Pflanzenkläranlagen

FAQ: Pflanzenkläranlagen / Schilfkläranlagen

Frage 1: 
Kann das Schilf Ihrer Pflanzenkläranlagen auch zur Schwermetalldekontamination belasteter Böden genutzt werden? Zur Antwort

Frage 2: 
Können Pflanzenkläranlagen (CW) für Abwässer genutzt werden, die durch flüchtige organische Verbindungen verunreinigt sind?  Zur Antwort

Frage 3:
Endokrine Disruptoren, seien es körpereigene Hormone, die z.B. durch Krankenhausabwässer oder aus der industriellen Viehhaltung stammen oder Phytohormone und Mykotoxine sowie anthropogen erzeugte synthetische Hormone (Pharmazeutika, Doping-Substanzen), Industriechemikalien wie Weichmacher und Biozide (Insektizide, Herbizide, Fungizide) können in Gewässern und Meeren Schäden für die dort beheimateten Organismen verursachen, z.B. durch Störung der Geschlechtsentwicklung (Feminisierung, Maskulinisierung) oder karzinogen wirken.

Gibt es Ihrerseits Informationen über deren Abbau in Pflanzenkläranlagen – vielleicht sogar im Vergleich mit konventionellen technischen Kläranlagen? Zur Antwort

Frage 4: 
Nach DWA-Arbeitsblatt A262 soll die stoffliche Belastung von vertikal durchströmten Pflanzenkläranlagen auf 20g CSB/m² *d begrenzt werden. Wie wirken sich die dauerhaft hohen Temperaturen bei Ihren Projekten in den Tropen diesbezüglich aus? Zur Antwort

Frage 5: 
Was sind die Wirkungsmechanismen einer eingestauten horizontalen Pflanzenkläranlage? Zur Antwort

Frage 6:
Können landwirtschaftliche  Abwässer durch Schilfkläranlagen gereinigt werden? Zur Antwort

Frage 7:
Welchen Pflanzenkläranlagentyp als Kleinkläranlage favorisieren Sie aktuell (2020)? Zur Antwort

Frage 8:
Sie argumentieren, dass Ihre Wirbeldüsen (spray nozzles) eine wesentlich bessere Verteilung des Abwassers auf dem Filtersubstrat einer Pflanzenkläranlage ermöglichen als die üblichen einfachen Austrittslöcher in den HDPE-Verteilerleitungen. Das ist unmittelbar einsichtig. Hat diese spezielle Form der Abwasserverteilung auch nennenswerte Effekte auf die Reinigungsleistung? Zur Antwort

Frage 9:
Gelegentlich hört man von Pflanzenkläranlagen ohne Pflanzen. Wie ist das gemeint? Zur Antwort

Frage 10:
Die Phytoparking-Kläranlage ist ja insbesondere für urbane Ballungszentren interessant, da sie keinen zusätzlichen Platzbedarf erfordert. Das so gereinigte Abwasser muss dann aber doch wieder in den Kanal abgeleitet werden und verursacht dann Kanalbenutzungsgebühren oder sehen Sie anderweitige Möglichkeiten das Wasser zu nutzen? Zur Antwort

 


 

Antwort zu Frage 1

Kann das Schilf Ihrer Pflanzenkläranlagen auch zur Schwermetalldekontamination belasteter Böden benutzt werden?

a, durchaus. Schilf (Phragmites australis bzw. communis)  hat eine hohe Schwermetalltoleranz im Vergleich mit anderen Sumpfpflanzen und eignet sich damit prinzipiell zur Phytoremediation. Die Schwermetallanreicherung erfolgt dabei proportional zur Konzentration im Medium. Die Akkumulation ist bei Zink am höchsten gefolgt von Blei , Cadmium, Chrom , Kupfer und Nickel. Bei einem Biomasseertrag in der Größenordnung von 20t Trockenmasse pro Hektar und Jahr kann in etwa mit folgenden Entzugsleistungen gerechnet werden:


    As         4    g/ha * a                 
    Pb        30   g/ha * a
    Cr        10   g/ha * a
    Cu        70   g/ha * a
    Zn         5  kg/ha * a

Die Entfernung erfolgt dann über Ernte und Verbrennung.
 

