Kläranlage – Wikipedia

Eine Kläranlage, in der Schweiz auch ARA (Abwasserreinigungsanlage) genannt, 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.

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

Anlagenteile

Regenentlastung

Falls Regen- und Schmutzwasser in einem Kanal der Kläranlage zugeleitet werden (Mischsystem), muss in der Regel ein Teil des Regenwassers entweder bereits im Kanalnetz oder auf der Kläranlage über einen Regenüberlauf entlastet und/oder in einem Regenüberlaufbecken gespeichert werden, um die Kläranlage nicht hydraulisch zu überlasten.

Rechen

In der Rechenanlage wird das Abwasser durch einen Rechen oder ein Sieb geleitet. Im Rechen bleiben die groben Verschmutzungen wie Fäkalstoffe, Damenbinden, Toilettenpapier, Steine, aber auch Laub und tote Ratten 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 mm und Grobrechen mit mehreren cm Spaltweite.
Das Rechengut wird zum Entfernen der Fäkalstoffe maschinell gewaschen, mittels Rechengutpresse entwässert (Gewichtsersparnis) und anschließend verbrannt, kompostiert oder auf einer Deponie entsorgt.

Sandfang

Ein Sandfang ist ein Absetzbecken mit der Aufgabe, grobe, absetzbare Verunreinigungen aus dem Abwasser zu entfernen, so beispielsweise Sand, Steine, Glassplitter oder Gemüsereste. 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 "Tiefsandfang" möglich. Die Belüftung des Sandfangs (am Beckenboden angebracht) erzeugt einer Wirbelströmung. Durch die eingeblasene Luft verrringert sich die Dichte des Abwassers. Aufgrund beider Effekte setzen sich die schweren mineralischen Anteile (vorwiegend Sand) am Beckenboden ab. Beim Tiefsandfang strömt das Abwasser von oben in das Becken, besitzt durch die Tiefe dieses einer relativ hohe Verweildauer, wodurch sich der schwere Sand am Beckengrund (Sandtrichter) absetzt. Bei modernen Anlagen wird das Sandfanggut nach der Entnahme aus dem Sandfang gewaschen, das heißt von organischen Inhaltsstoffen befreit, um eine bessere Entwässerung und anschließende Verwertbarkeit (beispielsweise im Straßenbau) zu ermöglichen.

Vorklärbecken

Das Schmutzwasser fließt sehr langsam durch das Vorklärbecken. Dadurch setzen sich die Fäkalstoffe (absetzbare Stoffe) am Boden ab. Etwa 30 % der organischen Belastung kann damit entfernt werden. Es entsteht "Primärschlamm", der weiter zu behandeln ist. Bei modernen Anlagen mit Stickstoffentfernung entfällt dieser Anlagenteil oft oder ist klein bemessen, da die organische Belastung des Abwassers als Kohlenstoffquelle zur Stickstoffentfernung (Reduktion des NO₃ zu N₂) im anoxischen Teil resp. der anoxischen Phase der biologischen Stufe benötigt wird.

Ebenso wird dieser Anlagenteil bei Kläranlagen mit simultaner, aerober Schlammstabilisierung in der biologischen Stufe nicht verwendet, da sonst weiterhin nicht stabiliserter Primärschlamm anfallen würde.

Biologische Stufe

In diesem Verfahrensteil werden durch Mikroorganismen die organischen Verbindungen der Abwasserinhaltsstoffe abgebaut. Hierzu wurden zahlreiche Verfahren entwickelt (zum Beispiel das Belebtsschlammverfahren, der Tropfkörper, derFestbettreaktoren). Beispielhaft wird im folgenden das Belebtschlammverfahren bestehend aus dem Belebungsbecken und dem Nachklärbecken dargestellt. Der Großteil der kommunalen Kläranlagen in Mitteleuropa werden nach diesem Verfahren betrieben.

Belebungsbecken

Im Belebungsbecken werden durch Belüften von mit Bakterienschlämmen (Belebtschlamm) vermischtem Abwasser (gelöste) Abwasserinhaltsstoffen biologisch abgebaut. Dabei werden von Bakterien und anderen Einzellern Kohlenstoffverbindungen zu Biomasse und Kohlendioxid und der Nährstoff Stickstoff durch Nitrifikation (biologische Oxidation von Ammonium zu Nitrat unter Beisein von Sauerstoff) und Denitrifikation (Reduktion von Nitrat zu Stickstoffgas (wie auch zu 78% in der Luft enthalten) unter Abwesenheit gelösten Sauerstoffs) abgebaut. Die überschüssige Biomasse wird als Klärschlamm bezeichnet. Durch die Zugabe von Fällmitteln kann mittels chemischer Reaktionen außerdem der Nährstoff Phosphor entfernt werden. Dies verbessert auch die Absetzeigenschaften des Belebtschlammes im Nachklärbecken.

