Kläranlage

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Eine Kläranlage, in der Schweiz und Österreich auch ARA (Abwasserreinigungsanlage) genannt, dient der Reinigung von Abwasser, das von der Kanalisation gesammelt und dorthin transportiert wird.

Zur Reinigung der Gewässer verunreinigenden Bestandteile der Abwässer werden mechanische (auch physikalische genannt), biologische und chemische Verfahren eingesetzt. Da diese Verfahrensarten nacheinander in verschiedenen Reinigungsstufen eingesetzt werden, nennt man moderne Kläranlagen „dreistufig“.

Die erste Kläranlage auf dem europäischen Festland wurde 1882 in Frankfurt am Main in Betrieb genommen.

Klärwerk Kiel-Bülk mit 380.000 EW
Luftbild einer Kläranlage am Main, westlich Hanau-Kesselstadt
Kläranlage in Emden
Kläranlage im VEB Synthesewerk Schwarzheide (1990)
Kläranlage Heidelberg-Grenzhof
Nachklärbecken in ARE Merchtem, Belgien

Fließschema


Beispielfließschema einer kommunalen Kläranlage mit Vorklärung

Beispielfließschema einer kommunalen Kläranlage mit Vorklärung


Beispielfließschema einer kommunalen Kläranlage ohne Vorklärung

Beispielfließschema einer kommunalen Kläranlage ohne Vorklärung und ohne Schlammfaulung

Anlagenteile

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. Wenn keine derartigen Einrichtungen vorhanden sind, muss die Kläranlage eine höhere Leistung haben. Dem gegenüber steht das Trennsystem. Hier wird das Schmutzwasser in einer separaten Rohrleitung der Kläranlage zugeführt, während das Regenwasser durch einen eigenen Kanal, ggf. nach Reinigung in einem Regenklärbecken, direkt in ein Oberflächengewässer geleitet wird.

Mechanische Vorreinigung

Rechen

Hauptartikel: Rechen

In der Rechenanlage wird das Abwasser durch einen Rechen oder durch ein Sieb geleitet. Im Rechen bleiben grobe Verschmutzungen, wie Artikel der Monatshygiene, Präservative, Steine, aber auch Laub und tote Tiere hängen. Diese Grobstoffe würden sowohl die Pumpen der Kläranlage verstopfen als auch das biologische Reinigungsergebnis 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 oder kompostiert (Dünger).

Sandfang

Hauptartikel: Sandfang

Ein Sandfang ist ein Absetzbecken mit der Aufgabe, grobe, absetzbare Verunreinigungen aus dem Abwasser zu entfernen, so beispielsweise Sand, kleine Steine oder 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, ein
  • Rundsandfang oder ein
  • Tiefsandfang möglich.

Die Belüftung des Sandfangs (am Beckenboden angebracht) erzeugt eine Wirbelströmung. Durch die eingeblasene und gelöste Luft verringert sich die Dichte des Abwassers. Aufgrund beider Effekte setzen sich die schweren, vorwiegend mineralischen, Feststoffe (hauptsächlich Sand) am Beckenboden ab. Beim Tiefsandfang strömt das Abwasser von oben in das Becken und erreicht durch dessen Tiefe eine relativ hohe Verweildauer, wodurch sich der schwerere Sand am Beckengrund (Sandtrichter) absetzt. 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

Das Schmutzwasser fließt langsam durch das Vorklärbecken. Ungelöste Stoffe (Fäkalien, Papier etc.) setzen sich ab (absetzbare Stoffe) oder schwimmen an der Oberfläche auf. Etwa 30 Prozent der organischen Stoffe können damit entfernt werden. Es entsteht Primärschlamm, der bei den meisten Kläranlagen in den sogenannten Voreindicker kommt (siehe Schema oben). Zusammen mit dem überschüssigen Schlamm aus der aeroben Belebungsanlage wird er dort eingedickt. Der Schlamm setzt sich 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 in 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.

