Schilfkläranlage

Eine Pflanzenkläranlage in Falkensee

Eine 20 EGW Pflanzkläranlage mit Klärschlammvererdung im LK Osnabrück

Bei einer Pflanzenkläranlage (Darunter ist nach DWA-Arbeitsblatt A-262, Ausgabe März 2006, ein bepflanzter Bodenfilter zusammen mit einer Vorbehandlung, etwa mechanische Vorklärung, zu verstehen. Der bepflanzte Bodenfilter wird auch Wurzelraumkläranlage genannt.) wird das Abwasser innerhalb eines bepflanzten Bodenkörpers (Wurzelraum) gereinigt, der – zweckgebunden (Ziel: möglichst hohe Reinigungsleistung des eingeleiteten Abwassers) – überwiegend mit Schilfrohr (Phragmites australis), unterstützt durch Sumpf- bzw. Repositionspflanzen wie Rohrkolben, Binsen oder Seggen, bepflanzt ist. Die Pflanzenwurzeln dienen als Lebensraum für Mikroorganismen, die zum Abbau der Abwasserinhaltsstoffe beitragen, sowie weiterhin zum Eintrag von Luftsauerstoff, welcher ebenfalls die Reinigungsleistung der Pflanzenkläranlage verbessert. Pflanzenkläranlagen sind wissenschaftlich anerkannt, solange sie die Grenzparameter einhalten können, da sie den anerkannten Regeln der Technik entsprechen. Eine Pflanzenkläranlage kann die meisten Wasserinhaltsstoffe auf natürliche Weise abbauen.

Dies geschieht im Wesentlichen durch ein Zusammenwirken von Filtermaterial (mechanisch), durch das Aufnehmen oder Abbauen der Wasserinhaltsstoffe durch Bakterien und organische Prozesse (biologisch), der Adsorption an Bodenteilchen (physikalisch) sowie durch Fällungsreaktionen zwischen den Wurzeln (chemisch).

Das Abwasser durchströmt die Pflanzenkläranlage entweder vertikal von oben nach unten oder horizontal von der Einlaufkulisse zur Auslaufkulisse. Im Bodenkörper verlegte Drainagerohre fangen das gereinigte Abwasser auf und leiten es in einen Kontrollschacht. Nach diesem Schacht wird das gereinigte Wasser in ein Gewässer eingeleitet, versickert oder wird zur Weiternutzung gespeichert.

Bei vertikaler, intermittierender Betriebsweise können die für dieses Verfahren besten Reinigungsleistungen (Kohlenstoffabbau und Nitrifikation) erzielt werden.

Der Aufbau einer Anlage

Pflanzenkläranlagen bestehen aus:

• Einer mechanischen Vorreinigung. Diese kann auf zwei Arten geschehen:

1. In einem Absetzbecken (Sammelschacht).
   In diesem setzten sich die nicht im Wasser gelösten Abwasserinhaltsstoffe (der Fäkalschlamm) ab. Zudem schwimmen auf der Oberfläche jene Abwasserinhaltsstoffe auf, die leichter als Wasser sind. Dieser gesammelte Schlamm ist entsorgungspflichtig. Die Entsorgung ist je nach Größe und Belastung der Absetzanlage sowie der Abwassereigenschaften erforderlich (etwa einmal im Jahr). Es gibt auch Fälle, wo sich der Schlamm zum Teil durch biologischen Abbau im Absetzbecken selbst auflöst oder das zu reinigende Abwasser kaum absetzbare Stoffe enthält und damit die Leerung erst nach mehreren Jahren nötig ist.
2. In einem Trockenfilterbecken mit zwei Kammern.
   Der Filter besteht aus einem Vlies, welches mit einer Schicht aus grobem Kies und dann mit einer Schicht aus Holzschnitzeln (nur Laubholz, da Nadelholz antibiotisch wirkt) bedeckt wird. Auf dem Filter setzen sich die Feststoffe ab und bleiben ständig an der Luft. Dadurch entstehen keine Fäulnis und Geruchsemissionen. Wenn die erste Kammer voll ist, wird die zweite benutzt.
   Das Endprodukt ist Kompostmasse.