 


 

Antwort zu Frage 2

Können Pflanzenkläranlagen (CW) für Abwässer genutzt werden, die durch flüchtige organische Verbindungen verunreinigt sind?

Ja, das können sie. In einer Pilotanlage mit horizontaler Fließrichtung ("horizontal sub-surface flow constructed wetland", CW) in Bitterfeld, Deutschland, konnten sowohl schwachchlorierte Kohlenwasserstoffe (Monochlorbenzol) als auch hochchlorierte Kohlenwasserstoffe (Perchlorethylen) durch die Pflanzenkläranlage entfernt werden. Die Abscheiderate für Monochlorbenzol kann bis zu 208 mg m -2 d -1 erreichen, bei einer Zulaufbelastung von 299 mg m -2 d -1. Perchlorethylen konnte bei der Zulauffracht von 49 mg m -2 d -1 vollständig (>99%) entfernt werden (Chen et al., 2012a). In der anderen Pilotanlage in Leuna, Deutschland, konnten sowohl Benzol als auch MTBE (Methyl-tert-butylether) durch verschiedene Pflanzenkläranlagentypen entfernt werden. Die Zuflussbelastung von Benzol und MTBE betrug 188-522 bzw. 31-90 mg d-1 m-2 (Chen et al., 2012a). Im Sommer wurden höhere Abscheidegrade erzielt. Die Benzol-Entfernungswirkungsgrade betrugen 24-100%  in der hoizontal durchströmten Pflanzenkläranlage bzw. 22-100% bei bepflanzten Schwimminseln; die MTBE-Entfernungswirkungsgrade betrugen 16-93%  in der horizontal durchströmten Pflanzenkläranlage  bzw. 8-93% bei bepflanzten Schwimminseln. Die Verflüchtigungsraten bei bepflanzten Schwimminseln betrugen 7,24 und 2,32 mg d-1 m-2 für Benzol und MTBE, was 3,0% bzw. 15,2% der Gesamtentfernung entspricht. Die Verflüchtigungsraten in horizontalen Pflanzenkläranlagen erreichten 2,59 und 1,07 mg d-1 m-2, was 1,1% bzw. 6,1% der Gesamtentfernung von Benzol und MTBE entspricht. Die Ergebnisse zeigen, dass bepflanzte Schwimminseln eine interessante Option für die Behandlung von mit Benzol und MTBE verschmutzten Gewässern unter moderaten Temperaturbedingungen darstellen (Chen et al., 2012b).

 

 


 

Antwort zu Frage 3

Endokrine Disruptoren, seien es körpereigene Hormone, die z.B. durch Krankenhausabwässer oder aus der industriellen Viehhaltung stammen oder Phytohormone und Mykotoxine sowie anthropogen erzeugte synthetische Hormone (Pharmazeutika, Doping-Substanzen), Industriechemikalien wie Weichmacher und Biozide (Insektizide, Herbizide, Fungizide) können in Gewässern und Meeren Schäden für die dort beheimateten Organismen verursachen, z.B. durch Störung der Geschlechtsentwicklung (Feminisierung, Maskulinisierung) oder karzinogen wirken.

Gibt es Ihrerseits Informationen über deren Abbau in Pflanzenkläranlagen – vielleicht sogar im Vergleich mit konventionellen technischen Kläranlagen?

 

Im Rahmen einer Kooperation zwischen dem IPK Gatersleben (Prof. Dr. G. Kunze, Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung) und der Gemeinde Lahstedt wurden im Jahr 2012 im Zuge einer Masterarbeit 50 Abwasserproben auf hormonelle Aktivitäten untersucht. Die Abwasserproben wurden den Zu- und Abläufen der damaligen Kläranlagen aus den Ortschaften Münstedt (Tropfkörperanlage) und Gadenstedt (Schilfkläranlage bzw. vertikal durchströmter Bodenfilter; Planung, Ausschreibung, Bauleitung und Betriebsbetreuung durch Ingenieurbüro Blumberg, Projektdatenblatt der Schilfkläranlage Gadenstedt) entnommen. Im Ergebnis zeigte sich, dass in allen der insgesamt 20 Zulaufproben estrogene und progestagene Aktivitäten festzustellen war, zusätzlich in 12 Proben auch androgene Aktivitäten. Eine erste Quantifizierung unter Verwendung von Äquivalenzkonzentrationen zeigte bezüglich eines Vergleichs der Zu- mit den Ablaufproben, dass bei allen Ablaufproben die hormonellen Aktivitäten geringer waren, was bei beiden Kläranlagentypen auf eine vorhandene Klärleistung hinsichtlich hormoneller Aktivitäten hinweist.

