Abwasserreinigung einfach erklärt: die 4 Reinigungsstufen

Die Abwasserreinigung ist ein wichtiger Prozess , um die Umwelt zu schützen und sauberes Wasser zu gewährleisten. Unser Abwasser durchläuft dabei drei bzw. vier Reinigungsstufen. In diesem Beitrag sehen wir uns die Stufen genauer an und blicken auf die Zukunft der Abwasserreinigung.

Wie funktioniert die Abwasserreinigung?

Der Prozess der Abwasserreinigung zielt darauf ab, Verunreinigungen aus Abwasser jeglicher Art zu entfernen, bevor es wieder in natürliche Gewässer geleitet wird. Das Ziel der Reinigung kommunaler Abwässer besteht in erster Linie in der Entfernung der wesentlichen Nährstoffe wie Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor. Industrielle Abwässer enthalten meist andere Verunreinigungen, daher unterscheidet sich deren Reinigungsziel und oft auch der Prozess der Abwasserreinigung.

Die moderne kommunale Abwasserreinigung besteht im Wesentlichen aus drei Stufen: 

Die 3 klassischen Reinigungsstufen der Abwasserreinigung

1. Mechanische Abwasserreinigung

Die mechanische Abwasserreinigung ist der erste Schritt in der Abwasserbehandlung, der Sand, Hygieneartikel, Papier, Speisereste, Fette und andere grobe Schmutzpartikel abscheidet. Indem das Wasser mit verschiedenen Techniken, wie Rechen, Sandfänge oder Absetzbecken behandelt wird, werden dabei zunächst sichtbare und grobe Verunreinigungen entfernt.

2. Biologische Abwasserreinigung

Die biologische Abwasserreinigung zielt auf organische Verschmutzungen, unter anderem Kohlenhydrate, Eiweiße oder Fette im Abwasser ab. Diese werden mittels Mikroorganismen in Belebungsbecken und unter ständiger Zufuhr von Sauerstoff zersetzt. Durch verschiedene Prozesse wie die Nitrifikation oder die Denitrifikation werden Stickstoffverbindungen zu gasförmigem Stickstoff umgewandelt. Andere Schmutzstoffe werden ebenso durch Stoffwechselprozesse verwertet und so in die Bakterienmasse integriert.

Anschließend fließt das Wasser in Nachklärbecken, wo sich die Bakterien als Belebtschlammflocken nach und nach absetzen. Übrig bleibt eine Biomasse als Schlamm am Beckenboden, das gereinigte Wasser fließt über einen Überlauf ab.

3. Chemische Abwasserreinigung

Bei der chemisch-physikalischen Abwasserreinigung, die als dritte Behandlungsstufe bezeichnet wird, werden chemische Produkte (sogenannte Fällungsmittel, häufig Eisen(III)chloride) verwendet, um Stoffe wie Phosphate aus dem Abwasser zu entfernen. Gleichzeitig tragen die eingesetzten Fällungsmittel zu einer besseren Schlammflockung und damit zu einer guten Abtrennung des Bakterienschlamms vom gereinigten Wasser bei.

Schwermetalle oder andere schädliche Substanzen können ebenso mittels chemisch-physikalischer Reinigung aus dem Abwasser entfernt werden.

Schlammbehandlung

Der in der biologischen Stufe abgetrennte Schlamm wird einer weiteren Behandlung zugeführt. Das kann im einfachsten Fall eine Entwässerung sein. Vor allem größere Kläranlagen verfügen mittlerweile über eine anaerobe Schlammbehandlung. Dabei wird der Schlamm in meist weithin sichtbaren Faultürmen unter Luftabschluss mikrobiologisch umgesetzt. Bei dieser Schlammstabilisierung werden die organischen Stoffe zum Teil zu Methan umgewandelt. Dieses Gas wird dann vor Ort verbrannt, wodurch Wärme und elektrischer Strom erzeugt wird. Das verbessert die Energiebilanz einer Kläranlage wesentlich und ist ein wichtiger Beitrag zum Klimaschutz.

Klärschlamm wird heute zunehmend als Wertstoff und immer weniger als Abfall gesehen. In ihm ist vor allem Phosphor gebunden. Daher ist die landwirtschaftliche Verwertung als Ersatz für Düngemittel weit verbreitet. Dabei wird der Schlamm direkt oder in Form von Kompost in der Landwirtschaft und im Landschaftsbau genutzt.

In den letzten Jahren wird vermehrt über eine gezielte Entfernung des Phosphors aus dem Schlamm nachgedacht. Phosphor ist ein essentieller Nährstoff in der Landwirtschaft. Er wird in der EU als kritischer Rohstoff gesehen, da wir auf die Versorgung aus externen Ländern angewiesen sind. Länder wie die Schweiz oder Deutschland haben diese Phosphor-Rückgewinnung bereits auch gesetzlich festgeschrieben. Die Wertstoffrückgewinnung ist ein wichtiger Baustein in der Nachhaltigkeitsstrategie der Europäischen Union. Klärschlamm wird in Zukunft auf EU- und nationaler Ebene verstärkt als Rohstoff betrachtet werden.

