Stofftrennung

Trennprinzip von grob zu fein

Was denkst du, was alles aus dem Abwasser getrennt werden muss, um am Ende sauberes Wasser zu erhalten? Wenn du dich wäschst, landen die Seifenreste und der Schmutz, der zuvor auf der Haut war, im Abwasser. Dann gehst du noch auf die Toilette und neben deinem Geschäft landet auch das Toilettenpapier im Abfluss. Nach dem Mittagessen gießt du das restliche Nudelwasser mit dem darauf schwimmenden Öl und dem gelösten Salz in den Abfluss. Vom Teller landen dort auch noch ein paar Speisereste. Später machst du das Bad sauber und spülst restliche Putzmittel in das Abwasser. Im Abwasser landet noch vieles mehr, was durch unterschiedliche Trennverfahren in der Kläranlage aus dem Wasser entfernt wird.

Das Trennprinzip der Kläranlage ist von grob zu fein aufgebaut. Zuerst werden die groben Stoffe wie Speisereste, Toilettenpapier, Hygieneartikel, Verpackungen usw. getrennt. Danach werden Sand und Fett getrennt. In der nächsten Stufe werden organische Stoffe, die kleiner als Sandkörner sind, biologisch abgebaut. Organische Stoffe sind zum Beispiel deine Nahrungsmittelreste. Im letzten Schritt werden mithilfe chemischer Reaktionen gelöste Salze, die du selbst unter einem Mikroskop nicht sehen kannst, aus dem Wasser getrennt. Was genau bei den einzelnen Schritten passiert, erklären wir dir im Folgenden.

In Abbildung 2 zeigen wir dir, wie eine Kläranlage von oben aussieht. Wenn du auf die roten Infopunkte klickst, erfährst du schon einmal die Reinigungsstufen der Kläranlage, bevor wir dir die Stufen weiter unten im Artikel genauer beschreiben.

Aufbau einer Kläranlage: mechanisch, biologisch, chemisch

Damit alle groben und feinen Stoffe aus dem Abwasser getrennt werden können, sind verschiedenen Reinigungsstufen notwendig. Die Trennverfahren in der Kläranlage starten mit der mechanischen Reinigung, dann folgt die biologische Reinigung und zum Schluss die chemische Reinigung (Abb. 3). Der Schlamm, der sich bei verschiedenen Reinigungsstufen sammelt, wird gleichzeitig behandelt, um ihn später zu entsorgen bzw. wiederzuverwerten.

Goran tek-en, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons, altered from original

1. Mechanische Reinigung

Rechen

Pavel Hrdlička, Wikipedia, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Wenn das Abwasser an der Kläranlage ankommt, werden erst einmal alle groben Stoffe aus dem Abwasser getrennt. Unter den groben Stoffen findest du größere Speisereste, Toilettenpapier, Äste und Laub, Hygieneartikel, Textilien und andere Dinge, die eigentlich nicht in den Abfluss bzw. in die Toilette gehören (Abb. 4). Das Rechen hält alle groben Stoffe zurück. Es besteht aus Stäben, die in einem bestimmten Abstand nebeneinanderstehen und funktioniert nach dem ähnlichen Prinzip, wenn du mit einer Gabel durch eine Buchstabensuppe gehst. Manchmal wird das Abwasser von dem Rechen noch durch ein Sieb geleitet. Die Löcher des Siebes sind kleiner als die Spalten beim Rechen. Deswegen können mit dem Sieb kleinere Stoffe als mit dem Rechen getrennt werden. Wenn das Rechengut aus dem Abwasser entfernt wurde, wird es gewaschen, getrocknet, gepresst und meist verbrannt.

Sandfang

Nachdem alle groben Stoffe getrennt wurden, gelangt das Abwasser in den Sandfang. Sand, Steine, Glassplitter usw. haben eine höhere Dichte als Wasser. Deswegen sinken sie zu Boden. Damit diese Stoffe auch zu Boden sinken können, strömt das Abwasser sehr langsam durch das Absetzbecken, wo der Sandfang stattfindet. Der Sand auf dem Boden kann abgetragen werden. Dieses Trennverfahren nennen wir Sedimentieren. Bei manchen Kläranlagen wird das Sandfanggut gewaschen und getrocknet, um es (z.B. im Straßenbau) wiederzuverwerten. Das Wasser über dem Sand kann zur nächsten Reinigungsstufe fließen.

Vorklärbecken

Die nächste Reinigungsstufe findet im Vorklärbecken statt. Hier sinken ebenfalls wieder Stoffe mit einer höheren Dichte als Wasser zu Boden. Dazu gehören z.B. Fäkalien und Reste vom Toilettenpapier. Die Fließgeschwindigkeit ist hier noch langsamer als im Sandfang. Den Schlamm, der sich am Boden des Vorklärbeckens absetzt, wird als Primärschlamm bezeichnet. Der Primärschlamm wird von Bändern in einen Trichter transportiert und von dort in den Voreindicker geleitet.

Durch die langsame Fließgeschwindigkeit sammeln sich an der Oberfläche Stoffe mit einer geringeren Dichte als Wasser. Öle und Fette schwimmen an der Wasseroberfläche und können dort abgetragen werden.

