Wie funktioniert die Abwasserreinigung in einer kommunalen Kläranlage?











Kommunale Kläranlagen sind Dreh- und Angelpunkte für die Sicherstellung von sauberem Wasser. Dort kommt jeden Tag einiges an

Abwasser und Wasser

an:

Häusliches Abwasser, industrielle Abwässer, Abwässer von Deponien, Oberflächenabfluss und Regenwasser

.

Wie der Prozess der

Wasserreinigung innerhalb einer Kläranlage

aussieht bevor das Wasser in angrenzende Bachläufe, Flüsse oder das Meer geleitet wird, beschreiben wir hier am Beispiel der Kläranlage Landau, auf der auch der Wasser 3.0 Technikumsreaktor steht. Sie ist, wie viele kommunalen Kläranlagen in Industrienationen, dreistufig.
Die Kläranlage in Landau

Zur Reinigung der anfallenden Abwässer betreibt der Entsorgungs- und Wirtschaftsbetrieb Landau (EWL) eine moderne Zentralkläranlage in Landau-Mörlheim, die 1983 nach dreijähriger Bauzeit in Betrieb genommen wurde. Die Abwasseranlage reinigt die Abwässer der Stadt Landau und der Gemeinden Albersweiler, Frankweiler, Siebeldingen, Leinsweiler, Ranschbach, Birkweiler, Ilbesheim und Bornheim. Somit wird das Abwasser von 51.000 Menschen und den dort ansässigen Industrie- und Gewerbebetrieben (dies entspricht im Durchschnitt 90.000 Einwohnergleichwerten bzw. der Größenklasse 4) verarbeitet.
Rundgang über die Kläranlage in Landau in einem Video
Bei dem EWL handelt es sich um eine Kläranlage mit Belebtschlammverfahren und simultaner Schlammstabilisierung. Gereinigt wird in drei Stufen mit einer Reinigungsleistung von 95 bis 97%:

  1. Mechanische Reinigung: Rechen, Sand- und Fettfang, Vorklärbecken
  2. Biologische Reinigung: Nitrifikation und Denitrifikation
  3. Chemische Reinigung: Phosphat-Eliminierung mit Fällmittel

Erste Reinigungsstufe: Mechanische Reinigung

Vor der ersten Reinigungsstufe pumpt ein Einlaufhebewerk das Abwasser hoch, dass es alle Reinigungsstufen im freien Gefälle, d. h. ohne weitere Pumpen durchlaufen und danach in den nahegelegenen Bach oder Fluss (z.B. in Landau in die Queich) fließen kann. Im Einsatz sind zwei Schneckenpumpen mit je 250 l/s Förderleistung. Die vom Abwasser mitgeführten Grobstoffe werden von drei nebeneinander angeordneten Rechen aufgefangen, aus dem Wasser gehoben und in eine Transportschnecke abgeworfen.

Die Schnecke transportiert das Rechengut in eine Waschpresse, in der die Fäkalien weitgehend ausgewaschen und dem Abwasser wieder zugegeben werden. Das gewaschene Rechengut wird in einer Presse entwässert und fällt in einen Container. Der Rechen besteht aus Blechlamellen mit 5 mm Zwischenraum. An dieser Stelle werden also alle Stoffe größer als 5 mm zurück gehalten.

Sand- und Fettfang

Nach dem Rechen durchfließt das Abwasser den Sand- und Fettfang. Mit der Entfernung des Sandes werden in den nachfolgenden Reinigungsschritten Störungen wie z. B. Ablagerungen oder erhöhter Verschleiß vermieden. Am Sandfang teilt sich der Abwasserstrom in zwei Teilströme, die jeweils getrennt die Abwasserreinigung durchfließen.

Alle folgenden Bauwerke sind also doppelt vorhanden. Im Sandfang wird an einer Längsseite Luft eingeblasen. Dadurch bildet sich eine Wasserwalze mit einer Geschwindigkeit von ca. 30 cm/s, so dass sich der Sand absetzen kann, die leichteren organischen Stoffe wie Kaffeesatz, Toilettenpapier etc. jedoch in Schwebe bleiben.

