Wissenschaft + Quellen

Science + sources

Über einen Zeitraum von ca. 30 Jahren hat Prof. Helmut Löffler an der TH Dresden, Deutschland, unter maßgeblicher Zuarbeit von Dipl.-Ing. Dieter Burschil das Prinzip der Abwasserklärung auf Kläranlagen eines Typs adaptiert, welche ausschließlich mit Hilfe von Pflanzen eine Reinigungsleistung erzielt, welche den kommerziell betriebenen Großanlagen -trotz viel geringerer Betriebskosten- ebenbürtig ist. Praktisch jede in diesem Zusammenhang auftauchende Fragestellung wurde wissenschaftlich untersucht bzw. die Antwort untermauert.

Dem Team von PFC-Projekt, vornehmlich Projektleiter Hansjürgen Gase, ist es in seiner Funktion als Bürgermeister gelungen, diesen von Prof. Löffler ursprünglich als Selbstbausatz für kleinere Gehöfte, Bauernhöfe etc. mit wenigen dort wohnenden Menschen entwickelten Anlagen in einem größeren technischen Maßstab für eine ganze Gemeinde mit 600 Einwohnern umzusetzen und durch das Genehmigungsverfahren zu führen.

Die entstandene Anlage ist die größte ihrer Art in Deutschland und ist mittlerweile über 15 Jahre in Betrieb. Sie steht unter permanenter penibler Überwachung durch den TÜV und verschiedene Behörden.

Die erzielte Reinigungsleistung war in vielen Jahren so hervorragend, dass das Abnahmeprotokoll des TÜV einen CSB- bzw. BSB-Wert von "<3 oder nicht mehr meßbar" ausweist.

Nachruf : Hansjürgen Gase als engagierter Projektleiter, aber auch als grossartiger Mensch, hat sich über viele Jahre um die experimentelle Entwicklung der Anlagen verdient gemacht und insbesondere der grösseren Dimensionierung zum Erfolg verholfen. Er ist zu Anfang des Jahres 2020 nach schwerer Krankheit von uns gegangen.

Das IBK ist derzeit mit der weiteren großtechnischen Umsetzung dieser umweltfreundlichen und kostenbewussten Weise der Klärung von Abwässern beschäftigt.

Zielgebiete sind vorwiegend ländlich strukturierte Gebiete ohne vorhandene eigene Infrastruktur wie etwa Indien, Teile Spaniens, Vietnam und dergleichen.

Wir stehen in ständigem Kontakt zu Herrn Gase von PFC-Projekt in Leipzig und freuen uns, dass uns Prof. Löffler in einzelnen fachlichen Fragen weiterhin beratend freundlich verbunden ist. Praktisch jede in diesem Zusammenhang auftauchende fachliche Fragestellung wurde wissenschaftlich untersucht bzw. die Antwort untermauert.

Etwas Theorie zum Verständnis

Was bedeutet "Abwasserklärung" oder „Recyceln“, wenn es um Abwasser, hier gegenständlich genauer um häusliches Abwasser geht ? Wenn wir darunter „wieder verwendbar machen“ verstehen, sind wir ja beim landläufigen Begriff des „Klärens“. Daher eine kurze Einführung in das Thema:

Trinkwasser

Trinkwasser besteht neben dem Grundbaustein H2O aus Beigaben an Kalk und Mineralsalzen. Ansonsten soll es klar, d.h. ohne trübende Beistoffe sein, auch wenn diese biochemisch betrachtet unschädlich sind. „Biologische Beigaben“, also vornehmlich Bakterien, sollen nicht enthalten sein und genau an dieser Stelle unterscheidet sich Wasser von Abwasser.

Für Trinkwasser gelten zumindest in Deutschland bzw. im europäischen Raum sehr strenge Vorschriften, was die Grenzwerte einzelner Beistoffe anbelangt. So bedeutet selbst im biologischen Sinne perfekt geklärtes (gereinigtes) Abwasser zwar, dass man es trinken kann bzw. könnte, weil keine unmittelbare Infektionsgefahr besteht. Dennoch handelt es sich nicht um zulässiges Trinkwasser im Sinne der Vorschriften. Das ist -nota bene- aber von den jeweils geltenden Vorschriften abhängig und diese sehen etwa im Sudan anders aus als in Mitteleuropa. So würde in Deutschland beispielsweise manches Mineralwasser, welches in Flaschen abgefüllt in den öffentlichen Verkehr gebracht werden darf, keine Zulassung als Trinkwasser erhalten.