Interessant bei den Abläufen war zusätzlich, dass bei der konventionellen Tropfkörperkläranlage in Münstedt in allen Proben noch estrogene Aktivitäten vorhanden waren, während dies am Ablauf der Pflanzenkläranlage Gadenstedt nur bei zwei von 20 Ablaufproben der Fall war.

Bei den androgenen und progestagenen Substanzen waren nur in der technischen Kläranlage Münstedt in vereinzelten Ablaufproben Aktivitäten nachweisbar. Die Ergebnisse Studie wurde vom IPK Gatersleben (a.a.O) wie folgt  zusammengefasst:

Antwort zu Frage 4

Nach DWA-Arbeitsblatt A262 soll die stoffliche Belastung von vertikal durchströmten Pflanzenkläranlagen auf 20g CSB/m² *d begrenzt werden. Wie wirken sich die dauerhaft hohen Temperaturen bei Ihren Projekten in den Tropen diesbezüglich aus?

Grob gesagt mindestens um den Faktor 4.
In Vietnam z.B. haben wir die Pflanzenkläranlagenstufen für Tapiocastärke-Industrieabwasser mit einer Flächenbelastung von ca. 80g  CSB/m²*d gefahren (bis zu 282g CSB/m²*d wurden getestet) und einen Wirkungsgrad von > 98% erzielt.
Wenn Sie es detaillierter wissen wollen, möchte ich Sie auf unsere diesbezüglichen wissenschaftlichen Publikationen verweisen:

  1. J. Fettig, V. Pick, U. Austermann-Haun, M. Blumberg and N.V. Phuoc (2013) : Treatment of tapioca starch wastewater by a novel combination of physical and biological processes, in Water Science & Technology, 68.6 , 2013.
     
  2. Blumberg, M. (2013): Constructed Wetlands for Treatment of Biogas Plant Effluents. In: Biogas Engineering and Application, Volume 3, Renjie, D. Raninger, B. (Eds.), China Agricultural University Press
     
  3.  Blumberg, M. (2012): Constructed Wetlands for Treatment of Biogas Plant Effluents, Presentation for GIZ/FECC Training VI on 'Performance and Support Policy of Biogas Energy generating Biogas Plants', Nanjing, China, 16th to 18th May 2012.

 


 

Antwort zu Frage 5

Was sind die Wirkungsmechanismen einer eingestauten horizontalen Pflanzenkläranlage?

Im abwassergesättigten Wurzelraum der Schilfpflanzen bauen Mikroorganismen (in der Hauptsache Bakterien), die in jedem Oberboden in einem mannigfachen Artenspektrum und hoher Individuendichte vorhanden sind, die organischen Abwasserinhaltsstoffe vorwiegend anaerob ab, in Wurzelnähe auch aerob, bedingt durch den Sauerstoffeintrag des Schilfs. Wie in jeder Kläranlage sind diese mikroskopisch-kleinen Lebewesen auch hier die Träger des Entsorgungsprozesses.  Der Pflanzenbestand (überwiegend Schilf) hat lediglich eine die Reinigung  unterstützende Funktion, vor allem dadurch, dass das intensive Wurzel- und Rhizomgeflecht durch laufende Erneuerung Hohlräume hinterlässt, die eine Verstopfung des Bodenfilters (Kolmation) verhindern. Das Maximum der Wirksamkeit einer solchen Pflanzenkläranlage liegt in den Sommermonaten, wenn es aufgrund der extremen Verdunstungsleistungen eines solchen 2-3 m hohen Schilfbestands zu abflusslosen Zuständen kommen kann. Die Evapotranspirationsverluste schwanken je nach Witterungsverhältnissen (Temperatur, Wasserdampfsättigungsdefizit der Luft) zwischen 4 und 30mm pro Tag (gleich Liter pro m²) .
Der Boden hat neben der rein mechanischen Filterfunktion die Aufgabe, Abwasserinhaltsstoffe chemisch und physikalisch an mineralische und organische Bestandteile zu binden (z.B. Phosphate).