Der Sand wird periodisch mit einer am Räumer befestigten Pumpe in einen Container gefördert, in dem er abtransportiert wird. Das Fett wird mit einem Teil der eingeblasenen Luft in die seitlich angeordnete Fettkammer abgetrieben und schwimmt dort auf. Die Luft beschleunigt das Aufschwimmen des Fettes. Mit einem Räumschild werden die Leichtstoffe von der Oberfläche geräumt und entsorgt.
Alle Stoffe, welche sich absetzen können, aber nicht im Sandfang zurückgehalten werden, setzen sich in den Vorklärbecken ab. Ein Räumschild schiebt kontinuierlich den Schlamm am Boden zur Mitte hin. Von dort wird er in die Schlammbehandlung gepumpt, und anschließend zur Ausfaulung in die Faultürme verbracht. Nach dem Vorklärbecken enthält das Abwasser nur noch gelöste Stoffe und Schwebstoffe, die sich durch die Schwerkraft nicht abscheiden lassen. Es fließt der

biologischen Reinigung

zu.
Zweite Reinigungsstufe: Biologische Reinigung (kurz "Biologie")

Das

Abwasser, welches vor allem Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorverbindungen

enthält, wird im Anschluss in der biologischen Reinigung transportiert. Um die gelösten Stoffe zu entfernen ist die Umwandlung in eine ungelöste Form notwendig. Diese Aufgabe erfüllt der Belebtschlamm. Er besteht im Wesentlichen aus Bakterien und Einzellern. Sie fressen den gelösten organischen Schmutz und vermehren sich dadurch, d. h. der Schlamm im Belebungsbecken vermehrt sich in dem Maß wie der organische Schmutz abnimmt. Für den Abbau der Kohlenstoffverbindungen eignen sich viele Bakterienarten. Versorgt mit ausreichend Sauerstoff setzen sie die organischen Verbindungen in Zellsubstanz, Kohlendioxid, Wasser und Energie um.

Stickstoff wird von speziellen Bakterien zunächst mit einer großen Menge an Sauerstoff in Nitrat und dann in einem zweiten Schritt unter anoxischen Bedingungen in gasförmigen Stickstoff umgewandelt, der in die Atmosphäre entweicht. Die beiden Schritte zur Bildung von Stickstoff heißen Nitrifikation und Denitrifikation.
Denitrifikation und Nitrifikation

Bei der Nitrifikation wird das hauptsächlich vorliegende Ammonium (NH4) unter starker Sauerstoffzufuhr in zwei Stufen oxidiert. Zunächst wird das Ammonium zu Nitrit (NO2), und danach das Nitrit zu Nitrat (NO3) umgewandelt. Bei der Denitrifikation wird das Nitrat zu Stickstoff (N2) reduziert und in die Atmosphäre abgegeben, die zu fast 80% aus diesem Gas besteht. Dabei helfen Mikroorganismen, die nur unter sauerstoffarmen Bedingungen Nitrat zu Sauerstoff und Stickstoff umwandeln.

Der hohe Sauerstoffbedarf für die Nitrifikation und die notwendige Abwesenheit von gelöstem Sauerstoff während der Denitrifikation machen eine räumliche oder zeitliche Trennung der Verfahrensschritte notwendig.

In der Kläranlage Landau-Mörlheim wird eine vorgeschaltete Denitrifikation eingesetzt, also eine räumliche Trennung des Verfahrens über zwei abgetrennte Klärbereiche im Belebungsbecken.

Der Sauerstoff für die Bakterien wird in den Belebtschlamm eingetragen, indem Luft durch fein gelochte Gummimembrane am Beckenboden eingeblasen wird. Pro Becken kann von einem Gebläse die Drehzahl geregelt werden. Dadurch wird die Luftmenge immer dem aktuellen Bedarf angepasst, z.B. bei einer höheren Belastung in Zeiten der Weinlese.

