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Wie funktioniert eine Kläranlage / ARA?

Eine Kläranlage, in der Schweiz und Österreich auch ARA (Abwasserreinigungsanlage) genannt, sorgt für die Reinigung von Abwasser, welches von der Kanalisation zu ihr geführt wird.

Verschiedene Wasserreinigungsverfahren

Für die Reinigung der Abwässer werden mechanische (auch physikalische genannt), biologische und chemische Verfahren eingesetzt.

Moderne Kläranlagen sind dreistufig; In jeder Reinigungsstufe steht eine Verfahrensart im Vordergrund.

Erste Kläranlage 1882

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

Luftbild einer Kläranlage am Main, westlich Hanau-Kesselstadt
Luftbild einer Kläranlage am Main, westlich Hanau-Kesselstadt

Fließschema einer Kläranlage / Abwasserreinigungsanlage


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 und Aufbau einer Kläranlage / ARA

Regenentlastung

Wenn Regen- und Schmutzwasser in einem Kanal der Kläranlage zugeleitet werden (Mischsystem), muß das Kanalnetz in der Regel durch ein Regenentlastungssystem, in der Regel 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.

Anders ist es beim Trennsystem. Bei diesem wird das Schmutzwasser in einer separaten Rohrleitung der Kläranlage zugeführt, während das Regenwasser durch einen eigenen Kanal, ggf. nach Reinigung in einem Regenklärbecken direkt zu einem Oberflächengewässer geleitet wird.

Die Rechen

In der Rechenanlage wird das Abwasser durch einen Rechen oder eine Siebtrommel geleitet. Im Rechen bleiben die groben Verschmutzungen wie Artikel der Monatshygiene, Präservative, Toilettenpapier, Steine, aber auch Laub und tote Tiere hängen.

Diese Grobstoffe würden erstens Pumpen auf der Kläranlage verstopfen und zweitens das Reinigungsergebnis optisch verschlechtern.

Verschiedene Rechen

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 (Dünger) oder auf einer Deponie abgelagert.

Der 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 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. 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.

Das 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 % 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 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.

Die biologische Stufe

Die Vorgänge laufen wie bei der Selbstreinigung der Gewässer. Im Belüftungsbecken können Kleinstlebewesen 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 (Sauerstoff) hineingepumpt. Hierzu wurden zahlreiche Verfahren entwickelt (zum Beispiel das Belebtschlammverfahren, das Tropfkörperverfahren, das Festbettreaktorverfahren).

Das Belebungsbecken

Der Großteil der kommunalen Kläranlagen in Mitteleuropa werden 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 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, ggf. durch Simultanfällung. 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.

Anschließend 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 der hier genannten Verfahren "das beste" ist, läßt sich nicht pauschal sagen. Es ist vom Planer zu prüfen, welche Reinigungsmethode im Einzelfall unter den gegebenen Voraussetzungen die geeignetste und kostengünstigste ist.

Das 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 (sogenannter Vorfluter). Damit wird nicht nur das Gewässer beeinträchtigt.

Weil 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.

Das 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 wie auch mit dem zu deren oxidativen Abbau erforderlichen Sauerstoff in Kontakt kommen. Aus biochemischer Sicht geschieht hier im Grunde dasselbe wie beim o.g. Belebtschlammverfahren..

Der Faulturm

Faulturm
Faulturm

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.

Es gibt vier Abbauphasen in dem Faulturm: Hydrolyse Phase, Versäuerungsphase, acetogene Phase und methanogene Phase.

In der Praxis werden bei der Schlammfaulung die im Rohschlamm enthaltenen rund 70% organischen Stoffe bei der anaeroben Umsetzung auf etwa 50% 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% als sehr gut ausgefault und stabil.

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

- Methan 60 bis 70 %

- Kohlendioxid 26 bis 36 %

sowie geringe Mengen Wasserstoff und Schwefelwasserstoff.

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

Das Faulgas 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 (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 organische Düngung (Klärdünger) verwendet werden. Andernfalls wird er 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.

Login Letzte Änderung:
March 19. 2017 01:13:24
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