Die Stufen der Abwasserbehandlung: Prozesse und Kennwerte

Die Stufen der Abwasserbehandlung

Die Abwasserreinigung gliedert sich in mehrere Hauptstufen, die jeweils spezifische Ziele verfolgen, um das Abwasser zu klären und die Umwelt zu schützen.

Vorbehandlung

Die Vorbehandlung umfasst mechanische Verfahrensschritte, die der Entfernung von groben Feststoffen, Sand und Fett dienen. Ihr Hauptzweck ist der Schutz der nachfolgenden Anlagenteile und des Kanalsystems.

Verfahrensschritte der Vorbehandlung:

1. Entfernung von Grobstoffen und Fett:
   • Entfernung sehr dicker Feststoffe durch den Fettfang (Fettabscheider).
   • Entfernung dicker fester Massen (30–80 mm) in zwei Stufen:
   1. Grobrechen (mit 30–50 mm Stababstand) mit Platten von 12 bis 15 mm.
   2. Feinrechen (mit 10–15 mm Spaltweite zwischen den Platten).
2. Zum Schutz der Anlage:
   • Entfernung von Sand und Feinstpartikeln: Entfernung von Partikeln größer als 0,20 mm.
   • Entfernung von Fett und Belüftung: Parallel dazu erfolgt die Entfernung von Fett. Die Belüftung des Wassers hat zwei Ziele: das Wasser abzukühlen und Sauerstoff zuzuführen. Dies ermöglicht eine Strömung, die den Sand sedimentieren lässt, aber die Ablagerung von organischer Substanz vermeidet. Diese Operationen werden im Sandfang durchgeführt.

Primäre Behandlung (Mechanische Reinigung)

Diese Phase wird als Prozess bezeichnet. Ziel ist es, die organische Last zu reduzieren, damit das Abwasser ab diesem Punkt weniger fäulnisfähig (putrescible) ist. Die organischen Bestandteile bestehen in der Regel aus Kohlenhydraten oder stickstoffhaltigen Verbindungen.

• Prozess: Mechanische Vorklärung durch das primäre Absetzbecken (Vorklärung).
• Ergebnis: Das Abwasser enthält Feststoffe in einer Konzentration von etwa 300 mg/l (0,03%). Der extrahierte, eingedickte Schlamm (Primärschlamm) erreicht eine Konzentration von bis zu 2%.
• Leistung: Dieser Prozess liefert eine Reduktion der Schwebstoffe (SS) von ca. 70% und eine Reduktion des Biologischen Sauerstoffbedarfs (BSB) von 30–35%.

Sekundäre oder Biologische Behandlung

Die biologische Behandlung besteht aus zwei Hauptprozessen:

Biologischer Reaktor oder Belebungsbecken

Hier wird das Belebtschlammverfahren angewendet. Es besteht in der Verdauung der organischen Materie durch aerobe biologische Masse (Mikroorganismen). Diese benötigen Sauerstoff und bilden Flocken (Schlammflocken), wobei CO₂ freigesetzt wird.

Nachklärbecken

Im Nachklärbecken erfolgt die Trennung der im Reaktor gebildeten Flocken vom gereinigten Wasser. Diese Flocken sind der sekundäre Klärschlamm. Die biologische Anlage erreicht typischerweise folgende Reinigungsgrade:

• Reduktion der Schwebstoffe (SS): ca. 95%
• Reduktion des Biologischen Sauerstoffbedarfs (BSB): 90–93%

Sterilisation

Optional kann nach dem Nachklärbecken eine Sterilisation erfolgen (Abtötung von Bakterien und Viren). In einigen Fällen wird dies mit Chlor durchgeführt, was jedoch schädlich für Mensch und Umwelt sein kann.

Schlammbehandlung

Die Behandlung des anfallenden Schlamms ist ein wesentlicher Bestandteil der Kläranlage.

Schlammkonzentration

• Primärschlamm: Maximale Konzentration von 2–4%. Er lässt sich besser durch Sedimentation konzentrieren.
• Sekundärschlamm: Maximale Konzentration von 0,6–0,8%. Er lässt sich besser durch Flotation konzentrieren.

Eindickung (Thickening)

Zur Konzentration des Schlamms werden Eindicker verwendet:

• Mechanische Eindicker (Krählwerke): Sie rühren den Schlamm und erleichtern dadurch die Flüssigkeitsabgabe. Im Primärschlamm wird eine Konzentration von 8–10% erreicht. Der entstehende Überstand ist sehr geruchsintensiv und wird zurück an den Anlagenkopf geleitet.
• Flotations-Eindicker: Das Gerät bläst Luft ein, was die Verklumpung der Flocken begünstigt. Der Überstand (oder Sub-Überstand) wird ebenfalls an den Anlagenkopf zurückgeführt. Der Schlamm schwimmt auf und wird zur anaeroben Stabilisierung geleitet.

Aerobe Stabilisierung (Aerobe Faulung)

Die Stabilisierung erfolgt mit heterotrophen Bakterien unter Zugabe von Sauerstoff und Rührung. Sie wird oft vor der Eindickung durchgeführt, um die Oxidation des Schlamms zu erleichtern. Die aerobe Faulung dauert etwa 15 Tage. Anschließend wird der Schlamm zur Entwässerung geleitet, die mittels Filterband, Filterpresse oder Zentrifuge erfolgen kann. Der entwässerte Schlamm erreicht eine Feststoffkonzentration von 20 bis 22% (konsistenz wie Plastilin).