Die 4. Reinigungsstufe der Abwasserreinigung: Entfernung von Spurenstoffen

Künftig wird eine vierte Reinigungsstufe notwendig sein. Damit wird allgemein all das zusammengefasst, was über die bisherige Abwasserreinigung hinausgeht. Im Speziellen hat sich der Begriff für die weitergehende Entfernung von Spurenstoffen wie Arzneimittelrückstände, hormonelle Substanzen und andere Substanzen in sehr geringen Konzentrationen etabliert. Da diese Spurenstoffe – auch in geringen Konzentrationen von wenigen Mikro- bis Nanogramm pro Liter – schwerwiegende Auswirkungen auf das Ökosystem, sowie auch auf die Gesundheit haben können, kommt diesem vierten Schritt eine große Bedeutung zu.

Erst in den letzten Jahren gelang es, diese Stoffe in so geringen Konzentrationen in einer komplexen Matrix wie Abwasser nachzuweisen. Sie waren sicher auch schon da, denn viele Stoffe sind unverzichtbare, medizinische Wirkstoffe, wie Schmerzmittel oder Produkte gegen Bluthochdruck und daher weit verbreitet. Wie hoch ihre Konzentration im Abwasser ist und wie sie sich in der Kläranlage verhalten, ist erst bekannt, seit es geeignete Analysenmethoden gibt. Einige der Wirkstoffe werden schon im herkömmlichen Prozess der Abwasserreinigung entfernt, für andere mussten zusätzliche Reinigungsschritte gefunden werden.

Verfahren der vierten Reinigungsstufe

In der vierten Reinigungsstufe kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz.

Ozonung:
Das Abwasser wird mit Ozon behandelt. Ozon ist ein starkes Oxidationsmittel, das die Spurenstoffe zerstören kann. Dadurch entstehen kleinere Bruchstücke, die analytisch aber nicht erfasst werden und über deren Zusammensetzung und Gefährdungspotential noch wenig bekannt ist.

Aktivkohlefiltration:
Das Abwasser wird mit Aktivkohle in Kontakt gebracht. Die Spurenstoffe bleiben an der Oberfläche der Aktivkohle hängen und werden so aus dem Abwasser entfernt. Zum Einsatz kommt granulierte Aktivkohle in Aktivkohlefiltern oder Pulveraktivkohle. Pulveraktivkohle wird in das Abwasser dosiert und dann mit dem Schlamm entsorgt; granulierte Aktivkohle bleibt im Filter bis sie verbraucht, d. h. mit Stoffen beladen sind. Danach wird sie gegen frische getauscht bzw. kann eventuell extern regeneriert/reaktiviert werden.

Eine Variante der Zugabe von Pulveraktivkohle ist DONAU PAC® AQUACLEAR: Das neu entwickelte Produkt kombiniert die zuverlässige Spurenstoffentfernung durch Aktivkohle mit einer effektiven Phosphatfällung. Dadurch können beide Aufgaben effizient mit einem Produkt gelöst werden.

Exkurs: DONAU PAC® AQUACLEAR für die 4. Reinigungsstufe

Es existieren zahlreiche effektive Verfahren zur Entfernung von Mikroschadstoffen, wie beispielsweise Medikamenten, aus dem Abwasser. Unter diesen sticht die Verwendung von DONAU PAC® AQUACLEAR als besonders benutzerfreundlich hervor. Dabei wird ein Fällungsmittel, das jede Kläranlage ohnedies benötigt, gegen DONAU PAC® AQUACLEAR ausgetauscht. Durch die besonderen Eigenschaften und die spezielle Zusammensetzung können damit auch Mikroschadstoffe aus dem Wasser entfernt werden.

Viele übliche Verfahren verwenden die schadstoffbindenden Eigenschaften von Aktivkohle. Diese bindet und umschließt mit ihrer großen Oberfläche in einem Netzwerk von kleinen Kanälen die Schadstoffe. Der Einsatz von Aktivkohle erfordert allerdings geeignete Anlagen, wobei ein weiterer Prozessschritt natürlich die Komplexität und den Betreuungsaufwand erhöht.

Durch ein von uns zum Patent angemeldetes Verfahren ist es uns gelungen, die Aktivkohle zu aktivieren und mit den bereits in der Kläranlage verwendeten Fällungsmitteln zu einer stabilen Mischung zu verarbeiten. Diese innovative Lösung ermöglicht es, ohne zusätzlichen Aufwand ein herkömmliches Fällungsmittel durch DONAU PAC® AQUACLEAR zu ersetzen.

