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Pflanzenkläranlagen sind mit Pflanzen bewachsene Anlagen, in denen Abwasser durch das Zusammenwirken von Pflanzen, Mikroorganismen, Abwasserbestandteilen, und - bei Bodenfiltration - auch des Filtersubstrats gereinigt wird.

Es existiert eine große Vielfalt von verschiedenen Pflanzenkläranlagen. Die verschiedenen Systeme lassen sich nach dem Bezugssystem (aquatisch - terrestrisch) gliedern. So kommt man von bewachsenen Bodenkörpern, über Retentionsbodenfilter, Hangverrieselung, überströmten Feuchtgebieten schließlich zu Schwimminseln bei denen eine offene Wasserfläche ohne Bodenpassage vorliegt.

Gliedert man die Verfahren nach Praxis-Bewährung, haben sich bewachsene Horizontal- und Vertikalfilter nach DWA A 262 seit Jahren in großer Zahl bewährt und entsprechen den allgemein anerkannten Regeln der Technik. Zweistufige Vertikalfilter mit Rohabwasserbeschickung haben sich seit Jahren in Frankreich in großer Zahl (ca. 1000 Anlagen meist für etwa 500 - 2000 Einwohner) bewährt. Andere Anlagentypen (Mehrschichtige Vertikalfilter, Retentionsbodenfilter, Klärschlammvererdung, Hangverrieselung, Schwimminseln, Sumpfpflanzendächer, überströmte Feuchtgebiete) sind mehr oder weniger verbreitet, entsprechen aber mitunter ebenfalls dem Stand der Technik. Im bepflanzten Bodenfilter (auch Wurzelraumkläranlage genannt.) wird das Abwasser innerhalb eines bepflanzten Bodenkörpers (Wurzelraum) gereinigt, der – zweckgebunden (Ziel: möglichst hohe Reinigungsleistung des eingeleiteten Abwassers) – überwiegend mit Schilfrohr (Phragmites australis), unterstützt durch Sumpf- bzw. Repositionspflanzen wie Rohrkolben, Binsen oder Seggen, bepflanzt ist. Die Pflanzenwurzeln dienen als Lebensraum für Mikroorganismen, die zum Abbau der Abwasserinhaltsstoffe beitragen, sowie weiterhin zum Eintrag von Luftsauerstoff, welcher ebenfalls die Reinigungsleistung der Pflanzenkläranlage verbessert. Pflanzenkläranlagen sind wissenschaftlich anerkannt, solange sie die Grenzparameter einhalten können, da sie den anerkannten Regeln der Technik entsprechen. Eine Pflanzenkläranlage kann die meisten Wasserinhaltsstoffe auf natürliche Weise abbauen.

Dies geschieht im Wesentlichen durch ein Zusammenwirken von Filtermaterial (mechanisch), durch das Aufnehmen oder Abbauen der Wasserinhaltsstoffe durch Bakterien und organische Prozesse (biologisch), der Adsorption an Bodenteilchen (physikalisch) sowie durch Fällungsreaktionen zwischen den Wurzeln (chemisch).

Das Abwasser durchströmt die Pflanzenkläranlage entweder vertikal von oben nach unten oder horizontal von der Einlaufkulisse zur Auslaufkulisse. Im Bodenkörper verlegte Drainagerohre fangen das gereinigte Abwasser auf und leiten es in einen Kontrollschacht. Nach diesem Schacht wird das gereinigte Wasser in ein Gewässer eingeleitet, versickert oder wird zur Weiternutzung gespeichert.

Bei vertikaler, intermittierender Betriebsweise können die für dieses Verfahren besten Reinigungsleistungen (Kohlenstoffabbau und Nitrifikation) erzielt werden.