Anaerobe Stabilisierung (Vergärung)

Die aerobe Stabilisierung erfordert viel Energie (Sauerstoffzufuhr). In großen Kläranlagen wird die Stabilisierung daher durch Vergärung (anaerobe Faulung) durchgeführt. Dabei entsteht Faulgas (Methan oder Biogas), das zur Beheizung des Faulbehälters auf die erforderliche Temperatur von 30 °C und zur energetischen Verwertung genutzt wird. Der Schlamm wird anschließend in den Nacheindicker geleitet, wo er auf 6% konzentriert wird, bevor er zur mechanischen Entwässerung (Trocknung) geführt wird, um eine Spitzenkonzentration von 25% zu erreichen.

Wichtige Kennwerte und Design-Parameter

Schwebstoffe (SS)

Schwebstoffe sind alle Stoffe, die im Abwasser weder gelöst noch kolloidal vorliegen und durch Sedimentation entfernt werden können. Etwa 70% dieser Feststoffe können sich innerhalb einer Stunde absetzen (sedimentierbare Schwebstoffe). Die Vorklärung zielt darauf ab, 95% der absetzbaren Schwebstoffe zu eliminieren, was etwa 65% der gesamten Schwebstoffe (SS) entspricht.

Biologischer Sauerstoffbedarf (BSB₅)

Der BSB₅ ist der Sauerstoffverbrauch einer versiegelten Abwasserprobe über fünf Tage. Wenn das Wasser keinen gelösten Sauerstoff mehr enthält, spricht man von septischem Wasser. Wird der gelöste Sauerstoff im Abwasser verbraucht, beginnen anaerobe Prozesse, die zur Geruchsbildung führen. Alle Design-Parameter basieren auf dem BSB₅.

• Die Sauerstoffzehrung über die Zeit folgt einer asymptotischen Kurve. Der BSB₅ stellt 75–80% des asymptotischen Bedarfs dar.
• Typische Werte für städtische Gebiete (Referenz-Personen-Äquivalente):
  • 60 g/Person/Tag in informellen Siedlungen.
  • 65 g/Person/Tag in der Stadtmitte.
  • 75 g/Person/Tag in einem Wohngebiet.

Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB)

Der CSB ist die Menge an gelöstem Sauerstoff, die zur chemischen Oxidation des Abwassers durch ein stark oxidierendes chemisches Reagenz verbraucht wird. Die Bestimmung ist schneller als die des BSB (1–2 Stunden bei kalter Oxidation oder 20–30 Minuten bei heißer Dichromat-Oxidation). Die Bestimmung hängt vom Oxidationsmittel sowie von den oxidierbaren organischen und anorganischen Materialien ab. Obwohl es keine universelle Beziehung zwischen CSB und BSB₅ gibt, können für bestimmte Abwasserarten gültige Korrelationskurven zur Kontrolle erstellt werden.

Stickstoff

Stickstoff liegt im Abwasser hauptsächlich als Ammoniak vor. Die Kontrolle von Nährstoffen ist wichtig, da deren Einleitung in Gewässer zur Eutrophierung führen kann. Der Stickstoff muss begrenzt werden, da Ammoniak für Wassertiere giftig ist.

Einschränkungen und Planungsgrundlagen

Bei der Planung einer Kläranlage müssen verschiedene Einschränkungen und Randbedingungen berücksichtigt werden:

Herausforderungen des Projekts:

• Topografie: Im Zusammenhang mit dem piezometrischen Höhenverlust.
• Geotechnik: Die übertragenen Lasten liegen bei Faulbehältern in der Größenordnung von 3–4 t/m².
• Baugrubenaushub: Oft sehr eng. Aufgrund von Gründungsproblemen kann es notwendig sein, Auftriebssicherungen und Ballast zu verwenden.
• Anschlusspunkte: Verfügbarkeit von Strom und Trinkwasser.

Hydraulische und Kapazitätsplanung:

• Abwassersystem: Die Überprüfung des Abwassersystems in einem oder mehreren Hauptsammlern ist wichtig. Dazu gehören Spitzenabflüsse, Profile und geometrische Eigenschaften der Sammler.
• Geländehöhe: Die Höhe des letzten Abschnitts des Sammlers und die Geländehöhe am Einlauf der Anlage.
• Hydraulische Gesamtkapazität: Wichtig für die Dimensionierung der Hochwasserentlastung. Anhand der Kapazitätskurve des Sammlers und der Spitzenabflüsse kann der maximale Wasserstand am Anlageneingang ermittelt werden. Es muss auch die maximale Wasserhöhe im Kanal bekannt sein, die üblicherweise als die Höhe definiert wird, die während eines 25-jährigen Wiederkehrintervalls erreicht wird.
• Anzahl der Behandlungslinien: Es sollte niemals nur eine Linie für jeden Prozess geben, sondern mehrere Reinigungslinien. In Städten mit weniger als 50.000 Einwohnern werden in der Regel zwei Linien geplant. Für Populationen zwischen 50.000 und 100.000 werden drei Linien verwendet, und bei größeren Populationen kann die Anzahl der Linien weiter erhöht werden.