Pflanzenkläranlagen zur Behandlung landwirtschaftlicher Abwässer

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LANDWIRTSCHAFT UND UMWELT

· · · � · · ·

J ü rgen Kern, Potsdam-Bornim

Pfla nze n klära n l age n zur Beha n d l u ng l a n dwirtschaftl i cher Abwässer

Pflanzenkläranlagen ermögl ichen eine umweltgerechte und kostengünstige Form der dezentra len Abwasserbehandlung.

M it ihnen lassen sich auch hochbelastete Abwässer aus unterschiedl ichen landwi rt

schaftl ichen Produktionsprozessen (Melkhaus-, Käsereiabwasser) b is zur Vorfluterreife reinigen. Bei angemessener verfahrenstechnischer Gestaltung können organische Verbindungen, Stickstoff, Phosphor sowie fäka lcol iforme Bakterien wirkungsvoll aus dem Abwasser entfernt werden. Weit verbreiteten Problemen wie der Nitratanreicherung im Grundwasser sowie der Eutrophierung von Flüssen und S een wird damit entgegengewirkt.

D

ie Abwasserentsorgung stellt in ländlichen Regionen, wo noch kei n An

schluß an die Kanalisation besteht, bis heute ein Problem dar.

Aufgrund der hohen Verrohrungsko

sten, die für den Anschluß an eine zen

tra le Klära nlage erforderlich sind, stellt sich die Frage, inwieweit d ie in der Agrar

la ndschaft a nfallenden Abwässer nicht auch über kostengünstigere Pflan

zenkläranlagen gereinigt werden können.

Während Pflanzenklära n lagen zur Be

handlung kommunaler Abwässer inzwi

schen weite Verbreitu ng gefunden haben [1, 2) , liegen Erfahrungen mit der Be

handlung sta rk belasteter, la ndwirtschaft

licher Abwässer bisher erst i n Ansätzen vor [3) . Das hängt oft mit verfa hrenstech

n ischen Problemen zusa mmen, die a ls Folge hoher Konzentrationen a n Feststof

fen , Stickstoff, Phosphor u nd Fetten im

mer wieder auftreten . Vor d iesem H inter

grund wurde die Reinigu ngsleistu ng von Sumpfpflanzen auf zwei Systemebenen u ntersucht:

• in zwei Pflanzenklära n lagen, die mit verschiedenen Abwässern beschickt werden und

• in Pflanzentöpfen, die mit Mel khausa b

wasser beschickt wurden.

D r. rer. nat. Jürgen Kern ist wissenschaftli

cher Mitarbeiter in der Abteilung Bioverfah

renstechnik am Institut für Agrartechnik Bornim e. V, Max-Eyth-A!Iee 1 00, 1 4469 Potsdam-Bornim (Wissenschaftlicher Direk

tor: Prof. Dr. -lng. J. Zaske).

Referierter Beitrag der LANDTECHNIK.

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Pflanzenkläranlagen im praktischen Betrieb

ln G roßbeeren und Bad Saarow/Marien

höhe (Brandenburg) werden zwei Pflan

zenklära nlagen im jahreszeitlichen Wech

sel auf ihre Reinigungsleistung u nter

sucht. Beide etwa gleich großen Pflanzenbeete ( 135 m2) sind mit Kies ge

füllt, wod u rch eine hohe Durchlässigkeit erreicht und ein oberflächlicher Abfluß verhindert wird . Die hyd raulische Last l iegt in G roßbeeren bei 0,015 u nd in Ma

rienhöhe bei 0,029 m3/m2•d . Bepflanzt sind die Beete beider An lagen mit Schilf und a nderen Sumpfpflanzen. Die wichtig

sten U ntersch iede zwischen den beiden Pflanzen kläranlagen sind d ie Art und Menge des beaufschlagten Abwassers.

Wäh rend die Anlage in Großbeeren täg

lich von etwa 2 m3 häuslichem Abwasser horizontal d urchflossen wird, sind es in Marienhöhe etwa 4 m3 eines Gemisches aus Käsereiabwasser und häuslichem Abwasser, das die Anlage jeden Tag verti

ka l d u rchströmt.

Reinigungsleistung

Zwischen dem Zu- und dem Ablaufwas

ser der Pflanzenklära n lage in G roßbeeren ergeben sich sehr gute Rein igungslei

stu ngen, die für den chemischen Sa uer

stoffbedarf (CSB), für Stickstoff, Phos

phor und fäkalcoliforme Bakterien zwi

schen 80 und 100 % liegen ( Bild 1 ) . Wen iger gut sind die bisherigen Reini

gungsleistungen der Anlage in Marien-

höhe. Vor allem die konzentrationsbezo

gene Stickstoffelim i nation erreicht mit maximal 63 % nur seh r unzureichende Werte und drückt d a m it ein häufig vor

kommendes Problem, n ä ml ich eine ein

geschränkte Denitrifikation, a us. Große Mengen an N 03- im Ablauf sind ein Indiz für d ie unvollständ ige Red uktion von N03- zu N2, dem letzten Schritt des Stick

stoffumsatzes, und s piegeln gleichzeitig ein ungünstiges Milieu für die auf a nae

robe Bedingu ngen angewiesene Denitrifi

kation wider. Der Grund h ierfür scheint in dem groben Kiessu bstrat sowie i n der in

termittierenden Beschickungsweise zu liegen, die sich i n diesem System negativ a uswirkt und einen fortwä h renden Sauer

stoffei ntrag in das Pfla nzen beet' in Mari

enhöhe ermöglicht.