Der Grund hierfür liegt darin, dass die bei der Weinlese anfallenden Spül- und Reinigungswässer hoch verschmutzt sind und über den Abwasserkreislauf in der Kläranlage landen, wo die Bakterien unter großem Sauerstoffeintrag die Verschmutzung abbauen. Die Gebläsestation ist der größte Energieverbraucher der Kläranlage. Die Drehzahlregelung der Gebläse vermeidet unnötige Belüftung und dient somit dem sparsamen Umgang mit Energie. Im Normalbetrieb der Belüftung verbraucht die Gebläsestation ca. 1800 kW/h am Tag.
Vom Belebungsbecken fließt das Wasser in das Nachklärbecken. Dort wird ähnlich wie im Vorklärbecken die Fließgeschwindigkeit stark reduziert, so dass sich der Belebtschlamm absetzt und sich in der oberen Schicht das gereinigte klare Wasser sammelt. Es fällt über Kanten, die am Beckenrand angeordnet sind und fließt zur Kontrollstation am Auslauf und weiter in die nahegelegene Queich.

In der Kontrollstation werden kontinuierlich pH-Wert, Temperatur, Trübung und Leitfähigkeit gemessen. Es werden automatisch Proben genommen, deren Inhaltsstoffe am nächsten Tag im Labor analysiert werden.
Klärschlammbehandlung / Schlammfaulung

Ein ununterbrochen umlaufender Räumer schiebt den

Schlamm am Boden zur Beckenmitte

. Von dort fließt er als sogenannter

Rücklaufschlamm zum Rücklaufschlammpumpwerk

, das ihn wieder in das Belebungsbecken befördert. Der Belebtschlamm fließt im Kreislauf durch die Becken.

Täglich vermehrt sich der Schlamm um 330 m³.

Der Überschussschlamm wird aus dem Kreislauf herausgenommen

und in die

Schlammbehandlung

gepumpt. Im Belebungsbecken sind etwa 3,5 g/l Feststoffe enthalten, d. h. nimmt man einen Liter Belebungsbeckeninhalt, filtert die Feststoffe ab und trocknet sie, so dass kein Wasser mehr darin ist, dann bleiben 3,5 g übrig.

Mittels eines Bandeindickers (ein sogenanntes Bandsieb) wird der Überschussschlamm auf 70 g/l Feststoffe eingedickt und dann in die Faulung gepumpt (Schlammfaulung).

Der

Schlamm aus dem Vorklärbecken wird im Voreindicker

eingedickt. Unter dem Einfluss der Schwerkraft dickt der Schlamm aufgrund sehr langsamen Rührens mit Stäben an der Sohle ein. An der Oberfläche sammelt sich das Trübwasser. Der Rohschlamm wird ebenfalls in die Faulung gepumpt und das Trübwasser wird wieder der Abwasserreinigung zugegeben.

Das Trübwasser stellt ein hochkonzentriertes Abwasser

dar. Um es optimal der Abwasserreinigung zugeben zu können, wurde zur Zwischenspeicherung im Jahr 2004 ein 1.000 m³ großer Prozessabwasserspeicher gebaut.
In den beiden Faultürmen wird in einem Gärprozess durch Bakterien ein Teil der organischen Masse in Faulgas umgewandelt. Die Faulung wird auf ca. 35 °C geheizt, um den Methananteil hoch zu halten und den Faulprozess zu beschleunigen.

Durch die Faulung wird der Schlamm nahezu geruchsfrei und lässt sich danach besser entwässern. Die Faultürme in Landau wurden seit 1989 nur einmal inspiziert und sind ansonsten ununterbrochen in Betrieb.
Das Faulgas enthält rund 60 % Methan und ist brennbar. Damit werden zwei Gasmotoren mit je 80 kW elektrischer Leistung betrieben. Die Gasmotoren laufen permanent, jedoch reicht die Faulgasmenge zum ständigen Betrieb der Motoren nicht aus. Etwa 30 % der gesamten benötigten Gasmenge liefert daher ein externes Energieversorgungsunternehmen. Der so produzierte