Wasser für den häuslichen Hygienebereich

Wasser für Reinigungszwecke und Pflanzengießen sowie zum Duschen und Baden kommt zwar auch mit der menschlichen Haut in Berührung, ist aber bei weitem nicht so streng mit Vorschriften belegt wie ausgewiesenes Trinkwasser. dies liegt zusammengefasst in der nicht-oralen Verwendung des Wassers begründet.

Häusliches Abwasser

Häusliches Abwasser enthält Bakterien, also organisch aktive Bestandteile, die neben dem Übelgeruch Krankheiten hervorrufen oder übertragen können.

EWG = Menge häuslichen Abwassers

In diesen Zusammenhang muß noch der Begriff des EWG erklärt werden. EWG ist Behördendeutsch für "Einwohner-Gleichwert" und meint diejenige Menge an häuslichem Abwasser, welche durch einen Einwohner pro Tag verursacht wird. Im Sinne deutscher Vorschriften beträgt dieser Wert rd. 90 Liter pro Tag. Diese Menge an täglichem Abwasser schließt neben dem direkten Wasserverbrauch durch Kochen, Körperhygiene und Toilettenspülung auch indirekten Wasserverbrauch durch Autowaschen, Pflanzengießen  usw. mit ein.

Dieser Wert ist, multipliziert mit der Anzahl der anzuschließenden Einwohner, maßgeblich für die Auslegung einer Anlage und dürfte den tatsächlichen Gegebenheiten entsprechend in afrikanischen Ländern wesentlich geringer sein.

Nichtorganische Beistoffe

Nichtorganische Bestandteile wie Medikamentenrückstände und Mineralölprodukte wollen wir hier einmal ausnehmen: diese gehören nicht ins häusliche Abwasser und bereiten auch kommunal betriebenen Großkläranlagen große Probleme.

Wissenschaftliche Grenzwerte
BSB (und CSB)

Um organische Belastungen allgemein messbar zu machen, hat sich die Wissenschaft international anerkannt den sog. BSB-Wert einfallen lassen. Das ist -vereinfacht ausgedrückt- ein Summenwert für den Sauerstoffbedarf, der benötigt wird, um sämtliche in einem Abwasser vorhandenen organisch noch aktiven Bestandteile = Bakterien zu „verbrennen“ bzw. zu oxydieren; der Bestwert liegt also bei BSB = 0,0. Der CSB ist etwas anders definiert, sagt aber im Prinzip dasselbe.

Nota: ein solchermaßen oxydiertes Bakterium ist nach der Oxydation physisch durchaus noch vorhanden, gewissermaßen als Leiche bzw. toter Schwebepartikel. Aber es ist nicht mehr biochemisch reaktionsfähig und somit unschädlich geworden.

Grenzwerte BSB

Zum Vergleich: das hochkonzentrierte Abwasser aus der Schweinemast hat einen BSB von ca. 5.000; das durch Duschen etc. stark verdünnte sog. häusliche Abwasser des Menschen liegt bei einem Wert von 500. Dieser Eingangswert wird in Kläranlagen abgesenkt auf möglichst 0,0. Die Grenze für Badewasser nach Europa-Norm (in dem auch Babys baden dürfen und diese trinken ab und zu einen Schluck) liegt bei 70. Gute Kläranlagen schaffen 20 bis 30 und unsere Muster-Anlage hat nach behördlichen Prüfungen über 10 Jahre einen Wert von „0 oder nicht messbar bzw. < 3“ lt. behördlichen Protokollen. Und wie gesagt: besser als 0 geht es nicht, weil dort die Skala zu Ende ist.