Darüber hinaus unterstützt AQUACLEAR nicht nur die Entfernung der Mikroschadstoffe, sondern erleichtert auch die Abtrennung anderer Verunreinigungen, indem diese zu Partikeln gebunden und anschließend abgeschieden werden.

Welchen Nutzen bringt die Abwasserbehandlung?

Die moderne Abwasserbehandlung ist eine Folge verheerender Epidemien, die bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts dramatische Auswirkungen auf die Bevölkerung vieler Städte Europas hatten. Tausende Menschen starben an Krankheiten, wie Cholera, die auf verschmutztes Wasser zurückgeführt werden konnten. Erst die Erfindung des Mikroskops bzw. die Entdeckung von Mikroorganismen führte entgegen massiver Widerstände zu der Erkenntnis, dass Wasser krank machen kann und Trinkwasser behandelt werden muss. Da Trinkwasser oft auch aus Flüssen oder Grundwasser entnommen wurde, das durch häusliche Abwässer kontaminiert worden war, erkannte man auch die Notwendigkeit einer Abwasserbehandlung.

Im Laufe des vergangenen Jahrhunderts wurden die Prozesse moderner biologischer Kläranlagen entwickelt und optimiert. Heute haben wir in Europa das Glück, dass wir Wasser aus der Wasserleitung bedenkenlos trinken können, ohne uns vor Cholera, Typhus oder anderen Erkrankungen fürchten zu müssen. Wir sind hier durchaus privilegiert, denn Milliarden Menschen haben kein sicheres Trinkwasser zur Verfügung, weil es in weiten Teilen Afrikas, Asiens und auch auf anderen Kontinenten noch keine flächendeckende Trinkwasser- und schon gar nicht Abwasserbehandlung gibt.

Die Herausforderungen der Abwasserreinigung

Die Abwasserreinigung steht vor ständigen Herausforderungen. Insbesondere die immer größer werdende Verschmutzung durch Arzneimittelrückstände und anderen persistenten Stoffen, die nur schwer aus dem Abwasser gefiltert werden können, verlangt nach neuen Verfahren. Aber auch Themen wie die Nachhaltigkeitsziele, Energieneutralität, Wertstoffrückgewinnung und neue Richtlinien bringen spannende Aufgaben für die Abwasserbehandlung der Zukunft.

Die EU-Wasserrahmenrichtlinie

Die Wasserrahmenrichtlinie trat bereits im Jahr 2000 in Kraft. Durch sie wollte man sicherstellen, dass auch künftige Generationen über sauberes Wasser verfügen. Bis 2015 bzw. mit Ausnahmen bis 2027 sollen die Mitgliedsländer geeignete Maßnahmen ergreifen, um einen guten ökologischen und chemischen Zustand der Gewässer zu garantieren bzw. herzustellen. Damit verbunden ist aber auch, dass sich die Qualität der Gewässer nicht verschlechtern darf. Eine funktionierende Abwasserbehandlung ist eine dieser Maßnahmen, die für die Erfüllung dieser wichtigen Aufgabe unbedingt erforderlich ist.  

Die kommunale Abwasserrichtlinie

Die aktuelle kommunale Abwasserrichtlinie ist die Grundlage für die moderne kommunale Abwasserreinigung in der EU. Sie wurde bereits vor mehr als 30 Jahren veröffentlicht und damit geltendes Recht. Alle einzuhaltenden Reinigungsziele basieren auf den Vorgaben, wobei manche Länder auch erheblich strengere Anforderungen in den nationalen Gesetzen vorgeschrieben haben.

Die Europäische Kommission hat 2022 einen Vorschlag für eine Revision der Richtlinie veröffentlicht. Sie sollte an heutige Anforderungen angepasst werden. Gleichzeitig versucht man aus den Erfahrungen mit der bisherigen Richtlinie zu lernen. Nach einer Begutachtung und Verhandlungen zwischen Parlament und dem Rat (als Vertretung der Mitgliedsländer) wurde eine überarbeite Richtlinie veröffentlicht, die zur finalen Abstimmung freigegeben wurde. Stimmen sowohl EU-Rat als auch Parlament zu, wird sie noch in dieser Legislaturperiode veröffentlicht.

Sie enthält einige strengere Anforderungen an die Abwasserbehandlung (strengere Grenzwerte für Sickstoff und Phosphor, die Verpflichtung für deutlich mehr Kläranlagen zur Phosphatentfernung (auch Kläranlagen in nicht sensiblen Gebieten müssen ab einer bestimmten Größe Phosphat entfernen). Außerdem wird eine vierte Reinigungsstufe für große Anlagen verpflichtend und ebenso für kleinere, sofern sie ihr Abwasser in sensible Gewässer einleiten.

