Definition: Was ist eine Kläranlage?
Eine Kläranlage ist eine technische Anlage zur Reinigung von Abwasser. Sie entfernt feste, gelöste und biologisch abbaubare Stoffe, bevor das gereinigte Wasser in einen Fluss, See oder ein anderes Gewässer eingeleitet wird.
Das Abwasser stammt überwiegend aus Haushalten, Gewerbebetrieben und öffentlichen Einrichtungen. Je nach Einzugsgebiet können auch industrielle Abwässer und Niederschlagswasser enthalten sein.
Kläranlagen sind ein wesentlicher Bestandteil des Gewässer- und Gesundheitsschutzes. Ohne Abwasserreinigung würden organische Stoffe, Nährstoffe, Krankheitserreger, Chemikalien und Abfälle unmittelbar in die Umwelt gelangen.
Aufgaben einer Kläranlage
Die Hauptaufgabe einer Kläranlage besteht darin, die Belastung des Abwassers so weit zu reduzieren, dass das aufnehmende Gewässer möglichst wenig geschädigt wird. Dazu werden mechanische, biologische und chemische Verfahren miteinander kombiniert.
Die Anlage entfernt sichtbare Feststoffe, baut gelöste organische Verbindungen ab und verringert die Konzentration von Stickstoff und Phosphor. Moderne Anlagen können zusätzlich Mikroverunreinigungen oder Krankheitserreger behandeln.
Schutz vor Sauerstoffmangel
Unbehandeltes Abwasser enthält große Mengen organischer Substanz. Gelangt dieses Material in ein Gewässer, wird es von Mikroorganismen abgebaut.
Der Abbau verbraucht Sauerstoff. Bei hoher Belastung kann der Sauerstoffgehalt so stark sinken, dass Fische und andere Wasserorganismen geschädigt werden. Die biologische Reinigung reduziert diese organische Belastung bereits in der Kläranlage.
Entfernung von Nährstoffen
Stickstoff und Phosphor fördern das Wachstum von Algen und Wasserpflanzen. Gelangen zu große Mengen in Seen, Flüsse oder Küstengewässer, kann es zur Eutrophierung kommen.
Kläranlagen verringern die Nährstoffkonzentration durch biologische und chemische Verfahren. Eine vollständige Entfernung ist jedoch technisch aufwendig und wird nicht in jeder Anlage erreicht.
Zulauf und Abwasserzusammensetzung
Das Abwasser gelangt über die Kanalisation in die Kläranlage. Seine Menge und Zusammensetzung schwanken im Tagesverlauf. Morgens und abends fällt in Haushalten meist mehr Schmutzwasser an als während der Nacht.
Bei Regen kann die Zulaufmenge in Mischkanalisationen stark steigen. Das Abwasser ist dann stärker verdünnt, während gleichzeitig große Wassermengen behandelt werden müssen.
Häusliches Abwasser
Häusliches Abwasser enthält Fäkalien, Urin, Toilettenpapier, Lebensmittelreste, Fette, Waschmittel und Körperpflegeprodukte. Es führt organische Verbindungen, Stickstoff und Phosphor mit sich.
Zusätzlich gelangen Arzneimittelrückstände, Mikroplastik, Reinigungschemikalien und andere Spurenstoffe in den Abfluss. Viele dieser Stoffe werden in herkömmlichen Anlagen nur teilweise entfernt.
Gewerbliches und industrielles Abwasser
Abwasser aus Gewerbe und Industrie kann hohe Salzgehalte, Metalle, Lösungsmittel, Öle, Säuren oder Laugen enthalten. Solche Stoffe können biologische Reinigungsprozesse stören.
Bestimmte Betriebe müssen ihr Abwasser deshalb vorbehandeln. Grenzwerte und Einleitkontrollen sollen verhindern, dass problematische Stoffe in die öffentliche Kanalisation gelangen.
Mechanische Reinigung
Die mechanische Reinigung ist meist die erste Stufe einer Kläranlage. Sie entfernt grobe Stoffe, Sand, Fett und absetzbare Bestandteile.
Dadurch werden Pumpen, Leitungen und nachfolgende Becken geschützt. Gleichzeitig sinkt die Belastung der biologischen Reinigung.