2. Biologische Reinigung

Bei der mechanischen Reinigung werden alle groben Stoffe von dem Abwasser getrennt. Bei der biologischen Reinigung können noch kleinere organische Stoffe abgetrennt werden.

Belebungsbecken

Pavel Hrdlička, Wikipedia, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Nach dem Vorklärbecken gelangt das Abwasser in das Belebungsbecken (Abb. 5). In dem Belebungsbecken befindet sich der Belebtschlamm, in dem Mikroorganismen leben. Mikroorganismen sind sehr kleine Lebewesen, die du nur unter einem Mikroskop erkennen kannst. Dazu zählen z.B. Bakterien oder Pilze. Im Belebungsbecken werden Belebtschlamm und Abwasser miteinander vermischt. Dann wird Luft in das Becken gepumpt, denn die Mikroorganismen benötigen Sauerstoff (aerobe Bedingungen). Die Mikroorganismen ernähren sich von Stoffen, die aus organischen Verbindungen bestehen (z.B. Nahrungsreste). Bei diesem Prozess wird häufig beschrieben, dass die Mikroorganismen die Verbindungen abbauen. Eigentlich finden aber chemische Reaktionen statt, ähnlich wie auch in deinem Körper chemische Reaktionen stattfinden können. Dabei reagieren in den Mikroorganismen Kohlenstoffverbindungen mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Biomasse. Ammoniak reagiert mit Sauerstoff zu Nitraten (Nitrifikation). Die Mikroorganismen gewinnen durch diese chemischen Reaktionen Energie, die sie für ihren Stoffwechsel, ihr Wachstum und ihre Vermehrung benötigen.

Nachklärbecken

Nachdem die Mikroorganismen fleißig waren, gelangt das Abwasser mit dem Belebtschlamm und der Biomasse in das Nachklärbecken. Hier ist die Durchlaufgeschwindigkeit wieder so langsam, dass sich die Feststoffe mit einer höheren Dichte als Wasser absetzen können (Sedimentieren). Deswegen sammeln sich Belebtschlamm und Biomasse am Boden des Nachklärbeckens. Da sich in dem Belebtschlamm immer noch Mikroorganismen befinden, wird ein Großteil des Schlammes wieder zurück in das Belebungsbecken geleitet. Der andere Teil des Schlammes wird zu dem Primärschlamm aus dem Vorklärbecken in den Voreindicker geleitet.

3. Chemische Reinigung

Flockungsbecken

Oft können mit der biologischen Reinigungsstufe nicht alle unerwünschten Stoffe von dem Wasser getrennt werden. Deshalb gelangt das Wasser nach dem Nachklärbecken in ein Flockungsbecken. In dem Flockungsbecken werden Salze, die im Wasser gelöst sind, getrennt. In Wasser gelöste Stoffe kannst du mit dem Auge nicht erkennen, aber sie sind trotzdem vorhanden. Wenn du beispielsweise Kochsalz in Wasser löst, kannst du es nicht mehr mit dem Auge erkennen, aber schmecken. Es ist immer noch da. Phosphate sind Salze, die im Abwasser vorhanden sein können, aber unerwünscht sind. Wenn das gereinigte Wasser nämlich nach der chemischen Reinigungsstufe in einen Fluss geleitet wird, können die Phosphate zu einem erhöhten Vermehren von Algen führen. Um daher die Phosphate von dem Wasser zu trennen, werden Stoffe zu dem Wasser gegeben, die mit den Phosphaten reagieren. Bei dieser Reaktion entsteht ein Feststoff, der dann als Flocken zu Boden sinkt. Der Schlamm, der sich am Boden sammelt, kann dann wieder in den Voreindicker geleitet werden.

Schlammbehandlung

Netherzone, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Naturpuur, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons

Während der verschiedenen Reinigungsstufen wird immer wieder Schlamm gesammelt und abgetragen.

Voreindicker

Zunächst wird der Schlamm in einen Voreindicker geleitet. Am Anfang enthält der Schlamm noch sehr viel Wasser. Ziel ist es, das Wasser von dem Schlamm zu trennen, um das Volumen des Schlammes zu verringern und den Schlamm zu stabilisieren.

Faulturm

Nach dem Eindicken wird der Schlamm in den Faulturm transportiert (Abb. 6). Im Faulturm ernähren sich Bakterien von den Stoffen im Schlamm und setzen Gärprozesse in Gang. Diese Gärprozesse finden am besten bei \(\pu {35\,°C}\) und unter Luftabschluss statt. Bei den Gärprozessen finden unterschiedliche chemische Reaktionen statt, bei denen die Gase Methan und Kohlenstoffdioxid entstehen. Diese Gase können Turbinen antreiben.  Auf diese Weise kann chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden. Reste vom Klärschlamm können in Müllverbrennungsanlagen weiterverwertet werden oder in der Landwirtschaft als Düngemittel eingesetzt werden.

Wo kommt das Wasser hin?

Wenn das Wasser in der Kläranlage gereinigt wurde, wird es in die Natur beispielsweise in Flüsse geleitet (Abb. 7). Von dort aus kann der Wasserkreislauf weitergehen.