Innovative Abwasserreinigung mit DONAU PAC® AQUACLEAR

DONAU PAC® AQUACLEAR bietet eine Reihe an Vorteilen fü den Anwender:

1. DONAU PAC® AQUACLEAR erfordert keine gesonderten Sicherheitsvorkehrungen und kann wie ein herkömmliches Fällungsmittel behandelt werden.

2. Es bindet nicht nur Mikroschadstoffe effektiv, sondern auch Phosphat und unterstützt gleichzeitig die Sedimentation.

3. Die Wirkung von DONAU PAC® AQUACLEAR ist zuverlässig und robust.

4. Die Anwendung ist einfach und unkompliziert gestaltet.

5. Dank seiner Flexibilität kann DONAU PAC® AQUACLEAR problemlos an den individuellen Bedarf angepasst werden.

6. Es erfordert keine aufwendige Anpassung der bestehenden Anlagen, was Zeit und Ressourcen spart.

7. DONAU PAC® AQUACLEAR verursacht keinen zusätzlichen Arbeitsaufwand für das Betreuungspersonal.

8. DONAU PAC® AQUACLEAR ist anwendungserprobt und hat sich bereits in der Praxis bewährt.

DONAU PAC® AQUACLEAR in der Anwendung

DONAU PAC® AQUACLEAR wurde bereits erfolgreich zur Behandlung des gesamten Abwassers einzelner Kläranlagen eingesetzt. Abhängig von den örtlichen Gegebenheiten und den spezifischen Anforderungen der Untersuchung wurden verschiedene Zugabeorte ausgewählt.

Während des Einsatzes von DONAU PAC® AQUACLEAR wurde gänzlich auf die Zugabe von Fällungsmitteln verzichtet. Die Ergebnisse der Tests sprechen für die Wirkung von AQUACLEAR.

• Es konnten stets eine effiziente Entfernung der gemessenen Mikroschadstoffe sowie eine zuverlässige Phosphatfällung nachgewiesen werden.

• Im Anlagenbetrieb wurden keine Verschlechterungen oder Betriebsstörungen festgestellt. Im Gegenteil, es konnte sogar eine verbesserte Sichttiefe im Nachklärbecken erreicht werden.

• Insbesondere in der biologischen Stufe der Kläranlage wurde eine Verbesserung der Reinigungsleistung beobachtet.

• Mikroskopische Aufnahmen zeigten eine Integration der Aktivkohle in Flocken, was als Grund für diese Verbesserung angenommen wird.

Zukünftig wird die EU die Entfernung einer Reihe von Mikroschadstoffen aus dem Abwasser vorschreiben. In laufenden Untersuchungen konnten wir bereits die erfolgreiche Abscheidung dieser Stoffe nachweisen, was DONAU PAC® AQUACLEAR zu einem effektiven Produkt für die vierte Reinigungsstufe macht.

Abwasserbehandlung: Fazit

Sauberes Wasser in unseren Gewässern und in weiterer Folge einwandfreies Trinkwasser ist eine wichtige Errungenschaft des 20. Jahrhunderts. Moderne Kläranlagen sorgen dafür, dass unsere Flüsse und Seen als wertvolle Ökosysteme erhalten bleiben und nicht als tote Gewässer durch die Landschaft fließen.

Die Entfernung von Schmutzstoffen und vor allem überschüssiger Nährstoffe konnte durch die drei klassischen Prozessstufen (mechanisch, biologisch, chemisch-physikalisch) weitgehend bewältigt werden. Doch neue Erkenntnisse bringen neue Aufgaben für die zukünftige Abwasserbehandlung. Arzneimittelrückstände, Kosmetika und andere Spurenstoffe können, wenn auch nur in sehr geringen Konzentrationen, über das Abwasser in die Gewässer und somit in die Nahrungskette gelangen. Manche dieser Stoffe können mit den klassischen Prozessen nur unzureichend entfernt werden. Ein wichtiges Schlüsselwort ist hier die vierte Reinigungsstufe in der Abwasserreinigung.

Klärschlamm enthält wichtige Rohstoffe wie Phosphor, die in Zukunft verstärkt aus dem Klärschlamm extrahiert und wieder als Rohstoff genutzt werden sollen.

Abwasser und seine Inhaltsstoffe können auch zur Energiegewinnung genutzt werden und damit Energieneutralität für die Abwasserreinigung erreichen.

Für all das und noch einiges mehr gilt es in den nächsten Jahren Lösungen zu finden.

https://www.incopa.org/news/incopa-publishes-an-updated-lca-study-with-ivl/

https://www.incopa.org/news/incopa-inforgraphic-on-lca-of-wastewater-treatment-plant-processes/

https://www.incopa.org/news/life-cycle-assessment-lca-report/ [JAD1]