Pflanzenkläranlagen als vierte Reinigungsstufe: Potenzial vertikaler und hybrider Pflanzenfilter zur Entfernung von Spurenstoffen

Neben technischen Verfahren wie Ozonung und Aktivkohlebehandlung rücken auch naturnahe Lösungen in den Fokus der Forschung. Doch können Pflanzenkläranlagen einen relevanten Beitrag zur Entfernung organischer Spurenstoffe leisten und damit als eigenständige oder ergänzende vierte Reinigungsstufe eingesetzt werden?

Zwei wissenschaftliche Übersichtsarbeiten aus dem Jahr 2024 beschäftigen sich mit dieser Fragestellung und zeigen, welche Möglichkeiten insbesondere vertikale und hybride Pflanzenfilter bieten, welche Reinigungsleistungen bereits nachgewiesen wurden und wo weiterhin Forschungsbedarf besteht.

Wie können Pflanzenkläranlagen Spurenstoffe entfernen?

Pflanzenkläranlagen nutzen das Zusammenspiel physikalischer, chemischer und biologischer Prozesse. Organische Spurenstoffe können an das Filtermaterial gebunden, durch Mikroorganismen abgebaut oder von Pflanzen aufgenommen und teilweise umgewandelt werden. Die Wirksamkeit hängt dabei wesentlich von den Eigenschaften der jeweiligen Substanz, der Sauerstoffversorgung, dem Filtermaterial und der hydraulischen Aufenthaltszeit ab.

Die beiden Übersichtsarbeiten von Kushwaha et al. (2024) sowie Gebru und Werkneh (2024) zeigen, dass Pflanzenkläranlagen bei verschiedenen organischen Spurenstoffen deutliche Konzentrationsminderungen erreichen können. Allerdings unterscheiden sich die Ergebnisse teilweise erheblich zwischen den untersuchten Substanzen und Anlagenkonfigurationen.

Vertikale und hybride Pflanzenfilter: Was zeigen die Studien?

Vertikal durchströmte Pflanzenfilter bieten durch ihre intermittierende Beschickung günstige Bedingungen für sauerstoffabhängige biologische Abbauprozesse. Untersuchungen zeigen, dass eine verbesserte Sauerstoffversorgung die Entfernung bestimmter Arzneimittelrückstände, darunter Diclofenac und Ibuprofen, begünstigen kann. In vertikalen Versuchsanlagen wurden für drei untersuchte Sulfonamid-Antibiotika beispielsweise Entfernungsraten zwischen 26 und 84 % nachgewiesen.

Besonders interessant sind auch hybride Pflanzenkläranlagen, bei denen unterschiedliche Filterstufen miteinander kombiniert werden. Durch die Verbindung vertikaler und horizontaler Bodenfilter entstehen verschiedene Sauerstoffbedingungen, die unterschiedliche Abbauprozesse ermöglichen. In einer großtechnischen Untersuchung eines dreistufigen hybriden Systems wurden für die untersuchten und erfolgreich entfernten organischen Spurenstoffe Entfernungsraten von über 80 % berichtet. Andere Untersuchungen zeigen jedoch deutlich niedrigere Werte, weshalb sich diese Ergebnisse nicht pauschal auf andere Anlagen und Substanzen übertragen lassen.

Wo liegen die Grenzen der bisherigen Forschung?

Trotz der vielversprechenden Ergebnisse bestehen noch wesentliche Wissenslücken. Viele Untersuchungen wurden in Labor- oder Pilotanlagen durchgeführt, während langfristige Erfahrungen unter großtechnischen Betriebsbedingungen weiterhin begrenzt sind. Zudem bedeutet die Entfernung eines Spurenstoffs aus dem Abwasser nicht zwangsläufig seinen vollständigen Abbau: Schadstoffe können im Filtermaterial zurückgehalten werden oder bei ihrer Umwandlung neue Verbindungen bilden, deren Umweltwirkungen noch nicht ausreichend untersucht sind.

Auch die langfristige Reinigungsleistung, der Flächenbedarf und die Wirtschaftlichkeit müssen genauer untersucht werden. Insbesondere fehlen noch allgemein anwendbare Bemessungsgrundlagen, um Pflanzenkläranlagen gezielt für die Entfernung bestimmter Spurenstoffe auszulegen und ihre Leistungsfähigkeit als eigenständige vierte Reinigungsstufe zuverlässig vorherzusagen.