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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 physikalisch genannt), biologische und chemische Verfahren eingesetzt. Moderne Kläranlagen sind dementsprechend auch dreistufig, wobei in jeder Reinigungsstufe eine Verfahrensart im Vordergrund steht.
Beispielfliessschema einer kommunale Kläranlage mit Vorklärung  |
Beispielfliessschema einer kommunalen Kläranlage ohne Vorklärung  |
Falls Regen- und Schmutzwasser in einem Kanal der Kläranlage zugeleitet werden, muss in der Regel ein Teil des Regenwassers entweder bereits im Kanalnetz oder auf der Kläranlage gespeichert und/oder entlastet werden, um die Kläranlage nicht hydraulisch zu überlasten.
Im Rechenhaus wird das Wasser durch einen Rechen geleitet. Im Rechen bleiben die groben Verschmutzungen wie z.B. Papier, Äste, Ratten, Tennisbälle ... hängen. Das Rechengut wird anschließend auf Deponie entsorgt. Oft wird es auch maschinell entwässert (Rechengutpresse).
Ein Absetzbecken mit der Aufgabe, große, absetzbare Verunreinigungen aus dem Abwasser zu entfernen. Der Sand würde zu betrieblichen Störungen in der Anlage führen (Verschleiss, Verstopfung). Neben dem heute zumeist historischen, unbelüfteten Langsandfang kommt ein belüfteter Langsandfang (der zugleich Fette und Öle an der Oberfläche abscheidet) oder ein Rundsandfang zum Einsatz. Die Belüftung oder die Strömung im Rundsandfang sind derart ausgelegt, dass hauptsächlich nur Sand abgeschieden wird. Bei modernen Anlagen wird dieser Sand nach der Entnahme aus dem Sandfang gewaschen (von organischen Inhaltsstoffen befreit) um eine bessere Deponierung zu ermöglichen.
Das Schmutzwasser fliesst sehr langsam durch das Vorklärbecken. Dadurch setzen sich schwere Inhalte (absetzbare Stoffe) am Boden ab. Etwa 30% der organischen Belastung können damit entfernt werden. Es entsteht "Primärschlamm", der weiter zu behandeln ist. Bei modernen Anlagen mit Stickstoffentfernung entfällt dieser Bauteil oft oder ist klein bemessen, da die organische Belastung des Abwassers als Kohlenstoffquelle zur Stickstoffentfernung (Reduktion des NO3 zu N2) im anoxischen Teil/der anoxischen Phase der biologischen Stufe benötigt wird.
Ebenso wird dieser Bauteil bei Kläranlagen mit simultaner, aerober Schlammstabilisierung in der biologischen Stufe nicht verwendet, da sonst weiter nicht stabiliserter Primärschlamm anfallen würde.
Durch Belüften von Bakterienschlämmen werden Abbauprozesse zur Entfernung von (gelösten) Abwasserinhaltsstoffen vorgenommen. Durch die Zugabe von Fällmitteln kann mittels chemischer Reaktionen zum Beispiel der Nährstoff Phosphor entfernt werden. Dies verbessert auch die Absetzeigenschaften des Belebtschlammes im Nachklärbecken. Der Nährstoff Stickstoff wird durch Nitrifikation (biologische Oxidation von Ammonium zu Nitrat und Beisein von Sauerstoff) und Denitriffikation (Reduktion von Nitrat zu molekularen Stickstoff unter Abwesenheit gelösten Sauerstoffs) entfernt.
Bildet eine Prozesseinheit mit dem Belebungsbecken. Trennt den Bakterienschlamm (Belebtschlamm) durch Absetzen aus dem Abwasser ab. Dieser wird in das Belebungsbecken zurückgeführt. Der Belebtschlamm muss daher gute Absetzeigenschaften aufweisen. Ist dies nicht der Fall (z.B. 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 (z.B. die Nitrifikanten, die Ammonium zu Nitrat umbauen) betroffen. Besonders leicht abbaubares Abwasser (z.B. Lebensmittelindustrie) neigt zur Blähschlammbildung. Die Vorschaltung kleiner, nicht oder gering belüfteter Becken vor dem Belebungsbecken (=Selektoren) kann die Blähschlammbildung vermeiden.