Pflanzenkläranlagen bestehen aus:

• Einer mechanischen Trennung der festen Bestandteile. Diese kann auf drei Arten geschehen:

1. In einem Absetzbecken (Sammelschacht).
   In diesem setzten sich die nicht im Wasser gelösten Abwasserinhaltsstoffe ab. Zudem schwimmen auf der Oberfläche jene Abwasserinhaltsstoffe auf, die leichter als Wasser sind. Dieser gesammelte Schlamm ist entsorgungspflichtig. Die Entsorgung ist je nach Größe und Belastung der Absetzanlage sowie der Abwassereigenschaften erforderlich (etwa einmal im Jahr). Es gibt auch Fälle, wo sich der Schlamm zum Teil durch biologischen Abbau im Absetzbecken selbst auflöst oder das zu reinigende Abwasser kaum absetzbare Stoffe enthält und damit die Leerung erst nach mehreren Jahren nötig ist.
2. In einem Trockenfilterbecken mit zwei Kammern.
   Der Filter besteht aus einem Vlies, welches 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. Dadurch entstehen keine Fäulnis und Geruchsemissionen. Wenn die erste Kammer voll ist, wird die zweite benutzt.
   Das Endprodukt ist Kompostmasse.
3. Variante: Die Pflanzenkläranlage wird mit einer Komposttoilette kombiniert. So kommt es von vornherein nicht zur Vermengung der festen und flüssigen Bestandteile. Dadurch entfallen die Anschaffungs- und Wartungskosten für die Vorklärung und der Flächenbedarf für die Pflanzenkläranlage ist um die Hälfte geringer.

• Dem Pflanzenbeet, meistens ein mit Schilf bewachsenes mit Kies und Sand gefülltes Becken (Bodenkörper). Das Abwasser wird entweder über ein Gefälle oder über eine Pumpe (meist intervallartig) 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. Es werden auch längs durchströmte Anlagen gebaut, bei denen das Abwasser an einer Seite des Pflanzenbeckens zugeführt und an der anderen Seite abgeführt wird. Eventuell können mehrere Stufen (Pflanzenbecken) hintereinander geschaltet werden. Grundsätzlich zeichnen sich vertikal durchströmte Pflanzenkläranlagen durch hohe Nitrifikationsraten und geringe Denitrifikationsraten aus, wohingegen horizontal durchströmte Pflanzenkläranlagen gute Denitrifizierer und dafür aber meist schlechtere Nitrifizierer sind. Horizontal durchströmte Freiwasserpflanzenkläranlagen ähneln natürlich vorkommenden Feuchtgebieten, allerdings haben sie den bedeutenden Nachteil, dass sie ideale Brutbedingungen für Moskitos schaffen.
• Bevor das gereinigte Wasser die Pflanzenkläranlage verlässt, passiert es eine Kontrollstelle. Dabei kann die erforderliche Wasserqualität (BSB5, CSB, Stickstoff, Phosphor) gemessen werden.

End- und Kontrollschacht
Der Kontrollschacht ist die letzte Station, bevor das Wasser die Pflanzenkläranlage gereinigt verlässt. Dabei muss die Wasserqualität anhand von Abwasserparametern analysiert werden (wichtig, der Untersuchungsumfang wird zumeist bei der Bewilligung der Anlage von der Behörde vorgeschrieben und kann aus der vom Betreiber selbst durchzuführenden Eigenüberwachung und der von einer unabhängigen Untersuchungsanstalt vorzunehmenden Fremdüberwachung bestehen).
Der Kontrollschacht hat außer der direkten Kontrolle der Wasserqualität, auch noch die Funktion den internen Wasserspiegel zu regulieren. In manchen Fällen wird von hier aus eine Abwasserrückführung realisiert. Dabei wird der Strom des gereinigten Abwassers halbiert und eine Hälfte zurück in die erste oder zweite Kammer der Mehrkammergrube (Vorklärung) geleitet. Dadurch kommt es zu einer Unterdrückung der Schwefelwasserstoffbildung in der Vorklärung, einer Schlammreduzierung, einer "Belebung" des Abwassers bereits in der ersten Stufe - und insgesamt zu besseren Ablaufwerten. Bei Anlagen,welche im freien Gefälle beschickt werden, kann so eine Abwasserrückführung allerdings nur mit einer Pumpe geschehen. Bei PKA, welche über eine Pumpe beschickt werden, kann die Abwasserrückführung über die Gravitation erfolgen.