Eine weitergehende Red uzierung fäkal

coliformer Bakterien erfolgt sowohl in Großbeeren als a uch i n M a rienhöhe i n ei

nem Teich, der den Pflanzen beeten nachgeschaltet ist. Auf d i e Weise wird ein Hygienestatus erreicht, der als u n be

den klich a ngesehen werden ka n n . Weiterführende Laborversuche

Eine unzureichende Stickstoffelimi nation, wie sie bei der Beha ndlung von Käserei

a bwasser in Marienhöhe beobachtet wur

de, war der Anlaß für weiterge hende U n

tersuchungen zum Abba uverhalten von fett- und eiweißhaitigern Melkhausa bwas

ser. Extreme, winterliche Verhä ltnisse bl ieben hierbei u n berücksichtigt.

Tab. 1 : Reinigung von Melkhausabwasser in Topfexperimenten mit und ohne Typha /atifolia Tab!e 1 : Purification of dairy farm waste water in pot experiments with and without Typha tat.

5.-1 2. August 1 996 CSB Gesamt-N NH4-N NOa-N Gesamt-P Fäkalcoliforme

Mittlere Lufttemperatur: 24 oc ^mg/1 ^mg/1 ^mg/1 ^mg/1 ^mg/1 ^KbEJml

Zulauf 3 100,0 85,2 20,4 2,3 402,0 1 00000,0

- - - -

Perkolat des Sandfilters 315,0 25,9 14,3 0,7 < 2 14000,0

Konzentrationsabnahme % 89,8 69,6 29,9 69,6 > 99,5 86,0

- - - -

Perkolat des Pflanzenfilters 248,3 12,8 1,8 0,7 < 2 9200,0 Konzentrationsabnahme % 92,0 85,0 9 1 ,2 69,6 > 99, 5 90,8 1 7.-24. Oktober 1 996

Mittlere Lufttemperatur: 1 1 oc

Zulauf 2700,0 87,7 10,9 2,3 1 16,0 60000,0

- - - -

Perkolat des Sandfilters Konzentrationsabnahme % Perkolat des Pflanzenfilters Konzentrationsabnahme %

390,0 85,6.

148,8 94,5

29,2 66,7 6,6 92,5

1 5,3 - 40,4 2,0 81,7

0,7 69,6 0,4 82,6

52. Jahrgang LANDTEC H N I K 3/97

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. .. . . · · · · 4 · · · .. · · · . .. . . .. .�� . . . .

Großbeeren

• Zulauf, influent CAblauf, effluent

CSB

8 0 0 -.---.

600

r

^4oo

200 0

Cl

Sep-96 Dec-96 Apr-96 Jun-96

300 -.---=---.,

200 • • - . ^-^{. - . -}-^--^{- - -}^- E ^{1 00}

0

Gesamt·P

16 ,---, 1 2

r a

4 0

Fäkalcoliforme

Marianhöhe

•zulauf, influent

!;;3 Ablauf, effluent

CSB

800 �--------.

600

r

⁴⁰⁰

200 0

D N03-N

59% 92% 96% 94%

Jan-96 Apr-96 Jul-96 Sep-96

Gesamt·N

300 -.---,

Cl

200 -. --^-. -^------- - ------. ---- -- -

E ^{1 00} 0

1 6 1 2

Cl 8

E 4

0

- -'39o/,.-

Jan-96

Gesamt-P

520;,; -. '15� • • ^{- .}'5:>%

Apr-96 Jul-96 Sep-96

Fäkaleollforme 1.000.000 ^.- - - - -- -- - -- --- - . - - . - . - - 1 .000.000

1 0 .000 • ^-- ^• ^{- - -- - -}- - - - 1 0 .000

w .c

� 1 00

E

w .c

� 1 00

Bild 1 : Zu- und Ablaufkonzentrationen in den Pflanzenkläranlagen in Großbeeren und Marien

höhe mit prozentualer Konzentrationsabnahme (KbE ⁼Keimbildende Einheit)

Fig. 1 : lnlet and outlet concentrations in the reed bed systems at Großbeeren and Marienhöhe with percentage decrease (CFU ⁼colony forming unit)

Zu zwei verschiedenen Zeitpu nkten , einma l wä hrend der Hau ptvegetationspe

riode im August 1996, ein anderes Mal a m Ende der Vegetationsperiode i m Okto

ber 1996 wurden sieben Liter fassende Töpfe a us Plexiglas unter natürlichen Licht- und Tem peraturverhältnissen mit Mel khausa bwasser eingestaut (hyd rauli

sche Last ⁼0,015 m3/m2•d). Alle Töpfe waren mit Sand gefül lt und hatten die Funktion eines Sand- oder Pfla nzenfil

ters. Der Pflanzenfilter war zusätzlich mit Rohrkolben (Typha latifolia) bepflanzt worden. Nach einer Woche wurde ü ber ein Glasventil a n der Topfunterseite das Perkolat entnommen und auf CSB, Ge

samt-N , N H4-N , N03-N, Gesamt-P und fäkaleollforme Bakterien untersucht.

