Abwasserreinigung in kommunalen Kläranlagen


Kommunale Kläranlage

Eine Kläranlage (Abwasserreinigungsanlage), dient der Reinigung von Abwasser, das von der Kanalisation gesammelt und zu ihr transportiert wurde.
Zur Reinigung der unerwünschten Bestandteile der Abwässer werden mechanische (auch physikalische genannt), biologische und chemische Verfahren eingesetzt. Moderne Kläranlagen sind dementsprechend dreistufig, wobei in jeder Reinigungsstufe eine Verfahrensart im Vordergrund steht. Die erste Kläranlage auf dem europäischen Festland wurde 1882 in Frankfurt am Main in Betrieb genommen.

Fließschema einer Kläranlage mit Anlagenteilen:



Regenentlastung
Rechenanlage
Sandfang
Vorklärbecken
Belebungsbecken - Biologische Stufe
Nachklärbecken
Schlammbehandlungsanlagen (Faulturm und Entwässerung)

Regenentlastung
Wenn Regen- und Schmutzwasser in einem Kanal der Kläranlage zugeleitet werden (Mischsystem), muss das Kanalnetz in der Regel durch ein Regenentlastungssystem, durch einen Regenüberlauf und/oder durch ein Regenüberlaufbecken entlastet werden, damit die Kläranlage nicht überlastet wird. Dies kann entweder bereits im Kanalnetz oder auch erst in der Kläranlage geschehen.

Rechenanlage
Hier wird das Abwasser durch einen Rechen oder eine Siebtrommel geleitet. Dort bleiben die groben Verschmutzungen wie Hygieneartikel, Steine, aber auch Laub und tote Tiere hängen. Diese Grobstoffe würden erstens Pumpen auf der Kläranlage verstopfen und zweitens das Reinigungsergebnis optisch verschlechtern. Je schmaler der Durchgang für das Abwasser, desto weniger Grobstoffe enthält das Abwasser nach dem Rechen. Man unterscheidet Feinrechen mit wenigen Millimetern und Grobrechen mit mehreren Zentimetern Spaltweite. Das Rechengut wird zum Entfernen der Fäkalstoffe maschinell gewaschen, mittels Rechengutpresse entwässert (Gewichtsersparnis) und anschließend verbrannt, kompostiert (Dünger) oder auf einer Deponie abgelagert.

Sandfang
Ein Sandfang ist ein Absetzbecken mit der Aufgabe, grobe, absetzbare Verunreinigungen aus dem Abwasser zu entfernen, so beispielsweise Sand, Steine und Glassplitter. Diese Stoffe würden zu betrieblichen Störungen in der Anlage führen (Verschleiß, Verstopfung). Als Bauform ist ein Langsandfang, ein belüfteter Langsandfang, in dem zugleich Fette und Öle an der Oberfläche abgeschieden werden oder ein Rundsandfang möglich.
Die Belüftung des Sandfangs (am Beckenboden angebracht) erzeugt eine Wirbelströmung. Durch die eingeblasene Luft verringert sich die scheinbare Dichte des Abwassers. Aufgrund beider Effekte setzen sich die schweren vorwiegend mineralischen Feststoffe (hauptsächlich Sand) am Beckenboden ab.
Bei modernen Anlagen wird das Sandfanggut nach der Entnahme aus dem Sandfang gewaschen, also sehr weitgehend von organischen Begleitstoffen befreit, um eine bessere Entwässerung und anschließende Verwertbarkeit (beispielsweise im Straßenbau) zu ermöglichen.

