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Abwasserreinigung

Die Erdoberfläche ist zu etwa 71 % mit Wasser bedeckt. Dabei handelt es sich um Salzwasser mit einem geschätzten Volumen von 1.350 Mio. km³, welches für die Landlebewesen einschließlich der Pflanzen ohne Entfernung des Salzanteils (dieser liegt im Durchschnitt bei ca. 3,5 %) in der Regel nicht genießbar ist.

Der Süßwasseranteil der gesamten Erde wird auf insgesamt 35.329.210 km³ geschätzt, wobei davon ein Anteil von 24.364.000 km³ an den Polen und in Gletschern und weitere 10.530.000 km³ als Grundwasser gebunden sind. Der „kleine“ Rest von insgesamt 445.110 km³ findet sich in der Atmosphäre (Regen, Wolken), in Seen, Flüssen, in Organismen, Mooren, als Bodenfeuchte und in Permafrostböden (Angaben gemäß Brockhaus Digital 2007).

Anhand dieser Zahlen kann man bereits erkennen, dass das Trinkwasser auf unserem Planeten nur in begrenztem Maße zur Verfügung steht, zudem ist es sehr ungleichmäßig verteilt. In Mitteleuropa herrscht zwar kein Wassermangel, dennoch muss das durch den Menschen verbrauchte Niederschlags- oder Trinkwasser wieder gereinigt werden, um es dem Naturkreislauf in möglichst natürlichem Zustand wieder zuzuführen. Allein in Deutschland benötigt jeder Einwohner im Mittel etwa 127 Liter Trinkwasser, was einer Wassermenge von über 10.000.000 m³ entspricht. Den größten Anteil dieses Wassers verbrauchen wir zum Baden und Duschen, aber auch das in der Industrie benötigte Wasser zählt hierzu. Durch die relativ große Flächenversiegelung wird die Selbstreinigungskraft der Natur weiter verringert. Der Anteil der versiegelten Fläche in Deutschland beträgt etwa 12 % der gesamten Landfläche. Täglich kommt eine Fläche hinzu, die etwa 250 Fußballfeldern entspricht.

Aufgrund entsprechender gesetzlicher Regelungen sind in den letzten Jahren die Bäche, Flüsse und Seen wieder deutlich sauberer geworden als noch in den 50er oder 60er Jahren. Dies ist auf den Bau zahlreicher und immer leistungsfähigerer moderner »Abwasserreinigungsanlagen«, auch unter dem Begriff »Kläranlagen« bekannt, zurückzuführen. Eine Kläranlage ist eine Anlage zur Abwasserreinigung. Doch trotz aller Erfolge besteht nach wie vor das Problem, dass Felder und Wiesen durch Überdüngung (»Eutrophierung«; griechisch) zu viele Nährstoffe erhalten, die dann über den Wasserkreislauf in die Gewässer gelangen. Zu diesen Nährstoffen zählen in erster Linie Phosphor- und Stickstoffverbindungen, die hauptsächlich über Abwässer und Abschwemmung von Düngemitteln in den Naturkreislauf gelangen. Die Eutrophierung führt dazu, dass sich im Wasser vor allem Algen, aber auch tierisches Plankton stark vermehren, was mit einer erheblichen Verminderung des Sauerstoffgehalts des Wassers einhergeht.

Das starke Algenwachstum führt dazu, dass die anderen Pflanzen an Lichtmangel leiden und zugrunde gehen. Bei deren Zersetzung wiederum verbrauchen die daran beteiligten Mikroorganismen so viel Sauerstoff, das andere Tiere und Kleinstlebewesen verenden - das Gewässer »kippt um«, wie man diesen Vorgang umgangssprachlich auch bezeichnet. Der fehlende Sauerstoffanteil und die damit einhergehende Abtötung der Kleinstlebewesen verringert die Selbstreinigungskraft des Wassers. Neben den Waschmittelrückständen gelangen Düngemittel und vor allem die in der intensiv betriebenen Landwirtschaft anfallenden Unmengen von Jauche und Gülle in den Wasserkreislauf. Gülle enthält zudem noch Nitrate, die über das Grundwasser auch in das Trinkwasser gelangen können. Nitrat selbst ist zwar ungiftig, wird aber im Körper von Mensch und Tier in Nitrit umgesetzt, das sich schädlich auf das Hämoglobin (griechisch-lateinisch; Bestandteil des Bluts) auswirkt.

Ein weiterer wesentlicher Verursacher von Wasserverunreinigungen ist die chemische Industrie. Werden etwa über einen längeren Zeitraum kleinere Mengen z.B. giftiger Schwermetalle wie Quecksilber oder Blei in den Wasserkreislauf und damit in den Nahrungsmittelkreislauf eingetragen, führt dies zu allmählichen Anreicherungen im menschlichen und tierischen Organismus. Damit ist auch klar, dass selbst kleinere Emissionen dieser Giftstoffe langfristig zu erheblichen Gesundheitsschäden führen. Die Reinigung derart verschmutzter Wässer ist nur mit erheblichem technischem Aufwand möglich.

Die biologische Selbstreinigungskraft allein reicht in vielen Fällen nicht aus, um das durch den Menschen verschmutzte und mit Keimen belastete Wasser zu reinigen. In Deutschland werden in der weit überwiegenden Zahl der Kommunen die Abwässer aus Haushalt und Industrie über die Kanalisation entsprechenden Kläranlagen zugeführt und dort einem technisch aufwändigen mehrstufigen Reinigungsprozess unterzogen (vgl. Abb.). Je nach Größe der Kläranlage spricht man auch von einem »Klärwerk«, z.B. vom Hauptklärwerk Wiesbaden.

