Nachhaltige Wasserwirtschaft

Erfahrungsberichte

Seit 1989 beschäftigt sich innerhalb der Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE ENERGIE eine Gruppe mit dezentraler Abwasserreinigung.

10 Jahre Pflanzenkläranlagen in Kärnten und Steiermark

Von Christian Platzer*

Diese Tätigkeit ist aus der Nachfrage nach einer umweltfreundlichen, ressourcenschonenden und energiesparenden Lösung für die Reinigung der häuslichen Abwässer von Objekten ohne Anschlussmöglichkeit an den öffentlichen Kanal entstanden. Daneben sind Komponenten entwickelt worden, die den Betrieb der Anlagen ohne Energiezufuhr ermöglichen.
Ähnlich wie die ersten Solarselbstbaugruppen ist diese Initiative Ende der 80iger Jahre aus dem Betreiben einiger "Spinner" und "Bastler" hervorgegangen. Allen Widerständen, in den Anfangsjahre vor allem von Seiten der Behörden, zum Trotz gelang es die Pflanzenkläranlagen als einen dem Stand der Technik entsprechenden Kläranlagentyp zu etablieren. Innerhalb weniger Jahre hat die Arbeitsgemeinschaft ERNEUREBARE ENERGIE über 650 Pflanzenkläranlagen für die unterschiedlichsten Einsatzgebiete geplant und gebaut.
Die Unempfindlichkeit des Systems vor allem bei ungleichmäßigen Abwasserbelastungen ermöglicht ein breites Einsatzspektrum.
Angefangen von den Kleinanlagen für Einfamilienhäuser und Ferienwohnhäuser hat sich die Pflanzenkläranlage auch im Einsatz bei Winzereien, milchverarbeitenden Betrieben, Abhof-Vermarktern (Schlächtereiabwässer), Bäckereien, Behindertenpflegeheimen, Almhütten, Buschenschänken, Pensionen und Gaststätten bis hin zu Kläranlagen für Abwassergenossenschaften erfolgreich bewährt.
Der Großteil der Anlagen wurden in Osttirol, Kärnten Steiermark und im Südlichen Burgenland errichtet. Alleine seit 1998 wurden in Kärnten von den Büros der Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE ENERGIE Villach und Gleisdorf über 400 Pflanzenkläranlagen projektiert.

Abbildung 1: 1360 wasserrechtlich bewilligte Pflanzenkläranlagen in Österreich. Stand 2003, erhoben bei den zuständigen Landesämtern. (Quelle Ökologisches Projekt Graz)

Zum Zeitpunkt der Erhebung (Stand Oktober 2003) waren von den zuständigen Landesämtern für Wasserwirtschaft in Österreich 1360 wasserrechtlich bewilligte Pflanzenkläranlagen erfasst (siehe Abbildung 1). Die Bundesländer Kärnten und Steiermark nehmen mit jeweils 424 und 621 errichteten Anlagen in Österreich eine Spitzenposition ein.

Technische Beschreibung

Pflanzenkläranlagen unterschiedlichen Bautyps werden seit Jahrzehnten europaweit errichtet. In Österreich hat sich auf Grund der strengen Anforderungen und dem Klima ein bestimmtes System - nämlich der intermittierend beschickte und vertikal durchflossene Bodenfilter - durchgesetzt.
Eine solche Pflanzenkläranlage besteht im wesentlichen aus drei Bauteilen: Der mechanischen Vorreinigung, der Intervallbeschickung und dem bepflanzten Bodenfilter (siehe Abbildung 2). Die mechanische Vorreinigung ist in der Regel eine Dreikammerfaulanlage. Die vor einigen Jahren noch zum Teil eingebauten Filtersackanlagen zur mechanischen Vorreinigung werden, aufgrund des relativ hohen Wartungsaufwandes, heute nicht mehr eingesetzt.
Das vorgereinigte Abwasser fließt über in einen Intervallschacht. Aus diesem Schacht wird der Bodenfilter mithilfe eines Rohrventils zwischen vier und acht mal pro Tag schwallweise beschickt. Das Rohrventil funktioniert ohne Energiezufuhr. Die Beschickungsmenge kann je nach Einsatzzweck variiert werden (Abbildung 3). Nur im absolut ebenen Gelände ist zur Beschickung eine Tauchpumpe notwendig. Annähernd 95% aller von der AEE projektierten Anlagen werden ohne Einsatz von Fremdenergie, also ohne Stromanschluss, betrieben.