Optische Klärung = Partikelfilterung

Es verbleibt nach dem Absenken des BSB die Aufgabe, das Wasser optisch möglichst klar zu machen; dies aber ist reine Filtertechnik und hat mit den biologisch aktiven Substanzen (Keimen) nichts zu tun. Merke: nicht jede trübe Brühe ist auch gesundheitlich bedenklich. Umgekehrt bedeutet die Klarheit von Wasser nicht, dass es gesundheitlich unbedenklich ist.

Alternative Ansätze

Natürlich gibt jede Menge Ansätze, belastetes Wasser (frisch oder bereits verwendet) einer (erneuten) Verwendung zuzuführen und je nach Einsatzgebiet und angestrebtem Zweck können die Methoden auch durchaus ihre Berechtigung haben. Ein einfaches Beispiel sind die berühmten Tabletten, die man auf eine Trecking-Tour quer durch Asien mitnimmt oder Meerwasser-Entsalzungstabletten für Weltumsegler. Und ganz sicher erfüllen die etwa von den amerikanischen Streitkräften zur Wasseraufbereitung eingesetzten mobilen Containerlösungen ihren Zweck, aber die Gasturbine zur Energieversorgung steht im Container nebenan.

Selbstverständlich geht so etwas für einen beschränkten Einsatz, aber eine kostengünstige Dauerlösung gerade dort, wo sich Menschen an einem Lebensraum tummeln, ist das nicht. Ein gutes Beispiel sind die eigentlich hocheffizienten Aktivkohle-Filter: sie schaffen die Entkeimung … aber nur, solange sie neu bzw. innerhalb ihres Wartungszyklus sind. Danach müssen sie ausgetauscht werden und genau dieses Problem taucht bei allen Filterlösungen auf: nach außen sieht alles intakt aus und der Filter selbst ist ein Bakterienhort geworden; aber keiner merkt’s. Das Problem bei allen Filterlösungen ist, dass der Ersatz des Filters beständig Geld kostet und das macht in der Summe –hochgerechnet auf eine Gemeinde- wesentlich mehr als etwa eine biologische Kläranlage unserer Bauart.

Zum Beispiel kann man auch mit UV-Bestrahlung zur BSB-Absenkung durch Oxydation arbeiten, aber diese Methode kostet -neben den hohen Herstellungskosten für entsprechende UV-Anlagen- dauerhaft Energie und zwar nicht zu knapp; eine Lösung, die also aus Kostengründen gerade in bedürftigen Entwicklungsländern ausscheidet. Auf Membran-Osmose basierende Systeme haben ein Problem mit der Haltbarkeit der Membran.

Wenn man solche Diskussionen führt, muss man darauf achten, das ursprüngliche Thema nicht aus den Augen zu verlieren: Trinkwasseraufbereitung und Abwassermanagement sind zwei völlig unterschiedliche Problemkreise, die sich aber natürlich dort treffen, wo im Rahmen des Wasserkreislaufs das eine in das andere überführt werden muss. Hierbei wird sich die Abwassertechnik hinsichtlich ihrer Prozessqualität automatisch am Qualitätsanspruch des Trinkwassers als Maßstab orientieren. Dies ist aber nicht zu verwechseln etwa mit einer erklärten Absicht, mit einer Abwasser - Kläranlage Trinkwasser zu produzieren, obwohl das geklärte Wasser nach Messwerten in vielen Fällen getrunken werden könnte bzw. unschädlich geworden ist. Die Beurteilung dieser Frage wird letztlich in jedem Einzelfall durch standortspezifische Faktoren bestimmt: "Gibt es am Standort genügend sauberes Trinkwasser ?" und "Wie viel Wasser gibt es am Standort überhaupt ?" werden weltweit letztlich die entscheidenden Fragen sein.