Nachklärbecken

Das Nachklärbecken bildet eine Prozesseinheit mit dem Belebungsbecken. In ihm wird der Bakterienschlamm (Belebtschlamm) durch Absetzen aus dem Abwasser abgetrennt. Der Schlamm wird in das Belebungsbecken zurückgeführt (Rücklaufschlamm).
Der durch den Abbau der Abwasserinhaltsstoffe entstehende Biomassezuwachs wird als Überschussschlamm/Klärschlamm entsorgt, bzw. in Faultürmen unter anaeroben Bedingungen zu Faulschlamm und Methan abgebaut.

Der Belebtschlamm muss gute Absetzeigenschaften aufweisen. Ist dies nicht der Fall (beispielsweise durch massenweises Wachstum fadenförmiger Mikroorganismen, Blähschlammbildung) treibt der Belebtschlamm aus dem Nachklärbecken in das Gewässer ab. Damit wird nicht nur das Gewässer beeinträchtigt. Da nicht genug Schlamm im System Belebungsbecken/Nachklärbecken gehalten werden kann, sinkt die Reinigungsleistung. Das Schlammalter, das heißt die mittlere Aufenthaltsdauer der Biomasse im System, nimmt ab. Zuerst sind daher von einem derartigen Versagen die langsam wachsenden Bakterien (beispielsweise die Nitrifikanten, die Ammonium zu Nitrat umbauen) betroffen. Besonders leicht abbaubares Abwasser (beispielsweise aus der Lebensmittelindustrie) neigt 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.

siehe auch: Festbettverfahren

Reinigungsprozesse

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

Biologische Verfahren werden in der zweiten Reinigungsstufe kommunaler Abwasserreinigungsanlagen und für den Abbau organisch hochbelasteter Abwässer in der anaeroben Abwasserreinigung eingesetzt. Sie verwenden mikrobiologische Abbauvorgänge. Dabei sollen abbaubare organische Abwasserbestandteile möglichst vollständig mineralisiert werden, das heißt bis zu den anorganischen Endprodukten Wasser, Kohlendioxid, Nitrat, Phosphat und Sulfat in der aeroben, beziehungsweise organische Säuren und Methan in der anaeroben Abwasserreinigung umgewandelt werden. Üblicherweise werden damit die Kohlenstoffverbindungen aus dem Abwasser entfernt. Ebenso erfolgt die Entfernung von organischem Stickstoff und Ammonium durch biologische Nitrifikation und Denitrifikation. Zunehmend wird in mittleren und großen Kläranlagen auch der Phosphor biologisch eliminiert.

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

Die Prozesse in Kläranlagen können mathematisch durch ihre Reaktionskinetik 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 halogenierten Kohlenwasserstoffverbindungen (AOX) oder Farbstoffen
Thermodesinfektion (siehe Desinfektion)	Thermodesinfektionsanlage	Durch erhöhte Temperatur beziehungsweise Druck werden infektiöse oder sonstwie nicht zu emmitierende Keime abgetötet (Krankenhäuser, Labors, Pharmaindustrie).
Strippen/Austreiben	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 Radionukleide. Einsatz in Labors, Krankenhäusern etc.
Kühlung	Kühlturm, Kühlteich, Wärmetauscher 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, Belebtschlammverfahren, Tropfkörper	Aerober und Anaerober Abbau in flachen Becken und anschließendem Bodendurchgang bei Pflanzenkläranlagen beziehungsweise Abbau durch Belebtschlämme (Belebungsbecken) oder Bakterienrasen (Tropfkörper)
Schlammfaulung	Faulturm	Anaerober Abbau organischer Bestandteile des Primär- beziehungsweise Überschusschlammes zu anorganischen Endprodukten: Schwefelwasserstoff (H₂S), Kohlendioxid (CO₂), Methan (CH₄), Ammoniak (NH₃)
Anaerobe Abwasserreinigung	Reaktor	Anaerober Abbau organischer Bestandteile zu anorganischen Endprodukten: Schwefelwasserstoff (H₂S), Kohlendioxid (CO₂), Methan (CH₄), Ammoniak (NH₃). 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 (PO₄^3-) mit Eisen- und Aluminiumsalzen
Simultanfällung	Belebungsbecken/Nachklärbecken	Entfernung von Phosphor durch Eisen- beziehungsweise Aluminiumzugabe zum Belebtschlamm.
Vorfällung	Mischbecken/Vorklärbecken	Entfernung von Phosphor durch Eisen- beziehungsweise Aluminiumzugabe vor dem Vorklärbecken.
Nachfällung	Mischbecken/Absetzbecken nach dem Nachklärbecken	Entfernung von Phosphor durch Eisen- beziehungsweise Aluminiumzugabe vor dem Vorklärbecken.
Chemische oder physikalische Oxidation	Sonderbecken	Zerstörung biologisch nicht abbaubarer organischer Verbindungen beispielsweise durch Ozon oder UV-Licht. Gegebenenfalls mit dem Ziel, die Reste biologisch abbauen zu können (beispielsweise Entfärbung von Abwasser)
Desinfektion	Sonderbecken	Entkeimung durch Chlor- oder Ozonzugabe oder durch UV-Bestrahlung