Abbildung 2: Schematischer Aufbau einer Pflanzenkläranlage.

Abbildung 3: Kernelement einer fremdenergiefreien Intervallbeschickung: Rohrventil RV500. Ventile mit einer Durchflussleistung von 250 -1100 Liter/min sind verfügbar.

In der mechanischen Vorreinigung werden Feststoffe als Schlamm durch Sedimentation vom Abwasser abgetrennt. Der Großteil des sogenannten Primärschlammes sammelt sich in der ersten und größten Kammer. Pro Einwohner fallen ca. 200-300 Liter Primärschlamm pro Jahr an.
Der Inhalt dieser Kammer kann entweder in die Güllegrube eingemischt (je nach Auflage des Landesbodenschutzgesetzes) oder in die nächstgelegene Kläranlage abtransportiert werden. Eine weitere Möglichkeit ist, den Schlamm in einem Vererdungsbeet zu kompostieren. Das Entprodukt, krümelige Humuserde, kann alle 10-13 Jahre dem Becken entnommen werden und z.B. als Blumenerde Verwendung finden.

Kernstück der Kläranlage

Das eigentliche Kernstück der Kläranlage ist der bepflanzte Bodenfilter. Dieses - gegen den Untergrund üblicherweise mit einer PE-Dichtungsbahn abgedichtete und mit unterschiedlichen Sand- und Kiesschichten befüllte - Becken, wird vom mechanisch vorgereinigten Abwasser vertikal von oben nach unten durchflossen. Nach ÖNORM B2505 Bepflanzte Bodenfilter (Vornorm) sind fünf Quadratmeter Beetfläche je Einwohner zu kalkulieren. Das von der Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE ENERGIE angewandte Filterprofil weicht in einigen Punkten von dem in der ÖNORM B2505 vorgeschlagenen Schichtaufbau ab (siehe Abbildung 4).

Abbildung 4: Bodenfilteraufbau ÖNORM B2505 und Type AEE

Erfahrungsgemäß ist in alpinen Regionen eine deutlich stärkere Deckschicht zweckmäßig. Als Filtermaterial kommen gewaschene Sande und Kiese (Rundkorn) zum Einsatz. Das verwendete Filtermaterial soll eine hydraulische Durchlässigkeit von 10-3 m/s bis 10-5 m/s aufweisen. Die gesamte Beetfläche wird mit tiefwurzelnden Sumpfpflanzen wie Schilf und Rohrkolben bepflanzt.

Bepflanzter Bodenfilter

Der Beitrag des Schilfes wurde lange Zeit überschätzt. So ist der Anteil des Schilfes bzw. der Schilfwurzeln mit 2-3% an der Gesamtreinigungsleistung relativ gering. Die Bodenmikroben erbringen die eigentliche Reinigungsleistung, deshalb erzielen Pflanzenkläranlagen auch in den Wintermonaten bei abgestorbenem Schilf stabile Abbauleistungen. Die Mikroorganismen im Bodenfilter geben wie alle Lebewesen beim "Atmen" Wärme ab. Die Temperatur im Bodenfilter sinkt aufgrund der Bakterienaktivität erfahrungsgemäß auch im Winter nie unter +4 °C. Die Bezeichnung der Pflanzenkläranlagen ist in dieser Hinsicht irreführend, daher wird der Kläranlagentyp in der Fachliteratur auch meist als "Bepflanzter Bodenfilter" bezeichnet.
Auch unbepflanzte Bodenfilter wären durchaus im Stande die vorgeschriebenen Abbauleistungen zu erbringen. So erfolgt in manchen Fällen die Inbetriebnahme einer Anlage noch vor Bepflanzung des Filters (z.B. bei im Herbst eingebauten Anlagen. Die Bepflanzung erfolgt in den meisten Fällen erst im folgenden Frühling). Trotzdem werden die Grenzwerte bereits kurze Zeit nach Inbetriebnahme unterschritten. Die Mikroorganismen entwickeln sich im Bodenfilter ohne Zutun. Eine "Impfung" mit Belebschlamm ist nicht erforderlich.