Vorklärbecken
Ein weiteres mechanisches Absetzbecken mit begrenzter Verweildauer. Ungelöste Stoffe (Fäkalien, Papier etc.) setzen sich ab (absetzbare Stoffe) oder schwimmen an der Oberfläche auf. Etwa 30 % der organischen Stoffe können damit entfernt werden. Es entsteht dadurch der sogenannte Primärschlamm, der zusammen mit dem überschüssigen Schlamm aus der Belebungsanlage in den Voreindicker geleitet und dort „eingedickt“ wird: der Schlamm setzt sich dabei ab und das überschüssige Wasser (Trübwasser) wird abgezogen, und dem weiteren Reinigungsprozess der Kläranlage zurückgeführt. Der eingedickte Schlamm wird zur weiteren anaeroben Behandlung in den Faulturm gepumpt.
Bei modernen Anlagen mit Stickstoffentfernung entfällt dieser Anlagenteil oft oder ist klein bemessen, da die organischen Stoffe des Abwassers als Reduktionsmittel zur Stickstoffentfernung mittels Denitrifikation(Reduktion des NO3- zu N2) im anoxischen Teil beziehungsweise der anoxischen Phase der biologischen Stufe benötigt werden.
Ebenso wird dieser Anlagenteil bei Kläranlagen mit simultaner aerober Schlammstabilisierung in der biologischen Stufe nicht verwendet, da sonst weiterhin nicht stabilisierter Primärschlamm anfallen würde.

Belebungsbecken - Biologische Stufe
In diesem Verfahrensteil werden durch Mikroorganismen die organischen und gelösten Stoffe des Abwassers abgebaut und anorganische Stoffe teilweise oxidiert. Hierzu wird Luft (Sauerstoff) zur Beatmung der Kleinstlebewesen benötigt. Zu diesem Zweck wurden zahlreiche Verfahren entwickelt (zum Beispiel das Belebtschlammverfahren, das Tropfkörperverfahren, das Tauchkörperverfahren, das Festbettreaktorverfahren).
Der Großteil der kommunalen Kläranlagen in Mitteleuropa wird nach dem Belebtschlammverfahren betrieben. Hierbei werden in sogenannten Belebungsbecken durch künstliches Belüften mit Belebtschlamm (Massen von flockig aggregierten Bakterien) versetzten Abwassers die Abwasserinhaltsstoffe des frischen Abwassers abgebaut. Dabei werden von aeroben (Sauerstoff verbrauchenden) Bakterien und anderen Mikroorganismen Kohlenstoffverbindungen größtenteils zu Kohlenstoffdioxid abgebaut und teilweise zu Biomasse umgesetzt sowie der Stickstoff aus den organischen Verbindungen durch wieder andere Bakterien zunächst als Ammoniak abgespalten und dieses mit Sauerstoff zu Nitrat oxidiert (Nitrifikation). Das Belebtschlammverfahren wird zumeist mit kontinuierlichem Durchlauf betrieben, das heißt, in das Belebungsbecken läuft kontinuierlich Abwasser zu und kontinuierlich läuft im selben Maß Belebtschlamm enthaltendes Wasser ab. Durch die Zugabe von Fällmitteln kann mittels chemischer Reaktionen außerdem der Nährstoff Phosphor entfernt werden. Dies verbessert auch die Absetzeigenschaften des Belebtschlammes im Nachklärbecken.
Es gibt verschiedene technische Ausführungsvarianten des Belebtschlammverfahrens, z. B. vorgeschaltete und nachgeschaltete sowie simultane Denitrifikation. Hierbei finden die Nitrifikation und Denitrifikation entweder im selben oder in getrennten Becken, hier dann in unterschiedlicher Anordnung zueinander, statt.
Eine Sonderform stellt das SBR - Verfahren dar (SBR = Sequence Batch Reactor), das die biologische Reinigung und die - nachfolgend beschriebene - Nachklärung in einem einzigen Becken vereinigt. Hierbei läuft das Abwasser nicht kontinuierlich zu, sondern immer nur eine begrenzte Menge, die dann nach dem Belebtschlammverfahren gereinigt wird (Nitrifikation und Denitrifikation). Anschließend erfolgt - im selben Becken - die Absetzphase (also die Nachklärung) und abschließend wird der Zuwachs an Belebtschlamm abgefördert. Im Anschluss daran wird der nächste Abwasserschub eingeleitet und gereinigt. Beim SBR-Verfahren wird folglich ein vorgeschaltetes Pufferbecken benötigt, in dem die während des Reinigungsvorganges weiterhin zulaufende Abwassermenge zwischengespeichert wird.
Welches das beste Reinigungsverfahren ist, lässt sich nicht pauschal sagen. Es ist vom Planer zu prüfen, welche Reinigungsmethode im Einzelfall unter den gegebenen Voraussetzungen die am besten geeignete und kostengünstigste Lösung ist.

