NATURNAHE ABWASSERBEHANDLUNGFacharbeit Claudia Penn

Ausbildung zum Baubiologen 2007/2008

Landesberufsschule Schlanders – Verein Arche B – IBN

Baubiologiekurs – Facharbeit Claudia Penn

NATURNAHE ABWASSERBEHANDLUNG

Inhaltsverzeichnis: Seite

1. Einleitung ......................................................................................... 3

2. Grundlagen der Abwasserreinigung ............................................... 42.1. Abwasserqualität ....................................................................... 42.2. Abwassermenge und Schmutzfracht ........................................ 52.3. Reinigungsstufen und –prozesse .............................................. 62.3.1. Mechanische Abwasserreinigung .............................................. 62.3.2. Biologische Abwassereinigung .................................................. 62.3.3. Stickstoff- und Phosphorentfernung .......................................... 72.3.4. Schlammstabilisierung ............................................................... 8

3. Naturnahe Abwasserreinigung ....................................................... 83.1. Definition ................................................................................... 83.2. Stand der Entwicklung .............................................................. 83.3. Prozesse und Reinigungsleistung ............................................. 93.4. Einteilung und Bauformen ......................................................... 123.5. Anlagenelemente ...................................................................... 133.5.1. Vorfeld der Anlage ..................................................................... 133.5.2. Vorklärung ................................................................................. 143.5.3. Zulaufschacht ............................................................................ 163.5.4. Abdichtung ................................................................................. 173.5.5. Filter .......................................................................................... 183.5.6. Ablauf und Kontrollschacht ....................................................... 203.5.7. Schlammbehandlung ................................................................ 203.6. Bemessung ............................................................................... 213.6.1. Bemessung von Horizontalfiltern .............................................. 213.6.2. Bemessung von Vertikalfiltern .................................................. 233.7. Erfahrungen aus der Praxis ...................................................... 243.7.1. Bepflanzung .............................................................................. 243.7.2. Kolmation .................................................................................. 243.7.3. Winterbetrieb ............................................................................. 253.7.4. Geruchsentwicklung .................................................................. 263.7.5. Komposttoiletten - Grauwasserreinigung..................................... 26 3.7.6. Wartung und Kosten .................................................................. 27

4. Literatur ........................................................................................... 28

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1. EINLEITUNG

Die vorliegende Facharbeit über technisch ausgereifte Formen der naturnahen Abwasserreinigung soll veranschaulichen, wie das Verständnis der natürlichen biologischen Reinigungsvorgänge für die Anwendung in ökologisch durchdachten Siedlungs- bzw. Entsorgungskonzepten genutzt werden kann. Dieses Wissen könnte zudem nicht nur in strukturschwachen Regionen unserer Breitengrade zu einer ordnungsgemäßen Abwasserbehandlung ohne großen technischen Aufwand verhelfen, sondern weltweit dazu beitragen, kosten- und energiesparend für hygienisch akzeptable Verhältnisse zu sorgen.Mit folgenden Vorbemerkungen möchte ich auf die globale Bedeutung unseres Umgangs mit dem Rohstoff Wasser hinweisen.

Von allen sich erneuernden Ressourcen unseres Planeten ist Süßwasser vielleicht die Komplizierteste.Wasser ist die Grundlage allen Lebens und jeder Entwicklung – ohne Wasser kann kein Leben existieren. Wasser ist schwer zu reinigen, teuer zu transportieren und es kann durch keinen anderen Rohstoff ersetzt werden.Wasser scheint auf der Erde unbegrenzt vorhanden zu sein – 71 % der Erdoberfläche sind damit bedeckt, das gesamte Wasservolumen beträgt rund 1,4 Milliarden Kubikkilometer.Wasser ist eines der Hauptklimaelemente, der Wasserkreislauf und das Klima beeinflussen sich gegenseitig in einer sensiblen globalen Balance.Für den menschlichen Gebrauch ist nur ein kleiner Bruchteil der Wasservorräte nutzbar, denn rund 97,5 % davon sind salziges Meerwasser oder Brackwasser, weitere 2 % sind in den Eiskappen der Pole gebunden, ein weiteres knappes halbes Prozent befindet sich stets als Wasserdampf oder Wolken in der Atmosphäre. Es bleiben gerade einmal 0,014 % als nutzbares Süßwasser übrig. Langfristig kann die Menschheit nur auf die sich erneuernden Wasservorräte zurückgreifen, d.h. auf das Wasser, das als Niederschlag vom Himmel fällt, im Boden versickert oder sich in Flüssen und Seen sammelt und ins Meer zurückfließt, aus dem es durch die Sonne wieder verdunstet.

Wenn man in unseren mitteleuropäischen Breitengraden über „Wasser“ diskutiert, ist es fast immer eine Diskussion über Umweltschutz, Gewässerqualität oder Gebühren. Man sollte sich ins Bewusstsein rufen, dass dies bereits eine privilegierte Sicht der Dinge ist, denn für den Großteil der Weltbevölkerung sind die Hauptfragen in Bezug auf Wasser dessen Verfügbarkeit und dessen für den menschlichen Gebrauch angemessener hygienischer Zustand. Das Wasserthema ist immer häufiger Gegenstand internationaler Konferenzen und Verträge; so erhielten während der „Internationalen Dekade für Trinkwasserversorgung und Abwasserbeseitigung“ der UNO von 1981 bis 1990 tatsächlich mehr als 1,3 Milliarden Menschen erstmals Zugang zu sauberem Wasser und zumindest einfachen Latrinen, wenn auch nicht immer innerhalb der geforderten 200 Meter. Dennoch liegt die Zahl der Menschen, die ohne hygienisch unbedenkliches Trinkwasser auskommen müssen, immer noch bei über einer Milliarde. In den betroffenen Regionen ist verschmutztes und/oder zu wenig Wasser weiter die Ursache für bis zu 80% aller Krankheiten. Alle 8 Sekunden stirbt weltweit ein Kind durch verseuchtes Wasser!Neben den technischen, rechtlichen und ökonomischen Fragen wird Wasser – als Folge immer größerer Ansprüche auf schwindende Ressourcen zunehmend zum Sicherheitsproblem und zur Ursache gewaltsamer Konflikte. Über 200 Fluss-, Seen- und Grundwasserbecken liegen auf den Territorien mehrerer Länder. Mit zunehmender Bevölkerungsgröße wächst die Gefahr regionaler Auseinandersetzungen um die

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gemeinsamen Ressourcen, vor allem in trockenen und halbtrockenen Gebieten, in denen heute schon Wassermangel herrscht.

Bei uns ist - neben der Energie - Wasser die zweite wichtige Ressource, deren bequeme und ununterbrochene Verfügbarkeit für das moderne Bauen und Wohnen zum normalen Standard geworden ist. Die Versorgung mit einwandfreiem Trinkwasser sowie die Ableitung des genutzten und verschmutzten Abwassers aus dem unmittelbaren Wohnbereich ist essentiell für den Erhalt unserer Gesundheit. Da wir in einer Region leben, in der genügend Quell- und Grundwasser in ausgezeichneter Qualität von Natur aus für unsere Lebensbedürfnisse vorhanden ist, sollten unsere Bemühungen vor allem dem Erhalt dieses Ökosystems und Wasserhaushalts gelten. Jegliche Nutzung und jeder technische Eingriff in das Gewässersystem sollte unter dem Blickwinkel der Nachhaltigkeit und Schonung der Ressourcen vorgenommen werden. Für die Abwasserentsorgung größerer Siedlungsgebiete und Betriebe hat sich im Lauf der letzten Jahrzehnte fast flächendeckend die Reinigung durch mehrstufige Anlagen mit hohen Wirkungsgraden und Energierückgewinnung zu Recht durchgesetzt. Trotz unseres relativ hohen Wasserverbrauchs (ca. 200 l pro Einwohner und Tag) sind unsere Gewässer in einem guten ökologischen Zustand. Doch auch bei uns gibt es Siedlungsbereiche, für die dieser technische Standard bzw. der Anschluss an die großräumige Kanalisation aus wirtschaftlichen und ökologischen Überlegungen heraus nicht gerechtfertigt erscheint, so zum Beispiel entlegene Gehöfte und kleinere Siedlungen ohne Betriebe, deren Abwasser von der Qualität eines üblichen kommunalen Abwassers abweicht. Durch intensive Versuche und wissenschaftliche Forschungen wurden die schon lange bekannten naturnahen Methoden der Abwasserbehandlung (Abwasserteiche, Abwasserverrieselung, Vererdung, einfache Faulgruben) optimiert und stehen heute als echte Alternativen als geschlossenes ganzheitliches System zur Verfügung, welche auch den strengen Vorschriften des Gewässerschutzes entsprechen. Pflanzenkläranlagen sind keine Neuerfindung, die Natur hat sie schon längst erfunden – je besser man die Vorgänge in der Natur versteht und die Erkenntnisse beim Bau umsetzt, desto besser werden sie funktionieren.