Optische Bereicherung des Gartens

Um einen langfristig ordnungsgemäßen Betrieb der Anlage über Jahrzehnte hinweg sicherzustellen ist dennoch eine Bepflanzung des Bodenfilters mit Sumpfpflanzen wie Schilf (Phragmites australis), Rohrkolben, Binsen, Iris, Schwertlilien etc. unumgänglich. Schilfrhizome und Sprosswachstum bewirken eine mechanische Auflockerung des Bodensubstrats und halten das Filtermaterial dauerhaft durchlässig. Der für die Mikroorganismen im Bodenfilter benötigte Sauerstoff wird auch teilweise durch das Schilf über die Wurzeln eingebracht. Erfahrungsgemäß verbessert sich die Reinigungsleistung mit der Betriebsdauer bzw. dem Bewuchs der Anlagen.
Die Fläche der Pflanzenkläranlage ist im Garten nicht als verloren anzusehen, denn ein mit Schilf, Schwertlilien, Binsen und anderen Wasserpflanzen bestücktes Beet kann durchaus auch eine optische Bereicherung jedes Gartens darstellen.

Abbildung 5: Beet Kreuzer: Pflanzenbeet nach dem 1. Betriebsjahr

Das gereinigte Abwasser wird entweder in ein wasserführendes Gerinne (Vorfluter) geleitet, oder vor Ort versickert. Die Planung der Anlage muss durch ein befugtes Unternehmen erfolgen. Jedenfalls ist zum Betreiben einer eigenen Kläranlage eine wasserrechtliche Bewilligung, welche von der zuständigen Bezirkshauptmannschaft ausgestellt wird, erforderlich.

Winterbetrieb

Die Reinigungsleistung von Pflanzenkläranlagen ist natürlich, wie bei anderen biologischen Kläranlagentypen auch, temperaturabhängig. Dass Pflanzenkläranlagen aber im Winter nicht funktionieren oder gar einfrieren, ist sicher nicht der Fall. Tatsache ist, dass die Bakterienaktivität mit sinkender Temperatur geringfügig abnimmt. Die Temperatur im Bodenfilter sinkt, aufgrund der Bakterienaktivität, erfahrungsgemäß auch bei extremer Witterung nie unter +4 °C. Die gesetzlich geforderte Reinigungsleistung kann auch bei tiefsten Temperaturen in alpinen Lagen problemlos eingehalten werden.
Unzählige Studien, durchgeführt von renommierten Institutionen, wie von der Universität für Bodenkultur (BOKU) in Wien, dem Joanneum Research in Graz oder der TU München belegen, neben den Erfahrungen der AEE aus nunmehr 650 Anlagen, diese Tatsache.

Fallbeispiel einer alpinen Pflanzenkläranlagen

Die Zirbenhütte auf der Hochrindl, auf 1670 m SH, wird in den Sommermonaten von Wanderern frequentiert und in den Wintermonaten als Schihütte genutzt. Die Gaststätte hat 42 Sitzplätze. Die naheliegende Hiaslhütte wird in unregelmäßigen Abständen vermietet und bietet bis zu 10 Personen eine Schlafgelegenheit. Der Betrieb ist nicht durchgehend das ganze Jahr geöffnet. Die Anlage muss daher auch nach längeren Zeiträumen ohne regelmäßige Beschickung ohne Zutun die erforderliche Reinigungsleistung erbringen können.
Die Objekte verfügten zum Zeitpunkt der Projektierung über keinen Stromanschluss. Im Sommer 1999 wurde die Anlage unter der Bauaufsicht der Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE ENERGIE errichtet und ging am Ende der Sommersaison in Betrieb. Die Abwässer beider Gebäude werden in einer gemeinsamen Pflanzenkläranlage entsorgt.

Anlagendaten

Als Mechanische Vorreinigung ist eine 3-Kammerabsetzanlage mit eine Nutzinhalt von 7,5 m³ eingebaut, wobei die 1. u. 2. Kammer als Speicher mit wechselndem Wasserspiegel verwendet werden. Durch diese Maßnahme wird der Abwasserspitzenanfall an den Wochenenden gleichmäßig über die Woche verteilt an den Bodenfilter abgegeben. Die Anlage konnte demzufolge kleiner dimensioniert werden. Die Beschickung des Beets erfolgt mittels fremdenergiefreiem Intervallbeschickungssystem (Rohrventil). Der Bodenfilterkörper wurde als Vertikalfilter mit einer Beetfläche von 55 m² ausgelegt. Das biologisch gereinigte Abwasser wird versickert.
Tabelle 1 zeigt Auszug aus dem Untersuchungsbefund von 2003. Die Probennahme erfolgte am Ende der Schisaison 2003; Abwasseranalyse durch das Umwelttechnologische Institut Villach. Der Kommentar des Prüfers lautete: "...Es handelt sich um die 4. Untersuchung der Kläranlage der HIASL-Alm am Hochrindel. Die exzellent guten Werte trotz der tiefen Temperaturen und schwankenden Belastung am Ende der Saison zeigen, dass die Dimensionierung groß genug gewählt war. Die Anlage schafft sogar eine vollständige Nitrifikation..."

