Was geschieht in Kläranlagen?

In Kläranlagen wird Abwasser so gereinigt, dass ein Klarwasser übrigbleibt, welches nur noch in geringem Maße Stoffe enthält, die das Gewässer (den Vorfluter), in das sie eingeleitet werden, negativ beeinflussen.

1. Erste Reinigungsstufe

Der erste Schritt der Reinigung ist die mechanische Ausscheidung von Grobstoffen wie Sand (Sandfang), von Fetten und Ölen (Fettfang) und absetzbaren Stoffen (Vorklärbecken) bzw. absiebbaren Stoffen (Feinsiebung). Der Trend bei modernen Kläranlagen geht dabei zunehmend vom Vorklärbecken zur Feinsiebung, da sich sonst das Verhältnis des Stickstoffs zur organischen Fracht verschlechtert.

2. Zweite (= biologische) Reinigungsstufe

Die biologische Reinigung findet in einem großen Bioreaktor statt, in dem Bakterien in der „Nährlösung Abwasser“ gezüchtet werden. Die Bakterien nehmen dabei die gelösten und kolloidalen Schmutzstoffe auf. Mit Hilfe von Sauerstoff (meist aus der Luft) werden diese Schmutzstoffe veratmet und zur anderen Hälfte in neue Bakterien umgewandelt. Es entsteht also stets ein Überschuss an Bakterien (Überschussschlamm), der als Klärschlamm aus dem System entfernt wird.
Dieser Schlamm kann durch Faulung bei 30-45°C in seiner Menge vermindert und z. T. in Faulgas (Biogas, ca. 75% Methan) umgesetzt werden. Sehr hoch belastetes Abwasser, z. B. aus Tierkörperverwertungen oder Zuckerfabriken, kann auch anaerob ausgefault werden. Hierzu ist keine Luft notwendig, die sonst mit viel Energie eingeblasen werden müsste. Nach der Faulung ist allerdings noch eine aerobe Nachreinigung notwendig.

3. Dritte Reinigungsstufe

Bei der biologischen Reinigung wird zwar die Menge an sauerstoffzehrenden Substanzen vermindert, es bleiben jedoch die „Düngestoffe“ Nitrat und Phosphat im Abwasser.
Sie bewirken im Vorfluter ein vermehrtes Wachstum (Eutrophierung). Durch eine sauerstofffreie Behandlung des Ablaufs der zweiten Stufe unter Zusatz von frischem Abwasser kann das Nitrat zu Stickstoffgas denitrifiziert werden. Phosphat wird zum Teil in Schlamm gebunden (biologische Phosphatelimination), zum Teil muss es durch Zusatz von Eisen- und Aluminiumsalzen oder durch Kalkzusatz gefällt werden.

4. Schönung

Als letzte Stufe kann noch eine Filterung über einen Kies- oder Sandfilter erfolgen, der auch feinste Schwebeteilchen zurückhält. Zum Teil wird das gereinigte Abwasser nicht direkt in ein Gewässer eingeleitet, sondern vorher durch einen Schönungsteich mit einigen Tagen Aufenthaltszeit geführt, in dem eine biologische Nachreinigung erfolgen kann. Durch massenhaftes Algenwachstum kann es dabei allerdings auch zu einer Sekundärverschmutzung kommen.