2. GRUNDLAGEN DER ABWASSERREINIGUNG:

2.1. Abwasserqualität:

Je nach Herkunft bzw. Art der Nutzung wird Abwasser als häusliches, städtisches (kommunales) oder industrielles Abwasser definiert. Durch die Vielfältigkeit der Inhaltsstoffe ist es nicht möglich und normalerweise auch nicht sinnvoll, analytisch alle Einzelsubstanzen zu bestimmen, daher wurden für häusliches und kommunales Abwasser Summenparameter zur Kennzeichnung des Abwassers eingeführt:

BSB5: biochemischer Sauerstoffbedarf bei 20°CIst die Menge an Sauerstoff (in g) welche innerhalb 5 Tagen von den Mikroorganismen, die im Abwasser vorhanden sind, verbraucht wird; jegrößer dieser Wert ist, desto höher ist die organische Belastung des Abwassers. Gibt den Anteil der organischen Substanz an, der biologisch abbaubar ist.

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GRENZWERTE für Anlagen unter 2000 EW:

40 mg/l BSB5 im Ablaufwenn im Zulauf mehr als 300 mg/l BSB5: 85% Mindestreduktion

CSB: chemischer SauerstoffbedarfGibt den Sauerstoffbedarf für den chemischen Abbau der gesamten organischen Substanz an, wird mit Hilfe eines starken Oxidationsmittel ermittelt.Das Verhältnis der CSB- und BSB5- Werte gibt Aufschluss über den Grad der biologischen Abbaubarkeit des Abwassers.

GRENZWERTE für Anlagen unter 2000 EW:

125 mg/l CSB im Ablaufwenn im Zulauf mehr als 500 mg/l BSB5: 75% Mindestreduktion

2.2. Abwassermenge und Schmutzfracht

EW = Einwohnerwert / auch EGW = Einwohnergleichwert

Ein Einwohnerwert entspricht der von einer Person in einem Haushalt produzierten Abwassermenge von 200 l (Dusche, Kochen, Wäsche, Toilette,..) Andere Nutzer, die an die Abwasserreinigung angeschlossen sind, werden mit bestimmten Faktoren auf EW umgerechnet – so werden z.B. an Arbeitsplätzen 2-3 Personen oder in Schulen 3-5 Personen als ein EW verrechnet. Für Betriebe werden jeweils eigene Berechnungen vorgenommen.

Schmutzfracht:

Im ländlichen Raum rechnet man mit einer mittleren täglichen Belastung von 60g BSB5 bzw. 100g CSB pro EGW, die Stickstofffracht liegt bei 10-12g und die Phosphorfracht bei ca. 2,5g pro EW.

Die anfallende Abwassermenge und Schmutzfracht weist meist einen deutlichen Tagesgang mit ausgeprägten Spitzen auf; mit zunehmender Siedlungsgröße verringert sich der Unterschied zwischen dem maximalen und dem minimalen stündlichen Abwasseranfall.Für die Konzeption einer Anlage ist außerdem die Kenntnis des Stickstoff- und Phosphorgehaltes des Abwassers wichtig. Untersuchungen haben ergeben, dass diese Nährstoffe für einen biologischen aeroben Abbau in folgendem Verhältnis vorhanden sein müssen:

BSB5 : N : P = 100 : 5 : 1

In häuslichem Abwasser herrscht normal ein Nährstoffüberschuss vor, sie bleiben nach der Reinigung als Salze im Wasser übrig und können Probleme bereiten. Verstärkt wird diese Situation oft durch düngemittelbelastetes Fremdwasser das aus landwirtschaftlichen Flächen in die Abwasserkanalisation zufließt.

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2.3. Reinigungsstufen und -prozesse

2.3.1. Mechanische Abwasserreinigung / Vorklärung:

Bezeichnet die Entfernung der absetzbaren (ev. auch aufschwimmenden) Anteile der Verschmutzung aus dem Abwasser mit mechanischen Methoden. Die Vorklärungsstufe wird der biologischen Stufe immer vorgeschaltet, bei kleineren naturnahen Anlagen besteht sie aus einem oder mehreren Absetzschächten, -gruben oder –becken. Während die absetzbaren Stoffe hier zu 100 % eliminiert werden können, beträgt die Verringerung der BSB5-Fracht nur 30 %, ist also im Sinne des Gewässerschutzes als alleinige Methode immer unzureichend. Der Absetzvorgang ist nach 2 Stunden abgeschlossen, die nötige Beckengröße wird aufgrund dieser optimalen Aufenthaltsdauer je nach Durchflussmenge und Beckengeometrie nach Formeln berechnet.

2.3.2. Biologische Abwasserreinigung / Hauptklärstufe:

Aerobe Verfahren (unter Vorhandensein von Sauerstoff)

Träger der Reinigung sind Mikroorganismen (Bakterien, Algen, Protozoen); durch ihre biologische Aktivität wird einerseits die organische Substanz zu mineralisierten, nicht mehr faulfähigen Endprodukten abgebaut (H2O, CO2, NH4, NO3, PO4, SO4 + Energie), andererseits wird neue Zellsubstanz und damit neue Generationen von Mikroorganismen aufgebaut. Für beide Vorgänge wird viel Sauerstoff benötigt, im „Belebungsbecken“ einer konventionellen Kläranlage wird er unter hohem Energieeinsatz ins Becken eingeblasen. Problematisch ist in jedem Fall der Eintrag von zellschädigenden und toxischen Stoffen, wie Schwermetalle, Mineralöl, Phenole, etc. – werden bestimmte Konzentrationen überschritten, kann die gesamte biologische Stufe kippen!Die biologische Reinigung des Abwassers vor der Einleitung in ein Gewässer bewirkt, dass die sauerstoffzehrenden Umsetzungsprozesse nicht im Gewässer, sondern in der Kläranlage stattfinden. Diese könnten sonst zu Sauerstoffmangel im Gewässer und einem „Umkippen“ des Gewässers führen.

Anaerobe Verfahren (ohne Sauerstoff)

Die organische Substanz wird erst durch spezielle anaerob arbeitende Bakterien unter Bildung von organischen Säuren verflüssigt, welche anschließend von Methanbakterien zu Methan (Faulgas) und CO2 vergast werden (entweicht in die Atmosphäre oder kann zur Energiegewinnung genutzt werden)

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2.3.3. Stickstoff- und Phosphorentfernung

Stickstoffelimination:

Der organisch gebundene Stickstoff wird von den Mikroorganismen in seine anorganischen, gelösten Formen umgewandelt, bleibt aber in dem Maße vorhanden, wie er nicht zum Wiederaufbau der Mikroorganismen verbraucht wird (ca. zu 2/3 der Gesamtmenge). Stickstoffverbindungen sind im Wasser aus folgenden Gründen problematisch: Als Nährstoff fördert er biologisches Wachstum und trägt zur Eutrophierung der Gewässer bei.Stickstoffeintrag in Form von Nitrat ins Grundwasser muss aus gesundheitlichen Gründen auf alle Fälle vermieden werden (strenge Grenzwerte für Trinkwasser).Ammoniumstickstoff (NH4) kann sich im Gewässer unter bestimmten Bedingungen (pH-Wert-Erhöhung) zu Ammoniak (NH3) umwandeln, dieser ist für Fische stark toxisch.

Die biologische Stickstoffentfernung besteht aus zwei Schritten:

Nitrifikation: Umwandlung von Ammonium NH4 in Nitrit NO2 und Nitrat NO3

Findet in der biologischen Stufe automatisch statt, wenn genügend Sauerstoff vorhanden ist, das heißt, die Anlage nicht zu hoch belastet ist.

Denitrifikation: nachgeschaltete Stufe oder Phase ohne SauerstoffeintragDas noch vorhandene O2 wird sofort veratmet, es entsteht schnell ein anoxisches Milieu. Dadurch sind die Mikroorganismen gezwungen, den benötigten Sauerstoff aus dem Nitrat NO3 zu beziehen. Übrig bleibt elementarer Stickstoff N2, der in die Atmosphäre entweicht.

GRENZWERTE für Anlagen unter 2000 EW:

Wert für Ammoniumstickstoff NH4 kann mit der Genehmigung je nach Wassertemperatur festgelegt werden.

Phosphorelimination:

Phosphor hat eine wichtige Bedeutung als Wachstumsfaktor (Eutrophierung!), in mitteleuropäischen Gewässern stellt dieses Element meist den limitierenden Nährstoff dar. Für größere Abwasserbehandlungsanlagen gelten deshalb relativ strenge Emissionsgrenzwerte, die durch eine mechanische und biologische Stufe ohne Nachbehandlung kaum erreichbar sind.Zur chemischen Phosphorelimination werden meist Fällungsverfahren unter Zugabe von Eisen- oder Aluminiumsalzen eingesetzt. Dabei entstehen schwer lösliche Metallphosphate, die Flocken bilden und sich als Schlamm absetzen lassen. Der Fällvorgang kann der Belebungsstufe vorgeschaltet oder nachgeschaltet werden, oder auch simultan im Belebungsbecken stattfinden. In jedem Fall entstehen dabei besondere Anforderungen an die Weiterbehandlung des metallbelasteten Schlammes.

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Werden jedoch Mikroorganismen nacheinander anaeroben und aeroben Milieubedingungen ausgesetzt, ist zu beobachten, dass sie wesentlich mehr Phosphor für ihre Lebenstätigkeit aufnehmen können als normal – auch dieser Vorgang kann technisch für die Phosphorentfernung aus dem Abwasser genutzt werden.