 

 


Antwort zu Frage 6

 

Können landwirtschaftliche  Abwässer durch Schilfkläranlagen gereinigt werden?

Ja, wir haben Pflanzenkläranlagen im Schwerlastbereich (Weinbauabwasser, Silosickerschaft, Molke, Gülle und durch Futterreste belastete Hofflächenabwässer) geplant und gebaut (Oberflächenabwasserbehandlung;  Dowload: Betriebsverhalten von Wurzelraumanlagen im Schwerlastbereich ; Download: Pflanzenkläranlagen für Oberflächenabwasser der Roh- und Baustoffindustrie).
Über Umweltbeeinträchtigungen durch Jauche, Gülle, Weinbauabwasser, Silosickersäfte, Molke oder Hofabflüsse von Biogasanlagen wir immer wieder in der Tagespresse berichtet. Auch Sekundärschäden im Naturhaushalt durch "umgekippte" Kläranlagen, deren "Biologie" aufgrund von rechtswidrigen Einleitungen der genannten Stoffgemische zusammenbricht, sind leider noch vereinzelt zu beobachten.
Für die gesamten organisch- hochbelasteten Abwässer aus dem landwirtschaftlichen Bereich wurden vom Verfasser und anderen Pilotversuche an Pflanzenkläranlagen (bepflanzten Bodenfiltern) in der Praxis durchgeführt. Sie können mit dem erstaunlichen Fazit zusammengefasst werden, dass diese naturnahe Ökotechnik solche Spitzenbelastungen nicht nur aushält, sondern ohne technische Energiezufuhr (Belüfter) auch preisgünstig abbaut. Der schilfbewachsene Bodenkörper ist gegenüber solchen sonst überwiegend toxischen Einleitungen außerordentlich gut gepuffert und zeigt aufgrund seiner mikrobiellen Artenvielfalt, der mineralischen und organischen Bodenbestandteile sowie der vergleichsweise  langen  Verweilzeit des Abwassers im Entsorgungssystem eine deutlich höhere Belastungselastizität als konventionelle technische Kläranlagen.

 


 

 

Antwort zu Frage 7

Welchen Pflanzenkläranlagentyp als Kleinkläranlage favorisieren Sie aktuell (2020)?

 

Hier in Deutschland propagieren wir aktuell eine Kombination von Rohabwasserfilter mit Vertikalfilter, beide natürlich schilfbepflanzt. Der Flächenanspruch dieser Kombinationslösung zur Schlamm- und Abwasserbehandlung mit vorgeschalteter Schneidrad-Pumpe liegt bei nur 2,2 m² pro Einwohner.

Also keine Dreikammerklärgrube und damit auch keine kostenträchtige Entschlammung alle zwei bis drei Jahre. Die Beschreibung einer solchen Anlage für ein Haus (1 Wohneinheit, 4 Einwohnergleichwerte) am Stadtrand von Göttingen, die wir im April 2020 geplant und gebaut haben, finden Sie unter folgendem Link: Projektdatenblatt Pflanzenkläranlage als Rohabwasserfilter (4EGW). Eine im übrigen sehr anspruchsvolle Baustelle aufgrund begrenzter Zugänglichkeit für schweres Gerät und der Hanglange.

Im Ausland favorisieren wir eine noch deutlich kleinräumigere Variante von containerbasierten Pflanzenkläranlagen, die in nachfolgender Zeichnung schematisch dargestellt ist:

Der Volumenanspruch des schilfbepflanzten Vertikalbodenfilters mit integrierter Belüftung beträgt nur etwa 230 l/Einwohner.