Tabelle 1: Auszug aus dem Untersuchungsbefund, 2003. Entnahmedatum: 25.03.2003

(Einzuhaltende Grenzwerte, siehe Tabelle 3)

Die Anlage war bei der Inbetriebnahme die höchstgelegenste Pflanzenkläranlage Österreichs. Da zu diesem Zeitpunkt noch keine Erfahrungen für diese Höhenlagen vorhanden waren, hatte die Anlage durchaus Pilotcharakter. Die Anlage hat allen gestellten Anforderungen entsprochen. Im Betrieb zeigte sich, dass Pflanzenkläranlagen speziell für die Abwasserreinigung von Tourismusbetrieben einige interessante Vorzüge gegenüber konventionellen Klärsystemen aufweisen:

• Unempfindlichkeit des Systems bei Schwankungen im Abwasseranfall.
• Bei Wiederinbetriebnahme von Pflanzenkläranlage nach längeren Stilllegungsphasen ist ein "Impfen" der Anlage mit Belebtschlamm, wie bei konventionellen technisch biologischen Kläranlagen (Belebungsanlagen), nicht erforderlich.
• Ein geringer Wartungsaufwand, vor allem für Gewerbebetriebe ein Faktor von entscheidender Bedeutung.

In diesem Jahr (2004) soll unter der Leitung der Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE ENERGIE eine Anlage auf 2050 m SH für den Gasthof Glocknerblick in Döllach realisiert werden.
Bis zu welcher Höhenlagen eine Abwasserreinigung durch Pflanzenkläranlagen möglich wäre, ist schwierig abzuschätzen. Eine Grenze scheint einzig durch die Bepflanzung gegeben zu sein. Da es mit zunehmender Höhe immer schwieriger wird geeignete klimaresistente Tiefwurzler für die Beete zu finden.

Tabelle 2: Beispiele von Pflanzenkläranlagen für Tourismusbetriebe in Kärnten, geplant durch die AEE

Reinigungsleistungen von Pflanzenkläranlagen

In Österreich müssen bei Einleitung in einen Vorfluter oder bei einer Versickerung die festgesetzten Grenzwerte nach dem Entwurf der zweiten Emissionsverordnung eingehalten werden. Die Grenzwerte sind strenger als in anderen EU-Ländern wie z. B. Deutschland.

Tabelle 3: Diese Grenzwerte sind nach dem Entwurf der 2. Emissionsverordnung für Anlagen bis 50 EW derzeit einzuhalten

¹⁾ Auszug aus dem TYPENGUTACHTEN ZUM KLÄRANLAGENTYP "BEPFLANZTER BODENFILTER - Typ Ökologisches Projekt / Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE ENERGIE" von A. Stuhlbacher, JOANNEUM RESEARCH, Institut für Umwelttechnik und Ökosystemforschung
Beettyp 3: vertikaldurchflossener 3-schichtiger Filteraufbau. Die angegeben Werte sind die jeweiligen Mittelwerte aller für das Typengutachten vorliegenden Ablaufanalysedaten für den Beettyp 3 (Beettype 3: neuer Filteraufbau seit 1999).
²⁾ Biochemischer Sauerstoffbedarf
³⁾ Chemischer Sauerstoffbedarf
⁴⁾ Ammonium als Ammoniumstickstoff ausgedrückt
⁵⁾ Gesamt gebundener Kohlenstoff (gesamter organisch gebundener Kohlenstoff)
⁶⁾ gilt für Ablauftemperaturen >12°C