Belastungskenngrößen

Die Belastung von Kläranlagen wird nach Einwohnerwerten (EW), das ist die Summe aus den tatsächlichen Einwohnern (Einwohnerzahl, EZ) und den Einwohnergleichwerten (EGW), bestimmt. Der Einwohnergleichwert ist die Vereinbarungsgröße der für einen "Standardeinwohner" anzusetzenden Emission. Für gewerbliche, industrielle und landwirtschaftliche Produktion werden auf Produktionsgrößen bezogenen Belastungen (beispielsweise 10 EW BSB₅ pro ha Weinbaufläche) angegeben. Zu beachten ist, dass sich jedoch 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. Für den biologischen Abbau muss ein Nährstoffverhältnis von BSB₅:N:P entpricht etwa 100:5:1 gegeben sein, um die Mikroorganismen ausreichend mit Stickstoff und Phosphor zu versorgen. Dies fußt auf der Annahme, dass etwa 50 % der abgebauten Belastung zum Biomassewachstum verwendet wird und Biomasse etwa zu 10 % aus Stickstoff und zu 2 % aus Phosphor besteht.

Ein Einwohnerwert entspricht folgenden Größen:

Abwassermenge

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

Dieser Wert berücksichtigt die in Mitteleuropa bei dichten Kanalnetzen übliche Werte. Für die Bemessung der Kläranlage wird jedoch in der Regel ein Zuschlag für das Fremdwasser (undichte Kanäle, Einleitungen von Drainagen etc.) zu berücksichtigen sein. Dieser kann durchaus bis 100 % 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 % der Tagesspitze bei Trockenwetter angesetzt werden.

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

Verschmutzung

BSB₅

Biochemischer Sauerstoffbedarf während einer Messzeit von 5 Tagen.
Mit dem BSB₅ wird jener Sauerstoffbedarf erfasst, der durch die Oxidation von Kohlenstoffverbindungen durch Mikroorganismen entsteht. Er gehört zu den so genannten Summenparametern, da damit keine Einzelsubstanzen bestimmt werden können.
Die biologische Oxidation von Ammonium (NH₄⁺) und auch Nitrit (NO₂^-) zu Nitrat (NO₃^-), auch Nitrifikation genannt, soll dagegen nicht erfasst werden und wird im Versuch durch einen Hemmstoff beispielsweise Allylthioharnstoff (ATH) unterbunden.

60 g pro EW und Tag

Davon können etwa 20 g in der Vorklärung durch Sedimentation entfernt werden.

CSB

Chemischer Sauerstoffbedarf. Er gehört zu den so genannten Summenparametern, da damit keine Einzelsubstanzen bestimmt werden können. Der CSB wird mittels der Oxidation der Abwasserinhaltsstoffe durch Kaliumdichromat bestimmt. Er umfasst den Sauerstoffbedarf zur Oxidation eines Großteils der Kohlenstoffverbindungen. Sind im Abwasser auch anorg. Verbindungen wie beispielsweise Sulfite enthalten, werden diese ebenfalls beim CSB miterfasst.
Dieser Parameter kann zur Bilanzierung der Anlage herangezogen werden.

120 g pro EW und Tag

Stickstoff

Liegt im Rohabwasser hauptsächlich als organisch gebundener Stickstoff, als Ammonium-Stickstoff, NH₄⁺-N, und zu geringen Anteilen als NO₃^--N und NO₂^---N vor.

10 bis 12 g pro EW und Tag

Phosphor

Liegt als organisch gebundener Phosphor oder PO₄-P vor.

etwa 2,8 g pro EW und Tag.