• Dem Pflanzenbeet, meistens ein mit Schilf bewachsenes mit Kies und Sand gefülltes Becken (Bodenkörper). Das Abwasser wird entweder über ein Gefälle oder über eine Pumpe (meist intervallartig) aus dem Sammelschacht in die Pflanzenkläranlage eingeleitet. Abwasserverteilanlagen, die auf deren Oberfläche verlaufen und Drainagerohre, die bei von oben nach unten durchströmten Anlagen auf der Beetsohle verlaufen, bringen das zu reinigende Wasser in den Bodenkörper ein und ziehen es ab. Es werden auch längs durchströmte Anlagen gebaut, bei denen das Abwasser an einer Seite des Pflanzenbeckens zugeführt und an der anderen Seite abgeführt wird. Eventuell können mehrere Stufen (Pflanzenbecken) hintereinander geschaltet werden (etwa Prinzip „BÄTO“).

• Bevor das gereinigte Wasser die Pflanzenkläranlage verlässt, passiert es eine Kontrollstelle. Dabei kann die erforderliche Wasserqualität (BSB5, CSB, Stickstoff, Phosphor) gemessen werden.

End- und Kontrollschacht

Der End- und Kontrollschacht ist die letzte Station, bevor das Wasser die Pflanzenkläranlage gereinigt verlässt. Dabei muss die Wasserqualität anhand von Abwasserparametern analysiert werden (wichtig, der Untersuchungsumfang wird zumeist bei der Bewilligung der Anlage von der Behörde vorgeschrieben und kann aus der vom Betreiber selbst durchzuführenden Eigenüberwachung und der von einer unabhängigen Untersuchungsanstalt vorzunehmenden Fremdüberwachung bestehen).

Der End- und Kontrollschacht hat außer der direkten Kontrolle der Wasserqualität, auch noch die Funktion den internen Wasserspiegel zu regulieren.

Dazu wird das Ablaufrohr nach oben angehoben, anstatt unten abzulaufen (vgl. Abb.1). Das Wasser erreicht zusammen mit dem noch zu reinigen Wasser einen erhöhten Wasserstand, da es durch die Aufhöhung angestaut wird. Somit ist ein größerer Teil des Bodenkörpers dauernd eingestaut.

Ein Beispiel: Die Sommerferien beginnen. Die Abwassermenge nimmt durch die Abwesenheit der Urlauber schnell ab. Die Schilfpflanze trocknet ab und wird geschädigt. Bei Wiederinbetriebnahme würde ihr Anteil an der Sauerstoffnachlieferung in den Boden ausfallen. Um etwa der Pflanzenkläranlage nicht durch Trockenheit zu schaden, wird das Wasser zum Beispiel in den Sommerferien teilweise angestaut.

Funktionsweise der Pflanzenkläranlage

Die Reinigungsleistung einer Pflanzenkläranlage erfolgt durch das Zusammenwirken verschiedener Prozesse. Jeder Prozess bewirkt mehrere Funktionen. Dabei handelt es sich um ein äußerst komplexes und naturnahes Reinigungsverfahren.

Die Wasserinhaltsstoffe werden zum Einen von den Pflanzen aufgenommen, um den Nährstoffbedarf der Pflanzen im Wachstum zu decken. Außerdem erhalten die Wurzeln des Schilfes die Durchlässigkeit des Bodens (Sauerstoffzufuhr), der beim Betreten oder durch Ablagerungen im Betrieb vermindert wird. Zum anderen erfolgt der größte Teil der Reinigung durch Mikroorganismen bzw. Bakterien, die im Bodenkörper leben. Beide Vorgänge reinigen das Wasser „biologisch“, das heißt durch biochemische Reaktionen.

Die Mikroorganismen leben und reinigen entweder:

• im aeroben Milieu (Sauerstoff in Form von O₂ vorhanden, Kohlenstoffoxidation und Nitrifikation, das ist der Prozess der Oxidation des im organischen Harnstoff befindlichen anorganischen Ammoniums (bzw. Ammoniumionen) zu Nitrat) oder
• im anoxischen Milieu (der Sauerstoff liegt nur chemisch gebunden vor, zum Beispiel im Nitrat, dies wird bei der Denitrifikation zur Entfernung des Nitrats aus dem Abwasser durch Reduzierung zu elementarem Stickstoff benutzt, der anschließend an die Luft entweichen kann) oder
• im anaeroben Milieu, unter Sauerstoffabschluss (ein zumeist aus Gründen der Geruchsbelästigung unerwünschter Prozess, der aber in Sonderfällen in der anaeroben Abwasserreinigung eingesetzt wird).