Strom deckt ca. 90 % des Bedarfs der Kläranlage

. Der Restbedarf wird von einem externen Energieversorger bezogen. Die von den Motoren erzeugte Wärme wird zur Heizung der Faultürme verwendet. Der

Gesamtwirkungsgrad von Strom und Wärme der Kläranlage in Landau

liegt derzeit bei 90 %.
Klärschlammnutzung: Vor- und Nachteile

Es gibt drei Hauptentsorgungswege für Klärschlämme mit entsprechenden Vor- und Nachteilen. Festzuhalten ist, dass der ausgefaulte und entwässerte Schlamm der Kläranlage grundsätzlich als sogenannter Klärschlamm in der Landwirtschaft oder für eine thermische Verwertung genutzt werden kann.
Dritte Reinigungsstufe: Chemische Reinigung (Phosphatelimination) und anschließende Auslaufkontrolle

Phosphat ist ein essentieller Rohstoff für die Düngemittelproduktion

und hat im natürlichen und anthropogenen Umfeld einen großen Einfluss auf das biologische Wachstum von Pflanzen. Betrachtet man Auswirkungen von Phosphateinträgen in Gewässer, so können diese zu Eutrophierung (Kippen der Gewässer) führen, die Wasserqualität nachhaltig negativ beeinflussen und das Ökosystem verändern.

Um diese Belastung des Sauerstoffhaushaltes der Gewässer zu vermeiden, muss das

Phosphat aus dem Abwasser

entfernt werden. Aktuell existieren bereits fundierte Erkenntnisse für eine Reihe von Materialien, die für die Reduktion der Phosphatgehalte eingesetzt werden können und von denen einige bereits in der kommunalen Abwasserbehandlung (z. B. Aktivkohle oder Eisenhydroxide) Verwendung finden.

Bei der Entwicklung dieser aktuell verwendeten Produkte stand jedoch meist nicht die Betrachtung des Materials unter konstant hohen Belastungen im Fokus. Falls doch brachten sie schlechte Ergebnisse hinsichtlich der Reduktionszahlen hervor. Dies ist auf den sauren Charakter des Abwassers zurückzuführen.

Die Phosphatelimination in der Kläranlage kann gleichzeitig mit der biologischen Abwasserreinigung im Belebungsbecken (sog. Simultanfällung), als Vorfällung in der Vorklärung oder in besonderen Fällungs- und Nachklärbecken (3. Reinigungsstufen) durchgeführt werden. Grundsätzlich wird zwischen der biochemischen und chemischen Phosphatelimination unterschieden, wobei diese oft kombiniert werden.

In der

Kläranlage Landau-Mörlheim findet eine Simultanfällung

unter Verwendung von Eisen(III)chlorid statt. Es bilden sich dadurch wasserunlösliche Eisenphosphate, die mit dem Überschussschlamm aus dem Wasser entfernt werden. Der Prozess wird mit einer kontinuierlichen Phosphatmessung überwacht und geregelt. Das Eisensalz wird in flüssiger Lösung in einem 25 m³ großen, doppelwandigen Behälter bevorratet und mit je einer Dosierpumpe den beiden Belebungsbecken zugegeben. Pro Jahr werden ca. 740 t Eisensalz benötigt.
Aus- und Zukunftsblick: Abwasserreinigung am Limit

Die bisherige Abwasserreingung in Kläranlagen stößt mittlerweile an ihre Grenzen, da bestimmte anthropogene Spurenstoffe, sogenannte Mikroschadstoffe (u.a. Medikamentenrückstände, Hormone, Röntgenkontrastmittel, aber auch Mikro- und Nanoplastik und Schwermetalle) nicht oder nur unzureichend aus dem Abwasser eliminiert werden können.

Zudem zeigt sich, dass die Phosphatelimination durch Fällung oftmals nicht die neuen angestrebten Richtwerte von 0,1 mg/l erreichen. Daher untersuchen Kläranlagen wie sie mit einer 4. Reinigungsstufe diesen vielfältigen Herausforderungen mit innovativen Verfahren begegnen können.