Kläranlage

mini|hochkant=1.5|Klärwerk Kiel-Bülk mit 380.000 Einwohnerwerten (EW) Eine Kläranlage, auch Abwasserbehandlungsanlage oder Klärwerk, in der Schweiz und in Österreich auch Abwasserreinigungsanlage (ARA) genannt, ist eine technische Anlage zur Reinigung von Abwasser. Zur Beseitigung 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 konventionelle Kläranlagen in der Regel „dreistufig“. Mittlerweile werden Kläranlagen auch mit einer vierten ReinigungsstufeHersteller sollen für Abwasserklärung zahlen. In: Frankfurter Allgemeine Zeitung für Deutschland, Nummer 227/2019 vom 30. September 2019, S. 15. ausgerüstet, wobei hier über verschiedene Verfahren (z. B. Ozonung, Aktivkohlefiltration) Mikroverunreinigungen (z. B. Arzneimittelrückstände, Pestizide) aus dem Abwasser entfernt werden. Die erste Kläranlage auf dem europäischen Festland wurde 1887 in Frankfurt-Niederrad in Betrieb genommen.

Weltweit fallen mit Stand 2018 pro Jahr rund 1000 Kubikkilometer Abwasser an. Hiervon werden in den Industriestaaten ca. 70 % durch Kläranlagen gereinigt, in wenig entwickelten Staaten jedoch nur etwa 8 %.

Fließschema

Anlagenteile mini|Synthesewerk Schwarzheide (1990) mini|Kläranlage in Leer (Ostfriesland) mini|Kläranlage Heidelberg-Grenzhof mini|Nachklärbecken in ARE Merchtem, Belgien

Zulauf Das von der Kanalisation gesammelte und im Zuge der Abwasserbeseitigung zur Kläranlage transportierte Abwasser gelangt zum Zulauf der Kläranlage, wo sich meistens eine Vorrichtung zur Messung der Zulaufmenge sowie ein Pumpwerk zum Heben des Abwassers befindet.

Regenentlastung Wenn Regen- und Schmutzwasser in einem Kanal der Kläranlage zugeleitet werden (Mischsystem), muss das Kanalnetz in der Regel um ein Regenentlastungssystem ergänzt werden. Dieses Entlastungssystem kann aus folgenden technischen Bauwerken bestehen (einzeln oder in Kombination): Regenüberlauf Regenüberlaufbecken Regenrückhaltebecken Die Anordnung solcher Bauwerke kann entweder bereits im Kanalnetz oder erst auf der Kläranlage geschehen. Das Regenentlastungssystem dient dem Zweck, eine wirtschaftliche Dimensionierung der Kläranlagen zu erreichen, indem diese eine hydraulische Belastung nur bis zu einem bestimmten Regenereignis verarbeiten müssen. Wenn keine derartigen Einrichtungen vorhanden sind, müssen die einzelnen Bauwerke der Kläranlage in der Folge größer ausfallen und die technischen Ausrüstungen, wie Pumpen, eine höhere Leistung aufbieten.

Beim Trennsystem hingegen wird das Schmutzwasser in einer eigens dafür verlegten Rohrleitung der Kläranlage zugeführt. Erlaubt ist in diesem Fall nur der Anschluss von Schmutzwasserhausanschlussleitungen. Das auf versiegelten Flächen (Straßen, Wege, Dachflächen) auftreffende Niederschlagswasser kann durch einen separaten Kanal, ggf. nach Reinigung in einem Regenklärbecken oder mittels technischer Filtration, direkt in ein Oberflächengewässer geleitet oder über verschiedene Versickerungssysteme dem Grundwasser zugeführt werden.

Mechanische Vorreinigung In der mechanischen Reinigung, auch Erste Reinigungsstufe genannt, werden größere und durch physikalische Eigenschaften leicht abtrennbare Stoffe wie Sand und Fett entfernt.

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 Äste, Zweige, Laub und tote Tiere hängen. Diese Grobstoffe würden die Pumpen der Kläranlage verstopfen oder sogar beschädigen und die Effizienz der biologischen Reinigungsstufe verschlechtern. Man unterscheidet Feinst- und Feinrechen mit wenigen Millimetern und Grobrechen mit mehreren Zentimetern Spaltweite. Das Rechengut wird in die Rechengutpresse abgeworfen, wo es maschinell gewaschen und entwässert (Gewichtsersparnis) wird. Anschließend wird es meist verbrannt, seltener kompostiert.

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, Ablagerungen). 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.

Durch die Belüftung des Sandfangs (knapp über der Beckensohle angebracht) wird eine Walzenströmung als Sekundärströmung erzeugt und damit eine Unabhängigkeit von Durchflussschwankungen erreicht. Durch die Turbulenz dieser Sekundärströmung werden organische Partikel in Schwebe gehalten, während schwerere Teilchen auf einer Absetzbahn direkt in die Sandfanggutrinne getragen werden. 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.