Die Wasserqualität kann anhand sogenannter Summenparameter oder Einzelparameter wie Stickstoff- und Phosphorgehalt bestimmt werden. Die Kohlenstoffbelastung des Abwassers wird beispielsweise durch die Summenparameter

• BSB₅(ATH) (inhibierter Biologischer Sauerstoffbedarf: innerhalb von fünf Tagen durch Mikroorganismen verbrauchter Sauerstoff. Die Hemmung durch Allylthioharnstoff (ATH) ist notwendig, weil sonst eine Auswertung nicht möglich wäre, weil noch zusätzlich eine mehr oder weniger vollständige Stickstoffoxidation mit gemessen würde.),
• CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf: der durch katalytisch- chemische Umwandlungen (Oxidation) verbrauchte Sauerstoff) und
• TOC (gesamter organisch gebundener Kohlenstoff)

bestimmt.

Tonmineralien besitzen zudem die Eigenschaft, Ionen auszutauschen, und können somit in den Salzhaushalt des Wassers eingreifen (Prinzip des Ionenaustauschers, diese werden auch in Trinkwasseraufbereitungsanlagen zur Entsalzung eingesetzt). Die Austauschkapazität des Bodens ist jedoch beschränkt und erschöpft sich nach einiger Zeit.

Das Wasser kann auch chemisch durch Fällungsreaktionen gereinigt werden. Bestimmte Inhaltsstoffe des Abwassers verbinden sich mit zugegebenen Reagenzien zu schwer löslichen Stoffen und „fallen“ dann aus.

Viele Klärwerke verwenden gegebenenfalls Eisenchlorid, Eisensulfat oder Aluminiumchlorid, um bei einem Überangebot von Phosphat dieses aus dem Wasser zu entfernen. Dies erfolgt, indem das „Eisen“ oder „Aluminium“ das Phosphat zu einer im Wasser nicht löslichen Verbindung umwandelt, die dann im Nachklärbecken zu Boden „fällt“ (daher der Fachbegriff Fällung). In einer Pflanzenkläranlage erfolgen diese Fällungsreaktionen aufgrund des im Bodenkörper vorhandenen Eisensalzes oder anderer Mineralien.

Insgesamt kann das gereinigte Wasser aus dem End- und Kontrollschacht wieder zu höherwertigen Nutzungen unter Beachtung der hygienischen und technischen Vorschriften verwendet werden. Dies bedeutet eine Kreislaufschließung und Wiedernutzung und ist ganz besonders für die Wasserwirtschaft in Ländern, in denen Wassermangel herrscht, nützlich.

Weiterhin gibt es eine Weiterentwicklung, bei der auf den Bodenkörper bewusst verzichtet wird. Die Pflanzen stehen auf ihren eigenen Wurzeln. Die Reinigung erfolgt hierbei im Wesentlichen durch die Pflanzen selbst und durch die Mikroorganismen in ihren Wurzeln. Vorteile sind unter anderem ein geringeres Gesamtgewicht und eine bessere Durchströmung, dadurch eine Leistungssteigerung und ein auf Dächern möglicher Einsatz.

Planung

Der Anschaffungspreis variiert, er ergibt sich durch die Kosten für die Planung und den Bau, sowie durch den Erwerb von bestimmten Elementen oder Materialien wie einer nötigen Absetzgrube, in unterschiedlicher Höhe. Wichtig ist in welchem Maße (angeschlossene EW) sie geplant wurde. Abgesehen davon entstehen noch geringere Kosten, sie ergeben sich größtenteils durch die laufende Unterhaltung, durch die Entsorgung der Feststoffe (etwa einmal im Jahr), sowie der Kontrolle der Wasserparameter.

Pflanzenkläranlagen müssen sorgfältig nach DWA A 262 geplant werden, das ist notwendig um eine funktionierende Anlage zu garantieren. Die Planungskosten sind abhängig von der Ausbaugröße. Es ist schon vorgekommen, dass Personen ohne besondere Kenntnisse eine Pflanzenkläranlage ohne Planungshilfe gebaut haben. Das Ergebnis waren nicht einwandfreie Ablaufqualitäten und noch andere Fehlfunktionen beim Ablauf des Reinigungsprozesses. Eine Pflanzenkläranlage wird immer auf Einwohnerwerten oder auf den Einwohnergleichwert ausgelegt (EW oder EWG). Die Mindestgröße ist 4EW.