Rechen
Im Rechen bleiben größere Gegenstände hängen. Dazu gehören Feuchttücher, Hygieneartikel, Kunststoffteile, Holzstücke und andere Abfälle.
Das Rechengut wird automatisch oder manuell entfernt, entwässert und anschließend entsorgt. Viele Störungen entstehen durch Materialien, die unsachgemäß über Toiletten oder Abflüsse beseitigt wurden.
Sandfang
Im Sandfang wird die Fließgeschwindigkeit des Abwassers verringert. Schwere mineralische Teilchen wie Sand, Kies und Glassplitter sinken zu Boden.
Organische Stoffe sollen möglichst in Schwebe bleiben und in die biologische Reinigung gelangen. Entferntes Material wird gewaschen und verwertet oder entsorgt.
Fettfang
Fette und Öle besitzen eine geringere Dichte als Wasser und steigen an die Oberfläche. Dort können sie abgeschöpft werden.
Eine zu hohe Fettbelastung kann Leitungen verstopfen und biologische Prozesse beeinträchtigen. Gewerbliche Küchen benötigen deshalb häufig eigene Fettabscheider.
Vorklärbecken
Im Vorklärbecken fließt das Abwasser langsam. Absetzbare Feststoffe sinken zu Boden und bilden Primärschlamm.
Schwimmstoffe sammeln sich an der Oberfläche. Nach der Vorklärung enthält das Wasser weiterhin viele gelöste organische Stoffe, die biologisch behandelt werden müssen.
Biologische Reinigung
Die biologische Reinigung nutzt Mikroorganismen, um gelöste und fein verteilte organische Stoffe abzubauen. Bakterien, Einzeller und andere Kleinstlebewesen bilden eine Lebensgemeinschaft.
Die Organismen verwenden die Abwasserbestandteile als Nahrung und Energiequelle. Dabei entstehen Kohlendioxid, Wasser, neue Biomasse und weitere Stoffwechselprodukte.
Belebungsbecken
Im Belebungsbecken wird das Abwasser mit Belebtschlamm vermischt. Dieser besteht aus Mikroorganismen, organischen Partikeln und kleinen Flocken.
Belüftungssysteme führen Sauerstoff zu und halten die Biomasse in Bewegung. Der Sauerstoff ermöglicht den aeroben Abbau organischer Stoffe.
Belebtschlamm
Belebtschlamm enthält eine vielfältige Gemeinschaft von Bakterien, Pilzen und Einzellern. Die Organismen bilden Flocken, die sich später vom gereinigten Wasser trennen lassen.
Die Zusammensetzung verändert sich je nach Temperatur, Abwasserbelastung, Sauerstoffgehalt und Betriebsweise. Giftige Einleitungen können die Gemeinschaft schädigen.
Nachklärbecken
Nach der biologischen Behandlung fließt das Gemisch aus Wasser und Belebtschlamm in das Nachklärbecken. Dort sinken die Schlammflocken zu Boden.
Ein Teil des Schlamms wird als Rücklaufschlamm zurück in das Belebungsbecken gepumpt. Überschüssige Biomasse wird aus dem System entfernt und als Klärschlamm weiterbehandelt.
Stickstoffentfernung
Stickstoff gelangt vor allem über Urin, Fäkalien und bestimmte industrielle Abwässer in die Kläranlage. Er liegt zunächst häufig als Ammonium oder organisch gebundener Stickstoff vor.
Die Stickstoffentfernung erfolgt überwiegend biologisch. Zwei wichtige Schritte sind Nitrifikation und Denitrifikation.
Nitrifikation
Bei der Nitrifikation wandeln spezialisierte Bakterien Ammonium zunächst in Nitrit und anschließend in Nitrat um. Dafür benötigen sie Sauerstoff.
Die Organismen wachsen langsam und reagieren empfindlich auf niedrige Temperaturen, Sauerstoffmangel und bestimmte Schadstoffe. Eine stabile Nitrifikation erfordert ausreichend lange Aufenthaltszeiten.
Denitrifikation
Bei der Denitrifikation wandeln Bakterien Nitrat unter sauerstoffarmen Bedingungen in gasförmigen Stickstoff um. Dieser entweicht in die Atmosphäre, die ohnehin überwiegend aus Stickstoff besteht.
Die Bakterien benötigen dabei abbaubare organische Stoffe als Energiequelle. Die Steuerung der sauerstoffreichen und sauerstoffarmen Bereiche ist für eine wirksame Stickstoffentfernung entscheidend.
Phosphorentfernung
Phosphor stammt unter anderem aus menschlichen Ausscheidungen, Reinigungsmitteln, Lebensmitteln und industriellen Prozessen. Bereits geringe Konzentrationen können das Algenwachstum in Gewässern fördern.
Die Entfernung erfolgt biologisch oder durch chemische Fällung. Häufig werden beide Verfahren kombiniert.
Biologische Phosphorelimination
Bestimmte Bakterien können unter wechselnden Betriebsbedingungen besonders viel Phosphor in ihren Zellen speichern. Mit dem Überschussschlamm wird der gebundene Phosphor aus dem Abwasser entfernt.
Das Verfahren benötigt eine genaue Prozesssteuerung. Schwankende Abwasserzusammensetzung kann die Leistung beeinflussen.
Chemische Fällung
Bei der chemischen Fällung werden Eisen- oder Aluminiumsalze zugegeben. Sie reagieren mit gelöstem Phosphat und bilden schwer lösliche Verbindungen.
Die entstandenen Flocken werden mit dem Schlamm abgetrennt. Das Verfahren ist wirksam, erhöht jedoch die Schlammmenge und benötigt zusätzliche Chemikalien.
Klärschlamm
Klärschlamm entsteht bei der mechanischen und biologischen Abwasserreinigung. Er enthält Wasser, organische Stoffe, Mikroorganismen, Nährstoffe und eingetragene Schadstoffe.
Der Schlamm wird eingedickt, stabilisiert und entwässert. Anschließend erfolgt je nach Zusammensetzung und rechtlichen Vorgaben eine weitere Verwertung oder Entsorgung.
Schlammfaulung
Bei der Faulung bauen Mikroorganismen organische Stoffe unter Sauerstoffausschluss ab. Dabei entsteht Klärgas, das vor allem Methan und Kohlendioxid enthält.
Das Gas kann in Blockheizkraftwerken zur Erzeugung von Strom und Wärme genutzt werden. Die Faulung reduziert die Schlammmenge und verbessert seine Stabilität.
Schadstoffe im Klärschlamm
Klärschlamm kann Schwermetalle, Arzneimittelrückstände, PFAS, Mikroplastik und andere Schadstoffe enthalten. Diese Stoffe stammen aus Haushalten, Gewerbe, Industrie und Straßenabfluss.
Eine landwirtschaftliche Nutzung führt Nährstoffe zurück, kann aber auch Schadstoffe in Böden eintragen. Deshalb wird belasteter Schlamm häufig verbrannt.
Phosphorrückgewinnung
Phosphor ist ein wichtiger Nährstoff und ein begrenzter Rohstoff. Klärschlamm und Klärschlammasche enthalten teilweise erhebliche Phosphormengen.
Technische Verfahren können den Phosphor zurückgewinnen und für die Düngemittelherstellung nutzbar machen. Dadurch werden Rohstoffkreisläufe geschlossen und Importabhängigkeiten verringert.
Weitergehende Reinigung
Herkömmliche Kläranlagen entfernen viele organische Stoffe und Nährstoffe, jedoch nicht alle Mikroverunreinigungen. Arzneimittel, Hormone, Pestizide und Industriechemikalien können teilweise im gereinigten Wasser verbleiben.
Eine zusätzliche Reinigungsstufe kann die Konzentration solcher Stoffe reduzieren. Verbreitete Verfahren sind Aktivkohle und Ozonung.
Aktivkohle
Aktivkohle besitzt eine sehr große innere Oberfläche. Viele organische Spurenstoffe lagern sich daran an.
Die Kohle wird als Pulver zugegeben oder als Granulat in Filtern eingesetzt. Nach der Nutzung muss sie regeneriert oder entsorgt werden.
Ozonung
Ozon ist ein starkes Oxidationsmittel. Es verändert oder zerstört zahlreiche organische Moleküle.
Dabei können neue Abbauprodukte entstehen. Häufig folgt deshalb eine biologische oder filtrierende Nachbehandlung.
Membranfiltration
Membranen besitzen sehr feine Poren und halten Partikel, Mikroorganismen oder gelöste Stoffe zurück. Je nach Verfahren kommen Mikrofiltration, Ultrafiltration oder noch feinere Trennmethoden zum Einsatz.
Membranverfahren erreichen eine hohe Reinigungsleistung, benötigen aber Energie und regelmäßige Reinigung.
Krankheitserreger und Hygiene
Abwasser enthält Bakterien, Viren, Parasiten und andere Krankheitserreger. Die meisten werden während der Reinigung deutlich reduziert, aber nicht immer vollständig entfernt.
Bei empfindlichen Nutzungen kann eine zusätzliche Desinfektion erforderlich sein. Dazu kommen ultraviolettes Licht, Ozon oder andere Verfahren infrage.
Antibiotikaresistenzen
Antibiotikaresistente Bakterien und Resistenzgene gelangen aus Haushalten, Krankenhäusern und Tierhaltungsbetrieben in das Abwasser.
Kläranlagen reduzieren einen Teil dieser Belastung. Gleichzeitig treffen dort viele Mikroorganismen, Nährstoffe und Arzneimittelreste aufeinander. Die Bedeutung für die Verbreitung von Resistenzen wird intensiv untersucht.
Energieverbrauch und Eigenversorgung
Kläranlagen benötigen Energie für Pumpen, Belüftung, Rührwerke, Schlammbehandlung und Messsysteme. Besonders die Belüftung der biologischen Stufe verbraucht viel Strom.
Durch effiziente Technik, angepasste Steuerung und die Nutzung von Klärgas lässt sich der externe Energiebedarf verringern. Einige Anlagen erzeugen einen großen Teil ihres Stroms selbst.
Klärgasnutzung
Klärgas entsteht während der anaeroben Schlammfaulung. Sein Methananteil macht es energetisch nutzbar.
Das Gas wird häufig in einem Blockheizkraftwerk verbrannt. Der erzeugte Strom versorgt die Anlage, während die Wärme für Faultürme und Betriebsgebäude genutzt wird.
Störungen des Betriebs
Kläranlagen reagieren empfindlich auf plötzliche Belastungen. Giftige Chemikalien, große Mengen Fett, starke pH-Wert-Schwankungen oder extrem hohe Abwassermengen können die Reinigungsleistung beeinträchtigen.
Auch Stromausfälle, technische Defekte und Hochwasser stellen Risiken dar. Notstromversorgung und mehrfache technische Absicherung erhöhen die Betriebssicherheit.
Schwimmschlamm und Blähschlamm
Unter ungünstigen Bedingungen bilden bestimmte Bakterien fadenförmige Strukturen. Der Schlamm setzt sich dann im Nachklärbecken schlecht ab.
Bei Blähschlamm können Schlammflocken mit dem gereinigten Wasser ausgetragen werden. Eine genaue Analyse der Ursachen ist notwendig, um den Prozess wieder zu stabilisieren.
Kläranlage und Gewässerschutz
Die Einleitung gereinigten Abwassers beeinflusst das aufnehmende Gewässer weiterhin. Es enthält Restmengen an Nährstoffen, Salzen, Wärme und Spurenstoffen.
In kleinen Flüssen kann der Anteil des gereinigten Abwassers besonders während trockener Perioden hoch sein. Die Anforderungen an die Reinigung müssen daher an die Empfindlichkeit des Gewässers angepasst werden.
Niedrigwasser
Bei Niedrigwasser wird eingeleitetes Abwasser weniger stark verdünnt. Reststoffe erreichen dadurch höhere Konzentrationen.
Steigende Wassertemperaturen und geringe Sauerstoffgehalte können die Belastung zusätzlich verstärken. Der Klimawandel erhöht in manchen Regionen die Bedeutung dieses Problems.
Zusammenfassung
Eine Kläranlage reinigt Abwasser mithilfe mechanischer, biologischer und chemischer Verfahren. Sie entfernt Feststoffe, baut organische Verbindungen ab und verringert Stickstoff sowie Phosphor.
Moderne Anlagen behandeln zusätzlich Spurenstoffe und Krankheitserreger. Klärschlamm, Energieverbrauch und Restbelastungen bleiben wichtige Herausforderungen. Eine wirksame Abwasserreinigung schützt Gewässer, Böden und menschliche Gesundheit und ermöglicht die Rückgewinnung von Energie und Nährstoffen.