Zusammenfassung

Im Ergebnis kann gesagt werden, dass neben der optischen Klärung = Beseitigung von Schwebepartikeln die Reduktion des BSB-Wertes in Richtung 0 für eine (Wieder-) Verwendung des Wassers im Hygienebereich und als Trinkwasser unabdingbar ist, egal wie man das anstellt. Dies ist eine Grundregel, die gilt vom Aktivkohle-Filter über unsere biologischen Kläranlagen bis hin zu den kommunalen Großanlagen. (die biochemischen Oxydationsprozesse sind übrigens stets dieselben)

Für Kläranlagen grundsätzlich problematisch sind Fette und Mineralöle; diese müssen bereits im Zulauf durch entsprechende Überwachungseinrichtungen oder Abscheidevorrichtungen gestoppt werden, da sie die Bakterienkulturen von Klärprozessen beschädigen. Nicht oxydierbare Beistoffe wie Medikamentenrückstände und ähnliche Stoffe können in geringer Dosis toleriert werden, solange das Prozesswasser nur maximal zur Körperhygiene, aber nicht als Trinkwasser genutzt wird.

Die Anlagengröße

Die Frage ist also bloß, wie klein man das im Grunde gemeinsame Prinzip verpacken kann und was die Umsetzung kostet in (a) Herstellung / Beschaffung und (b) in laufenden Betriebskosten.

Kleine Anlagen für 3-4 EWG

An dieser Stelle hat sich der mittlerweile emeritierte Prof. Löffler an der TU Dresden über 30 Jahre lang Gedanken gemacht. Prof. Löffler, mit dem wir zusammenarbeiten bzw. freundschaftlich verbunden sind, hat seinerzeit den von uns weiterentwickelten Typ der biologischen Kläranlagen auf Schilfbeet-Basis entwickelt und zwar zunächst speziell für den ganz kleinen Bedarf: kleine Bauernhöfe ohne Kanalanschluss mit 3-4 Bewohnern. Diese kleinen Anlagen waren konzipiert als Selbstbau-Sätze; d.h. die Bewohner erhalten letztlich eine Bauanleitung und können selber bauen. (Prof. Löffler gilt bis heute als einer der führenden deutschen „Abwasserpäpste“.)

Weitere Verkleinerungen

Beim Versuch, den biochemischen Vorgang der Oxydation auf noch kleinerem Raum zu veranstalten, sind wir sehr vorsichtig im Optimismus, denn Voraussetzung dafür ist die notwendige Wirkfläche und diese besteht in unserem Fall aus der Oberfläche von Sandkügelchen, die zusammengerechnet gewaltig ist. Nehmen Sie bloß einmal eine Grundfläche von 10 m^2 und berechnen Sie die Gesamtoberfläche des Sandes, wenn die Gesamtmächtigkeit der Sandschicht 1,6 m beträgt und der Durchmesser des einzelnen Sandkügelchens mit 0,4 mm angenommen wird. Die sich ergebende Fläche ist riesig und auf dieser Oberfläche findet die zur Absenkung des BSB notwendige Oxydation statt.

Grundsätzlich ist die Wahl der Methode zunächst danach zu richten, welche Art von belastetem Wasser zu verarbeiten ist und welches Aufbereitungsziel erreicht werden soll: genügt es, Wasser für industrielle Reinigungszwecke, für den Hygiene-Bereich oder ähnliches zu erhalten oder geht man bis zur Trinkwasser-Qualität und wenn JA, dann nach welchen Vorschriften.

Geringste Kosten

Im zweiten Schritt sind die Kosten der in Frage kommenden Methoden sowie weiche Faktoren wie die technische Ausfallsicherheit zu beachten. Technik kann viel, ist aber grundsätzlich teurer und störanfälliger als die Anwendung von Verfahren, die sich alleine die Wirkmechanismen der Natur zunutze machen: die Natur macht es (fast) umsonst. Wir haben uns nach Abwägung aller relevanten Kriterien dazu entschlossen, unsere Lösung auf die Kräfte der Natur abzustellen. Sowohl die Ergebnisqualität als auch die Kosten gerade in Gebieten, in denen Geld und Wasser knappe Güter sind, zeigen die Richtigkeit des Ansatzes.

Sichere Minimal-Technik

Technik, die nicht vorhanden ist, kann nicht ausfallen: unsere Systeme haben als einzige aktive Komponente eine elektrische Pumpe, die getaktet läuft und Wasser fördert. In Gegenden ohne Stromversorgung besteht die Möglichkeit beim Vorhandensein von ca. 3m Höhenunterschied, auch diese Pumpe zu ersetzen und das System völlig stromlos zu betreiben.