GRENZWERTE für Anlagen unter 2000 EW: keine

2.3.4. Schlammstabilisierung

Der Frischschlamm aus der Vorklärstufe und der Überschussschlamm aus der biologischen Stufe werden meist gemeinsam einer weiteren Behandlung zugeführt. Dies geschieht meist anaerob in geeigneten Faulbehältern unter Verwendung des anfallenden Methangases. Der Faulprozess des Abwasserschlammes ist ca. nach 4 Wochen abgeschlossen (Faulzeit). Alternativ dazu ist es auch möglich, den Schlamm unter aeroben Verhältnissen zu stabilisieren, d.h. eine Verrottung bzw. Kompostierung anzustreben, wobei für eine ausreichende Belüftung gesorgt werden muss.

3. NATURNAHE ABWASSERREINIGUNG – PFLANZENKLÄRANLAGEN

3.1. Definition:

Pflanzenkläranlagen stellen eine Weiterentwicklung der Abwasserlandbehandlung mit Verregnungs- und Verrieselungsverfahren dar. Im engeren Sinne werden darunter naturnahe Kläranlagen verstanden, bei denen das Abwasser beim Durchströmen von bewachsenen Bodenfiltern gereinigt wird. Sie bestehen dann aus abgedichteten Becken, die mit einem Filtersubstrat befüllt sind und bepflanzt werden. Sie wurden ursprünglich im deutschsprachigen Raum entwickelt und werden dort seit mehr als 4 Jahrzehnten zur Reinigung häuslich-kommunaler Abwässer als Hauskläranlagen und als kommunale Kläranlagen für kleinere Ortschaften eingesetzt.

3.2. Stand der Entwicklung:

Die Bedeutung der einzelnen Systemkomponenten und ihre Beziehungen untereinander sind heute gut abgeklärt. So unterstützt die Pflanze die Reinigungsprozesse u.a. durch Abgabe von Sauerstoff in ihrem Wurzelbereich und hilft, den Filter auf Dauer durchlässig zu halten. Die meistverwendete Pflanze ist das Schilf, welches das Filtermaterial am tiefsten durchwurzelt, außerdem schnell wächst und gegenüber anderen Pflanzen konkurrenzfähig ist.Einen Schwerpunkt der Entwicklung bildete die Auswahl eines geeigneten Filtermaterials, das einerseits eine ausreichende hydraulische Durchlässigkeit und andererseits gleichzeitig ausreichende Aufenthaltszeiten gewährleistet. Für

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die meisten Anwendungsfälle und Verfahren wird heute im deutschsprachigen Raum überwiegend Sand als Filtermaterial verwendet.Zunächst wurden fast ausschließlich Horizontalfilter eingesetzt, mit einer großen Zahl unterschiedlicher Filtermaterialien. Vertikalfilter werden in größerem Umfang seit etwa 1990 gebaut und stellen heute den größten Teil der Pflanzenkläranlagen, da sie die kleinste spezifische Fläche benötigen und aufgrund ihrer besseren Sauerstoffzufuhr ein größeres Reinigungspotential besitzen.Pflanzenkläranlagen gehören heute zu den allgemein anerkannten Regeln der Technik.

3.3. Prozesse und Reinigungsleistung

In Pflanzenkläranlagen werden die bewachsenen Bodenfilter als biologische Stufe eingesetzt. In den meisten Fällen wird eine mechanische Vorreinigung vorgeschaltet, um die Feststoffbelastung und z.T. auch die organische Belastung zu reduzieren. In bewachsenen Bodenfiltern wird das Abwasser durch das Zusammenwirken biologischer, physikalischer und chemischer Vorgänge gereinigt. Die Bedingungen für diese Prozesse müssen daher optimal gestaltet werden. Wesentliche Einflussfaktoren für die Reinigungsleistung sind die Sauerstoffversorgung des Filters, die Eigenschaften des Filtermateriales, die hydraulische Belastung und die Zusammensetzung des Abwassers. Die Sauerstoffversorgung wird durch den Aufbau des Bodenfilters und die Betriebsweise bestimmt. Damit die Reinigungsmechanismen wirksam werden können, muss das Filtermaterial gleichmäßig durchströmt werden. Dazu ist eine ausreichende hydraulische Durchlässigkeit des Filtermaterials erforderlich, die auch auf Dauer aufrecht erhalten werden muss.Um die Leistungsfähigkeit der Anlage zu beurteilen, sind neben den Abwasserkonzentrationen auch die Belastungszustände zu betrachten. Dabei wird zwischen der hydraulischen und der stofflichen Belastung unterschieden. Im Allgemeinen wird bei der hydraulischen Belastung die tägliche Abwassermenge auf die jeweils beschickte Filterfläche bezogen. Die stoffliche Flächenbelastung (Frachtbelastung) wird auf die Gesamtfläche bezogen, da z.B. bei alternierendem Betrieb mehrerer Filterbeete auch in den Ruhephasen Abbauprozesse stattfinden.

a) Abbau organischer Stoffe

Die organische Belastung des Wassers (organische Kohlenstoffverbindungen) setzt sich aus gelösten und ungelösten Stoffen zusammen. Der erste Schritt besteht daher auch bei einem naturnahen Verfahren darin, die absetzbaren Feststoffe durch ein mechanisches Verfahren aus dem Abwasser zu entfernen und den so entstandenen Schlamm getrennt weiter zu behandeln (Ausfaulen, Kompostieren). Anschließend werden im Bodenkörper die gelösten bzw. schwebenden Abwasserinhaltsstoffe durch Filtration, Adsorption und Ionenaustausch zurückgehalten, der Abbau erfolgt dann im Wesentlichen durch die Stoffwechseltätigkeit von Mikroorganismen, welche in ungeheurer Anzahl die Oberflächen und Porenzwischenräume der Bodenpartikel besiedeln (10 – 100 Milliarden Bakterien / Gramm Boden). Die Umsetzungsvorgänge im

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bewachsenen Bodenfilter sind überwiegend aerobe Prozesse. Die dafür notwendige Sauerstoffzufuhr erfolgt vorwiegend über die Filteroberfläche – sie kann durch konstruktive Maßnahmen (z.B. Drainagen) und geeignete Bepflanzung optimiert werden. Bei Horizontalfiltern gelangt der Sauerstoff überwiegend durch Diffusion, d.h. durch den natürlichen Luftaustausch über die Bodenporen, in den Bodenfilter. Bei Vertikalfiltern wird darüber hinaus durch intermittierende schwallartige Beschickung Sauerstoff auch mittels Konvektion, also Luftströmung, in den Filter gebracht.Die Auswertung bestehender Anlagen zeigte eine hohe Leistungsfähigkeit der bepflanzten Bodenfilter bei den organischen Parametern, der mittlere CSB-Abbau liegt bei gut konzipierten Anlagen bei ca. 90%. Wichtig ist die Gewährleistung einer ausreichenden Sauerstoffversorgung und gleichmäßigen Durchströmung des Filtermateriales.

b) Stickstoffelimination

Wie bereits beschrieben, erfolgt der Stickstoffabbau im Boden (bzw. bewachsenen Bodenfilter) über die mikrobiologischen Prozesse der Nitrifikation und Denitrifikation. Beide Prozesse laufen sowohl in Horizontal- als auch in Vertikalfiltern ab, ihr jeweiliger Schwerpunkt hängt dabei von den Sauerstoffverhältnissen ab. Bei Vertikalfiltern ist der Sauerstoffeintrag so hoch, dass hier besonders gut nitrifiziert werden kann – und zwar fast ausschließlich in den obersten 20 cm der Filterschicht (NH4-Abbau von etwa 95%). Das gebildete Nitrat kann dort jedoch nur in geringem Maße denitrifiziert werden.In Horizontalfiltern ist die Nitrifikationsleistung geringer, der nitrifizierte Stickstoff wird aber weitgehend denitrifiziert. Die Gesamtstickstoff-Ablaufkonzentration ist bei Horizontalfiltern in der Regel niedriger als bei Vertikalfiltern.Soll das gereinigte Abwasser in ein Fließgewässer eingeleitet werden, müssen besonders die Ammonium-Einträge in das Gewässer minimiert werden. In diesem Fall sollten die besonders zuverlässig nitrifizierenden Vertikalfilter bevorzugt eingesetzt werden. Ammoniumeinleitungen sind besonders in der Hauptwachstumszeit der Mikroorganismen kritisch zu bewerten (mikrobiologische Umwandlung von NH4 zu fischtoxischem Ammoniak NH3 – in Abhängigkeit von der Wassertemperatur).Der Wirkungsgrad der Nitrifikation liegt bei Vertikalfiltern im Mittel über 90% (bei Horizontalfiltern bei 68%), geht bei Abwassertemperaturen unter 5°C jedoch auf ca. die Hälfte der Werte zurück.Bei hohen Anforderungen an die Nährstoffelimination (Grundwasserbelastung!) können die Stärken beider Anlagentypen in mehrstufigen Anlagen kombiniert werden. Bei Anlagen mit einem Vertikalfilter und nachgeschaltetem Horizontalfilter konnten bzgl. der Gesamtstickstoffelimination Wirkungsgrade von über 65% erzielt werden.

c) Phosphatretention

Phosphat wird im Bodenfilter nicht abgebaut sondern nur zurückgehalten und gebunden.Nicht gelöstes (partikuläres) oder an Schwebstoffen adsorbiertes Phosphat wird dabei durch Filtration überwiegend an der Filteroberfläche zurückgehalten.

