Naturnahe biologische Klärstufen sind seit Jahrhunderten im Einsatz.
Es gibt Teich- und Landbehandlungssysteme:
Abwasserteiche sind nach der Definition der ATV-A-201 künstlich stehende Gewässer, die relativ flach und unbelüftet sind und zur Reinigung von Abwasser eingesetzt werden. Diese finden bis zu einer Größenordnung von 1000 Einwohnern Verwendung und sind mit größer/gleich 8m2 pro Einwohner zu bemessen. Die Wassertiefe sollte etwa 1m und die Durchflusszeit bei Trockenwetter mehr als 20 Tage betragen, wobei das benötigte Volumen möglichst auf mehrere kleine Becken verteilt wird.
Heute werden die Teiche weltweit zur biologischen Reinigung genutzt. Aufgrund des großen Flächenbedarfes beschränkt sich ihr Einsatz mittlerweile auf den ländlichen Raum.
In den "künstlich eutrophen Weihern" finden, unter jedoch nur teilweise kontrollierbaren Bedingungen, Absetzvorgänge (Sedimentation) sowie anaerobe und aerobe bakterielle Prozesse statt. Auch langsam wachsende Organismen mit langen Generationszeiten können sich in den Teichen entwickeln. Eine Sauerstoffversorgung findet physikalisch über die Teichoberfläche und biologisch über die Sauerstoffproduktion höher entwickelter Algen statt. Hierbei kommt es zwischen dem Wasser und der Atmosphäre zu einem ständigen Austausch gasförmiger und flüchtiger Stoffe. Abwasserteiche können auch als sehr ertragreiche Nutzteiche zur Aufzucht von Algen (Proteine) dienen. Wobei die Proteinausbeute der 370fachen von Weizen entspricht. Am natürlichsten ist eine Nutzung als Abwasserfischteich, da dieser am ehesten der Naturform entspricht. Tubificiden (Schlammröhrenwürmer) und Chironomiden (Zuckmückenlarven) leben überall im Teich und sind das bevorzugte Futter von Karpfen und Graskarpfen. Dem Teich muss jedoch sauerstoffreiches Verdünnungswasser zugegeben werden.
Durch eine künstliche Belüftung kann der Abwasserteich tiefer (1,5-2,5m) angelegt werden und hat hierdurch einen geringeren Flächenbedarf. Die künstliche Belüftung versorgt nicht nur den Wasserkörper mit Sauerstoff, sondern auch die sich im Bodenschlamm befindlichen Organismen mittels Umwälzung.
Der Vorteil von Abwasserteichen liegt in der hohen Betriebsstabilität, da Zuflussschwankungen
gut abgepuffert werden können. Auch die Reinigungsleistung ist ähnlich hoch wie die einer kombinierten Anlage (Vertikalfilter + Sumpfbecken + Teich).
Der Nachteil ist der hohe Flächenbedarf.
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Bewachsene Kiesfilter
Der von Seidel entwickelte 50cm flache Kiesfilter wurde meist horizontal durchströmt und ist
mit Schilf und Binsen bewachsen. Es wurden auf ihren Ergebnissen aufbauend verschiedenste mehrstufige
Systeme entwickelt, z.B. das Krefelder System nach Haider-Rausch oder nach Kraft.
Auch in Großbritannien gibt es zahlreiche Erfahrungen mit Kiesbeeten.
Die Systeme arbeiten mit oder ohne Vorklärung und/oder mit gleichbleibender bzw. in
Fließrichtung abnehmender Korngröße.
Das Rohabwasser wird hierbei in der ersten vertikalen Stufe vorgereinigt, horizontale Beete schließen
sich zur biologischen Klärung an.
Der Nährstoffentzug erfolgt, da Kies nur eine geringe Reaktionsfläche besitzt,
vorwiegend durch die Pflanzen, welche aus diesem Grund regelmäßig geerntet werden müssen.
Jede Pflanzenart besitzt ein spezifisches Spektrum an physiologischen Leistungen, welches für den
Ab- oder Umbau von Stoffen verantwortlich ist. So kann die Flechtbinse (Schoenoplectus lacustris) dem
Wasser Phenole entnehmen und diese in ihrem Stoffwechsel verarbeiten.
Zum Abbau der vielfältigen Verbindungen im häuslichen Abwasser wären jedoch sehr viele
verschiedene Pflanzen nötig. Zusätzlich wird dieses Unterfangen noch durch das
verhältnismäßig langsame Wachstum der Pflanzen, welches im Winter fast völlig
zum Erliegen kommt, erschwert. Mikroorganismen sind aufgrund der höheren Anpassungsfähigkeit
durch ihre kurze Generationszeit besser dazu geeignet, organische Stoffe abzubauen, als Pflanzen.
Daher ist Kies als Füllmaterial nur bei einer ausreichenden Aufenthaltsdauer, z.B. durch
Einstau, geeignet.
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Wurzelraumverfahren in bindigen Böden
Das Füllmaterial der Anlagen nach Kickuth ist ein bindiger Boden (Lehm, Ton).
Dieses hat mit einer Korngröße von <0,063mm eine große Reaktionsfläche.