Nachklärbecken
Das Nachklärbecken bildet eine Prozesseinheit mit dem Belebungsbecken. In ihm wird der Belebtschlamm durch Absetzen aus dem Abwasser abgetrennt. Ein Teil des Schlammes wird in das Belebungsbecken zurückgeführt (Rücklaufschlamm), um die Konzentration an Mikroorganismen im Belebungsbecken ausreichend hoch zu erhalten. Anderenfalls wäre die Abbauleistung darin zu niedrig. Der Überschuss (Zuwachs an Biomasse, Überschussschlamm) wird zur Weiterbehandlung in der Regel zusammen mit dem Schlamm des Vorklärbeckens in den Voreindicker abgeführt.
Der Belebtschlamm muss gute Absetzeigenschaften aufweisen. Ist dies nicht der Fall, beispielsweise durch massenweises Wachstum fadenförmiger Mikroorganismen, was zur Blähschlammbildung führt, treibt der Belebtschlamm aus dem Nachklärbecken in das Gewässer ab, in das das gereinigte Abwasser eingeleitet wird.
Dadurch wird nicht nur das Gewässer beeinträchtigt. Da dann nicht mehr genug Schlamm im System Belebungsbecken/Nachklärbecken gehalten werden kann, sinkt die Reinigungsleistung und das Schlammalter (die mittlere Aufenthaltsdauer der Biomasse im System) nimmt ab. Zuerst sind daher von einem derartigen Versagen die langsam wachsenden Bakterien (beispielsweise die Nitrifikanten, die Ammoniak zu Nitrat oxidieren) betroffen. Besonders Abwässer mit leicht abbaubaren organischen Stoffen (beispielsweise aus der Lebensmittelindustrie) neigen zur Blähschlammbildung. Die Vorschaltung kleiner, nicht oder gering belüfteter Becken vor dem Belebungsbecken (Selektoren) kann die Blähschlammbildung vermeiden.

Schlammbehandlungsanlagen (Faulturm und Entwässerung)
Der durch den Abbau der Abwasserinhaltsstoffe entstehende Biomassezuwachs wird als Klärschlamm beseitigt, meist aber in sogenannten Faulbehältern unter anaeroben (das heißt sauerstofffreien) Bedingungen durch anaerobe Bakterienstämme zu Faulschlamm und brennbarem Faulgas (im Wesentlichen ein Gemisch aus Methan und Kohlenstoffdioxid) abgebaut.
In der Praxis werden bei der Schlammfaulung die im Rohschlamm enthaltenen rund 70 Prozent organischen Stoffe bei der anaeroben Umsetzung auf etwa 50 Prozent organische Stoffe im Faulschlamm vermindert. Theoretisch ginge der Abbau noch weiter, verliefe aber sehr viel langsamer. Die restliche organische Substanz ist nämlich schwer abbaubar. Im technischen Sinne gilt der Schlamm mit einem Glühverlust von etwa 50 Prozent als sehr gut ausgefault und stabil.
Als Abbauprodukt entsteht bei der Faulung Faulgas. Dies wird häufig in gereinigter Form (Entfernung zum Beispiel von Schwefelwasserstoff) in Gasmotoren (oder auch Blockheizkraftwerken) zur Deckung des Eigenbedarfs an Strom (und Wärme) genutzt.
Der Faulschlamm wird anschließend in den sogenannten Nacheindicker geleitet. Dort wird er durch Absetzen eingedickt, um das Volumen und den Wassergehalt weiter zu verringern. Mit speziellen, höhenverstellbaren Abzugsvorrichtungen wird das Trübwasser gezielt abgezogen.
Der entstehende Schlamm wird in Filterpressen oder Dekanterzentrifugen noch weiter entwässert und in Müllverbrennungsanlagen verbrannt oder in Kraftwerken thermisch verwertet. Der Schlamm kann nicht auf Mülldeponien gefahren werden, weil er immer noch als Abwasser gilt und nicht als Abfall. Außerdem darf organischer Abfall seit 2004 nicht mehr auf Deponien abgelagert werden.