Um ökologische Folgen zu vermeiden, müssen die Ablaufwerte regelmäßig kontrolliert werden. Diese Überwachung geschieht je nach den behördlichen Auflagen zumeist jährlich durch eine autorisierte Firma. Der Bau und die Einleitung in ein Gewässer oder in das Grundwasser ist nach den jeweiligen Vorschriften genehmigungspflichtig (in Deutschland dem Wasserhaushaltsgesetz WHG und dem jeweiligen Recht des Bundeslandes oder in Österreich dem Wasserrechtsgesetz WRG).

Fazit

In den meisten Kommunen besteht ein Anschlusszwang an die öffentlichen Abwasserentsorgung. Dieser wurde eingeführt, um die Kosten dieser Anlagen solidarisch zu teilen. So ist man gezwungen an das kommunale Abwassernetz anzuschließen, auch bei Bestehen einer eigenen Anlage. In Mitteleuropa wird sich daher der Einsatz von Kleinkläranlagen wie Pflanzenkläranlagen auf die nicht erschlossenen Gebiete beschränken. Pflanzenkläranlagen können jedoch auch zur Entsorgung kleiner Ortschaften dienen und somit an Stelle anderer Klärverfahren eingesetzt werden.

Andere Einsatzhindernisse könnten auch der Platzbedarf (3,5 bis 5 m²/EW) oder weitergehende Reinigungsanforderungen (sehr hohe, gesicherter Nährstoffentfernung) sein. Andere negative Eigenschaften sind weiter nicht bekannt. Dazu kann festgehalten werden, dass die Reinigung geruchsneutral vorgeht (da sich in der Regel keine stehenden Wasseroberflächen und anaerobe Zonen bilden). Die mögliche technische Lebensdauer von Pflanzenkläranlagen ist schwer zu bestimmen, da die meisten Anlagen noch betriebsfähig sind (die ersten entstanden etwa 1980). Doch ist eine Neubepflanzung, eventuell eine Erneuerung des Filtermaterials und bei Verdichtungen eine Auflockerung des Bodens nützlich, um die gewünschte Ablaufqualität zu erhalten.

Die Pflanzenkläranlage ist eine Alternative zur Kleinkläranlage nach dem Belebtschlammverfahren oder eines Tropfkörpers. Für den Ablauf der Anlage ist ein Gewässer von Vorteil, das das gereinigte Abwasser aufnehmen kann (Vorfluter). Oder das gereinigte Wasser wird dem Grundwasser zugeführt oder ggf. wiederverwendet. Die Einleitung in das Grundwasser ist jedoch in manchen Fällen aus Gründen der Sicherstellung der Reinhaltung des Grundwassers wasserwirtschaftlich nicht erwünscht (Hygiene, Restbelastung mit nicht abbaubaren Stoffen).

Bemerkenswert ist, dass Pflanzenkläranlagen aufgrund der laufenden Prozesse, bei fachgerechter Ausführung, im Winter nicht einfrieren und wegen des weitgehenden Fehlens von Aggregaten (bis auf eventuelle Pumpen zur Abwasserhebung) mechanisch robust sind. Ebenso sind sie, da die abbauenden Bakterien in der Bodenmatrix „verankert“ sind, nicht vom Absetzverhalten des Belebtschlammes abhängig (siehe Betriebsprobleme/Blähschlammbildung beim Belebtschlammverfahren). Diese Robustheit des Prozesses ist ein positiver Aspekt beim Einsatz in Verhältnissen, in denen einen intensive, tägliche Wartung nicht zu gewährleisten ist.

Siehe auch

Abwasserbehandlung, Eutrophierung, Simultanfällung, Gesetz der Kommunizierenden Röhren

Weblinks

• Kurzerklärung über Pflanzenkläranlagen
• 1. Pflanzkläranlage mit Klärschlammvererdung im LK OSnabrück
• Pflanzenkläranlage in Falkensee
• Systembeschreibung