Wasserverlust durch Vaporisation

Die eingesetzten Pflanzen, also i.d.R. das Schilf, trägt über seine Blattoberfläche einen Teil des dem Klärprozess zuzuleitenden Wassers in die Luft aus. Dieser Anteil ist abhängig von der Pflanzensorte und den Standortbedingungen und kann durchaus bis zu 30% und auch mehr betragen. Ob dies nun ein Nachteil oder ein Vorteil ist, ist abhängig vom Ziel bzw. der Betrachtungsweise. Wird eine solche Anlage wie in Deutschland vorgeschrieben, als sog. Bodenfilter für die Versickerung von belastetem Regenwasser (Flughäfen, Autobahnen und anderen versiegelten Flächen) eingesetzt, ist diese Art der Rückgabe des Wassers an die Umgebung eher von Vorteil. Zudem relativiert sich der genannte Verlustwert durch den Vergleichsverlust bei konventionellen Anlagen, bei denen durch Undichtigkeit des i.d.R. langen öffentlichen Kanals bereits im Zulauf Verlustmengen von 20-30% eintreten. Konventionelle Kläranlagen verlieren Wasser durch Verdunstung über die große Oberfläche der Klärbecken.

Pflanzenkläranlagen

Auf der Seite Pflanzenkläranlagen geht es speziell um den von uns verwendeten Ansatz. Die vorgestellte hohe Reinigungsleistung wird dort bestätigt. Dem auf dieser Seite enthaltene Hinweis auf den hohen Flächenbedarf stellen wir entgegen, dass es mit der von Prof. Löffler speziell entwickelten Technik möglich wurde, die in 3 Phasen ablaufende Klärung in Beetflächen, die sich normalerweise horizontal auf der Erdoberfläche erstrecken, in die Tiefe untereinander zu stapeln, so dass im Ergebnis nur 1/3 der normalerweise benötigten Fläche benötigt wird.

Unsere Anlagen bauen also in die Tiefe statt in die Fläche. Dies führt etwa bei der Rechnung, dass bei einer Bebauung eines Gebiets mit Einfamilienhäusern mit einer Grundstücksgröße von 1.000 qm und durchschnittlich 3 Bewohnern = 3 EWG sich ein Flächenbedarf in der Größenordnung von 3% der Gesamtfläche ergibt.

Abbau von Nitraten

Diesem Thema ist auf der Seite Denitrifikation, also der Rückwandlung von Nitrat zu molekularem Luft-Stickstoff, eine besondere Zuwendung erfolgt, weil dies ein zentrales Thema gerade im Bereich der Landwirtschaft ist, welche ja durchaus auch nebenerwerbsweise erfolgen kann.

Diese Frage stellt sich, da wie vorgetragen das Wissen um die Funktionsmechanismen der Abwasserbehandlung technisches Allgemeingut geworden ist. Die Antwort lautet:

Es ist ein bisschen wie im Motorenbau: jeder Hersteller weiß, wie es geht, aber dennoch gibt es Unterschiede in der Leistungsausbringung, der Zuverlässigkeit, der erreichten Drehzahlen, der Dauerbelastbarkeit usw. und wie überall gibt es die Vorreiter mit dem größten Erfahrungsschatz und die Nachzieher mit begrenztem Hintergrund.

Während nach unseren Recherchen Mitbewerber für durchaus als gut zu bewertenden Anlagen wie oben genannt Reinigungsleistungen von BSB = 20-30 angeben, liegt unser bestätigtes Ergebnis wie angegeben bei BSB  <3 bzw. nicht mehr messbar. Zudem ist unser Flächenverbrauch durch die kompakte Bauweise minimiert.

Es ist die Summe kleiner Details, die letztlich den Unterschied bringen, wenn es etwa um den Einsatz dieser Technik in 2.500 m über Meereshöhe oder um die Winterfestigkeit der Anlagen geht. Bei der Lösung solcher Detailfragen hilft der vorgestellte wissenschaftliche Hintergrund enorm und schafft Sicherheit für den Auftraggeber.