WATER PURIFICATION BY PLANT

engl ↓

Grauwasser kann in einer Pflanzenkläranlage gereinigt und so wieder nutzbar gemacht werden. In den mit Pflanzen bewachsene Anlagen wird das Wasser durch das Zusammenwirken von Pflanzen, Mikroorganismen und im Wasser enthaltende Stoffe gereinigt, wobei der größte Teil der Reinigung durch Mikroorganismen bzw. Bakterien, die im Bodenkörper leben, erfolgt. Das Wasser wird „biologisch“ d.h. durch biochemische Reaktionen gereinigt.

Die Mikroorganismen leben und reinigen entweder:

  • im aeroben Milieu (sauerstoffreiche Zone)

Viele Sumpf- und Wasserpflanzen haben sich an eine besonders sauerstoffarme Umwelt angepasst und aerenchymatisches (d.h. Form des pflanzlichen Grundgewebes, bei der die Interzellularräume so weit sind, dass ein regelrechtes „Durchlüftungsgewebe“ entsteht)  Gewebe ausgebildet. Dieses Gewebe ermöglicht einen besonders effektiven Transport des in der Photosynthese gewonnenen Sauerstoffs durch die gesamte Pflanze bis hin zu den Wurzeln. Hier wird der Sauerstoff durch Diffusion an das Wasser nahe den Wurzeln abgegeben und begünstigt so autotrophe Mikroorganismen, die den ersten Reinigungsschritt, die Nitrifikation, durchführen.

  • im anoxischen Milieu (sauerstoffarme Zone)

Der Sauerstoff liegt nur chemisch gebunden vor, zum Beispiel als das Nitrifikationsprodukt Nitrat. Dieses Nitrat überführen Mikroorganismen, die ein sauerstoffarmes Klima bevorzugen, im Rahmen ihres Stoffwechsels in elementaren gasförmigenStickstoff, der entweicht. Die für diese Denitrifikation erforderlichen Mikroorganismen sind heterotroph und benötigen eine Kohlenstoffquelle.

  • im anaeroben Milieu (sauerstofflose Zone)

Unter Sauerstoffabschluss ist ein zumeist aus Gründen der Geruchsbelästigung unerwünschter Prozess, der aber in Sonderfällen in der anaeroben Abwasserreinigung eingesetzt wird.

Neben dem Phosphor- oder Schwefelkreislauf nimmt der Stickstoffkreislauf eine herausragende Bedeutung ein, da das Wasser häufig durch Stickstoffverbindungen verunreinigt ist. Die Schwebeteilchen im Wasser werden durch das Substrat in dem die Pflanzen leben physikalisch aus dem Wasser gefiltertund schließlich durch Verstoffwechselung in Form von mikrobieller Biomasse dem System hinzugefügt. Die Eintragsarten sind der partikuläre Eintrag, die Ammonifikation und die Fixierung von Sauerstoff.  Bei der Ammonifikation wird organischer Stickstoff aus Bakterienbiomasse oder Pflanzenresten in einer Gleichgewichtsreaktion in anorganischen Stickstoff mineralisiert. Daneben wird in geringen Mengen atmosphärischer Stickstoff im Wasser gelöst und so dem System hinzugefügt.

Der Austrag aus einer Pflanzenkläranlage sind Denitrifikation, Ammoniakverflüchtigung und anaerobe Ammoniak Oxidation (Anammox). Neben der Denitrifikation als hauptsächlichen Reinigungseffekt wird Stickstoff durch Ammoniakverflüchtigung ausgetragen. Speziell in Abwässern mit niedrigem chemischen Sauerstoffbedarf (Maß für die Summe aller im Wasser vorhandenen, unter bestimmten Bedingungen oxidierbaren Stoffe) kann der Anammox-Prozess einen bedeutenden Beitrag zur Reinigungsleistung einer Pflanzenkläranlage leisten.  Herausragende Bedeutung beim Einfluss auf den Stickstoffkreislauf hat der pH-Wert und die Temperatur in der Pflanzenkläranlage.

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.

AUFBAU einer Anlage

Pflanzenkläranlagen bestehen aus:

Mechanische Reinigungsfilter, durch

(1) ein Absetzbecken (Sammelschacht), in dem sich die nicht im Wasser gelösten Abwasserinhaltsstoffe absetzen. Zudem schwimmen auf der Oberfläche jene Abwasserinhaltsstoffe auf, die leichter als Wasser sind.