Biologische Stufe

Die Vorgänge laufen wie bei der Selbstreinigung der Gewässer ab. Im Belüftungsbecken können aerobe Kleinstlebewesen (Bakterien, Hefen) unter ständiger Luftzufuhr die im Abwasser noch enthaltenen biologischen Verunreinigungen abbauen. In diesem Verfahrensteil werden durch Mikroorganismen die organischen Stoffe des Abwassers abgebaut und anorganische Stoffe teilweise oxidiert. Hierzu wird auch Luft hineingepumpt. Zu diesem Zweck wurden zahlreiche Verfahren entwickelt (zum Beispiel das Belebtschlammverfahren, das Tropfkörperverfahren, das Tauchkörperverfahren, das Festbettreaktorverfahren).

Belebungsbecken

Hauptartikel: Belebtschlammverfahren

Der Großteil der kommunalen Kläranlagen in Mitteleuropa wird nach dem Belebtschlammverfahren betrieben. Damit werden in sogenannten Belebungsbecken durch Belüften des mit Belebtschlamm (Massen von flockig aggregierten Bakterien) versetzten Abwassers die Abwasserinhaltsstoffe des frischen Abwassers biotisch oxidativ abgebaut. Dabei werden von aeroben (Sauerstoff verbrauchenden) Bakterien und anderen Mikroorganismen (z. B. Hefen) Kohlenstoffverbindungen größtenteils zu Kohlenstoffdioxid abgebaut und teilweise zu Biomasse umgesetzt sowie der Stickstoff aus den organischen Verbindungen durch andere Bakterien zunächst als Ammoniak abgespalten und dieses mit Sauerstoff zu Nitraten 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, gegebenenfalls durch Simultanfällung. Dies verbessert auch die Absetzeigenschaften des Belebtschlamms im Nachklärbecken.

Es gibt verschiedene technische Ausführungsvarianten des Belebtschlammverfahrens, insbesondere vorgeschaltete, nachgeschaltete und simultane Denitrifikation. Hierbei finden 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 in begrenzter 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 Belebtschlamm abgefördert. Anschließend wird der nächste Abwasserschub eingeleitet und gereinigt. Beim SBR-Verfahren werden mindestens zwei Becken benötigt, entweder ein zweites Belebungsbecken oder ein Pufferbecken, in dem die während des Reinigungsvorganges zulaufende Abwassermenge gereinigt oder zwischengespeichert wird.

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 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 (sogenannter Vorfluter). Damit wird nicht nur das Gewässer beeinträchtigt. Da dann nicht 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. Eine spezielle Form des Nachklärbeckens ist der trichterförmige Dortmundbrunnen.

Festbettverfahren

Hauptartikel: Festbettverfahren

Beim Festbettverfahren dienen verschieden geformte Festkörper als Grundlage zum Aufwuchs von Mikroorganismen, die die Schmutzstoffe abbauen. Diese Festkörper werden abwechselnd in Abwasser und Luft getaucht, damit die Mikroorganismen sowohl mit den Schmutzstoffen als auch mit dem zu deren oxidativen Abbau erforderlichen Sauerstoff in Kontakt kommen. Aus biochemischer Sicht geschieht hier im Grunde dasselbe wie beim obigen Belebtschlammverfahren.[1]

Faulturm

Faulturm

Der durch den Abbau der Abwasserinhaltsstoffe entstehende Biomassezuwachs wird als Klärschlamm beseitigt, meist aber in sogenannten Faulbehältern unter anaeroben (sauerstofffreien) Bedingungen durch anaerobe Bakterienstämme zu Faulschlamm und brennbarem Faulgas (im Wesentlichen ein Gemisch aus Methan und Kohlenstoffdioxid) abgebaut.

Es gibt vier Abbauphasen im Faulturm: Hydrolysephase, Versäuerungsphase, acetogene Phase und methanogene Phase.

