pflanzen-Klärsystem hinter dem Pflanzenfilter so weit abgebaut, wie bei den herkömmlichen Belebungsanlagen mit chemischer und physikalischer Stufe. Obwohl das HPKS entsprechend den Vergleichstabellen von Mindestanforderungen an gereinigtes Kommunalabwasser in Deutschland der Größenklasse 1 zuzuordnen ist, erreicht die Anlage im Projekt jeweils niedrigere Ablaufwerte ( hinter dem Pflanzenfilter: CSB < 50 mg / l; BSB5 < 5 mg / l) als die Anforderungen in der Größenklasse 5.
Stickstoffelimination
Die eigentliche Stickstoffelimination findet in dem zweiten Teich (Denitrifikationsteich) statt. Ehe es jedoch zum Abbau des Stickstoffs in diesem Teich kommen kann, muss er im Pflanzenfilter nitrifiziert werden (der Ammoniumstickstoff NH4 wird zum Nitratstickstoff NO3 oxidiert). Die Nitrifikationsleistung im Pflanzenfilter (0,75 m2 / Einwohner) beträgt durchschnittlich mehr als 90 % und wurde bei Pflanzenkläranlagen mit einem derartig kleinen Flächenbedarf zuvor nicht erreicht. Die erzielte durchschnittliche Abbaurate beträgt 6,2 g NH4-N / m2 und Tag. Die Stickstoffelimination im zweiten Teich beruht darauf, dass in diesem Teich der Nitratstickstoff auf dem Wege der Denitrifikation elimienirt wird. Obwohl die Zulaufkonzentration liegt bei ca. 120 mg/l und ist mindestens doppelt so hoch wie im Zulauf von kommunalen Kläranlagen, weisen die erzielten Ergebnisse auf eine hohe Elimination des Stickstoffs hin. Die mittleren Ablaufwerte nach der der Versuchsanlage (NH4-N - um 10 mg / l, Nges - um 25 mg / l) sind mit den Mindestanforderungen an die Stickstoffelimination bei kommunalen Kläranlagen in Deutschland vergleichbar.
Phosphorelimination
Um Phosphor erfolgreich zu eliminieren und Einfluss von außen auf die Elimination nehmen zu können, wurde der Prozess in zwei Phasen aufgeteilt. Deshalb erfolgt die Phosphorelimination zunächst im Pflanzenfilter (erste Phase) und dann im Sediment des Teiches (zweite Phase). Dieser Eliminationsprozeß, sowohl im Pflanzenfilter als auch im Sediment verläuft auf chemischem Weg, der von physikalischen und chemischen Parametern (Sauerstoffkonzentration, pH-Wert, Bodenzusammensetzung) beeinflusst wird. Die Untersuchungsergebnisse haben darauf hingewiesen, dass eine volle Abbauleistung des Phosphors und eine Kontrolle des Prozesses möglich ist. Obwohl die Phosphorbelastung der Versuchsanlage relativ hoch ist (die Zulaufkonzentration liegt bei 20 mg P/l), wird relativ hohe Phosphorelimination erreicht. Die mittleren Ablaufwerte nach der Versuchsanlage um 1 mg / l sind mit den Mindestanforderungen an die Phosphorelimination bei kommunalen Kläranlagen in Deutschland vergleichbar.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Ein Teil der Ergebnisse ist schon im Korrespondenz Abwasser unter dem Titel Abbau organischer Ver-bindungen mit einem Hydro-Pflanzen-Klärsystem veröffentlicht worden ( Korrespondenz Abwasser 4 / 1998). Im Oktober 1998 ist die Vorbereitung von zwei anderen Artikeln (Stickstoffelimination aus dem Abwasser mit einem Hydro-Pflanzen-Klärsystem, Teil 1 Nitrifikation und Teil II Denitrifikation) beendet. Diese beide Artikeln sind auch an Korrespondenz Abwasser geschickt worden.
Bis März 1999 soll die Vorbereitung von drei anderen Artikeln zum Thema Phosphorelimination im Hydro-Pflanzen-Klärsystem und Abbau organischer Verbindungen Teil II beendet werden.


Fazit

Die dreijährigen Forschungen haben gezeigt, dass das durch eine Kombination aus Teich- und Pflanzenkläranlagen entstandene HPKS - Verfahren in der Lage ist, eine weitergehende Abwasserreinigung zu erzielen, und das sowohl bei einem kleinen Flächenbedarf als auch bei einem sehr niedrigem Energieverbrauch. Die mittlere Ablaufwerte nach der HPKS - Anlage sind mit den Mindestanforderungen bei kommunalen Kläranlagen der Größenklasse 4 und 5 in Deutschland vergleichbar