Der Einstau des Beetes erfolgt bei manchen PKA-Typen nur in der Einfahrphase (ca. 3 Monate); andere Typen werden dauerhaft eingestaut. Die besseren Ablaufwerte bringt der nicht eingestaute Betrieb, da er sauerstoffreicher ist.

Die Reinigungsleistung einer Pflanzenkläranlage erfolgt durch das Zusammenwirken verschiedener Prozesse. Jeder Prozess bewirkt mehrere Funktionen. Dabei handelt es sich um ein äußerst komplexes und naturnahes Reinigungsverfahren.
Die Wasserinhaltsstoffe werden zum einen von den Pflanzen aufgenommen, um den Nährstoffbedarf der Pflanzen im Wachstum zu decken. Außerdem erhalten die Wurzeln des Schilfes die Durchlässigkeit des Bodens (Sauerstoffzufuhr), der beim Betreten oder durch Ablagerungen im Betrieb vermindert wird. Zum anderen erfolgt der größte Teil der Reinigung durch Mikroorganismen bzw. Bakterien, die im Bodenkörper leben. Beide Vorgänge reinigen das Wasser „biologisch“, das heißt durch biochemische Reaktionen.

Die Mikroorganismen leben und reinigen entweder:

• im aeroben Milieu (sauerstoffreiche Zone)
Viele Sumpf- und Wasserpflanzen haben sich im Laufe der Evolution an eine besonders sauerstoffarme Umwelt angepasst und aerenchymatisches 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 wird von Mikroorganismen, die ein sauerstoffarmes Klima bevorzugen, im Rahmen ihres Stoffwechsels in elementaren gasförmigen Stickstoff überführt, der anschließend an die Luft entweichen kann. Dieser zweite Schritt, die Denitrifikation, wird von heterotrophen Mikroorganismen durchgeführt und benötigt daher neben einer sauerstoffarmen Umgebung als Voraussetzung 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 weiteren Stoffkreisläufen, wie dem Phosphorkreislauf oder dem Schwefelkreislauf, nimmt der Stickstoffkreislauf eine herausragende Bedeutung ein, da die großzahl der von Pflanzenkläranlagen gereinigten Wässer durch Stickstoffverbindungen verunreinigt sind. Die wichtigsten Eintragsarten neben Abwasser sind partikulärer Eintrag, Ammonifikation und Fixierung von atmosphärischem Stickstoff. Partikulärer Eintrag findet in Form von Schwebeteilchen im Wasser statt, die durch das Substrat in dem die Pflanzen leben physikalisch aus dem Wasser gefiltert werden und schließlich durch Verstoffwechselung in Form von mikrobieller Biomasse dem System hinzugefügt werden. Daneben wirkt sich ebenfalls Ammonifikation auf die Stickstoffbilanz aus. Hierbei 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. Die hauptsächlichen Austragsarten aus einer Pflanzenkläranlage sind Denitrifikation, Ammoniakverflüchtigung und anaerobe Ammoniak Oxidation (Anammox). Neben der Denitrifikation als hauptsächlichen Reinigungseffekt wird Stickstoff durch Ammoniakverflüchtigung ausgetragen. Ammoniak liegt in Gleichgewicht in ionisiert und nicht ionisiert vor, dabei ist die nicht ionisierte Version von Ammoniak relativ flüchtig und kann so gasförmig aus dem System ausgetragen werden. Speziell in Abwässern mit niedrigem chemischen Sauerstoffbedarf kann der Anammox-Prozess, indem Ammoniak mikrobiell ohne Zwischenschritt zu Luftstickstoff verstoffwechselt, wird einen bedeutenden Beitrag zur Reinigungsleistung einer Pflanzenkläranlage leisten. Abgesehen von diesen Ein- und Austrägen stellen Fällung, Ionenaustausch und Degradation Stickstoffdepots dar. Neben einer Speicherung durch Fällung wird Stickstoff ebenfalls nach dem Prinzip des Ionentauschers besonders in Tonmineralien aufakkumuliert. Ferner wird Stickstoff auch durch Degradation (tote Pflanzenreste) im System gespeichert, da schwer abbaubare Stickstoffverbindungen in Pflanzenresten mikrobiell durch Ammonifikation nicht vollständig verarbeitet werden. Herausragende Bedeutung beim Einfluss auf den Stickstoffkreislauf hat der pH-Wert und die Temperatur in der Pflanzenkläranlage. Darüber hinaus ist Phosphor ein vitaler Pflanzennährstoff und kann sowohl als Depot als auch als Austrag auftreten. Im Falle einer regelmäßigen Entfernung der Pflanzenbiomasse kann über diesen Weg Phosphor aus dem System entfernt werden, andernfalls verbleiben Teile des in den Pflanzenresten enthaltenen Phosphors im System als Depot.

