Wasser ist ein kostbares Gut. Zum Schutz unserer natürlichen Gewässer bzw. zur Unterstützung der Trinkwasserproduktion werden daher alle Abwässer zuerst von Schmutz- und Schadstoffen befreit, bevor sie wieder in den Wasserkreislauf eingespeist werden. Zur Aufbereitung des Wassers und zur Erreichung einer bestmöglichen, natürlichen Wasserqualität werden verschiedene Verfahren angewendet. Allgemein kann die Aufbereitung von Abwässern in zwei grundlegende Arten eingeteilt werden. Zum einen werden problematische Stoffe aus dem Wasser entfernt. Dies geschieht etwa durch Reinigung, Enteisenung, Entmanganung, Sterilisation, Entsalzung oder Enthärtung. Zum anderen werden gezielt Substanzen ergänzt, um die Qualität zu verbessern und Parameter wie pH-Wert oder Leitfähigkeit zu beeinflussen.
Zur Umsetzung der verschiedenen Aufbereitungsstufen stehen mehrere Verfahren der Wasseraufbereitung zur Verfügung:
Das höchste Aufkommen an zu reinigendem Abwasser ist in kommunalen Kläranlagen zu verzeichnen, weshalb hier die Kombination vielfältiger und effektiver Verfahren notwendig ist. Je nach Art der Kläranlage unterscheiden sich die eingesetzten Verfahren.
Die Verfahren der Abwasseraufbereitung in Kläranlagen lassen sich in verschiedene Stufen einteilen.
Das noch gänzlich ungeklärte Abwasser wird in einem ersten Schritt mechanisch gereinigt, wodurch etwa 20 – 30% der enthaltenen Feststoffe entfernt werden. Hierzu wird das Abwasser in eine Rechenanlage geleitet, wo ein Rechen oder eine Siebtrommel grobe Verschmutzungen wie Laub, Papier oder Textilien herausfiltert. Verschiedene Rechen, vom Grobrechen mit mehreren Zentimetern Spaltbreite bis zum Feinrechen mit einer Spaltbreite von wenigen Millimetern, durch die das Wasser mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fließt, filtern stufenweise die Grobstoffe heraus. Das maschinell gesammelte Rechengut wird entwässert und über eine Verbrennungsanlage entsorgt.Anschließend gelangt das vorgereinigte Wasser in einen sogenannten Sandfang. In der Klärtechnik bezeichnet man so ein Absetzbecken, das die Aufgabe hat, grobe Partikel, wie Steine, Glassplitter oder Sand sowie auch grobes organisches Material, das nicht von den Rechen aussortiert wurde, zu entfernen. Dies geschieht mit einer relativ hohen Fließgeschwindigkeit von etwa 0,3 m/s. Man unterscheidet den unbelüfteten Langsandfang, den belüfteten Langsandfang, auch Walzensandfang genannt und einem Rundsandfang.
Beim belüfteten Sandfang werden zusätzlich Fette und Öle aus dem Abwasser entfernt und das passiert so: durch die eingebrachte Prozessluft wird eine Walzenbewegung des Wassers erzeugt, durch die die leichteren Stoffe, wie Öle und Fette an die Oberfläche getragen werden. Hier können sie leicht vom Wasser abgeräumt werden.Bei einem Rundsandfang werden die Stoffe mit Zentrifugalkraft vom Abwasser getrennt und abgesaugt. Nach der Reinigung im Sandfang wird das Sandfanggut gewaschen und von organischen Stoffen befreit. Damit erreicht man eine bessere Entwässerung des aufgefangenen anorganischen Materials, das beispielsweise im Straßenbau weiterverwertet werden kann. Ist keine Weiterverwertung möglich, muss das Sandfanggut ordnungsgemäß entsorgt werden: Es wird deponiert oder in Müllverbrennungsanlagen vernichtet.Das Vorklärbecken ist die nächste Stufe der Abwasseraufbereitung. Die Geschwindigkeit des Abwassers ist ca. 1,5 cm/s deutlich langsamer als im Sandfang. Die Reduzierung der Fließgeschwindigkeit wird durch eine Verbreiterung des Beckens erreicht. Eine geringe Fließgeschwindigkeit ist notwendig, damit sich die feineren Schmutzpartikel je nach Beschaffenheit am Boden oder an der Wasseroberfläche absetzen können. Der Schlamm, der hier durch Sedimentation (Absetzung am Boden) entsteht, wird Primärschlamm genannt. Er besteht meist aus organischem Material. Mit einem Räumbalken wird der Primärschlamm vom Boden in einen Frischschlammtrichter geschoben. Die aufschwimmenden Stoffe werden zu einem Schwimmschlammschacht weitergeleitet. Eine Pumpe befördert den Frischschlamm in den sogenannten Faulturm.Im Faulturm entsteht in vier Phasen (Hydrolyse-, Versäuerungs-, Acetongene- und Methanogene-Phase) Methan-Gas, das in einem Blockheizwerk verstromt und zur Energieversorgung der Anlage eingesetzt werden kann. Der Fäulnisprozess im Faulturm ist nach circa vier Wochen abgeschlossen. Übrig bleibt geruchloser Schlamm, der nach der Entwässerung durch Zentrifugen oder Filter gerne in der Landwirtschaft verwendet wird.Hier endet die mechanische Reinigungsstufe. Durchschnittlich werden in dieser Phase 30% bis 40 Prozent der Verschmutzungen aus dem Abwasser entfernt. Das Abwasser gelangt nun auf seinem Weg durch die Kläranlage in die nächste Stufe der Abwasseraufbereitung.