In der Praxis werden bei der Schlammfaulung die im Rohschlamm enthaltenen rund 70 Prozent organische 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, da die restliche organische Substanz schwer abbaubar ist. Im technischen Sinne gilt der Schlamm bei einem Glühverlust von etwa 50 Prozent als sehr gut ausgefault und stabil.

Als Abbauprodukt entsteht bei der Faulung Faulgas. Es handelt sich um ein Gasgemisch, das etwa folgendermaßen zusammengesetzt ist:

Dieser Prozess entspricht der Erzeugung von Biogas in einer Biogasanlage. Die Faulbehälter sind oft eiförmig und werden dann als Faulturm bezeichnet (siehe Abbildung).

Das Faulgas wird häufig abgefackelt. Alternativ kann das Gas in gereinigter Form (Entfernung zum Beispiel von Schwefelwasserstoff) in Gasmotoren oder in Blockheizkraftwerken zur Deckung des Eigenbedarfs an Strom und Wärme genutzt werden.

Der Faulschlamm wird anschließend in den sogenannten Nacheindicker (siehe obiges Schema) 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 kann, wenn er frei von Schadstoffen und Giften ist, in der Landwirtschaft als organischer Dünger (Klärdünger) verwendet werden. Andernfalls wird er in Filterpressen oder Dekanterzentrifugen noch weiter entwässert und in Müllverbrennungsanlagen bzw. Kraftwerken thermisch verwertet. Der Schlamm kann nicht auf Mülldeponien gelagert werden, weil er immer noch als Abwasser gilt und nicht als Abfall. Außerdem darf organischer Abfall seit 2004 nicht mehr auf Deponien abgelagert werden.

Reinigungsprozesse

1. Stufe: Mechanische Verfahren bilden zumeist die erste Reinigungsstufe. Hier werden etwa 20 bis 30 Prozent der festen (ungelösten) Schwimm- und Schwebstoffe entfernt. In der weitergehenden Abwasserreinigung und der Industriewasserwirtschaft werden unter anderem Adsorption, Filtration und Strippung eingesetzt.

2. Stufe: Biologische Verfahren werden in der zweiten Reinigungsstufe kommunaler Abwasserreinigungsanlagen und für den Abbau organisch hochbelasteter Abwässer in der aeroben und anaeroben Abwasserreinigung eingesetzt. Sie verwenden mikrobiologische Abbauvorgänge. Dabei werden abbaubare organische Abwasserbestandteile möglichst vollständig mineralisiert, das heißt in der aeroben Abwasserreinigung bis zu den anorganischen Endprodukten Wasser, Kohlenstoffdioxid, Nitrat, Phosphat und Sulfat abgebaut. In der anaeroben Abwasserreinigung werden sie zu organischen Säuren, Methan und Kohlenstoffdioxid umgesetzt. Üblicherweise werden damit die Kohlenstoffverbindungen aus dem Abwasser entfernt. Ebenso erfolgt die Entfernung von organisch gebundenem Stickstoff und Ammonium durch bakterielle Nitrifikation und Denitrifikation. Zunehmend wird in mittleren und großen Kläranlagen auch der Phosphor bakteriell eliminiert.

3. Stufe: Abiotisch-chemische Verfahren bedienen sich chemischer Reaktionen wie Oxidation und Fällung ohne Beteiligung von Mikroorganismen. Sie dienen in der kommunalen Abwasserreinigung vor allem der Entfernung von Phosphor durch Fällungsreaktionen (Phosphorelimination). Dieser Prozess hat große Bedeutung zur Vermeidung der Eutrophierung der Vorfluter. Zudem werden abiotisch-chemische Verfahren zur Fällung in der Industriewasserwirtschaft und zur weitergehenden Abwasserreinigung (beispielsweise Flockung/Fällung/Filtration) eingesetzt.

4. Stufe: Seit etwa Ende der 1980er-Jahre sind teilweise weitergehende Reinigungsverfahren entwickelt worden, die zwar schon serienreif sind, die sich jedoch aufgrund ihrer teilweise sehr hohen Betriebskosten noch nicht durchsetzen konnten. Hier ist beispielsweise die Abwasserfiltration sowie die Entkeimung zu nennen.