Der durch den Abbau der Abwasserinhaltstoffe entstehende Biomassezuwachs (der Überschussschlamm) ist zu entsorgen.
Physikalische Verfahren bilden zumeist die erste Reinigungsstufe. Hier werden ca. 20-30% der festen Schwimm- und Webstoffe entfernt. In der weitergehenden Abwasserreinigung und der Industriewasserwirtschaft werden unter anderem Adsorption, Filtration und Stripping eingesetzt.
Biologische Verfahren werden in der zweiten Reinigungsstufe kommunaler Abwasserreinigungsanlagen und für den Abbau org. hochbelasteter Abwässer in der Anaeroben Abwasserreinigung eingesetzt. Sie verwenden mikrobiologische Abbauvorgänge. Dabei sollen abbaubare organische Abwasserbestandteile möglichst vollständig mineralisiert werden, d.h. bis zu den anorganischen Endprodukten Wasser, Kohlendioxid, Nitrat, Phosphat und Sulfat in der aeroben bzw. organische Säuren und Methan in der anaeroben Abwasserreinigung umgewandelt werden. Üblicherweise werden damit die Kohlenstoffverbindungen aus dem Abwasser entfernt. Ebenso erfolgt die Entfernung von org. Stickstoff und Ammonium durch biologische Nitrifikation und Denitrifikation.
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 Vorflut. Zudem werden chemische Verfahren zur Fällung in der Industriewasserwirtschaft und zur weitergehenden Abwasserreinigung (z.B. Flockung/Fällung/Filtration) eingesetzt.
Die Prozesse in Kläranlagen können mathematisch durch ihre Reaktionskinetik beschrieben werden.
Regenbecken und/oder Regenentlastung
Rechenhaus
Sandfang
Vorklärbecken
Biologie Becken (Belebungsbecken)
Nachklärbecken
Reinigungsprozesse
| Prozess | Kläranlagenkomponente | Zweck |
| \Physikalische Verfahren | ||
| Siebung | Rechen, Trommelsieb, Mikrosieb | Entfernung von größeren Feststoffen und Schwimmstoffen |
| Abscheidung | Schwimmstoff- bzw. Ölabscheider | Entfernung von Fetten und Ölen |
| Sedimentation | Sandfang, Absetzbecken, Zentrifugalabscheider, Vor- und Nachklärbecken | Entfernung kleinerer Schwimmstoffe, Sand, geflockter Schwebstoffe |
| Filtration | Sandfilter | Entfernung von Schwebstoffe |
| Flotation | Flotationsbecken | Entfernung von feinen Schmutzpartikeln durch Einblasen von Luft und |
| Adsorption | Aktivkohlefilter | Anlagerung von z.B. halogenierten Kohlenwasserstoffverbindungen (AOX) oder Farbstoffen |
| Thermodesinfektion (siehe Desinfektion) | Thermodesinfektionsanlage | Durch erhöhte Temperatur bzw. 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 Dampfdruckes 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 Labor, Krankenhäusern etc. |
| Kühlung | Kühlturm, 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 organische Bestandteile zu anorganischen Endprodukten (H2O, CO2, NO3-, N2, PO43-, SO42-) durch Belebtschlämme (Belebungsbecken) bzw. Bakterienrasen (Tropfkörper). Durch geeignete Betriebsführung bei Belebungsanlagen kann die Phosphoraufnahme in die Biomasse optimiert werden (Bio-P). Somit ist weniger Fällmittel zur Phorphorelimination erforderlich. Grundsätzliches Ziel ist stets, zu entfernende Abwasserinhaltsstoffe durch biologische Prozesse (Veratmung, Biomassewachstum) in Formen überzuführen, 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 bzw. Abbau durch Belebtschlämme (Belebungsbecken) bzw. Bakterienrasen (Tropfkörper) |
| Schlamm-Faulung | Faulturm | Anaerober Abbau organischer Bestandteile des Primär bzw. Überschusschlammes zu anorg. Endprodukten: Schwefelwasserstoff (H2S), Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Ammoniak (NH3) |