5. Technische Ausführung von Kläranlagen

Die aerobe Reinigung geschieht heute zum allergrößten Teil in Belebungsanlagen. In einem Becken werden dabei Bakterien in Form biologischer Flocken (100-500 µ Durchmesser) in Schwebe gehalten und gleichzeitig belüftet.
Es fließt ständig Abwasser zu und in gleichem Maß Abwasser-Belebtschlammgemisch ab. Das Abwasser-Belebtschlammgemisch trennt sich in einem nachgeschalteten Nachklärbecken. Das überstehende Wasser wird entweder der dritten Reinigungsstufe oder direkt dem Vorfluter zugeführt. Der Schlamm wird in das Belebungsbecken zurückgepumpt, um eine gleichmäßige Bakteriendichte aufrechtzuerhalten. Der entstandene Überschussschlamm wird abgezogen.
In einer zweiten Ausführung wird das Abwasser über ein Aufwuchsmaterial (Lavastein, Kunststoffgitter) gepumpt, auf dem sich Bakterien als biologischer Rasen ansiedeln. Dies bezeichnet man als Tropfkörperverfahren.
Von unten strömt Luft zu. Wird der Bewuchs zu dick, so wird er abgespült und über ein Nachklärbecken abgetrennt. Eine Schlammrückführung ist hier nicht nötig.
Es gibt auch kombinierte Systeme mit Aufwuchskörpern in Belebungsbecken.
Die anaerobe Behandlung von Schlamm oder konzentriertem Abwasser geschieht in einem wärmeisolierten Behälter, dem Faulturm, in dem sich ein anaerober Belebtschlamm bildet. Schlamm wird so innerhalb von 20-30 Tagen ausgefault. Konzentriertes Abwasser braucht hierzu viel kürzere Zeit, vor allem wenn gleichzeitig Aufwuchskörper für den anaeroben Belebtschlamm angeboten werden.

6. Die bestimmenden Parameter für die biologische Abwasserbehandlung

Belebtschlammverfahren

Die Schmutzfracht eines Abwassers wird durch die Menge an sauerstoffzehrenden Substanzen unter standardisierten Bedingungen als Biochemischer Sauerstoffbedarf (BSB5) ausgedrückt. Pro Einwohner rechnet man mit 60 g BSB5 pro Tag, dem sogenannten Einwohnergleichwert (EG). Häusliches Abwasser weist BSB5-Gehalte von 150-300 mg/l auf.
Der wichtigste Parameter für die Reinigungsleistung einer Belebungsanlage ist das Verhältnis zwischen der Schmutzfracht (kg BSB5 pro Tag) und der gesamten Biomasse im Belebungsbecken (ausgedrückt in kg Trockensubstanz (kg TS)). Normalerweise haben Belebungsanlagen TS-Gehalte zwischen 3-5 g/l. Dieses Verhältnis bezeichnet man als Schlammbelastung (BTS), ausgedrückt als kg BSB5/kg TS.d. Hochbelastete Anlagen haben schlechtere Ablaufwerte als niedrig belastete. Unterhalb von BTS = 0,15 kg BSB5/kg TS.d ist eine Belebungsanlage fähig, Stickstoff zu Nitrat zu nitrifizieren, sofern die Temperatur über 10°C liegt.
Der zweite wichtige Parameter ist das rechnerische Schlammalter, d. h. das Verhältnis der Schlammmenge (kg TS) im Belebungsbecken zu der Menge an abgezogenem Überschussschlamm pro Tag (in kg TS). Bei hochbelasteten Anlagen kann das Schlammalter einige Stunden betragen, in niedrig belasteten Anlagen sind es 20 Tage und mehr. Die Bakterienarten, die eine Nitrifikation bewirken, wachsen recht langsam. Das Schlammalter muss daher über 10 Tage liegen.
Der dritte wichtige Parameter ist der Sauerstoffgehalt im Belebungsbecken. Er muss stets über 0,5 mg/l liegen. Zur Nitrifikation sind 1,5-2,0 mg/l nötig.
Für die Denitrifikation sind die wichtigsten Parameter das Verhältnis zwischen belüftetem und nichtbelüftetem Volumen (20-45% nicht belüftetes Volumen), das Rückführverhältnis des nitrifizierten Abwassers in die nicht belüftete Zone (50-300%) sowie das Verhältnis zwischen der BSB5-Fracht und der Stickstofffracht (BSB5 mindestens das Dreifache des Stickstoffs).

Tropfkörperverfahren

Wichtigster Parameter für den Tropfkörper ist die Raumbelastung (kg BSB5 pro m³ Tropfkörpervolumen). Ein hochbelasteter Tropfkörper liegt bei 1,2 kg BSB5/m³.d, ein niedrig belasteter bei 250 g BSB5/m³.d.
Das Schlammalter kann sehr hoch sein, weshalb Tropfkörper, wenn sie nicht zu hoch belastet werden, stets nitrifizieren. Eine Denitrifikation mit Tropfkörpern ist nur sehr bedingt möglich.