Die Prozesse in Kläranlagen können mathematisch durch ihre Reaktionskinetik (Makrokinetik) beschrieben werden.

Prozess Kläranlagenkomponente Zweck
 
Physikalische Verfahren
Siebung Rechen, Trommelsieb, Mikrosieb Entfernung von größeren Feststoffen und Schwimmstoffen
Abscheidung Schwimmstoff- beziehungsweise Ölabscheider Entfernung von Fetten und Ölen
Sedimentation Sandfang, Absetzbecken, Zentrifugalabscheider, Vor- und Nachklärbecken Entfernung kleinerer Schwimmstoffe, Sand, geflockter Schwebstoffe
Separation Nachklärbecken Entfernung des Belebtschlamms aus dem gereinigten Abwasser
Filtration Sandfilter Entfernung von Schwebstoffen
Flotation Flotationsbecken Entfernung von feinen Schmutzpartikeln durch Einblasen von Luft
Adsorption Aktivkohlefilter Anlagerung von beispielsweise Halogenkohlenwasserstoffe (AOX) oder Farbstoffen
Thermodesinfektion
(siehe Desinfektion)
Thermodesinfektionsanlage Durch erhöhte Temperatur werden Krankheitserreger abgetötet (Krankenhäuser, Labore, Pharmaindustrie).
Strippen Strippbecken Entfernung durch Einblasen von Luft/Gasen. Damit werden in Entsprechung des Dampfdrucks gelöste Abwasserinhaltsstoffe in die gasförmige Phase übergeführt und somit aus dem Wasser entfernt.
Verminderung der Radioaktivität Abklinganlage Durch entsprechend lange Verweildauer vermindert sich die radioaktive Belastung von Abwässern entsprechend der Halbwertszeit der Radionuklide. Einsatz in Labors, Krankenhäusern etc.
Kühlung Kühlturm, Kühlteich, Wärmeübertrager etc. Verminderung der Temperatur, um nachfolgende Reinigungsprozesse oder die Einleitung in den Vorfluter zu ermöglichen. Kann auch zur Wärmerückgewinnung dienen.
Biologische Verfahren
Biochemische Oxidation Belebtschlammverfahren, Tropfkörper Aerober Abbau organischer Bestandteile zu anorganischen Endprodukten (H2O, CO2, NO3-, N2, PO4---, SO4--) durch Belebtschlämme (Belebungsbecken) beziehungsweise Bakterienrasen (Tropfkörper). Durch geeignete Betriebsführung bei Belebungsanlagen kann die Phosphoraufnahme in die Biomasse optimiert werden (Bio-P). Somit ist weniger Fällmittel zur Phosphorelimination erforderlich.