| Anaerobe Abwasserreinigung | Reaktor | Anaerober Abbau organischer Bestandteile zu anorg. Endprodukten: Schwefelwasserstoff (H2S), Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Ammoniak (NH3). Besonders für organisch hochbelastete Abwässer geeignet (z.B. Lebensmittelindustrie, Tierkörperbeseitigung). |
| Chemische Verfahren | ||
| Flockung | Flockungsbecken | Entfernung von Kolloidstoffen und feinen Schmutzpartikeln durch Flockungsmittelzugae bzw. 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 (PO43-) mit Eisen- und Aluminiumsalzen |
| Simultanfällung | Belebungsbecken/Nachklärbecken | Entfernung von Phosphor durch Eisen- bzw. Alluminiumzugabe zum Belebtschlamm. |
| Vorfällung | Mischbecken/Vorklärbecken | Entfernung von Phosphor durch Eisen- bzw. Alluminiumzugabe vor dem Vorklärbecken. |
| Nachfällung | Mischbecken/Absetzbecken nach dem Nachklärbecken | Entfernung von Phosphor durch Eisen- bzw. Alluminiumzugabe vor dem Vorklärbecken. |
| Chemische oder physikalische Oxidation | Sonderbecken | Zerstörung biologisch nicht abbaubarer organischer Verbindungen z.B. durch Ozon oder UV-Licht. Gegebenefalls mit dem Ziel, die Rest dass biologisch abbauen zu können (z.B. Enfärbung von Abwasser) |
| Desinfektion | Sonderbecken | Entkeimung durch Chlor-, Ozonzugabe oder UV-Bestrahlung |
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 (z.B. 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 z.B. reich an organischen Kohlenstoffverbindungen und dafür nährstoffarm sein. Für den biologischen Abbau muss ein Nährstoffverhältnis von BSB5:N:P entpricht ca. 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 zu Biomassewachstum verwendet wird und Biomasse ca. zu 10 % aus Stickstoff und 2 % aus Phosphor besteht.
Ein Einwohnerwert entspricht folgenden Größen:
150-200 Liter pro E und Tag
Dieser Wert berücksichtigt 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 das doppelte betragen.
Dieser Wert gilt auch nicht für Mischkanalisationen (Regenwasser und Schmutzwasser in einem Kanal). Dort wären auch entsprechende Zuschläge zur Abarbeitung des Regenwassers zu berücksichtigen.
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.
60 g pro EW und Tag
Davon können ca. 20 g in der Vorklärung durch Sedimentation entfernt werden.
120 g pro E und Tag
10 bis 12 g pro E und Tag
ca. 2,5 g pro E und Tag.
Belastungskenngrößen
Abwassermenge:
Verschmutzung
BSB5:
Biochemischer Sauerstoffbedarf während einer Meßzeit von 5 Tagen. Ein so genannter Summenparameter, da damit keine Einzelsubstanzen bestimmt werden. Mit dem BSB5 wird nur jener Sauerstoffbedarf bestimmt, der durch die Oxidation von Kohlenstoffverbingungen durch Mikroorganismen entsteht. Die biologische Oxidaton von Ammonium (NH4) zu Nitrat (NO3), auch Nitrifikation genannt, soll nicht erfasst werden und wird im Versuch durch einen Hemmstoff unterbunden.CSB:
Chemischer Sauerstoffbedarf. Ein so genannter Summenparameter, da damit keine Einzelsubstanzen bestimmt werden. Der CSB wird mittels der Oxidation durch Kaliumdichromat bestimmt und umfasst den Sauerstoffbedarf zur Oxidation eines Großteils der Kohlenstoffverbindungen. Dieser Parameter kann zur Bilanzierung der Anlage herangezogen werden. Stickstoff:
Liegt im Rohabwasser hauptsächlich als organisch gebundener Stickstoff, NH4-N und zu geringen Anteilen als NO3-N und NO2-N vor.Phosphor:
Liegt als organisch gebundener Phosphor oder PO4-P vor.Weitere hilfreiche Webseiten
Kläranlagen Tipps-Wartung-Vermittlung