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Der Rückhalt von gelöstem Phosphat erfolgt zu einem großen Teil durch Sorptionsvorgänge und in einem geringen Maße durch Fällungsmechanismen im Boden, wobei der Eisen-, Aluminium- bzw. Calciumgehalt des Substrates maßgebliche Einflussfaktoren darstellen. Dagegen hat der Entzug von Phosphat über die Ernte der Pflanzen nur eine untergeordnete Bedeutung, nur 5-10% der Jahresfracht könnten theoretisch durch den regelmäßigen Schnitt der Pflanzen aus dem System entfernt werden. Entsprechend der Retentionskapazität des jeweils eingesetzten Filtermateriales kann meistens über viele Jahre ohne zusätzliche Maßnahmen Phosphat im Bodenfilter zurückgehalten werden. Mit der Zeit findet aber in der Regel eine Sättigung der Bindungsplätze im Filtermaterial statt mit der Folge einer Verschlechterung der Ablaufqualität bzgl. Phosphatbelastung.Da der Rückhalt von Phosphat im Bodenfilter ein endlicher Prozess ist, ist zur gezielten Phosphatelimination (z.B. Einzugsgebiet von empfindlichen Oberflächengewässern) eine separate Filterstufe zweckmäßig, deren Filtermaterial leicht ausgetauscht werden kann.

Die Wirkungsgrade der P-Elimination liegen bei Horizontalfiltern im Mittel bei knapp 70%, bei Vertikalfiltern bei etwa 60%, meist unterliegen jedoch auch sie jahreszeitlichen Schwankungen (bessere Leistung bei höheren Temperaturen).

d) Abwasserhygienisierung

Häusliches und kommunales Abwasser kann eine Vielzahl von Krankheitserregern enthalten, die von menschlichen und tierischen Ausscheidungen stammen. In bewachsenen Bodenfiltern wird die Zahl der potentiellen Krankheitserreger durch physikalisch-chemische Prozesse (Filtration, Adsorption) sowie biologische Prozesse (Nährstoffkonkurrenz, Fraß) deutlich reduziert. Krankheitskeime finden grundsätzlich im Abwasser und im Bodenfilter schlechte Lebensbedingungen vor und können sich in der Regel außerhalb eines lebenden Körpers nicht wesentlich vermehren. Daher ist die Verweilzeit des Abwassers im bewachsenen Bodenfilter ein entscheidender Faktor bei der Hygienisierung.Auch für die Aufbereitung von Trinkwasser ist die Bodenpassage bzw. die sog. Langsamsandfiltration eine bewährte Methode zur effektiven Hygienisierung. Verglichen mit der Langsamsandfiltration haben bewachsenen Bodenfilter ähnliche Aufenthaltszeiten und Bodenporen, sodass hier ebenfalls ein hohes Potential zur Verminderung pathogener Keime besteht.Untersuchungen ergaben im Sommer Eliminationsleistungen von einstufigen Pflanzenkläranlagen um ca. 2 Zehnerpotenzen, bei mehrstufigem Aufbau konnten sogar 3-5 Zehnerpotenzen erreicht werden. Im Winter geht die Eliminationsleistung jeweils um etwa 1 Zehnerpotenz zurück. Signifikante Unterschiede zwischen Horizontal- und Vertikalfiltern waren nicht festzustellen. Liegt jedoch die durchschnittliche hydraulische Belastung (sollte nicht über 80 mm/d betragen) für mehrere Tage über dem Normalwert, geht der Hygienisierungs-Wirkungsgrad deutlich zurück. Kritisch sind Betriebsstörungen, die zu einer Verkürzung der Aufenthaltszeit führen (Verstopfungen oder hydraulische Kurzschlüsse) – sie können u.U. bis zum Zusammenbruch der Keimelimination führen.

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3.4. Einteilung und Bauformen:

In unseren Breitengraden haben sich vor allem folgende beiden Grundbauformen von bepflanzten Bodenfiltern entwickelt:

a) Horizontalfilter:

Das vorgeklärte Abwasser fließt über ein mit Schlitzen versehenes Rohr auf der Stirnseite in das Beet, das im Einlaufbereich mit einem Streifen Schotter ausgelegt ist (Einlaufkulisse). Nachdem das Abwasser den Sandfilter mehr oder weniger horizontal (eigentlich diagonal) durchflossen hat, wird es auf der gegenüberliegenden Seite in einem ebenfalls geschlitzten Rohr oder Drainagerohr gesammelt und in den Ablaufschacht geleitet.Im Horizontalfilter herrschen im Gegensatz zu einem Vertikalfilter z.T. eher anaerobe Verhältnisse vor, so dass durch die dortigen Mikroorganismen eine gute Denitrifikation stattfindet. Der Flächenbedarf ist jedoch fast doppelt so groß wie bei vertikalen Filtern (es wird auch nur etwa die Hälfte des Bodenvolumens durchströmt und genutzt), damit entstehen auch entsprechende Mehrkosten für den Beckenbau, die Abdichtung, Sand, etc.Da die horizontalen Anlagen aufgrund ihrer Bauweise eher zum Kolmatieren neigen, muss besonderer Wert auf die dauerhafte Erhaltung der Filterdurchlässigkeit geachtet werden, wobei eine tiefe Durchwurzlung durch Schilfpflanzen entscheidend ist.

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b) Vertikalfilter:

Der vertikale Bodenfilter besteht aus einem oder mehreren abgedichteten Filterbecken und wird mittels eines Verteilersystems über fast die gesamte Oberfläche intermittierend mit Pumpen, Heberanlagen, oder Rohrventilen gleichmäßig beschickt. Die Verteilung geschieht über nahe der Oberfläche des Bodenkörpers verlegte gelochte Rohre oder in der oberen Kiesschicht verlegte perforierte Druckleitungen. Im ersten Fall kann bei genügend Gefälle zwischen Absetzgrube und Pflanzenbeet auf eine Pumpe verzichtet werden, die Verteilung des Wassers auf der Beetoberfläche ist jedoch weniger gleichmäßig.Bei der Verteilung mittels Druckschläuchen wird eine abwasserresistente Pumpe benötigt, die einen entsprechenden Druck erzeugt. Durch die Mikroperforationen wird das Abwasser in der oberen Kiesschicht so fein versprüht, dass es schon hier mit Sauerstoff gesättigt wird und einen absolut gleichmäßigen Wasserfilm bildet. Dieser nur wenige Millimeter dicke Wasserfilm sinkt langsam zum Beckengrund, wobei er wiederum Luft nach sich zieht. Der Bodenkörper ist dabei nur kurzzeitig und schichtweise eingestaut, so dass sich die Poren zwischenzeitlich sofort wieder mit Luft füllen können. Aufgrund der optimalen Sauerstoffversorgung für den biologischen Abbau der organischen Stoffe kann die Beetfläche bei dieser Beschickungsart um ein Viertel verringert werden.

3.5. Anlagenelemente

3.5.1. Vorfeld der Kläranlage

Im Hinblick auf eine leistungsfähige, ökonomische Gesamtlösung und zur Sicherstellung der langfristigen Funktion der Kläranlage ist es erforderlich, das Vorfeld der Anlage in die Planung mit einzubeziehen. Stark schwankende Abwassermengen und Stoßbelastungen können die Reinigungsleistung von Kläranlagen beeinträchtigen – durch das große Reaktionsvolumen sind Pflanzenkläranlagen jedoch in der Lage, Mengenschwankungen in gewissem

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Maße zu puffern. Bei vorhersehbar schwankenden Schmutzwassermengen (z.B. Gaststätten mit Wochenendbetrieb) kann ein vorgeschaltetes Pufferbecken zweckmäßig sein, um den Zulauf zur Anlage zu vergleichmäßigen. In ländlichen Gebieten kommt es oft zu besonderen Anforderungen durch die Landwirtschaft – z.B. hohe organische Frachten und hohe Nährstoffeinträge durch Milchkammerabwässer oder das Ausspülen von Hofflächen oder Ställen. Diese Zuläufe müssen entweder abgekoppelt und getrennt entsorgt oder bei der Bemessung der Pflanzenkläranlage berücksichtigt werden.Zuflüsse von Fremdwasser (über undichte Kanäle, belüftete Kanaldeckel oder Fehlanschlüsse) sollten auf alle Fälle vermieden werden.

3.5.2. Vorklärung

Eine wesentliche Voraussetzung für die langfristige Funktionsfähigkeit von bewachsenen Bodenfiltern ist eine effektive Vorreinigung mit hoher Betriebsstabilität. Durch den Rückhalt von Feststoffen und Schwebstoffen sowie die Reduzierung der Abwasserbelastung in der Vorklärung werden Verstopfungen des Bodenfilters im Einlaufbereich vermieden. Die Reinigungsleistung der Vorklärung bzgl. abfiltrierbarer Stoffe muss um so besser sein, je feiner das eingesetzte Filtermaterial im nachgeschalteten Bodenfilter ist.Viele Vorklärverfahren reagieren bei erhöhten Zulaufmengen und vor allem bei starken Schwankungen der Wassermenge empfindlich. Es kann zur Verschlechterung der Reinigungsleistung und zu Schlammaustrag kommen.Ein weiteres Kriterium bei der Wahl des Vorklärverfahrens ist die Entsorgung bzw. Behandlung des anfallenden Schlamms. Bei Pflanzenkläranlagen fällt im vergleich zu technischen Verfahren nur Primärschlamm aus der Vorklärung an, aber kein Überschussschlamm aus der Bakterienaktivität, so dass die zu entsorgenden Mengen insgesamt wesentlich geringer sind. Der Schlamm aus der Vorklärung muss etwa einmal pro Jahr oder auch seltener entfernt werden.Bei der Rottevorklärung und einem vorgeschalteten Grobstofffilter wird der Fäkalschlamm bereits in der Vorreinigungsstufe behandelt. Bei den Absetzverfahren, wie z.B. Absetzteichen und Mehrkammergruben, kann der Schlamm durch Ausfaulung stabilisiert werden.Sofern keine örtliche Behandlung des Schlamms stattfindet, wird der Schlamm zur externen Entsorgung abgegeben – in der Regel in einer dazu geeigneten größeren Kläranlage. Als Alternative zu einer gemeinsamen Vorklärung können auch einzelne Mehrkammergruben auf den Grundstücken eingesetzt werden. Vorhandene funktionsfähige Anlagen könne dabei weiter genutzt werden.

a) Mehrkammerabsetzgruben

Sie bestehen aus mehreren (in der Regel 3), nacheinander durchflossenen Kammern, in denen sich Grobstoffe als Bodenschlamm absetzen und Leichtstoffe aufschwimmen können. Die Überläufe von einer Kammer in die nächste müssen in Form von Tauchrohren oder Tauchwänden ausgeführt werden, um sowohl den Schwimmschlamm als auch den bereits abgesetzten Schlamm nicht mehr aufzuwirbeln. Das Kammervolumen liegt laut gültiger Norm bei mindestes 300 l/ Einwohner, das Mindestvolumen sollte 3000 l nicht unterschreiten.

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Mehrkammergruben müssen dann vollständig geräumt werden, wenn die Hälfte des Nutzvolumens mit Schlamm gefüllt ist.

b) Mehrkammerausfaulgruben

Sie unterscheiden sich von Mehrkammerabsetzgruben nur durch ihre Größe – der Aufbau ist ähnlich, das Volumen jedoch drei- bis fünfmal so groß. 3 bis 4 Kammern bewirken eine effektive Abscheidung von Feststoffen und den weitgehenden anaeroben Abbau der organischen Inhaltsstoffe des Schlammes und zum Teil auch schon des Abwassers. Durch die lange Aufenthaltszeit wird Schwimmschlamm abgebaut und sedimentiert. Sie eignen sich gut als Vorbehandlungsstufe von Pflanzenkläranlagen und müssen außerdem aufgrund ihrer Größe selten entschlammt werden. Um den Ausfaulprozess in Gang zu halten, muss bei der Entschlammung in der ersten Kammer eine Faulschlammschicht von 30 cm als Impfschlamm erhalten bleiben.

c) Emscherbrunnen

Emscherbrunnen sind spezielle „zweistöckige“ Absetzbecken, bei welchen der oben liegende kleinere trichterförmige Absetzbereich hydraulisch vom darunter liegenden größeren Schlammfaulraum entkoppelt ist. Der Absetztrichter wird vom Abwasser in Längsrichtung durchströmt, Feststoffe sinken dabei ab und rutschen auf den geneigten Flächen in den Schlammfaulraum. Durch die hydraulische Trennung wird der Schlamm bei hydraulischen Stößen nicht immer wieder aufgewirbelt

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d) Rottebehälter

Der Rottebehälter funktioniert wie ein großer Kaffeefilter – er wird vom Abwasser durchlaufen, dabei werden die Feststoffe durch geeignetes sauerstoffdurchlässiges Strukturmaterial (Stroh, Holzhäcksel – regelmäßig zugeben) zurückgehalten. Das Abwasser kann nicht faulen, da ständig Sauerstoff im System ist und das vorgereinigte Abwasser den Rottebehälter wieder verlässt. Die Feststoffe verrotten zu geruchsfreiem Humus (und werden nicht zu Faulschlamm) und können mit einer entsprechenden Nachkompostierung landwirtschaftlich genutzt werden. In der Regel benutzt man zwei Gruben abwechselnd – ist die erste voll, wird die Zuleitung auf die zweite Grube umgeschwenkt. Dem Aufwand für die Entnahme des Kompostes steht als Vorteil die komplette Unabhängigkeit von öffentlichen Dienstleitern und deren Gebühren gegenüber.Eine weitere Variante für kleine Anlagen vom selben Prinzip ist die Verwendung von Filtersäcken.Ein Volumen von insgesamt 0,25 m3 pro EW reicht bereits aus, eine großzügigere Bemessung verlängert die Entleerungsintervalle. Sinnvoll ist die Vorklärung mittels Rottebehältern bei kleineren Anlagen bis ca. 32 EW.

3.5.3. Zulaufschacht

Die Nutzung eines Teilvolumens der Vorklärung als Beschickungsschacht ist nicht zu empfehlen, da es bei den durch die Beschickung verursachten schwankenden Wasserständen zu Aufwirbelungen kommen kann und dann mit der Beschickung Schlamm in Richtung Bodenfilter ausgetragen wird.Der Beschickungsschacht muss hydraulisch von der Vorklärung getrennt sein und kann nicht auf das Vorklärvolumen angerechnet werden.Die Größe des Schachtes ergibt sich aus der anfallenden Abwassermenge und den Beschickungsintervallen des Pflanzenbeetes.Die intervallweise (intermittierende) Beschickung hat sich aus folgenden Gründen bewährt:

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- Das Abwasser wird optimal über die ganze Beetoberfläche oder Einlaufkulisse verteilt, dadurch wird der gesamte Filterkörper wesentlich besser ausgenutzt als bei kontinuierlicher Beschickung.

- Der absinkende Abwasserfilm zieht nach jedem Beschickungsstoß mit der Luft auch Sauerstoff in tiefere Bodenschichten nach.

- Bei Verwendung von Verrieselungsrohren führt die stoßweise Beschickung gleichzeitig auch zu deren Spülung und vermindert daher die Verstopfungsgefahr, die Rohre laufen immer wieder leer und können somit auch nicht einfrieren.

Bei ausreichendem Gefälle zwischen Zulaufschacht und Pflanzenbeet kann die Beschickung durch einfache Mechanismen wie Kippkübel oder Rohrventile erfolgen. Ansonsten werden geeignete Tauchpumpen mit programmierbarer Steuerung eingesetzt.

3.5.4. Abdichtung

Bewachsene Bodenfilter müssen nach unten und seitlich abgedichtet werden, um einerseits eine kontrollierte Durchströmung des Filterkörpers sowie einen Einstau zu ermöglichen, andererseits eine unkontrollierte Versickerung des Abwassers zu verhindern.Es können natürliche oder künstliche Abdichtungen eingesetzt werden. Wenn der anstehende Boden in ausreichender Mächtigkeit (>50 cm) dicht genug ist (kf < 10 –7 m/s), ist keine weitere Abdichtung erforderlich. Andernfalls können folgende Verfahren zur Abdichtung eingesetzt werden:

a) mineralische Abdichtungen: Ton oder Lehm

Mineralische Abdichtungen enthalten Tonminerale, die bei Feuchtigkeit aufquellen, so dass die Dichtungsschicht undurchlässig wird. Damit keine Risse durch Austrocknung entstehen, ist konstruktiv dafür zu sorgen, dass die Dichtung ausreichend feucht bleibt. Die Mindesttiefe des Filterbeetes sollte 80 cm betragen, um Wurzeleinwuchs zu verhindern.Lehm- und Tonabdichtungen (auch als Pellets erhältlich) werden lagenweise eingebaut und verdichtet.

b) Folienabdichtungen:

·) PE-Folie: wurzelfest, UV-beständig, relativ umweltfreundlichbei tieferen Temperaturen schwer zu verlegen, nicht klebbar

·) PVC-Folie: wurzelfest, klebbar, weicher, nicht so UV-beständig, umweltbelastend

·) EPDM-Folie: wurzelfest, UV-beständig, leicht zu verarbeiten, umweltfreundlich, wesentlich teurer

Folienstärken: 1mm reicht meist aus Einbau: möglichst vorkonfektioniert in einem Stück, am

besten auf Schutzvlies Freibord: Folie mit Böschungsmatten oder Kies abdecken!

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c) Betonabdichtungen:

bei felsigem unebenen Untergrund sinnvoll, eher selten verwendet, teuer

3.5.5. Filter

a) Filteraufbau

Schematischer Aufbau eines Vertikalfilters:

Schematischer Aufbau eines Horizontalfilters:

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b) Filtertiefe (Hauptfilterschicht):

Vertikalfilter: mind. 40 cm, meist 60-80 cmev. bis 180 cm bei mehrschichtigem Aufbau mit feineren Zwischenschichten für bessere Denitrifikation

Horizontalfilter: mind. 30 cm, meist 60-80 cm Einschichtiger, einfacher Filteraufbau hat sich bewährt

c) Filtermaterial:

In der Hauptfilterschicht finden die mechanischen, biologischen und chemischen Reinigungsprozesse statt. Das Filtermaterial soll daher gleichmäßig durchströmt werden, was durch eine ausreichende hydraulische Durchlässigkeit (nicht zu feines Material) erreicht wird. Andererseits muss jedoch auch die Aufenthaltszeit des Abwassers im Filter und damit der Kontakt mit den von Mikroorganismen besiedelten Kornoberflächen ausreichend sein, um eine gute Reinigungsleistung zu erzielen (nicht zu grobes Material).Die Durchlässigkeit des Filtermaterials wird als kf-Wert (in m/s) angegeben und wird im Wesentlichen durch die Körnung bestimmt. Zur Charakterisierung des Materials werden Siebanalysen erstellt , die angeben, welche Korngrößen zu welchen Anteilen vorhanden sind. Einen weiteren Einfluss auf die Durchlässigkeit hat der Ungleichförmigkeits-grad U. Sind die Teilchen des Filtermaterials ungefähr gleich groß, ergibt sich ein größeres nutzbares Porenvolumen und damit eine höhere Durchlässigkeit als bei einem Filtermaterial mit sehr unterschiedlich großen Teilchen – auch durch Verlagerung der feineren Teilchen in die unteren Filterschichten. Zur genauen Beurteilung des Substrats sollte nach Möglichkeit ein Durchlässigkeitsversuch durchgeführt werden, bei dem weitere Einflussfaktoren, wie z.B. die chemische Beständigkeit und die Kornform berücksichtigt werden. Von Interesse sind auch die chemisch-physikalischen Eigenschaften wie die Sorptionsfähigkeit (bes. hinsichtlich Phosphor), die Ammoniumaustauschkapazität (für Stickstoffabbau) und die Pufferkapazität.(bzgl. pH-Wert).

In den einschlägigen Normen findet man Empfehlungen für die Korngrößen und Durchlässigkeitswerte der zu verwendenden Materialien, welche in Forschungsprojekten ermittelt wurden. Im Allgemeinen hat sich die Verwendung von Sanden mit Durchlässigkeiten von kf = 10-3 bis 10-4 als Standard durchgesetzt. Um den Anteil von feinen Körnern (unter 0,063 mm Durchmesser = Tonfraktion) gering zu halten (< 5%) sollte das Material gewaschen sein. Die ÖNORM unterscheidet zudem zwischen horizontal und vertikal durchströmten Bodenfiltern, sie empfiehlt für Horizontalfilter enggestufte Korngemische der Sand- und Kiesfraktion, für Vertikalfilter gewaschenen Sand der Körnung 0/4 mm.

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3.5.6. Ablauf, Kontrollschacht

Die Auslaufkonstruktion dient der Ableitung des gereinigten Abwassers aus dem bewachsenen Bodenfilter. Dazu ist am Ende der Fließstrecke eine Drainage erforderlich. Vertikalfilter werden flächig an der Beetsohle entwässert. Dazu wird meist eine Drainschicht aus Kies oder Schotter verwendet und ein Längs- bzw. Quergefälle zum Ablauf hin von ca. 1 bis 2 % hergestellt. Die Ableitung erfolgt über ein verzweigtes Drainrohrsystem in der Drainschicht. Zur Belüftung und als Spülmöglichkeit werden die Enden der Drainrohre über die Filteroberfläche hochgezogen (geschlossene Rohre oberhalb Drainschicht, um Kurzschlussströmungen zu vermeiden).Bei Horizontalfiltern wird eine Auslaufkulisse aus Kies oder Schotter über die gesamte Anlagenbreite angeordnet, um eine gleichmäßige Durchströmung des Beetes zu unterstützen. Über ein Drainrohr am Boden der Auslaufkulisse und den Ablauf am tiefsten Punkt ist eine vollständige Entleerung des Beetes möglich. Die Beetsohle sollte ein Längsgefälle von 2% in Fließrichtung haben.

Das gereinigte Abwasser wird anschließend noch einem Kontrollschacht zugeführt, wo die Proben zur Kontrolle der Reinigungsleistung entnommen werden können. Falls erforderlich kann hier auch eine flexible Vorrichtung zum Einstauen des Beetes angeordnet werden – z.B. zur Unterstützung des Schilfwachstums in der Anfangsphase oder zur Bekämpfung von massivem Unkrautwachstum im Frühjahr.

Von diesem Schacht wird das geklärte Wasser nun entweder direkt in einen bestehenden Vorfluter (Graben, Bachlauf) geleitet oder in einen dafür angelegten Teich, der wiederum die Funktion eines Biotops übernimmt. Im Sommer kann das gereinigte Wasser zur Beregnung von landwirtschaftlichen und gärtnerischen Flächen genutzt werden. Ist die Anlage eines Teiches nicht möglich und auch kein geeigneter Vorfluter vorhanden muss das Wasser über einen Sickergraben oder eine Sickermulde in den Boden geleitet werden, wobei ganzjährig ein ausreichender Abstand zum Grundwasser (mind. 1,5 m) eingehalten werden sollte. Die Mulden können wiederum mit Schilf bepflanzt werden, um die Durchlässigkeit zu erhalten.

Emissionsgrenzwerte für die Einleitung in ein Gewässer:

BSB5 40 mg/lCSB 125 mg/lGes. Schwebstoffe 60 mg/lEscherichia coli 5000 KBE / 100 ml (dieser Grenzwert kann von der Behörde bei besonderen Hygieneanforderungen bzw. bestehender Nutzung des Vorfluters vorgeschrieben werden)

3.5.7. Schlammbehandlung - Klärschlammvererdung

Bei der Klärschlammvererdung wird der in der Vorklärung anfallende Schlamm auf ein abgedichtetes und schilfbepflanztes Vererdungsbecken ausgebracht.Das im Klärschlamm vorhandene Wasser sickert durch einen Sand- und Kiesfilter (insgesamt ca. 30 cm hoch) und die Drainage auf dem Beckengrund

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in die Absetzgrube oder zum Verteilerschacht zurück, die zurückbleibende Trockensubstanz verrottet. Der anfängliche Wassergehalt von ca. 95% wird nach einigen Jahren auf etwa 50% reduziert. Die Entwässerung und anschließende Vererdung vollziehen sich ohne Einsatz von Fremdenergie. Die Poren des Sandfilters schaffen dabei wiederum einen idealen Lebensraum für aerob reinigende Mikroorganismen und sorgen für sauberes Sickerwasser. Die Schilfpflanzen haben die Fähigkeit, bei ansteigender Schlammschicht entlang der Hauptsprossachse die Rhizombildung fortzusetzen und ihr weit verzweigtes Wurzelsystem durch immer höhere Substratschichten auszubreiten. Die Pflanzen bringen Sauerstoff in den Wurzelraum ein und der ausgewachsenen Schilfbestand erzeugt eine enorme Verdunstung.Die Beete werden über eine Güllepumpe ein- bis zweimal pro Jahr mit flüssigem Klärschlamm beschickt, wobei nicht mehr als 10 – 20 cm Nassschlamm auf das Vererdungsbecken aufgebracht werden sollten. Bei der Unterteilung des Beetes in zwei Hälften kann alternierend beaufschlagt werden. Die Beschickung sollte vorzugsweise während der Vegetationsperiode und nicht im Winter erfolgen.Mit den Jahren entsteht ein biologisch stabiles, krümeliges, humusähnliches Material. Das Becken wird je nach Größe während 7 bis 10 Jahren beschickt und danach unter Schonung des Sandfilters beräumt. Anschließend beginnt der Zyklus nach Austrieb der verbliebenen Schilfrhizome von vorne. Das gewonnene Substrat wird durch Nachkompostierung hygienisiert und kann als Dünger verwertet werden.Das Verfahren eignet sich für Kläranlagen jeder Größe. Die Anlagen fügen sich in das Landschaftsbild ein und benötigen keine aufwendige Technik.Der Platzbedarf liegt bei 0,25 – 0,5 m2 Vererdungsbeetfläche pro EW.

3.6. Bemessung

3.6.7. Bemessung von Horizontalfiltern

a) Hydraulische Bemessung:

Zunächst muss sichergestellt werden, dass die maximale Zulaufmenge vom Filterkörper aufgenommen werden kann und eine gleichmäßige Durchströmung ermöglicht wird.Der erforderliche Anlagenquerschnitt errechnet sich nach der Gleichung von Darcy

F = Q / (kf . I)I = Δh / L I = hydraulisches Gefälle

F = erforderlicher Einlaufquerschnitt (m2)Q = maximale Beschickungsmenge

(m3/d)kf = Durchlässigkeitsbeiwert desFiltermateriales (m/d)

Δh = Höhendifferenz zw. Filteroberfläche und Ablauf bzw. Einstauhöhe (m)

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L = Filterlänge (m)

Das Abwasser gelangt über den Einlaufquerschnitt F in den Filterköper und durchfließt die Anlagenlänge L bis zur Ablaufdrainage. Das hydraulische Gefälle in der Anlage wird durch L und die Differenz der Zulaufhöhe und der Einstauhöhe am Ablauf bestimmt (bzw. die Ablaufhöhe bei frei auslaufendem Bodenfilter). Bei maximalem Durchfluss darf die Zulaufhöhe, d.h. durch den Zulauf eingestaute Bereich maximal bis zur Höhe der Filteroberfläche reichen, sonst kommt es zu oberflächlichem Abfluss.Die Anlagenlänge wird entsprechend dem eingesetzten Filtermaterial festgelegt. Für sandiges Substrat hat sich eine Fließstrecke von etwa4-5 m als sinnvoll erwiesen – längere Fließstrecken sind nur bei sehr durchlässigem Material sinnvoll. Je geringer die Durchlässigkeit des Filtermaterials desto größer ist der erforderliche Einlaufquerschnitt. Da sich die Durchlässigkeit im Lauf des Betriebs verschlechtert ist es zweckmäßig, den kf-Wert um eine 10er-Potenz niedriger anzusetzen als berechnet oder im Labor ermittelt. Wird Sand als Filtermaterial eingesetzt, ist die Breitseite der Anlage, an der das Wasser in den Bodenfilter eingeleitet wird, in der Regel wesentlich länger als die Anlagenlänge. Bei einer Fließlänge von 5 m und einer Filtertiefe von 60 cm liegt die Mindesteinlaufbreite bei 0,4 bis 0,6 m pro EW.

b) Abbaukinetische Bemessung:

Für bewachsenen Bodenfilter von mind. 50 cm Tiefe wurden im Rahmen mehrerer Forschungsvorhaben Kennwerte für die Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen ermittelt, die sogenannten Abbaukonstanten. Damit lässt sich die erforderliche Filteroberfläche aus der Zulaufkonzentration, der gewünschten Ablaufkonzentration und der Abwassermenge berechnen. Die Konstanten liegen zwischen 0,06 und 0,1 m/d.

Die erforderliche Filteroberfläche A errechnet sich aus:

A = B . L = Q . (lnC0 – lnCt) / kBSB

Q = mittlere tägliche Beschickungsmenge (m3/d)C0 = Ausgangskonzentration (mg/l)Ct = geforderte Ablaufkonzentration (mg/l)kBSB = Abbaukonstante (m/d)B = Anlagenbreite (m)L = Anlagenlänge (m)

Auf der sicheren Seite liegen pauschale Bemessungen, nach der die Beetfläche pro EW mindestens 5 m2 betragen soll und die Flächenbeschickung dabei 40 mm/d (entspricht 40 l /m2 Beetoberfläche pro Tag) nicht überschreiten darf.

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Horizontalfilter werden in der Regel nicht auf Stickstoffabbau und Phosphatelimination bemessen.

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3.6.8. Bemessung von Vertikalfiltern

a) Bemessungspauschalen

Vertikalfilter werden nach den gängigen technischen Richtlinien (ATV-Arbeitsblatt 262) in der Regel pauschal nach der Beetfläche pro angeschlossenem Einwohner bemessen. Danach wird für Vertikalfilter eine Filterfläche von mindestens 2,5 m2/EW und Sand als Filtermaterial empfohlen. Die Filtertiefe sollte dabei ≥ 80 cm sein und die hydraulische Belastung sollte 60 mm/d (entspricht 60 l/(m2.d) nicht überschreiten.Da bei Vertikalfiltern die Infiltration über die gesamte Filteroberfläche erfolgt, ist die hydraulische Leistungsfähigkeit hier so hoch, dass die Berücksichtigung der empfohlenen maximalen Beschickungsmengen ausreicht.

b) Frachtbezogene Bemessung

Mit einer frachtbezogenen Bemessung können Vertikalfilter, über den pauschalen Bemessungsansatz hinaus, entsprechend der tatsächlichen Belastung bemessen werden. Ziel dieser Bemessung ist die Gewährleistung eines kolmationsfreien Betriebes.

Aus Forschungsergebnissen wurden dafür folgende Bedingungen ermittelt:

·) maximale CSB-Flächenbelastung: 20 g /(m2.d) bei ganzjährigem Betrieb

·) maximale Konzentration an absetzbaren Feststoffen im Zulauf:5 g /(m2.d)

·) maximale hydraulische Belastung: 80 mm/d im Winter120 mm/d im Sommer

·) möglichst alternierende Betriebsweise oder Einhaltung von Betriebspausen

Diese frachtbezogene Bemessung wird, soweit möglich, auf der Grundlage von gemessenen Zulaufwerten durchgeführt. Liegen keine Messdaten vor, kann von einer CSB-Fracht von 75 g/ (EW.d) nach der Vorklärung ausgegangen werden – bei sehr guter Vorklärung (Volumen größer als 1m3/EW) auch von nur 50 g CSB / (EW.d)

Die Kolmationsgefahr kann durch alternierenden Betrieb verringert werden, bei der die Teilflächen im Wechsel betrieben werden und einzelne Flächen Beschickungspausen von mindestens einer Woche haben. In diesen Ruhephasen können sich die Teilflächen wieder regenerieren und so langfristig in der Summe höher belastet werden.

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3.7. Erfahrungen aus der Praxis:

3.7.1. Bepflanzung

Die Pflanzen sind ein wesentlicher Bestandteil des Ökosystems „bewachsener Bodenfilter“. Ihre wichtigste Aufgabe ist die Aufrechterhaltung der Durchlässigkeit des durch die Pflanzen intensiv durchwurzelten Bodenkörpers.Für die Abwasserreinigung selbst spielen die Pflanzen nur eine untergeordnete Rolle, da die Reinigung überwiegend durch Mikroorganismen erfolgt. In der Umgebung der Pflanzenwurzeln finden die Mikroorganismen jedoch optimale Lebensbedingungen. Dabei hat die Sauerstoffabgabe der Pflanzen im unmittelbaren Bereich der Wurzeln eine besondere Bedeutung für die mikrobiellen Prozesse.Weitere positive Effekte der Bepflanzung ist die Verhinderung von Unkrautbewuchs (und damit Sekundärverschmutzung an der Oberfläche), und die Bildung einer wärmedämmenden Schicht durch abgestorbene Pflanzenteile am Ende einer Vegetationsperiode.

Die Bepflanzung erfolgt im ersten Frühjahr nach baulicher Fertigstellung der Anlage, in Form von Ballen, Rhizomen und Setzlingen in einer Dichte von 4 bis 8 Pflanzen pro m2 Beetfläche. Wichtig ist, dass die Pflanzlöcher bis in die Sandschicht reicht, sonst können die Pflanzen nicht anwachsen.Das Schilf (Phragmites australis) hat sich aufgrund seiner besonderen Fähigkeit zur Wurzelausbildung bis in eine Tiefe von 2 m besonders bewährt. Nur Schilfwurzeln erreichen genügend Tiefe, um den ganzen Filterkörper zu durchwurzeln und langfristig durchlässig zu halten. In den Randzonen können auch Rohrkolben, Schwertlilien und Binsen gesetzt werden, um etwas botanische Abwechslung in die Schilfmonokultur zu bringen.Zur Begünstigung der Wurzelbildung wird die Anlage vor dem Bepflanzen eingestaut und der Wasserstand dann über mehrere Wochen langsam abgesenkt, um das Wurzelwachstum in die Tiefe zu fördern. In der ersten Sommerperiode ist es vorteilhaft, die Pflanzen zusätzlich zu gießen. Am Beginn kann es nötig sein, ab und zu das Unkraut zu entfernen.Später wird der Bestand jeweils im Frühjahr mit einer Handsense geschnitten, bei Bedarf jährlich, zumindest aber einmal in 5 Jahren. Das geerntete Material muss vom Beet entfernt werden.Einmal jährlich im April kann das Beet überstaut werden – das Unkraut stirbt dadurch teilweise ab und das Schilf bekommt einen Wachstumsschub.

3.7.2. Kolmation

Unter dem Begriff Kolmation werden verschiedene Prozesse zusammengefasst, die zu einer starken Abnahme der Versickerungsgeschwindigkeit im Bodenfilter führen. Im Kolmationsfall ist der Bodenfilter bzw. dessen Oberfläche so undurchlässig, dass es zu einem dauerhaften und großflächigen Überstau kommt.Die Kolmationsschicht tritt in der Regel an der Infiltrationsfläche in die Hauptfilterschicht auf, kann bei mehrschichtigen Filtern aber auch am Übergang zu einer tieferliegenden feineren Schicht liegen.

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Bei Horizontalfiltern führt die Kolmation zu oberflächlichen Kurzschlussströmungen. In Vertikalfiltern kommt es zur Pfützenbildung auf der Filteroberfläche und zur Unterbrechung der Sauerstoffzufuhr in den Bodenkörper. Die Reinigungsleistung wird schlechter und es können Geruchsbelästigungen auftreten.

Die Durchlässigkeit des Filtermaterials wird durch das Porenvolumen der Grob- und Mittelporen bestimmt, in denen das Wasser fließen kann. Ist der Schwebstoffgehalt des Abwassers zu groß, setzen sich die Poren zu und die Versickerung wird stark verlangsamt. Andererseits können die Porenräume auch bei einer Überlastung mit organischen Inhaltsstoffen durch übermäßiges Wachstum von Mikroorganismen bzw. die Bildung von Biofilmen bis zur totalen Kolmation verstopft werden. Die Sauerstoffversorgung wird behindert oder gar unterbrochen, so dass der aerobe Abbau organischer Substanzen nicht mehr stattfinden kann, die eingelagerten Stoffe nicht mehr abgebaut werden können und – ohne geeignetes Gegensteuern – die Kolmation weiter fortschreitet. Auch die Pfützenbildung bei einsetzender Kolmation führt durch Algenbildung zu einer Beschleunigung der Probleme.