Grundsätzliches Ziel ist stets, zu entfernende Abwasserinhaltsstoffe durch biologische Prozesse (Veratmung, Biomassewachstum) in Formen zu überführen, die durch Sedimentation oder Stripping (gasförmiges Austreiben) aus dem Abwasser entfernt werden können und zudem möglichst unschädlich sind.
Biochemische Oxidation bei Kleinkläranlagen Pflanzenkläranlage, Sandfilterkläranlage, Belebtschlammverfahren, Tropfkörper Aerober und anaerober Abbau in flachen Becken und anschließendem Bodendurchgang bei Pflanzenkläranlagen oder Abbau durch Belebtschlämme in Belebungsbecken oder durch Bakterienrasen in Tropfkörpern
Schlammfaulung Faulturm Anaerober Abbau organischer Bestandteile des Primär- beziehungsweise Überschussschlamms zu anorganischen Endprodukten: Kohlenstoffdioxid (CO2), Methan (CH4), Ammoniak (NH3), Schwefelwasserstoff (H2S)
Anaerobe Abwasserreinigung Reaktor Anaerober Abbau organischer Bestandteile zu anorganischen Endprodukten: Kohlenstoffdioxid (CO2), Methan (CH4), Ammoniak (NH3), Schwefelwasserstoff (H2S). Besonders für organisch hochbelastete Abwässer geeignet (beispielsweise Lebensmittelindustrie, Tierkörperbeseitigung).
Chemische Verfahren
Flockung Flockungsbecken Entfernung von Kolloidstoffen und feinen Schmutzpartikeln durch Flockungsmittelzugabe beziehungsweise Einstellung des pH-Wertes
Neutralisation/pH-Wert-Einstellung Neutralisationsbecken Einstellung des gewünschten pH-Wertes durch die Zugabe von Säure oder Base.
Fällung Fällungsbecken Ausfällung von Phosphationen (PO43-) mit Eisen- und Aluminiumsalzen
Simultanfällung Belebungsbecken/Nachklärbecken Entfernung von Phosphor (als Phosphat) durch Zugabe von Eisen- oder Aluminiumsalzen zum Belebtschlamm.
Vorfällung Mischbecken/Vorklärbecken Entfernung von Phosphor (als Phosphat) durch Zugabe von Eisen- oder Aluminiumsalzen vor dem Vorklärbecken.
Nachfällung Mischbecken/Absetzbecken nach dem Nachklärbecken Entfernung von Phosphor (als Phosphat) durch Eisen- oder Aluminiumsalzen nach dem Vorklärbecken.
Abiotische Oxidation Sonderbecken Zerstörung biotisch nicht abbaubarer organischer Verbindungen beispielsweise durch Ozon oder Ultraviolettstrahlung. Gegebenenfalls mit dem Ziel, die Reste biotisch abbauen zu können (beispielsweise Entfärbung von Abwasser)
Desinfektion Sonderbecken Abtötung von Krankheitserregern durch Chlor- oder Ozonzugabe oder durch Ultraviolettstrahlung

Belastungskenngrößen

Die Belastung von Kläranlagen wird nach Einwohnerwerten (EW) bestimmt. Dabei handelt es sich um die Summe aus den tatsächlichen Einwohnern (Einwohnerzahl, EZ) und den Einwohnergleichwerten (EGW). Der Einwohnergleichwert ist die Vereinbarungsgröße der für einen „Standardeinwohner“ anzusetzenden Emission an Abwasser. Für gewerbliche, industrielle und landwirtschaftliche Produktion werden auf Produktionsgrößen bezogenen Belastungen (beispielsweise 10 EW BSB5 pro ha Weinbaufläche) angegeben. Zu beachten ist jedoch, dass sich die Verhältnisse zwischen den einzelnen Parametern verschieben können. Abwässer können höher konzentriert sein (weniger Abwassermenge bei gleicher Schmutzfracht), oder sie können beispielsweise reich an organischen Kohlenstoffverbindungen und dafür nährstoffarm sein. Der Gehalt an biotisch abbaubaren Stoffen wird mit dem Summenparameter Biochemischer Sauerstoffbedarf, abgekürzt BSB, quantifiziert. In der Regel wird er mit dem biochemischen Sauerstoffverbrauch in Milligramm innerhalb von fünf Tagen unter Standardbedingungen gemessen und als BSB5 bezeichnet (siehe unten). Für den biotischen Abbau muss ein Nährstoffverhältnis von BSB5:N:P von etwa 100:5:1 gegeben sein, um die Mikroorganismen ausreichend mit Stickstoff und Phosphor zu versorgen. Dies fußt auf der Annahme, dass etwa die Hälfte der abgebauten organischen Stoffe zum Biomassewachstum verwendet wird und Biomasse in der Trockensubstanz zu etwa zwölf Prozent aus Stickstoff und zu etwa zwei Prozent aus Phosphor besteht.