Eine erste Reinigungsstufe einer Kläranlage oder eines Klärwerks ist die mechanische Reinigung des Wassers. Dort werden alle Feststoffe, die über die Kanalisation in die Kläranlage gelangen können, mit Rechen (im Prinzip überdimensionierte kammartig angeordnete und rotierende Gitterstäbe) herausgefiltert und auf speziellen Deponien gelagert. Daran schließt sich ein Sandfang an. Dabei handelt es sich im Prinzip um ein Absetzbecken, wo die im Abwasser enthaltenen schweren Schwebeteilchen (z.B. Sand) auf den Boden absinken. Diese Sandanteile und andere Festkörper setzen sich in den Sandfängern fest und können dort so vergleichsweise leicht aus dem Abwasser herausgefiltert und ebenfalls deponiert werden. Eine weitere Stufe ist das Vorklärbecken, welches das Abwasser auf seinem Weg durch die Kläranlage durchläuft. Diese drei Stufen der Abwasserreinigung bezeichnet man als »mechanische Reinigung«, da hier noch keinerlei Chemie oder Biologie im Spiel ist.

Daran schließt sich die biologische Reinigungsstufe an. Hier werden vor allem Nährstoffe wie die bereits genannten Stickstoffe, Phosphate, Nitrate und Nitrit entfernt, die als die Verursacher der Eutrophie der Gewässer gelten. Auch nicht absetzbare und gelöste Schwebstoffe werden in dieser Reinigungsstufe entfernt. Unterschieden werden hierbei zwei Reinigungsverfahren, nämlich den aeroben und den anaeroben Reinigungsverfahren, d.h. Verfahren mit oder ohne Sauerstoffzufuhr. Durch die gezielte Zufuhr von Sauerstoff laufen die biologischen Abbauprozesse schneller ab, das Wasser wird folglich schneller gereinigt. Allerdings ist der technische Aufwand hierfür naturgemäß größer als bei Anlagen ohne künstliche Sauerstoffzufuhr, bei großen Klärwerken aber wegen der großen anfallenden Abwassermengen nicht vermeidbar. Bei beiden Verfahren werden hochmolekulare Stoffe in niedermolekulare wie Wasser und Kohlendioxid umgewandelt. Im Abwasser enthaltene Krankheitserreger werden in einer biologischen Reinigungsanlage zwar weitgehend entfernt. Will man jedoch alle Keime vollständig abtöten, kann man dies nur über Zusatz von Entkeimungsmitteln erreichen, also die Zugabe von chemischen Stoffen. Die gelösten Stoffe wie Harn oder Zucker werden im Zuge der biologischen Reinigung abgebaut.

Die biologische Reinigung beruht im Prinzip auf den natürlichen Reinigungssystemen der Gewässer: Den dafür »zuständigen« Mikroorganismen verschafft man ideale Lebensbedingungen, damit sie ihr Werk verrichten können. Sie nehmen die abzubauenden Stoffe auf, verdauen sie und scheiden dann leichter abzubauende und weniger gefährliche Stoffe wieder aus. Innerhalb von großen Belebungsbecken können mehrere solcher abgestufter Lebensräume aufeinander folgen, so dass das Wasser zunehmend sauberer wird. Technisch erfolgt die biologische Reinigung, indem das mechanisch gereinigte Wasser über eine drei bis vier Meter hohe Schüttung aus porösem Naturstein oder Sand läuft, auf der sich die gewässerreinigenden Mikroorganismen angesiedelt haben.

Im Anschluss an das Belebungsbecken folgt das Nachklärbecken. Im Belebungsbecken wird das Abwasser mit Bakterienschlamm versetzt und mit Gebläsen belüftet, dieses Abwasser sedimentiert dann im Nachklärbecken. Moderne Klärwerke werden zunehmend mit geschlossenen Tanks ausgestattet, in denen diese Prozesse ablaufen, so dass kaum noch eine Geruchsbelästigung wahrnehmbar ist. Ein weiterer Vorteil dieser Systeme ist der geringere Platzbedarf, da die Vorgänge besser kontrolliert und gesteuert werden können.

In den verschiedenen Reinigungsstufen (Vor- und Nachklärbecken) fällt Schlamm an. Dieser wird voreingedickt, d.h. der überschüssige Wasseranteil entnommen und dem Faulturm zugeführt. Dort fault der Schlamm bei etwa 35°C unter Abschluss von Sauerstoffe, anaerobe Bakterien zersetzen den Schlamm. Dabei entsteht Faulgas, welches zu etwa 65 % aus Methan und zu 35 % aus Kohlendioxid (CO2) besteht. Methangas ist ein idealer Brennstoff, es wird daher zum beheizen der Faulräume verwendet, aber auch zum Betreiben von Gasmotoren in Blockheizkraftwerken (BHKW) oder es wird in die Gasversorgung eingespeist. Der verbleibende Faulschlamm wird unter Luftabschluss bei ca. 200°C und 20 bar konditioniert und dann nochmals eingedickt, bevor er gepresst wird. Dieser Schlamm wird als »Klärschlamm« bezeichnet und momentan überwiegend auf Deponien gelagert (etwa 60 %), verbrannt (etwa 15 %) oder als Dünger (25 %) auf landwirtschaftlichen Flächen ausgebracht.

siehe auch:
- Biogas
- Einwohnerwert
- FFH-Richtlinie
- Grundleitungen
- Gülle
- Hagel
- Jauche
- Kanalisation
- KG-Rohr
- Kleinkläranlage
- Naturschutz
- Ökosystem
- Regenwasser
- Regenwassernutzung
- Vorfluter
- Zisterne