Die Lebensgemeinschaft (Biozönose) der Klärschlammbakterien

Die Belebtschlammflocke oder der biologische Rasen bestehen aus lebenden und toten Bakterien, die durch ausgeschiedene Schleimstoffe miteinander zur Flocke verkleben. In niedrig belasteten Anlagen ist der überwiegende Anteil der Bakterien (90-95%) tot. Eingeschlossen sind organische und anorganische Teilchen bis hin zu kleinen Sandkörnern (10-50%). Da Sauerstoff zur Atmung von außen zudiffundiert und schnell verbraucht wird, herrschen im Inneren sauerstoffarme bis sauerstofffreie Zustände.
Bei Mangel an Sauerstoff (hochbelasteter Schlamm) verändert sich die Flockenform. Statt mehr oder weniger rund (kleinste Oberfläche pro Volumen) entwickeln sich sternartige Flocken oft mit fädigen Bakterien (große Oberfläche pro Volumen), der sogenannte Blähschlamm, der sich schlecht absetzt.
Eine Bakterienflocke besteht immer aus einer Vielzahl verschiedener Bakterien, die eine Lebensgemeinschaft (Biozönose) bilden. Die Zusammensetzung hängt sowohl von der Abwasserzusammensetzung (häusliches Abwasser, Brauereiabwasser etc.) ab, als auch von der Schlammbelastung und dem Schlammalter.
Es gibt dabei Spezialisten und Allesfresser. Es gibt aber auch Bakterien mit sehr unterschiedlichen Generationszeiten.
Die Wachstumsgeschwindigkeit ist zudem abhängig vom Sauerstoffgehalt, der Temperatur und dem pH-Wert. Das Ergebnis der Konkurrenz um Sauerstoff und Nahrung ist die Zusammensetzung der Schlammflocke, die sich auch schnell ändern kann.
Die meisten Bakterien können nur bestimmte Abbauschritte durchführen und sind auf die Anwesenheit der Bakterien angewiesen, die den nächsten Schritt machen (Fließbandprinzip). Häuft sich ein Zwischenprodukt an, so bewirkt dies oft eine rückkoppelnde Hemmung des Abbauschritts, aus dem es hervorgegangen ist (Endprodukthemmung). Solche Zwischenprodukte (organische Säuren, Fettsäuren, Ammonium, Amine) sind oft schon am (unangenehmen) Geruch zu erkennen.
Neben dieser positiven Zusammenarbeit (Synergismus) gibt es auch Bakterien, die wechselseitig konkurrieren (Antagonisten). Die „Sieger“ in diesem Wettbewerb sind nicht immer die Bakterien, die technisch erwünscht sind (Blähschlamm, Schwimmschlamm).
Die Belebtschlammflocke ist in der Lage, sich innerhalb von längeren Zeiträumen auch auf sehr „exotische“ Abwasserinhaltsstoffe wie Phenole, Kohlenwasserstoffe, Cyanide etc. anzupassen, wenn diese Stoffe dauernd anwesend sind (ansonsten verschwinden die Spezialisten schnell wieder). Wie Forschungen gezeigt haben, lässt sich die Zusammensetzung einer Belebtschlammbiozönose außer durch Umweltparameter (Sauerstoff, pH-Wert, Temperatur, Schlammbelastung, Schlammalter) auch durch Membraneffektoren beeinflussen.
Alle Nährstoffe, die von Bakterien veratmet und umgebaut werden, müssen durch die Zellmembran aktiv aufgenommen werden oder passiv diffundieren. Die Ausscheidung von Schleimhüllen um die Bakterien, in die Enzyme (Exoenzyme) zum Abbau von Stoffen außerhalb der Zelle abgegeben werden, wird durch solche Membraneffektoren ebenso beeinflusst wie die Abgabe dieser Enzyme. Ohne diesen extrazellulären Abbau sind ein Weitertransport und eine Weiterverarbeitung der (kleineren) Bruchstücke in der Zelle nicht möglich.