(2) ein Trockenfilterbecken mit zwei Kammern, das aus einem Vlies besteht, das 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.
Das Endprodukt ist Kompostmasse.

Biologische Reinigungsstufe

Das Abwasser wird entweder über ein Gefälle oder über eine Pumpe 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.

Bei längs durchströmte Anlagen wird das Abwasser an einer Seite des Pflanzenbeckens zu- und an der anderen Seite abgeführt. Eventuell können mehrere Pflanzenbecken hintereinander geschaltet werden. Horizontal durchströmte Freiwasserpflanzenkläranlagen ähneln natürlich vorkommenden Feuchtgebieten, allerdings haben sie den bedeutenden Nachteil, dass sie ideale Brutbedingungen für Mücken schaffen.

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

DER STICKSTOFFKREISLAUF

Bei der Reinigung von Wasser hat ein funktionierender Stickstoffkreislauf im Sinne einer biologischen Reinigungsstufe eine herausragende Rolle, da das Abwasser durch Stickstoffverbindungen verunreinigt ist. Stickstoff ist ein elementarer Bestandteil von Aminosäuren in Proteinen, von Nukleinsäuren und von anderen essentiellen chemischen Stoffen in Lebewesen, die bei ihrem Wachstum Stickstoff aus der Umgebung aufnehmen (Stickstoff-Assimilation) und nach ihrem Absterben aus der toten Biomasse wieder freisetzen.

Durch die Prozesse des partikulären Eintrages, der Ammonifikation und der Stickstoffixierung wird der Stickstoff des Abwassers umgewandelt, gebunden (Stickstoffixierung durch Bakterien wie Knöllchenbakterien), eingelagert und durch Denitrifikation, Ammoniakverflüchtigung und anaerobe Ammoniak Oxidation (Anammox) ausgetragen. Die Denitrifikation hat dabei den hauptsächlichen Reinigungseffekt.

Bei dem partikulären Eintrag werden im Wasser vorhandene Schwebeteilchen durch das Substrat in dem die Pflanzen leben, physikalisch aus dem Wasser gefiltert und schließlich durch eine Verstoffwechselung in Form von mikrobieller Biomasse dem System hinzugefügt.

Während der Ammonifikation wird der Stickstoff aus stickstoffhaltigen organischen Stoffen durch mikrobielle Prozesse in anorganischen Stickstoff mineralisiert und Ammoniak (NH3) bzw. Ammonium-Ionen (NH4+) freigesetzt. In Wasser setzt sich Ammoniak mit Wasser zu Ammonium-Ionen (NH4+) um, wodurch OH-Ionen entstehen und deshalb der pH-Wert ansteigt. Der Stickstoff wird auch durch Degradation (tote Pflanzenreste) im System gespeichert, da schwer abbaubare Stickstoffverbindungen in Pflanzenresten mikrobiell durch Ammonifikation nicht vollständig verarbeitet werden.

Unter aeroben (Sauerstoff wird benötigt) Verhältnissen oxidieren aerobe Bakterien das freigesetzte Ammoniak bei der Nitrifikation zu Nitrit (NO2−) und weiter zu Nitrat (NO3−).

Bestimmte Bakterien (denitrifizierende, fakultativ anaerobe Bakterien), z. B. Arten der Gattungen Pseudomonas, Paracoccus, Flavobacterium, reduzieren bei der Denitrifikation den im Nitrat (NO3−) gebundenen Stickstoffs zu molekularem Stickstoff (N2) und Stickoxiden, die in die Atmosphäre entweichen.

Speziell in Abwässern mit niedrigem chemischen Sauerstoffbedarf (Maß für die Summe aller im Wasser vorhandenen, unter bestimmten Bedingungen oxidierbaren Stoffe) kann der Anammox-Prozess, indem Ammoniak mikrobiell ohne Zwischenschritt zu Luftstickstoff verstoffwechselt, wird einen bedeutenden Beitrag zur Reinigungsleistung einer Pflanzenkläranlage leisten.

Phosphor ist ein Pflanzennährstoff und kann im Falle einer regelmäßigen Entfernung der Pflanzenbiomasse aus dem System entfernt werden, andernfalls verbleiben Teile des in den Pflanzenresten enthaltenen Phosphors im System als Depot.