Ein Einwohnerwert, abgekürzt EW, entspricht folgenden Größen:

Abwassermenge

Als Belastung der Kläranlage mit Abwasser wurde früher ein Schmutzwasseranfall von 150 bis 200 Liter pro Einwohner und Tag angesetzt. Der Schmutzwasseranfall entspricht etwa dem Wasserverbrauch. Für Neuplanungen oder Vorausplanungen wird inzwischen der ortsspezifische Wasserverbrauch ermittelt und eine Abschätzung für die Zukunft versucht. Üblicherweise werden Schmutzwassermengen um die 130 Liter pro Einwohner und Tag angesetzt.

Dieser Wert berücksichtigt die in Mitteleuropa bei dichten Kanalnetzen üblichen Werte. Für die Bemessung der Kläranlage wird jedoch in der Regel ein Zuschlag für Fremdwasser (undichte Kanäle, Einleitungen von Drainagen und dergleichen) berücksichtigt. Dieser kann bis 100 Prozent des Schmutzwasseranfalls betragen. Die Fremdwassermenge wird auf die angeschlossene versiegelte Fläche bezogen und sollte nicht mehr als 0,15 l/(s×ha) betragen.

Bei Mischkanalisationen (Regenwasser und Schmutzwasser in einem Kanal) sind entsprechende Zuschläge zur Abarbeitung des Regenwassers zu berücksichtigen, die meist mit 100 Prozent der Tagesspitze bei Trockenwetter angesetzt werden.

Für die hydraulische Berechnung (Zahl und Größe der Förderpumpen) der Kläranlage ist zudem der Tagesgang der Belastung von Bedeutung. Die durchschnittliche Tagesfracht ist daher zur Bemessung nicht durch 24 Stunden, sondern durch eine kleinere Zahl (10 bis 14) für den maximalen Stundenwert zu teilen.

Verschmutzungsgrad

BSB5

Beim BSB5-Wert, dem biochemischen Sauerstoffbedarf während einer Messzeit von fünf Tagen bei 20 °C, wird jener Sauerstoffbedarf erfasst, der durch die Oxidation von organischen Stoffen durch aerobe Mikroorganismen entsteht. Er gehört zu den sogenannten Summenparametern, da damit nicht der Abbau von Einzelverbindungen bestimmt werden kann.

Die bakterielle Oxidation von Ammoniak (NH3), Ammonium (NH4+) und Nitrit (NO2-) zu Nitrat (NO3-), Nitrifikation genannt, soll nicht erfasst werden und wird bei der Messung durch einen Hemmstoff, beispielsweise Allylthioharnstoff (ATH) oder Natriumhydroxid-Plätzchen, unterbunden.

Als üblicher Wert für den BSB5 werden 60 Gramm pro Einwohnerwert und Tag angesetzt. Davon können etwa 20 Gramm in der Vorklärung durch Sedimentation entfernt werden. Für Bestimmung des BSB sind folgende Voraussetzungen notwendig:

  1. Die angesetzte Probe muss während der gesamten Zehrungszeit ausreichend Sauerstoff, das sind mindestens zwei Milligramm pro Liter, enthalten
  2. Die angesetzte Probe muss genügend Bakterien enthalten. Sie sind im normalen Abwasser reichlich vorhanden. Bei speziellen Abwässern gewerblicher Betriebe (z. B. Deponie-Sickerwasser-Reinigung) müssen Bakterien zugesetzt werden. Man „impft“ mit 0,3 Milliliter häuslichem Abwasser je Liter angesetzter Probe.
  3. In der angesetzten Probe müssen genügend Stickstoff und Phosphat als Nährstoffe enthalten sein.
  4. Die angesetzten Proben müssen während der fünf Tage möglichst genau bei 20 °C und im Dunkeln, am besten in einem Thermoschrank, aufbewahrt werden.