Die Wasserqualität kann anhand sogenannter Summenparameter oder Einzelparameter wie Stickstoff- und Phosphorgehalt bestimmt werden. Die Kohlenstoffbelastung des Abwassers wird beispielsweise durch die Summenparameter

• BSB5(ATH) (inhibierter Biologischer Sauerstoffbedarf: innerhalb von fünf Tagen durch Mikroorganismen verbrauchter Sauerstoff. Die Hemmung durch Allylthioharnstoff (ATH) ist notwendig, weil sonst eine Auswertung nicht möglich wäre, weil noch zusätzlich eine mehr oder weniger vollständige Stickstoffoxidation mit gemessen würde.),
• CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf: der durch katalytisch- chemische Umwandlungen (Oxidation) verbrauchte Sauerstoff) und
• TOC (gesamter organisch gebundener Kohlenstoff)

bestimmt.

Viele Klärwerke verwenden gegebenenfalls Eisenchlorid, Eisensulfat oder Aluminiumchlorid, um bei einem Überangebot von Phosphat dieses aus dem Wasser zu entfernen. Dies erfolgt, indem das „Eisen“ oder „Aluminium“ das Phosphat zu einer im Wasser nicht löslichen Verbindung umwandelt, die dann im Nachklärbecken zu Boden „fällt“ (daher der Fachbegriff Fällung). In einer Pflanzenkläranlage erfolgen diese Fällungsreaktionen aufgrund des im Bodenkörper vorhandenen Eisensalzes oder anderer Mineralien. Darüber hinaus wird Phosphor im Rahmen der Pflanzenphysiologie als Nährstoff aufgenommen und kann dem Wasser so entzogen werden. Dieser Vorgang kann aber nur vollzogen werden, sofern die gewachsene Pflanzenbiomasse regelmäßig entfernt wird, da ansonsten der Phosphor im Zuge der Verrottung wieder dem Wasser zugeführt wird. Im Gegensatz zu Stickstoff kann Phosphor nicht in gasförmiger Form abgeschieden werden, was im weiteren bedeutet, dass Pflanzenkläranlagen eine endliche Menge an Phosphor aufnehmen können.

Insgesamt kann das gereinigte Wasser aus dem End- und Kontrollschacht wieder zu höherwertigen Nutzungen unter Beachtung der hygienischen und technischen Vorschriften verwendet werden. Dies bedeutet eine Kreislaufschließung und Wiedernutzung und ist ganz besonders für die Wasserwirtschaft in Ländern, in denen Wassermangel herrscht, nützlich.

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.

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