I m Perkolat der Sandfilter und insbe

sondere der Pflanzenfilter waren starke Konzentrationsabnahmen zu verzeich- 52. Jahrgang LANDTEC H N I K 3/97

nen ( Tab. 1 ) . Am Abbau der Kohlenstoff

und Stickstoffverbindu ngen wird beson

ders deutlich, daß d ie Reinigu ngsleistung des Pfla nzenfilters die des un bepflanzten Sandfilters deutlich übertrifft. Wäh rend i m August die Stickstoffelimination im Pflanzenfilter a uch d u rch den Einbau in die pflanzliche Biomasse von Typha lati

folia erklärt werden kan n , ist die hohe Eli

m inationsrate von 92,5 % im O ktober, als d ie oberird ischen Pflanzenteile bereits braun, also n icht mehr a ktiv, waren, allein a uf die mikrobielle Abbauleistung i m Sand-Wurzelbereich zurückzuführen. I m Oktober kam es im Sandfilter z u einem nur mäßigen Abbau der Stickstoffverbin

d u ngen; die Konzentration a n N H4-N im Perkolat wa r höher als im u rsprünglichen Melkhausabwasser. Dies deutet darauf h i n , daß i n diesem Fall eine N itrifikation i nfolge anaerober Verhältnisse u nter-

d rückt wurde und somit a uch der letzte Schritt der atmosphärischen Stickstofff

reisetzung, a lso die Den itrifi kation, aus

blieb. Ein anderes Bild zeich [lete sich im Pflanzenfilter ab, dessen d u rchlüftendes Wurzelsystem den Reinigungs prozeß beim Melkhausa bwasser offensichtlich stark förderte.

Schlußfolgerungen

Abwasserinha ltsstoffe wie etwa Stickstoff, Phosphor und fäka leollforme Bakterien können erfah rungsge m ä ß bei einer Di

mensionierung von mindestens 5 m2 pro Einwohnergleichwert und einer a n d ie Ab

wasserart a ngepaßten Verfahrensweise ( Kombi nation von Horizontal- und Verti

kalfilterung) im Wurzelbereich von Sumpfpfla nzen sehr gut eliminiert wer

den. Eine landbauliche Verwertung des beha ndelten Abwassers ist bisher auf

gru nd wasserrechtlicher Bedenken nicht ohne weiteres möglich, könnte in Zukunft a llerd ings einen wichtigen Beitrag zur Einsparung von Tri n kwasserressourcen leisten.

Betrachtet man die Wirtschaftlich keit von Pflanzenklära nlagen, so stel len sie bei nied rigem Anschlußwert (:<=; zehn Ein

wohner) neben Abwasserteichen hin

sichtlich I nvestitions- und Betriebsa uf

wa nd d ie günstigste Va ria nte der Abwas

serbehand lung dar [4] . Bei einem Anschlußwert von 50 Einwohnern liegen die I nvestitionskosten dagegen höher als für Tropfkörper und Belebungsanlagen.

Aufgru nd nied riger Betrie bs kosten blei

ben Pflanzenkläranlagen nach etwa vier

jährigem Betrieb a ber a uch h ier die ko

stengünstigste Va riante und zeich nen sich damit unter verschiedenen Klein klär

anlagensystemen sowohl durch ihre öko

logischen als auch ökonomischen Vorzü

ge aus.

Literatur

[ 1 ] U mweltbundesamt U ntersuchungen zur um

weit- und seuchenhygien-ischen Bewertung naturnaher Abwasserbehand I ungssysteme.

Texte 60/94, 1994

[2] Cooper, P. u nd B. Green: Reed bed treatment systems for sewage treatment i n the U nited Kingdom - The first 10 years experience. Wat.

Sei. Tech. 32 ( 1995), S. 3 17-327

[3] Cronk, J.: Constructed wetlands to treat wa

stewater from dairy and swine operations: a review. Agriculture, Ecosystems & Environ

ment 58 ( 1996), S. 97- 1 14

[4] Kollatsch, 0.: Die dezentrale private Abwas

serbehand lung im ländlichen Ra um. Korre

spondenz Abwasser 6 ( 1992), S. 832-844 Schlüsselwörter

Kü nstliche Feuchtgebiete, Abwasserrei

n igung, N itratelimination, Denitrifikation Keywords

Artificial wetlands, waste water treatment, nitrate removal , den itrification

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