Chemischer Sauerstoffbedarf

Hauptartikel: Chemischer Sauerstoffbedarf

Der chemische Sauerstoffbedarf, abgekürzt auch CSB, gehört ebenfalls zu den sogenannten Summenparametern, da damit keine Einzelverbindungen quantifiziert werden können. Er wird mittels der Oxidation der Abwasserinhaltsstoffe durch Kaliumdichromat bestimmt und erfasst den Sauerstoffbedarf zur Oxidation eines Großteils der organischen Stoffe. Sind im Abwasser auch oxidierbare anorganische Verbindungen wie beispielsweise Sulfite enthalten, werden diese ebenfalls als chemischer Sauerstoffbedarf erfasst. Dieser Parameter wird ebenfalls zur Bilanzierung der Anlage herangezogen.

Für den chemischen Sauerstoffbedarf wird ein Wert von 120 Gramm pro Einwohnerwert und Tag angesetzt.

Stickstoff

Stickstoff liegt im Rohabwasser hauptsächlich organisch gebunden (zum Beispiel in Proteinen, Nukleinsäuren, Harnstoff) und in Form von Ammonium-Ionen (NH4+) sowie in geringen Anteilen auch in Form von Nitrat- (NO3-) und Nitrit-Ionen (NO2-) vor.

Angesetzt werden hier etwa zehn bis zwölf Gramm pro Einwohnerwert und Tag.

Phosphor

Phosphor liegt organisch als Phosphatgruppe gebunden und als freies Phosphat vor. Hier werden etwa 1,8 Gramm pro Einwohnerwert und Tag angenommen.

Energieverbrauch

Für die Gemeinden in Deutschland sind die Stromkosten für Kläranlagen normalerweise der höchste Posten aller Einrichtungen. Im Durchschnitt sind es rund 20 Prozent des kommunalen Energieverbrauchs. Bundesweit werden dafür 4400 Gigawattstunden Energie im Jahr verbraucht (2009).[2]

Davon erfordert in der Regel das Druckbelüftungssystem im Belebungsbecken den mit Abstand größten Energieaufwand von allen Verfahrensschritten einer kommunalen Abwasserbehandlungsanlage. Der Energieverbrauch für die Belüftung liegt im Durchschnitt bei etwa 50 Prozent des gesamten Energiebedarfs. Danach folgen die kontinuierlich laufenden Pumpen und die drittgrößte Verbrauchergruppe bilden in der Regel die fortlaufenden Rührwerke. Diese drei Hauptkomponenten verbrauchen in normal geführten Anlagen über 80 Prozent der Energie.[3]

Folgende Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz werden unter anderem vorgeschlagen:[4]

  • Durch Austausch, Optimierung und Regelung der Belüfter können bis über 50 Prozent der Belüftungsenergie eingespart werden.
  • Verbesserung der Betriebsführung zur Vermeidung von Druckverlusten.
  • Einsatz moderner Pumpen mit der höchsten Effizienzklasse (EFF 1).
  • Transparente Überwachung (Monitoring). Mehr Stromzähler. Druckverlusterkennung bei den Belüftungseinrichtungen. Übersichtliche Anordnung der Messinstrumente.
  • Mechanische Entwässerung vor der Einbringung in den Faulbehälter zur Reduzierung der Beheizungsenergie.
  • Effiziente Nutzung der Faulgase zur Stromerzeugung.
  • Trocknungsprozesse über Sonnenenergie oder Abwärme.
  • Benutzung eines modernen Blockheizkraftwerkes zur Faulgasverstromung. Damit erreicht man einen Eigenversorgungsgrad von etwa 33 Prozent des Strombedarfs(Stand 2009).

Siehe auch

Quellen

  1. Die biologische Reinigungsstufe. In: System S&P. (Festbett- und Belebtschlammverfahren).
  2. Energieeffizienz kommunaler Kläranlagen, Umweltbundesamt, Okt. 2009, S. 3 (PDF; 2,7 MB)
  3. Energieeffizienz kommunaler Kläranlagen, Umweltbundesamt, Okt. 2009, S. 4-5 (PDF; 2,7 MB)
  4. Energieeffizienz kommunaler Kläranlagen, Umweltbundesamt, Okt. 2009, S. 6-8 (PDF; 2,7 MB)

Weblinks

 Commons: Kläranlage – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Kläranlage – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen