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Kläranlage

Bearbeitet von: Jörg Wingender   

(Abkürzung KA). Eine Kläranlage ist eine Einrichtung bzw. Anlage oder System einschließlich seiner Bauwerke und technischen Ausrüstung, in der Abwasser physikalisch, biologisch und/oder chemisch behandelt und gereinigt wird, ggf. in Verbindung mit anderen Arten der Abwasserbehandlung[1-3] (siehe auch Abwasserbehandlungsanlage). Bei größeren Anschlusswerten verwendet man auch die Bezeichnung Klärwerk (KW).

„Unterarten“ von Kläranlagen sind Pflanzenkläranlagen und Teichkläranlagen sowie Kleinkläranlagen. Letztere dienen ausschließlich der Behandlung von häuslichem Schmutzwasser ohne Mitbehandlung von Niederschlags-, Drän- und Kühlwässern. Eine Kleinkläranlage befindet sich in der Regel auf dem Grundstück, auf dem sich auch die zu entwässernden Gebäude befinden[4].

Funktionsprinzip:

Das rohe Abwasser fließt über die Kanalisation dem Zulauf der Kläranlage zu. Hier beginnt die mechanische Reinigung (1. Reinigungsstufe, siehe Abwasserbehandlung), gefolgt von der biologischen Reinigung (biologische Abwasserbehandlung, 2. Reinigungsstufe), die in einem Belebungsbecken oder einem Tropfkörperreaktor durchgeführt wird. Als 3. Behandlungsstufe kann sich die Filtration oder eine chemische Behandlung z. B. in Form einer Phosphor-Elimination anschließen, sofern sie nicht als Vorfällung oder Simultanfällung durchgeführt wird (siehe auch chemische Abwasserbehandlung und weitergehende Abwasserbehandlung). Auf einigen Kläranlagen erfolgt eine Hygienisierung des Abwassers, z. B. durch UV-Bestrahlung. Im gegebenen Fall kann einer oder können mehrere Schönungsteich(e) zur Weiterbehandlung nachgeschaltet sein. Das so gereinigte Abwasser fließt über den Kläranlagenablauf in das aufnehmende Gewässer (Vorfluter, meist Bach oder Fluss). An dieser Stelle wird die Schadstoff-Fracht eines Einleiters berechnet, welche die Grundlage zur Bemessung der Abwasserabgabe (bei Direkteinleitern) oder eines vergleichbaren Betrages (bei Indirekteinleitern) ist.

In der Abbildung ist ein Fließschema einer mechanisch-biologischen Kläranlage dargestellt.

Abbildung: Typisches Fließschema einer zweistufigen, mechanisch-biologischen Kläranlage (nach Literatur).
Abbildung: Typisches Fließschema einer zweistufigen, mechanisch-biologischen Kläranlage (nach Literatur[5]).

In der Abbildung nicht dargestellt ist das erste Bauwerk einer Kläranlage, nämlich die Mischwasserentlastung, die während Regen die zufließende Wassermenge auf die hydraulische Kapazität der Anlage reduziert.

Durch eine Phosphor-Elimination in der 3. Reinigungsstufe können die Mindestanforderungen aus der Tabelle (siehe unten) eingehalten könnte.

Die Abbildung zeigt auch die Behandlung des Schlamms, der entweder nach Stabilisierung und Entwässerung (siehe Klärschlammentwässerung und Klärschlammstabilisierung) verbrannt, deponiert oder weiterverwendet wird, sowie die Gewinnung von Biogas, das zur Energiegewinnung eingesetzt werden kann.

Verweilzeiten:

Die typische Aufenthaltszeit des Wassers im Zulauf und bei Durchgang durch den Rechen beträgt etwa 10 s, im Sandfang ca. 2–10 min, im Fettfang 2–10 min, im Vorklärbecken 40–120 min. Der Schlamm ist etwa einen Tag im Vorklärbecken. Im Belüftungsbecken ist die Aufenthaltszeit des Wassers 2–15 h, des Schlamms 2–15 Tage und der Luft 20 s. Im Nachklärbecken hält sich das Wasser 3–5 Stunden auf und der Schlamm ca. 1 Stunde/Durchgang. Im Eindicker befindet sich der Schlamm 1–2 Tage, bei einer Hygienisierung 1–6 Stunden. Im Faulraum hält sich der Schlamm 15–30 Tage auf; im Schlammstapel (Nachfaulraum) 30–150 Tage. Im Gasometer wird das Gas ca. 1 Tag gehalten.

Reinigungsleistung:

Eine durchschnittliche Kläranlage reinigt bei Trockenwetter ca. 3000 m3/d oder total 1–2 Mio. m3/a Abwasser und hat einen Durchfluss von im Mittel etwa 30 L/s. Die maximale Reinigungskapazität bei Regen beträgt etwa 100 L/s[5].

Für städtische Klärwerke berechnet man nicht wie für Abwasserleitungen den höchsten, sondern einen mittleren Stundenzufluss. Dabei nimmt man aber nicht das 24-h-Mittel, also 1/24, sondern das Mittel der Tagesstunden, z. B. 1/18 der 24-h-Menge. Das ist ein Drittel mehr als das 24-h-Mittel. Auch die Verschmutzung ist Schwankungen unterworfen. Bisher rechnet man mit Tageswerten und mit Zuschlägen für Regen bei Mischsystemen[6].

Mindestanforderungen:

In der Tabelle sind die Mindestanforderungen an die Leistung von Kläranlagen in Deutschland aufgeführt.

Tabelle: Mindestanforderungen an die Kläranlagenleistung (nach Literatur[5]).
Anzahl EinwohnerCSB [g/m3]BSB5 [g/m3]Ammonium-Stickstoff (NH4-N) [g/m3]Gesamt-Stickstoff (anorganisch) (Nges) [g/m3]Gesamt-Phosphor (Pges) [g/m3]
<100015040
1000–500011025
5000–10000902010
10000–100000902010182
>100000751510131

Geruchs- und Geräuschemissionen:

Als die ersten Kläranlagen im vergangenen Jahrhundert gebaut wurden, lagen die Standorte weitab von Städten und Ortschaften. Immissionsschutz spielte noch keine Rolle. Da aber mittlerweile oftmals die Wohnbebauung bis dicht an die Kläranlagen herangerückt ist und auch neue Technologien, wie z. B. die biologische Klärung, eingeführt wurden, sind die Anwohner heute in vielen Fällen, je nach verwendeter Technologie, mehr oder minder stark Gerüchen, Aerosolen und Geräuschen ausgesetzt[7,8].

Der Transport und die Behandlung von kommunalen und industriellen Abwässern gehen grundsätzlich mit einer Geruchsstoffbildung infolge mikrobiellen Abbaus im anaeroben und anoxischen Milieu einher. Besonders an Stellen erhöhter Turbulenz wie am Zulaufgerinne, an Rechenanlage, Vorklärbecken, Hebewerk/Pumpstationen, Belebungsbecken oder Anaerobbecken werden diese Gerüche dann freigesetzt. Bei der Schlammbehandlung entsteht Gestank vor allem an Pumpstationen, Voreindickern, Faulbehältern oder bei der Schlammentwässerung. Als präventive Maßnahmen zur Geruchsvermeidung sind anaerobe Bereiche durch zu geringe Fließgeschwindigkeiten sowie Stripping an Überlaufkanten zu vermeiden sowie geeignete Belüftungsaggregate zu verwenden. Bei sogenannten „End-of-pipe-Techniken“ werden die emissionsträchtigsten Bereiche eingehaust, die Abluft behandelt oder die Belebungsstufe belüftet. Bei der Abluftbehandlung werden die chemisch-physikalisch wirkenden Wäscher in verschiedene Ausführungen, die insbesondere zur Reduzierung der Geruchsstoffe Schwefelwasserstoff und Ammoniak geeignet sind, und Biofilter, die für nicht näher spezifizierte Geruchsstoffströme eingesetzt werden, verwendet. Die Verfahren zur Abluftreinigung für organisch belastete Abluft lassen sich in physikalische, chemische und biologische Verfahren unterteilen[7,8].

Geräuschemissionen entstehen in Abwasserbehandlungsanlagen vor allem durch den Betrieb von Motoren, Belüftungskreiseln, durch innerbetrieblichen Verkehr, aber auch durch das Abwasser selbst, wenn es über Wehre und Überläufe abstürzt. Zur Verminderung kann man bestehende Wände schalldicht auskleiden oder Lärmschutzwände aufstellen. Auch die teilweise Abdeckung der Wasseroberfläche, Unterbringung von Teilanlagen in Gebäuden, schalltechnisch günstige Ausbildung von Überläufen, feinblasige Belüftung in Belebungsbecken sind mögliche Maßnahmen[8].

Energieverbrauch:

Kläranlagen sind oft die größten Stromverbraucher in Städten und Gemeinden. Für die Behandlung des anfallenden Abwassers benötigen diese Anlagen ca. 1 % des gesamten deutschen Strombedarfs. Als größter Stromverbraucher in den Gemeinden vor Straßenbeleuchtung, Schulen, Kindergärten, Krankenhäusern und der Wasserversorgung beträgt ihr Anteil am kommunalen Strombedarf ca. 20 %[9]. Um Gebühren oder Entgelte stabil halten zu können, sind die Betreiber in der kommunalen Abwasserbehandlung infolge der kontinuierlich steigenden Energiepreise angehalten, die Energieeffizienz ihrer technischen Anlagen zu betrachten. Bezogen auf die gesamten jährlichen Kosten beziffert man den prozentualen Anteil der Energiekosten einer Kläranlage von 10000 bis 25000 EW [Einwohnerwert (EW) = Einwohnerzahl (EZ) + Einwohnergleichwert (EGW)] bereits auf ca. 10 %. Gleichzeitig werden jedoch signifikante Einsparpotentiale hinsichtlich des Energieverbrauchs in der Abwasserbehandlung gesehen[10].

Kläranlagen als Energielieferant:

Heutzutage sind Kläranlagen immer mehr sogenannte Energie-Plus-Kläranlagen. Nach Modernisierung der Blockheizkraftwerke erreichte so manche städtische Kläranlage 2014 einen Stromerzeugungsgrad von 113 % und damit mehr als für den Eigenbedarf notwendig. Die Investitionskosten in die Energieeffizienz können die jährlichen Energiekosten deutlich reduzieren. Das anfallende Klärgas (durch Faulung von Klärschlamm) wird vollständig für die Erzeugung von Wärme und Strom mittels Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) in Blockheizkraftwerken genutzt. Die Gaserzeugung hat sich deutlich erhöht, dennoch beträgt der Eigendeckungsgrad für elektrische Energie in den meisten Kläranlagen mit Faulturm bisher im Mittel nur 40 %. Der Stromverbrauch beträgt 30 bis 60 kWh pro Einwohner und Jahr. Bei einem 1 %-igen Anteil am gesamten Stromverbrauch Deutschlands ergibt sich rechnerisch ein Verbrauch von bis zu 5 TWh pro Jahr für die Abwasserbehandlung in den kommunalen Kläranlagen. Dies entspricht in etwa der Hälfte der Jahresstromproduktion des Kernkraftwerks Isar II. Wenn eine Kläranlage wie oben erwähnt mehr Energie liefert, als sie selbst verbraucht und die nötigen Energiespeichersysteme eingebaut werden, wäre es möglich, Strom und Wärme auch an kommunale Einrichtungen und andere Verbraucher bei Bedarf zu liefern. Eine Überproduktion an Energie kann erreicht werden durch die Reduzierung des Stromverbrauchs unter Einhaltung der vorgegebenen Ablaufwerte; durch eine Steigerung der Strom- und Wärmeerzeugung durch Erhöhung der Faulgasproduktion, wie etwa durch die Cofermentation von Abfällen (nur mit Faulturm möglich) oder durch eine energetische Verwertung des anfallenden Klärschlamms auf der Kläranlage (Trocknung mit regenerativer Energie, hydrothermale Carbonisierung, dezentrale Verbrennung)[9,11].

Kläranlagen mit Schlammfaulung, vorhandenen Gasspeichern und KWK-Anlagen sind mit ihrem hohen Verbrauch an Strom und Wärme eigentlich prädestiniert für die Energiespeicherung und können auch als Produzent von Strom und Wärme fungieren. Sowohl die elektrochemische Kurzzeitspeicherung von elektrischer Energie auf kleineren Kläranlagen als auch die Langzeitspeicherung in Form von chemischen Verbindungen wie Methan, Methanol oder kohleähnlicher Substanz stellen interessante Optionen für Kommunen dar. Allerdings müssten im Rahmen des EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetz)[12] vom Gesetzgeber verlässliche Rahmenbedingungen für die Teilnahme am Strommarkt geschaffen werden. Außerdem wäre die derzeit diskutierte 4. Reinigungsstufe zur Elimination von Mikroschadstoffen (wie z. B. Arzneimittelrückstände) durch eine Ozonung oder Aktivkohlebehandlung des biologisch behandelten und nachgeklärten Abwassers mit einem erheblichen zusätzlichen Stromverbrauch verbunden, der das Ziel der „energieautarken“ Kläranlage negiert. Nichtsdestotrotz ist die Einbindung von kommunalen Kläranlagen mit Schlammfaulung in integrierte Energiekonzepte in Kommunen vielversprechend[9,11,13].

Zur Energiegewinnung mit Hilfe von Wärmetauschern in Kläranlagen siehe Abwasserwärmenutzung.

Standortwahl:

Für eine langfristig richtige Standortwahl wird man möglichst viele Entwässerungsgebiete anschließen, da sich bei größeren Anlagen die Belastungsstöße ausgleichen und sich geringere Kosten ergeben. Das Grundstück muss hinsichtlich Größe, Untergrund, Erschließung (Zufahrt, Wasser, Strom) geeignet sein. Einwirkungen auf die Nachbarschaft sind in die Überlegungen mit einzubeziehen. Häufig liegt die Kläranlage in der Flussniederung, da die Kanalisation tief endet. Das Gelände muss dann hochwasserfrei eingedeicht werden. Der schadlose Hochwasserabfluss ist nachzuweisen.

In Deutschland wird von Kläranlagen eine hohe Betriebssicherheit verlangt. Das bedingt zwei unabhängige Stromanschlüsse oder die Einsatzmöglichkeit eines Notstromaggregats, möglichst zwei- oder mehrstraßige Auslegung, regelmäßige Wartung aller Anlagenteile und Vorhaltung der wichtigsten Ersatzteile[6].

Bauliche Anforderungen:

Bauwerke müssen so stabil sein, dass sie allen Belastungen während des Baus, des Betriebs und der Wartung standhalten, z. B. den Wasserdrücken oder den von der technischen Ausrüstung erzeugten statischen und dynamischen Kräften. Die Bauwerke müssen widerstandsfähig sein gegen den chemischen und biologischen Angriff durch Abwasser, Schlamm, Luft- oder Gasbestandteile und gegen Temperaturschwankungen. Außerdem müssen die Bauwerke gegen Auftrieb gesichert sein[1].

Literatur: 
[1] DIN 12255-1: 2002-04, Kläranlagen – Teil 1: Allgemeine Baugrundsätze
[2] DIN EN 1085: 2007-05, Abwasserbehandlung – Wörterbuch
[3] DIN 4045: 2003-08, Abwassertechnik – Grundbegriffe
[4] Otto, U.; Dorgeloh, E., In Abwassertechnik und Gewässerschutz Band 3, Wagner, W., Hrsg., 18. Aktualisierung; C. F. Müller Verlag: Heidelberg, (2005); Kapitel 7221, S. 1
[5] Gujer, W., Siedlungswasserwirtschaft, 3. Aufl.; Springer: Berlin, (2007), S. 296–299
[6] Imhoff, K.; Imhoff, K. R.; Jardin, N., Taschenbuch der Stadtentwässerung, 31. Aufl.; Oldenbourg Industrieverlag: München, (2009), S. 415–421
[7] Arndt, D.; Kettern, J.; Paduch, M., In Abwassertechnik und Gewässerschutz Band 4, Wagner, W., Hrsg., 18. Aktualisierung; C. F. Müller Verlag: Heidelberg, (2005); Kapitel 8200, S. 18–21
[8] Müller, R.; Müller, M., In Abwassertechnik und Gewässerschutz Band 4, Wagner, W., Hrsg., 18. Aktualisierung; C. F. Müller Verlag: Heidelberg, (2005); Kapitel 8300, S. 2–21
[9] Hofmann, J.; Nachtmann, K.; Pettinger, K.-H., wwt – Wasserwirtsch. Wassertech., (2013) (Modernisierungsreport 2013/2014), 36–40
[10] Meusel, S.; Engler, M.; Held, C. ; List, M., wwt – Wasserwirtsch. Wassertech., (2014) Nr. 4, 8–12
[11] Genath, B., wwt – Wasserwirtsch. Wassertech., (2014) Nr. 4, 21–23
[12] Gesetz für den Ausbau erneuerbarer Energien (Erneuerbare-Energien-Gesetz – EEG 2014) vom 21.07.2014 (BGBl. I, S. 1066); http://www.gesetze-im-internet.de/eeg_2014/ [Prüfdatum 28.03.2018]
[13] Hansen, J.; Kolisch, G., Wasser und Abfall, (2013) Nr. 10, 18–21
Verordnung über Anforderungen an das Einleiten von Abwasser in Gewässer (Abwasserverordnung – AbwV) in der Fassung der Bekanntmachung vom 17.06.2004 (BGBl. I, S. 1108, 2625) (Anhang 1); http://www.gesetze-im-internet.de/abwv/ [Prüfdatum 28.03.2018]
Übersetzungen:
Esewage treatment work, sewage treatment plant
Fstation d'épuration
Iimpianto di depurazione
Sestación depuradora
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