Fettfang

Analog zum Sandfang werden bei diesem Schritt Fette und Öle auf Grund ihrer Dichte abgeschieden. Sandfang und Fettfang sind oft in dieselbe Installation verbaut.

Vorklärung

Üblicherweise werden Vorklärbecken als Absetzbecken eingesetzt, d. h. durch angepasste geometrische Abmessungen wird die Strömungsgeschwindigkeit des Abwassers derart herabgesetzt, dass sich ein Teil der ungelösten, organischen Stoffe (Fäkalien, Papier) absetzen (absetzbare Stoffe) kann. Bei Nachrüstungen (z. B. Erweiterung der Kapazität) oder bei geringem Platzangebot kommen jedoch vereinzelt auch kompakte technische Systeme wie Polstofffilter oder Mikrosiebe zum Einsatz, die unempfindlich gegenüber Stoßbelastungen (z. B. Regenwetterzufluss) agieren. Der bei der Vorklärung entstehende Primärschlamm muss anschließend einer weiteren Behandlung, wie einem Faulturm, zugeführt werden.

Vorklärbecken werden vorwiegend auf Kläranlagen eingesetzt, auf denen der Überschussschlamm anaerob stabilisiert wird.

Bei modernen Anlagen mit Stickstoffentfernung kann dieser Anlagenteil entfallen oder ist klein bemessen, da die organischen Stoffe des Abwassers als Reduktionsmittel zur Stickstoffentfernung mittels Denitrifikation (Reduktion von Nitrat (NO3−) zu Stickstoff (N2)) im anoxischen Teil beziehungsweise in der anoxischen Phase der biologischen Stufe benötigt werden.

Biologische Stufe In der Biologische Stufe, auch Zweite Reinigungsstufe genannt, werden die nach der mechanischen Vorreinigung im Abwasser verbleibenden Verunreinigungen mit Hilfe von Mikroorganismen (vor allem Bakterien, Pilze und Protozoen) biologisch abgebaut. Im Allgemeinen findet dieser Abbau unter aeroben Bedingungen (d. h. unter Zufuhr von Sauerstoff) statt.

Belebungsbecken

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 sowie zu Biomasse umgesetzt und der Stickstoff aus den organischen Verbindungen wird durch andere Bakterien zunächst als Ammoniak abgespaltet und dann mit Sauerstoff zu Nitraten oxidiert (Nitrifikation). Das Belebtschlammverfahren wird zumeist mit kontinuierlichem Durchlauf betrieben, das heißt, in das Belebungsbecken läuft kontinuierlich Abwasser zu und im selben Maß läuft Belebtschlamm enthaltendes Wasser kontinuierlich 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. Üblicherweise besteht die biologische Stufe jedoch aus (einem oder mehreren) Belebungsbecken und (einem oder mehreren) Nachklärbecken.

Nachklärung

Das Nachklärbecken bildet eine Prozesseinheit mit dem Belebungsbecken. In ihm wird der Belebtschlamm durch Absetzen aus dem Abwasser abgetrennt. Der größere Teil des Schlammes wird in das Belebungsbecken zurückgeführt (Rücklaufschlamm), um die Konzentration an Mikroorganismen im Belebungsbecken ausreichend hoch zu halten. Anderenfalls wäre die Abbauleistung darin zu niedrig. Der Überschuss (Zuwachs an Biomasse, Überschussschlamm) wird zusammen mit dem Primärschlamm des Vorklärbeckens zur Weiterbehandlung in den Voreindicker abgeführt.

Der Belebtschlamm muss gute Absetzeigenschaften aufweisen. Ist dies nicht der Fall, beispielsweise durch massenweises Wachstum fadenförmiger Mikroorganismen oder Zoogloea ramigera, was zur Blähschlammbildung führt, kann der Belebtschlamm aus dem Nachklärbecken in den Vorfluter abtreiben. Damit wird nicht nur das Gewässer beeinträchtigt. Da dann nicht genug Schlamm im System Belebungsbecken/Nachklärbecken gehalten werden kann, sinkt das Schlammalter (die mittlere Aufenthaltsdauer der Biomasse im System) und damit die Reinigungsleistung. Als erstes sind davon 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. Alternativ werden auch durch eine nachgeschaltete Schlussfiltration abtreibende Schlammflocken zurückgehalten und der Vorfluter entlastet.

Eine spezielle Form des Nachklärbeckens ist der trichterförmige Dortmundbrunnen.

Sonderformen Anaerobe Abwasserreinigung

Selten werden Reaktoren eingesetzt, in denen anaerobe Verhältnisse vorherrschen (so genannte UASB-Reaktoren (Upflow anaerobic sludge blanket)) und bei denen als Nebenprodukt Methan entsteht.

Sequencing Batch Reactor-Verfahren