Eine herausragende Bedeutung beim Einfluss auf den Stickstoffkreislauf hat der pH-Wert und die Temperatur einer Pflanzenkläranlage.

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In Abhängigkeit des pH-Wertes liegen NH4 und NH3 im Abwasser vor. Je höher der pH-Wert ist, desto mehr NH3 wird in Abhängigkeit der Temperatur gebildet.

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Innerhalb der für die Abwasserbehandlung in Betracht kommenden Temperaturen zwischen +5 °C und +30 °C führt jede Abkühlung zu verringerter biologischer Aktivität. Dabei kommt der Einfluss der mehrzelligen Organismen, z.B. Insektenlarven und Würmer, bereits unter +10 °C fast zum Erliegen, während die Tätigkeit der Bakterien und Protozoen erste bei +4 °C, mancher Bakterienstämme sogar erst 0°C, abklingt. … Wie beim Belebungsverfahren wird durch die Kälte die Nitrifikation noch stärker vermindert als der Abbau organischer Substanz. … Theoretisch sind die Aktivitäten sowohl hetereotrophen als auch der autotrophen Bakterien stark temparaturabhängig.

Die Gleichung kt = k20 * α‘ (T-20)  (α‘ – Temperaturkoeffizient und kt – Abbaugeschwindigkeit der organischen Stoffe bei der Temperatur T) zeigt den Temperatureinfluss nach GAID. „Der Koeffizient steht in Bezug zur mikrobiologischen Aktivität und variiert je nach Reinigungsart.

Weiterführende Informationen:

Quelle 1  https://www.dbu.de/OPAC/ab/DBU-Abschlussbericht-AZ-27143.pdf
Quelle 2   http://www.kleinklaeranlagen-altmark.de/grafx/diplomarbeit.pdf

WINTER

Seit einigen Tagen liegen die Temperaturen in Berlin Ende Februar 2018 bei eisigen 7°C, was selbst auf der Spree zur Bildung einer Eisschicht führt. Als ich gestern mein kleines Testsumpfbeet besuchte, hatte sich eine Eisschicht gebildet und ich dachte darüber nach, ob die Mikroorganismen im Wurzelbereich der Sumpfpflanzen bei diesen Temperaturen noch effektiv arbeiten und daher Grauwasser reinigen können.

Der Gefrierpunkt von Wasser liegt bei 0°C, wodurch sich ab 0°C auf dem Sumpfbeet eine Eisfläche bildet und mit jedem kalten Tag an Dicke zunimmt. (Wer Interesse hat >> Berechnung Eisschicht http://www.wissenschaft-technik-ethik.de/wasser_eis-wachstum.html). Im Winter schwimmt eine spezifisch leichtere Eisschicht auf dem schwereren 4 °C-Wasser. Dadurch bildet sich eine erneut stabile Temperaturschichtung (Winterstagnation).

Bei einer Bepflanzung mit Sumpfpflanzen auf einem Dach beträgt die Vegetationsschicht zwischen 5 und 10cm Tiefe und der Endwasserstand beträgt bei vertikalen Pflanzenkläranlagen durchschnittlich 10 – 20 cm, wodurch es durchaus wahrscheinlich ist, dass sich eine Eisschicht bildet und der Boden eine maximale Temperatur von 4°C (Temperaturschichtung) aufweist.

Am wirksamsten sind die Effektiven Mikroorganismen solange sie aktiv sind, d.h. bei Bodentemperaturen ab 10°C. Unter 8°C und im Winter gehen die Kleinstlebewesen in Ruheform über.“ (Seite 5, https://www.em-schweiz.ch/Content/Images/uploaded/Schweizer%20Garten.pdf)

Damit diese effektiv arbeiten können, darf die Wassertemperatur nicht unter zehn Grad betragen.“ (https://www.ndr.de/ratgeber/garten/Den-Gartenteich-im-Herbst-pflegen,gartenteich152.html)

Wenn nun gebrauchtes Wasser aus dem Haus auf das Dach geleitet wird, gefriert das  Wasser ebenso, wodurch das Fließen des Wassers zum erliegen kommt.

Ich nehme an, dass durch die derzeitigen Temperaturen die Reinigungsleistung eines Sumpfbeetes deutlich reduziert ist bzw. ggf sogar komplett zum Erliegen kommt und ein fließender Wasserkreislauf auf dem Dach eines Tiny Houses nicht vorhanden ist. Die Frage ist:  Gibt es Lösungen für dieses Problem?


ENGLISH

Grey water can be cleaned in a sewage treatment plant system and made usable again. In a system  with plants the water is purified by the interaction of plants, microorganisms and substances contained in the water, whereby most of the purification is done by microorganisms or bacteria living in the soil body. The water is purified „biologically“ i.e. by biochemical reactions.

The microorganisms live and purify either:

  • In the aerobic environment (oxygen-rich zone)
    Many wetlands and aquatic plants have adapted to a particularly low-oxygen environment and built an aerenchymatique (i.e. the form of the basic plant tissue, in which the intercellular environments are so wide that a real „ventilation tissue“ arises) tissue . This fabric enables a particularly effective transport of the oxygen obtained in photosynthesis through the entire plant to the roots. Here the oxygen is released by diffusion to the water near the roots and thus favours photoautotrophic microorganisms that perform the first cleaning step, the nitrification.
  • In the anoxic milieu (low-oxygen zone)
    The oxygen is only chemically bound, for example as the nitrification product nitrate. These nitrates are transfered by microorganisms that prefer a low-oxygen climate as part of their metabolism in elementary gaseous nitrogen that escapes. The microorganisms required for this denitrification are heterotrophs and require a carbon source.
  • In anaerobic environment (oxygen-free zone)
    In the case of oxygen, a process which is usually undesirable for reasons of odour nuisance, but which is used in special cases in anaerobic wastewater treatment.

In addition to the phosphorus or sulphur cycle, the nitrogen cycle is important because the water is often contaminated by nitrogen compounds. The floating particles in the water are added by the substrate in which the plants live physically from the water and finally by metabolizing in the form of microbial biomass to the system. The entry types are the particulate entry, the ammonification and the fixation of oxygen. In ammonification, organic nitrogen from bacterial biomass or plant residues is mineralized in an equilibrium reaction in inorganic nitrogen. In addition, small amounts of atmospheric nitrogen are dissolved in the water and thus added to the system.

The discharge from a sewage treatment plant is denitrification, ammonia evaporation and anaerobic ammonia oxidation (anammox). In addition to the denitrification as the main cleaning effect, nitrogen is carried out by ammonia evaporation. The anammox process can make a significant contribution to the purification performance of a plant sewage treatment, especially in wastewater with low chemical oxygen requirements (measure of the sum of all the substances present in the water under certain conditions). The ph value and the temperature in the plant sewage treatment system are of outstanding importance in influencing the nitrogen cycle.

Furthermore, there is a further development in which the soil body is dispensed. The plants are on their own roots. The cleaning process is mainly carried out by the plants themselves and by the microorganisms in their roots. Advantages include a lower overall weight and a better flow rate, resulting in a higher performance and a possible use on roofs.

Construction of an installation

Mechanical cleaning filters,

(1) A settling tank (collecting shaft) in which the waste water contents, which are not dissolved in the water, are displaced. In addition, on the surface, the waste water ingredients that are lighter than water are floating.

(2) A dry filter basin with two chambers, consisting of a fleece covered with a layer of coarse gravel and then with a layer of wood chips (only hardwood, coniferous acts antimicrobial ). On the filter, the solids sit down and stay in the air constantly. The final product is compost mass.

Biological purification stage

The wastewater is either discharged via gradient or via a pump from the collecting shaft into the plant sewage treatment. Sewage distribution systems running on their surface and drainage pipes running from top to bottom, bring the water to be cleaned into the soil body and pull it off.

In the case of longitudinally streamed plants, the wastewater flows on one side in the plant pool and out on the other side. Several plant pools may be connected in a row. Horizontally flowing open water plant sewage treatment are similar to naturally occurring wetlands, but they have the significant disadvantage that they create ideal breeding conditions for mosquitoes.

Before the purified water leaves the sewage plant, it passes through a control point. The required water quality (bod5, cod, nitrogen, phosphorus) can be measured.

THE  NITROGEN CYCLE

In the purification of water a working nitrogen cycle in the sense of a biological purification stage has a prominent role, because the waste water is contaminated by nitrogen compounds. Nitrogen is an elementary component of amino acids in proteins, nucleic acids and other essential chemical substances in organisms that absorb nitrogen from the environment during their growth (nitrogen assimilation) and after their extinction they are released from the dead biomass again.

Through the processes of the particulate entry, the ammonifikation and the nitrogen fixation, the nitrogen of the waste water is converted, bound (nitrogen fixation by bacteria like nodules bacteria), stored and released by denitrification, ammonia evaporation and anaerobic ammonia oxidation (Anammox). The denitrification has the main cleaning effect.

In the particulate entry, floating particles present in the water are filtered by the substrate in which the plants live, physically extracted from the water and finally added to the system by a metabolism in the form of microbial biomass.

During the ammonifikation, nitrogen from nitrogenous organic substances is mineralized by microbial processes in inorganic nitrogen and ammonia (NH3) or ammonium ions (NH4 +) are released. In water, ammonia with water transform to ammonium ions (NH4), which creates OH ions and therefore increases the ph value. The nitrogen is also stored in the system by degradation (dead plant residues), because difficult-to-degradable nitrogen compounds in plant residues are not completely processed by ammonifikation.

Under aerobic (oxygen is needed) ratios, aerobic bacteria oxidize the released ammonia at the nitrification to nitrite (NO2 −) and further to nitrate (NO3 −).

Certain bacteria (optional anaerobic bacteria), e.g. species of genera Pseudomonas, Paracoccus, Flavobacterium, reduce in denitrification the nitrogen bound in the nitrate (NO3 −) to molecular nitrogen (N2) and nitrogen oxides, which escape into the atmosphere.

Especially in waste water with low chemical oxygen requirements (measure for the sum of all the substances present in the water under certain conditions), the anammox process can be metabolized by ammonia microbiell without intermediate step to air nitrogen, will make a significant contribution to the cleaning performance of a sewage treatment plant.

Phosphorus is a plant nutrient and can be removed from the system dring the regular removal of the plant biomass, otherwise parts of the phosphorus contained in the plant residue remain in the system as a depot.

The ph value and the temperature of a sewage treatment plant are of paramount importance in influencing the nitrogen cycle.

1 | Page 38 „Depending on the ph value, NH4 and NH3 are available in waste water. The higher the ph value, the more NH3 is formed depending on the temperature.“

2 | Page 72 „Within the temperature for waste water treatment between + 5 °C and + 30 °C, each cooling process leads to reduced biological activity. The influence of the multi organisms, e.g. insect larvae and worms, is already almost to a close at + 10 °C, while the activity of the bacteria and protozoa first at + 4 °C, some bacterial strains even 0 °C. … As with the resuscitation process, the nitrification is even more diminished by the cold than the degradation of organic matter. … Theoretically, the activities of both hetereotrophen and autotrophic bacteria depend strongly on temperature.

The equation kt = K20 * α‘ (T-20) (α‘ temperature coefficient and kt degradation velocity of the organic substances at temperature T) shows the temperature influence according to GAID. „The coefficient is related to microbiological activity and varies depending on the purification.

Weiterführende Informationen:

Quelle 1  https://www.dbu.de/OPAC/ab/DBU-Abschlussbericht-AZ-27143.pdf
Quelle 2  http://www.kleinklaeranlagen-altmark.de/grafx/diplomarbeit.pdf

WINTER

Since few days the temperatures in Berlin in February 2018 have been at cold 7 °C, which even on the Spree leads to the formation of an ice layer. When I visited my little test swamp bed yesterday, an ice layer had formed and I thought about whether the microorganisms in the root area of the swamp plants at these temperatures still work effectively and therefore can clean grey water.

The freezing point of water is at 0 °C, which creates an ice layer from 0 °C on the swamp bed and increases in thickness with each cold day. In winter a specifically lighter layer of ice floats on the heavier 4 °C water. This creates again a stable temperature stratification (winter stagnation).

In the case of planting with swamp plants on a roof, the vegetation layer is between 5 and 10cm deep and the water level is average 10 – 20 cm for vertical plant sewage systems, which produces quite probable an ice layer and the soil has a maximum temperature of 4 °C (temperature stratification).

The effective microorganisms are the most effective as long as they are active, i.e. at soil temperatures from 10 °c. Under 8 °c and in winter the microorganisms in a resting mode.

To be able to work effectively, the water temperature must not be below ten degrees.

When used water is diverted from the house to the roof, the water freezes as well, causing the flow of water to come to a stop.

I assume that due to the current temperatures, the cleaning capacity of a swamp bed is significantly reduced or, if necessary, even completely to the end and a flowing water cycle on the roof of a tiny house is not present. The question is:  Are there any solutions to this problem?