Für einen ordnungsgemäßen Betrieb und eine hohe Reinigungsleistung muss die Belastung mit Schwebstoffen und organischen Schmutzstoffen begrenzt und damit Kolmation möglichst vorgebeugt werden. Filteraufbau und Betriebsweise müssen so gewählt werden, dass eine ausreichende Sauerstoffzufuhr erreicht wird. Bei alternierendem Betrieb mehrerer Teilflächen können sich nicht in Betrieb befindliche Flächen regenerieren, indem eingelagerte Stoffe abgebaut werden. Die Ruhephasen müssen dabei so lang sein, dass der Bodenfilter vollständig durchlüftet wird. Bei Vertikalfiltern mit Sand als Filtermaterial ist dazu eine Ruhephase von mindestens 5 bis 7 Tagen erforderlich. Bei dauerhafter Kolmation kann auch eine mehrwöchige Pause oder eine mechanische Auflockerung oder Entfernung der Kolmationsschicht notwendig sein.Vorbeugend soll einerseits bauseits darauf geachtet werden, dass kein Feinmaterial (Ton- Schluffbereich) in den Filterkörper gelangt, andererseits soll durch gute Vorklärung eine zu hohe Belastung mit abfiltrierbaren Stoffen und groben Schwebstoffen vermieden werden (< 5g/(m2.d) bei Vertikalfiltern), ebenso die CSB-Belastung (< 20g/(m2.d) bei Vertikalfiltern). Drittens muss besonders bei Vertikalfiltern eine ausreichend wirksame Ablaufdrainage und die Belüftung der Drainschicht sichergestellt werden.Alternierender Betrieb mehrerer Teilflächen bietet zusätzliche Sicherheit gegen Verstopfungsprobleme.

3.7.3. Winterbetrieb:

Arbeit der Mikroorganismen bleibt normalerweise durch die höheren Abwassertemperaturen aufrecht. Wie bei allen biologischen Stufen von Kläranlagen laufen die Abbauprozesse langsamer ab, sodass die Reinigungsleistung leicht zurückgehen kann. Der organische Abbau ist jedoch auch bei niedrigen Temperaturen weitgehend stabil, nur die Nitrifikation geht im Winter stärker zurück, was auch bei den gesetzlichen Anforderungen berücksichtigt wird. Wesentlich ist, dass der Anlagenbetrieb nicht durch das Einfrieren von technischen Komponenten gestört oder unterbrochen wird.

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Rohrleitungen sollten in frostfreier Tiefe verlegt werden bzw. darauf geachtet werden, dass sich in frostgefährdeten Bereichen kein stehendes Wasser befinden kann (z.B. schnelles Leerlaufen der Beschickungsleitungen). Bewachsene Bodenfilter frieren in der Regel nicht ein, da mit dem Abwasser genügend Wärme zugeführt wird. Wichtig ist der Pflanzenbestand, der nie vollständig mit Schnee bedeckt sein darf, sonst keine Luftzufuhr mehr möglich! (nicht zu tief abmähen!)Schon bei der Wahl des Kläranlagenstandorts sollte eine möglichst geschützte Lage bevorzugt werden.

3.7.4. Geruchsentwicklung

Geruchsentwicklung tritt bei der Abwasserbehandlung vor allem durch anaerobe Prozesse (Faulprozesse) auf. Die Absetz- bzw. Ausfaulgruben der Vorklärstufe sollten daher auf jeden Fall abgedeckt werden. Bei aerober Rotte-Vorklärung sind die Geruchsemissionen geringer. Bei den bewachsenen Horizontalfiltern gibt es bei ordnungsgemäßem Betrieb keine offenen Wasserflächen, so dass hier meist keine Geruchsemissionen auftreten. Bei Vertikalfiltern kann es während der Beschickung kurzzeitig zu Geruchsbildung kommen, eine möglichst schnelle Versickerung in den Bodenfilter ist daher anzustreben (obere durchlässige Kiesschicht). Ideal ist in dieser Hinsicht die Beschickung mittels mikroperforierten Druckschläuchen, die in die Kiesschicht eingebettet sind.Grundsätzlich sollten mögliche Geruchsprobleme bereits bei der Wahl des Standorts der Anlage in Bezug auf die Entfernung zu bewohnten Bereichen berücksichtigt werden.

3.7.5. Komposttoiletten - Grauwasserreinigung

Die beste Abwasserbehandlung ist die Einsparung von Wasser und die Reduktion von Klärschlamm schon bei der Entstehung. Kein System ist in diesem Punkt so effizient wie der Einsatz von Komposttoiletten. Mit der entsprechenden Lüftung des Kompostbehälters setzt eine Komposttoilette keine Gerüche im Toilettenraum frei und entspricht allen hygienischen Anforderungen. Sie benötigt keine Chemikalien und mit Ausnahme der Reinigung des Urinabscheiders auch kein Wasser und erzeugt somit auch kein Abwasser. So lassen sich der Wasserverbrauch und die gesamte Dimensionierung der Abwasserbehandlung um ein Drittel reduzieren, wenn die Fäkalien gar nicht erst mit Wasser vermischt werden, von dem sie anschließend wieder aufwendig getrennt werden müssten. Der einzige Mehraufwand im Vergleich zur Wassertoilette ist die gelegentliche Entleerung in einen Nachkompostierbehälter im Freien und der dafür erforderliche Flächenverbrauch. Nach 1-3 Jahren der Kompostierung kann das Material wie jeder Kompost für den Garten verwendet werden.

Pflanzenkläranlagen für die Behandlung von Grauwasser (häusliches Abwasser ohne Toilettenabwasser = Schwarzwasser) sind kostensparend und sehr effizient in ihrer Reinigungsleistung. Bei ausreichendem Gefälle kann das Grauwasser direkt ohne Energiezuführung auf ein Pflanzenbeet geleitet werden, bei flachem Gelände fördert eine kleine Pumpe das Abwasser zur Anlage. Es ist also möglich, auf eine Vorklärung ganz zu verzichten und dafür den ersten Bereich

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des Pflanzenbeets als vertikalen Grobstofffilter auszubilden (sh. Abb.). Die in geringer Menge enthaltenen Feststoffe bleiben auf der Filteroberfläche liegen, entwässern sich teilweise und müssen als etwa 5 cm dicke Schicht alle 3-5 Jahre entfernt werden. Der anschließende zweite Teil des Beets ist als Horizontalfilter ausgeführt. Für das gesamte Beet ist eine Oberfläche von nur 2 m2 pro EW anzusetzen. Die Ablaufwerte liegen bei diesem System im Bereich von 50% der geforderten Grenzwerte.

3.7.6. Wartung und Kosten

Wurde die Anlage korrekt dimensioniert und gebaut, ist ein bepflanzter Bodenfilter wartungsarm, dennoch muss er regelmäßig betreut und überwacht werden. Die Wartungsarbeiten bestehen hauptsächlich aus den Pflegearbeiten des Umlandes (Böschungen), der Mahd des Pflanzenbeetes, dem Kontrollieren und bedarfsweisen Durchspülen der Zu- und Ableitungen und dem Überprüfen der Pumpen (falls vorhanden) und Verteilungskonstruktionen. Eine regelmäßige Eigenkontrolle durch den Betreiber trägt viel zum problemlosen Betrieb der Anlage bei. Das Pflanzenbeet selbst sollte grundsätzlich nur zu Wartungszwecken vorsichtig betreten werden.Die Lebensdauer ist ein entscheidender Faktor für die Wirtschaftlichkeit der Pflanzenkläranlagen. Dabei muss zwischen dem Bodenfilter an sich und der dazugehörenden Anlagentechnik unterschieden werden. Bei der Anlagentechnik, wie z.B. Pumpen, Schächte und Leitungen werden die üblichen Nutzungsdauern angesetzt, d.h. für Schächte 25-40 Jahre und für die Pumpen etwa 8-12 Jahre.Für die nach dem heutigen Stand der Technik ausgeführten Pflanzenbeete wird von einer Lebensdauer von 25 Jahren ausgegangen. Die Reinigungsleistung

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nimmt dabei im Langzeitbetrieb nur bei der Phosphorretention ab, welche aber in den meisten Fällen nicht gefordert wird. Der organische Abbau und die Stickstoffentfernung nimmt mit den Jahren sogar eher zu.Die Investitionskosten für eine komplette naturnahe Kläranlage werden in der Literatur zwischen 400 und 2.500 € pro EW angegeben, davon für den bewachsenen Bodenfilter selbst zwischen 250 und 1.500 €. Die breite Streuung entsteht vor allem aus der sehr unterschiedlichen Bemessung und Ausstattung. Durch Eigenleistungen beim Bau v.a. von kleineren Anlagen ist eine gewisse Ersparnis möglich.Die Betriebskosten für Pflanzenkläranlagen umfassen die Personalkosten für Kontrollen, Wartungs- und Pflegearbeiten und die Schlammentsorgung, weiters die Energiekosten, Abwasseranalysen und Verbrauchsmaterial. Eine Auswertung von 13 Anlagen in Deutschland ergab spezifische Betriebskosten zwischen 13 und 50 € pro EW und Jahr.

4. LITERATURVERZEICHNIS

Geller, Gunther und Höner, Gunhild: Anwenderhandbuch PflanzenkläranlagenSpringer-Verlag, 2003

Lack, Walter; Sol(id)arbauernhof Ulenkrug: Abwasserreinigung mit PflanzenVerlag Ökobuch, 2006

Universität für Bodenkultur, Wien, Department für Wasser – Atmosphäre – Umwelt, Institut für Siedlungswasserbau, Industriewasserwirtschaft und Gewässerschutz:

Studienunterlagen

Autonome Provinz Bozen – Südtirol: Landesgesetz vom 18. Juni 2002, Nr.18„Bestimmungen über die

Gewässer“und Durchführungsverordnung dazu

vom 21. Jänner 2008, Nr. 6

Landesagentur für Umwelt: Betriebsdaten der Kläranlagen Südtirols (2007)

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