Anlagentypisierung für Kleinkläranlagen

Seit 2001 wird im Bundesland Kärnten eine Anlagentypisierung für Kleinkläranlagen gefordert. Eine wasserrechtliche Bewilligung wird nur mehr Kläranlagentypen die ein positives Typengutachten vorweisen können erteilt. Die Typisierung von Kleinkläranlagen soll den Zugang von unseriösen Kläranlagenanbiedern zum Kärntner Markt erschweren und im Gegenzug die wasserrechtlichen Bewilligungsverfahren für Kleinkläranlagen erleichtern und beschleunigen.
Die Anforderungen an die Kläranlagen wurden von den Wasserrechtsbehörden wie folgt definiert: "Die Kläranlage hat bei zumindest 80%iger Auslastung auch bei üblichen Belastungsschwankungen im Sommer und Winterbetrieb in der Lage zu sein, die in der ÖNORM B2502-01, Stand 1.1.2001, geforderten Ablaufgrenzwerte dauerhaft und gesichert einzuhalten."
Ein Auszug aus dem Gutachten, verfasst vom JOANNEUM RESEARCH, Institut für Umwelttechnik und Ökosystemforschung Graz, in Tabelle 3 soll die Leistungsfähigkeit der Anlagen veranschaulichen. Die vorgeschriebenen Grenzwerte werden auch bei niederen Ablauftemperaturen deutlich unterschritten. Hinsichtlich der Nitrifikationsleistung ist zu vermerken, dass durch die Neukonzeption des Filteraufbaues (Beettyp 3) eine deutliche Effizienzsteigerung erreicht wurde, die Ablaufqualitäten auch unter 10,0 mg NH4-N/l (T > 12 °C) ermöglicht. Die Grundlage für das Typengutachten bilden 627 Ablaufbefunde von insgesamt 200 wasserrechtlich bewilligen Pflanzenkläranlagenanlagen.

Anlagenlebensdauer

Die maximale Nutzungsdauer kann zum heutigen Zeitpunkt nur schwer abgeschätzt werden. Die ältesten Anlagen sind in der BRD seit ungefähr 25 Jahren im Einsatz. Ein Nachlassen der Reinigungsleistung konnte - eine ordnungsgemäße Wartung vorausgesetzt - bis dato nicht festgestellt werden. Sollte ein Filterwechsel überhaupt notwendig sein, kann das entnommene Material entsprechend der ÖNORM S 2202 (Kompostgüteklasse III) im Landschaftsbau eingesetzt werden.

Wiederverwendung des Ablaufs

Neben der Ableitung oder Versickerung des gereinigten Abwassers ist es auch möglich, den Ablauf der Pflanzenkläranlage als Brauchwasser zu sammeln und zur Toilettenspülung oder für Bewässerungszwecke wieder zu verwenden. Die anhaltende Trockenheit der letzten Jahre in der Süd und Oststeiermark führt zu einer zunehmenden Sensibilisierung der Bevölkerung für das Thema. Brunnen trockneten aus. Trinkwasser musste unter hohem Aufwand und Kosten von den Feuerwehren zugeführt werden. Zunehmend wurde im Zuge von Beratungsgesprächen von Kläranlageninteressenten nach Möglichkeiten gefragt, das gereinigte Abwasser z.B. für Bewässerungszwecke wieder zu verwenden.
An einem Beispiel soll das Potenzial von Wasserwiederverwendung veranschaulichen werden. Einer fünfköpfige Familie würden bei einem durchschnittlichen Wasserverbrauch von 120 Litern pro Person und Tag, abzüglich der Verdunstungsleistung des Pflanzenbeetes, die im Jahresschnitt ca. 30% ausmacht, 153.000 Liter biologisch gereinigtes Brauchwasser pro Jahr zu Verfügung stehen. Im Vergleich zu einer Regenwassersammelanlage liefert die eigene Kläranlage das ganze Jahr über einen kontinuierlichen Abfluss. Eine Kombination mit einer Regenwassersammelanlage macht dennoch Sinn. Die Sammlung von Brauch- und Regenwasser in einem gemeinsamen Wasserspeicher wäre durchaus möglich.

Weitere Projekte

Im Vorjahr wurden von der Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE ENERGIE bereits zwei Projekte mit Brauchwasserspeicher zur Tröpfchenbewässerung von Obstanlagen verwirklicht. Weitere Projekte sind derzeit in Planung. Neuere Untersuchungen zeigen, dass der Ablauf von Pflanzenkläranlagen für die Wiederverwendung besonders gut geeignet ist. Damit leisten Pflanzenkläranlagen einen besonderen Beitrag auf dem Weg zu einer nachhaltigen Wasserwirtschaft.

*) Christian Platzer ist Mitarbeiter bei der AEE INTEC in Gleisdorf, c.platzer@aee.at [^]