Der Anteil an wasserleitenden Grob- und Mittelporen ist jedoch gering. So liegt die hydraulische
Durchlässigkeit bei kf >10-7 m/s.
Die Anlage wird von Schilf bewachsen.
Für Kickuth bedarf der Bau eines "großen technischen, bodenkundlichen biologischen Wissens",
um eine Verdichtung zu vermeiden.
Die Anlagen, an denen er mitgewirkt und gemessen hat,
weisen kf-Werte zwischen 10-2
und 10-3m/s auf.
In der Praxis stellten jedoch andere Autoren auch nach mehrjährigem Betrieb keine Verbesserung der anfänglich ungenügenden
Leitfähigkeit der Böden fest. Meistens fand keine gleichmäßige Durchströmung
des Filtermaterials statt. Die meisten dieser Anlagen sind daher im schlechtesten Fall überströmt,
da das Abwasser bei den bindigen Böden nicht ausreichend versickern kann.
Durch den oberflächlichen Abfluss lassen sich daher nur für organische Verbindungen gute
Reinigungsleistungen erzielen.
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Bewachsene Sandfilter
Ab Mitte der 80er Jahre wurden durch die hauptsächliche Verwendung von nichtbindigen
Bodensubstraten und realistischen Flächenbelastungen die anfänglichen Probleme gelöst.
Die bewachsenen Sandfilter entsprechen nach dem Arbeitsblatt A-262 dem "Stand der Technik".
Sand mit einem Durchlässigkeitsbeiwert von kf = 10-4
- 10-3 ist in Deutschland nach ATV-A-262 das einzig zulässige
Bodenmaterial für Pflanzenkläranlagen. Bewachsene Sandfilter sind neben den
Abwasserteichen eine naturnahe biologische Reinigungsstufe, welche keine Sondergenehmigungen
benötigt.
Für bewachsene Sandfilter ist aufgrund des geringeren Anteiles an Grobporen im Vergleich zum
bewachsenen Kiesfilter eine sauber arbeitende Vorklärung besonders wichtig.
Bei Mehrkammerabsetzgruben sind die Ausschwemmungen von Feststoffen häufig zu hoch.
Nachdem zuerst horizontale Filter im Einsatz waren, stieg später das Interesse an vertikal
durchströmten Anlagen.
In der Abbildung zeigt a) eine horizontal und b) eine vertikal durchströmte Anlage.
Bewachsene Sandfilter haben eine gute Reinigungsleistung beim Abbau der organischen Fracht.
Auch im Winter werden die gesetzlichen Anforderungen erfüllt.
Beim Abbau von Stickstoffvebindungen haben die Sandfilter je nach Durchströmung eine
einseitige Reinigungsleistung. So haben Vertikalfilter zwar eine hohe Nitrifikationsrate,
jedoch keine ausreichende Denitrifikation, während sich dies bei Horizontalfiltern umgekehrt
verhält. Die Reinigungsleistung verringert sich im Winter bei der Nitrifikation in vertikalen
Anlagen auf 50% und bei horizontalen auf <10%.
Eine Verbesserung horizontaler Beete stellt eine Intervallbeschickung derselben dar. Der Filter kann sich in den Beschickungspausen wieder mit der zur Nitrifikation notwendigen Luft füllen. Wechselnde Feuchtigkeitszustände begünstigen auch eine Denitrifikation, da in den trockenen Pausen der nötige Kohlenstoff besser mineralisiert wird und somit leichter verfügbar ist.
Eine Aufteilung der Gesamtfläche in mehrere Teile ist ebenfalls möglich und hat den Vorteil, dass die einzelnen Beete alternierend, d.h. abwechselnd, betrieben werden können. Bei horizontalen Filtern lässt sich mittels der alternierenden Beschickung die Stickstoffelimination und die Phosphatfestlegung verbessern. Hierdurch wird auch eine höhere Betriebssicherheit erreicht, da bei Ausfall eines Beetes, durch z.B. Verstopfung (Kolmation), die anderen Beete weiter betrieben werden können. Dieses Beet kann sich durch die Pause regenerieren.
Durch eine Kombination von vertikalen und horizontalen Filtern in einer Abwasseranlage lassen
sich die unterschiedlichen Vorteile der beiden Filter ausnutzen. Hierbei wird die erste Stufe
(Vertikalfilter) intermittierend und die zweite (Horizontalfilter) kontinuierlich beschickt bzw.
eingestaut. Durch einen Einstau der zweiten Stufe werden die anaeroben Verhältnisse,
welche eine Denitrifikation steigern, geschaffen.
Bei zweistufigen Anlagen lassen sich Nges-Wirkungsgrade von über 65% erreichen.
Eine mögliche Erklärung der immer noch unvollständigen Stickstoffelimination
stellt die fehlende Kohlenstoffversorgung der Denitrifikanten durch die Abbauleistung
der ersten Stufe dar. Daraus ergeben sich weitere Verbesserungsmöglichkeiten,
wie eine Rezirkulation des Abwassers und/oder die Zugabe einer Kohlenstoffquelle in der zweiten Stufe.
Diese Verfahren sind sehr energieaufwendig und es ist fraglich, ob sich so die Zielsetzung
eines naturnahen Reinigungssystemes erreichen lässt.
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