In den meisten Kläranlagen gelangt das in der mechanischen Reinigungsstufe vorgereinigte Wasser nun in die sogenannten Belebungsbecken, die häufig als Umlaufbecken angelegt sind. Hier findet die biologische Reinigung statt.
Das Wasser wird durch die Zufuhr von Sauerstoff und mithilfe von Propellern in einen Umlauf versetzt. Es entstehen mehr oder weniger belüftete Areale, in denen unterschiedliche Milieubedingungen für Bakterien und Kleinstlebewesen geschaffen werden. Diese Mikroorganismen ernähren sich von den noch vorhandenen organischen Verschmutzungen des Wassers und wandeln sie in anorganische Stoffe um. Die Bakterien bilden Belebtschlammflocken, die frei im Wasser schweben. Die Zufuhr von Sauerstoff regt die Vermehrung der Bakterien an und fördert somit die Belebtschlammbildung. Man nennt dieses Verfahren der biologischen Abwasserreinigung daher auch Belebtschlammverfahren.Das Abwasser mit dem Belebtschlamm wird ins Nachklärbecken eingeleitet. Hier wird die Fließgeschwindigkeit des Abwasserstromes erneut reduziert. Es erfolgt die Sedimentation: Der Belebtschlamm setzt sich am Boden des gereinigten Wassers ab, wo er durch maschinelle Räumeinrichtungen am Boden vom klaren Wasser getrennt werden kann. Ein Teil davon wird als zusätzliche Biomasse in den Faulturm weitergeleitet. Der andere Teil des Schlammes, den man auch „Rücklaufschlamm“ nennt wird zurück in das Belebungsbecken geleitet, um sicherzustellen, dass genügend Mikroorganismen für den Schmutzabbau im Belebungsbecken vorhanden sind. Nach der biologischen Reinigung ist das Abwasser zu ca. 90% von biologisch abbaubaren Stoffen gesäubert. Die biologische Reinigungsstufe ist aufgrund der Sauerstoffzufuhr durch Kompressoren die energiereichste Phase im gesamten Reinigungsprozess. Hat das Wasser die gesetzlich vorgeschriebene Qualität erreicht, kann es in den Wasserkreislauf, zum Beispiel in einen Fluss, zurückgeführt werden.In vielen anderen Fällen reicht die biologische Reinigung nicht aus. Dann sind weitere Abwasserbehandlungsverfahren notwendig, zum Beispiel eine Aufbereitung in Form einer chemischen Behandlung. Dabei kommen auch chemische Zusatzstoffe zum Einsatz.
In dieser Stufe der Abwasseraufbereitung nutzt man chemische Prozesse für die Abwasserbehandlung. Dazu werden chemische Verbindungen für die Herstellung der gesetzlich vorgeschriebenen Wasserrichtwerte eingesetzt. Zur chemischen Abwasseraufbereitung in Kläranlagen gehören die Neutralisation, die Desinfektion, die Phosphatfällung, die Stickstoffelimination, die Enteisung und die Entmanganung.
Die Neutralisation dient der Herstellung des vorgeschriebenen pH-Wertes, der durch die Zugabe einer Säure, zum Beispiel HCI oder einer Base, zum Beispiel Kalkmilch, erreicht wird.