In 2019 haben wir eine solche Anlage für einen ersten Teilbereich einer Schule in Tansania (Anschlussgröße 120 Einwohner) geplant und gebaut: News zur Pflanzenkläranlage für eine Schule in Tansania.

 


 

 

Antwort zu Frage 8

Sie argumentieren, dass Ihre Wirbeldüsen (spray nozzles) eine wesentlich bessere Verteilung des Abwassers auf dem Filtersubstrat einer Pflanzenkläranlage ermöglichen als die üblichen einfachen Austrittslöcher in den HDPE-Verteilerleitungen. Das ist unmittelbar einsichtig. Hat diese spezielle Form der Abwasserverteilung auch nennenswerte Effekte auf die Reinigungsleistung?

 

Ja, es werden nicht nur die Biofilme (Mikroorganismengemeinschaften) auf den Sandkörnern des Filtersubstrats viel gleichmäßiger und flächenhafter mit der Nährstofflösung „Abwasser“ beaufschlagt als bei punktuellen Lochaustrittsöffnungen, sondern es erfolgt auch eine gravierende Sauerstoffanreicherung.  Diese erfolgt durch die Verteilung der durch Rotation in der Wirbeldüse erzeugten Tropfen in der bodennahen Atmosphäre vor dem Eintritt in die eigentliche Matrix des Filtermediums (üblicherweise Sand einer speziellen Körnung).

Die hochsignifikante Erhöhung der Reinigungsleistung von vertikal durchströmten Pflanzenkläranlagen (Vertikalbodenfilter) durch Wirbeldüsen haben Ding, Y. et al 2014* in zweijährigen Laborversuchen nachgewiesen. Dabei wurden vier Versuchsanlagen über zwei Jahre getestet, davon zwei als Kontrolle unbepflanzt (jeweils eine mit Lochverteilung und eine mit Wirbeldüsen) und zwei mit Canna indica bepflanzt (davon eine mit Wirbeldüsenverteilung). Sowohl die CSB-Reinigungsleistung als auch Nitrifikation und Denitrifikation waren in der Variante mit Bepflanzung und mit Wirbeldüsenverteilung deutlich besser als die drei Kontrollsysteme.

 

*QUELLE: Ding, Y. et al 2014: Effect of spray aeration on organics and nitrogen removal in vertical subsurface flow constructed wetlands. In: Chemosphere 117 (2014) 502 – 505.


 

Antwort zu Frage 9

Gelegentlich hört man von Pflanzenkläranlagen ohne Pflanzen. Wie ist das gemeint?

Das beste Beispiel hierfür ist das neue Phytoparking-System unseres Planungspartners Rietland, das Sie unter folgendem Link in unserem Downloadbereich beschrieben finden.

 


 

Antwort zu Frage 10

Die Phytoparking-Kläranlage ist ja insbesondere für urbane Ballungszentren interessant, da sie keinen zusätzlichen Platzbedarf erfordert. Das so gereinigte Abwasser muss dann aber doch wieder in den Kanal abgeleitet werden und verursacht dann Kanalbenutzungsgebühren oder sehen Sie anderweitige Möglichkeiten das Wasser zu nutzen?

 

Das gereinigte Abwasser kann alternativ zur Kanaleinleitung auch zur Garten-, Grünflächenbewässerung oder Grundwasseranreicherung genutzt werden, was jedoch im Einzelfall eine wasserrechtliche Erlaubnis erfordert.

Alternativ hierzu schlagen wir vor, um kleinräumige Wasserkreisläufe zu generieren, dieses Wasser zur Nachreinigung, Bewässerung und Verdunstung in einer Zisterne zwischenzuspeichern und täglich definierte Mengen - gesteuert über einen Bewässerungscomputer - auf ein Sumpfpflanzendach  zu pumpen (siehe nachfolgendes Schaubild). Die Wiedernutzung gereinigten Abwassers wird nach der EU-Richtlinie on minimum requirements for water reuse 2020/741  vom 25. Mai 2020 ausdrücklich gewünscht.