Bei der Desinfektion werden durch Zugabe von Chlor oder Chlordioxid Krankheitserreger abgetötet. Statt der Zuführung von Chemikalien stellt hierbei die Bestrahlung des Abwassers mit UV-Licht eine gute Alternative dar, die jedoch seltener verwendet wird. Phosphat-Elimination: Unsere Abwässer sind häufig mit Phosphaten aus Waschmitteln, Düngern, Lebensmittelzusätzen und Fäkalien belastet. Bleiben sie im Abwasser, führen zu einer Überdüngung der Gewässer und einer Anreicherung mit Nährstoffen, die zu nutzlosem, für das Ökosystem schädlichem Pflanzenwachstum (Eutrophierung) führen kann.
Die Entfernung der Phosphate geschieht durch einen chemischen Fällungs- bzw. Flockungsprozess. Die Phosphatfällung wird durch Zugabe von Aluminium- oder Eisensalzen teilweise bereits im Sandfang oder im Nachklärbecken ausgelöst. Die Metall-Phosphat-Flocken, die sich bei dieser Nachklärung absetzen, entnimmt man anschließend zusammen mit dem Belebtschlamm dem Abwasser. Je nach Betriebsweise lässt sich das Phosphat auch mit Hilfe von Mikroorganismen aus dem Abwasser „fischen“. Man spricht in diesem Fall von einer biologischen Phosphor-Elimination, die allerdings noch selten angewendet wird.
Zu der chemischen Wasserreinigung gehört auch die Stickstoffelimination: sie erfolgt, um gewässerschädliche Stickstoffverbindungen, wie Ammoniak und Ammonium aus dem Abwasser zu entfernen. Stickstoffverbindungen entziehen dem Wasser den lebensnotwendigen Sauerstoff und können bei Einleitung in Gewässer sogar ein Fischsterben verursachen. Die Stickstoffelimination erfolgt durch die Nitrifikation und die Denitrifikation: Bei der Nitrifikation, wird unter Zugabe von anaeroben Bakterien und Sauerstoff Ammonium zu Nitrit - und in einem zweiten Schritt zu Nitrat umgewandelt. Die darauffolgende Denitrifikation wird ebenfalls durch Zugabe von anaeroben Mikroorganismen ausgelöst. Diese zersetzen das Nitrat durch enzymatische Aktivitäten zu Stickstoffgas, das in die Atmosphäre zurückgeführt wird. Enteisenung: Um den Eisengehalt des Abwassers auf den vorgeschriebenen Wert zu senken, werden Eisen (II) Kationen durch Zugabe von Sauerstoff oxidiert. Um den Oxidationsprozess auszulösen, muss dem Abwasser außerdem Natronlauge hinzugefügt werden.Entmanganung: Mangan liegt im Abwasser meist als Manganhydrogencarbonat vor. Durch Zuführung von Sauerstoff werden schwerlösliche Mangan IV Verbindungen gebildet, die leicht aus dem Wasser entfernt werden können.
In der vierten und letzten Reinigungsstufe kommen Membran- und Filterverfahren zum Einsatz. Zum Teil wird diese Reinigungsstufe mit den chemischen Verfahren der Fällung und Flockung kombiniert. So entsteht zum Beispiel die Methode der Flockungsfiltration. Dem Abwasser werden Fäll- und Flockungsmittel zugesetzt, was zur Flockenbildung der abzuscheidenden Stoffe führt. Das Abwasser mit dem ausgeflockten Material wird im Anschluss über einen Tuch- oder Sandfilter geleitet. Es sickert langsam durch die Filterschicht. Dabei werden selbst kleinste organische Schwebstoffe entfernt.Die Nanofiltration funktioniert ganz ähnlich. Im Unterschied zur normalen Filtration wird das Wasser jedoch mit Druck durch eine Membran geleitet, die auch gelöste, kleinste Partikel,wie Moleküle oder Schwermetall-Ionen zurückhält. Das gleiche passiert bei der Umkehrosmose, hier werden sogar noch höhere Arbeitsdrücke und feinere Membrane verwendet.Was bei der Filtration, Nanofiltration und Umkehrosmose an Schmutzstoffen zurückgehalten wird, geht über das Vorklärbecken als Filterschlamm in die Schlammbehandlung.Das Wasser gelangt nun in den letzten Bereich der Kläranlage, den Klarwasserspeicher. Hier werden erneut Wasserproben entnommen und die Wasserqualität geprüft. Erst wenn die gesetzlich vorgeschriebenen Parameter erfüllt sind, wird das gereinigte Wasser in den Wasserkreislauf zurückgeführt.
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