Abwasserreinigung in kommunalen Kläranlagen
Als Abwasser bezeichnet man normalerweise das im kommunalen Bereich und in der Industrie anfallende, mit Schadstoffen belastete Wasser. Nach DIN 4045 ist Abwasser noch allgemeiner als »durch Gebrauch verändertes abfließendes Wasser und jedes in die Kanalisation gelangendes Wasser« definiert. In der Praxis besteht bei jeder Nutzung die Möglichkeit, dass Wasser verschmutzt wird. In der Industrie etwa wird selbst bei einem im Hauptprozess abwasserlosen Verfahren mindestens in der Peripherie Wasser für Reinigungszwecke benutzt. Folglich muss in aller Regel das Abwasser gereinigt werden, bevor es in ein Fließgewässer — den Vorfluter — eingeleitet werden kann. Die Abwasserreinigung erfolgt in einem Klärwerk; auf welche Art und Weise ein Abwasser gereinigt wird, fällt je nach Verschmutzungsart und -grad unterschiedlich aus. Industrielles Abwasser mit produktionstypischen Verschmutzungen verlangt meist andere Reinigungsverfahren als Abwasser aus Wohngebieten mit oder ohne gewerbliche Nutzung. Weltweit werden nur fünf Prozent der Abwässer gereinigt, selbst in den OECD-Ländern ist ein Drittel der Menschen nicht an die mit hohen Kosten verbundene Abwasserreinigung angeschlossen.
Kommunale Kläranlagen
Im Jahr 1995 gab es in Deutschland 10 279 öffentliche Kläranlagen, die insgesamt 9,9 Milliarden Kubikmeter Abwasser reinigten.Im Bundesdurchschnitt waren 89 Prozent der Bevölkerung an diese Anlagen angeschlossen, in den neuen Bundesländern allerdings nur 62,5 Prozent. Der übrige Anteil der Bevölkerung, vor allem in Teilen des ländlichen Raums, verfügte entweder über häusliche Kläranlagen oder war an eine gewerbliche Kläranlage angeschlossen.
In diesem Zusammenhang kommt es besonders wegen der Kosten, die mit dem Anschluss an eine Kläranlage verbunden sind, immer wieder zu Diskussionen. Bei der Erhebung der Abwassergebühr gilt der Grundsatz, dass die Verursacher sämtliche Kosten der Abwasserreinigung über Abgaben aufbringen müssen. Man erwartet, dass diese Kosten und damit die Gebühren jährlich zwischen drei und fünf Prozent ansteigen werden. Hierzu tragen zwei Effekte bei: Einerseits wird ein immer größerer Anteil des Abwassers nicht nur mechanisch, sondern auch biologisch behandelt, und es schließt sich immer häufiger zusätzlich noch eine Nährstoffelimination an. Dafür sind erhebliche Investitionen für den Bau neuer Anlagen oder in bestehenden Anlagen oft aufwendige Anpassungen notwendig. Andererseits muss das 400 000 Kilometer lange Netz der öffentli- chen Kanalisation erweitert und vielerorts auch saniert werden. Da mehr als drei Viertel der erhobenen Gebühren ausschließlich auf dem Trinkwasserverbrauch als alleiniger Bezugsgröße basiert, bietet die Abwassergebühr einen unmittelbaren Anreiz zu einer sparsamen Wassernutzung.
Gesetzliche Grundlagen des Gewässerschutzes
Die Wasserpolitik hat die Aufgabe, die Wasserversorgung langfristig sicherzustellen. Dazu gehören die folgenden Maßnahmen: sparsamer Umgang mit Wasser, Entwicklung und Einsatz abwasserfreier Technologien, Integration von Reinigungsstufen in den industriellen Produktionsprozess, Erschließen neuer Wasserressourcen, Vermeidung von Wasserverschmutzungen und Verhinderung der Ausbreitung von Krankheitserregern über intensiv genutzte Gewässer. Dies alles soll mit wirtschaftlichem Management und unter Einbeziehung aller Zielgruppen erreicht werden. Auch in diesem Umweltbereich gilt es, das Leitkonzept einer nachhaltigen Wassernutzung in konkrete Schritte umzusetzen. Den äußeren Rahmen für den Gewässerschutz bildet ein rechtliches Instrumentarium aus gesetzlichen Bestimmungen, Verordnungen und auch aus internationalen Abkommen.
Grundlegende Bestimmungen über wasserwirtschaftliche Maßnahmen enthält das Gesetz zur Ordnung des Wasserhaushalts von 1957, zuletzt novelliert im Jahr 1996 (das »Wasserhaushaltsgesetz«). Danach ist nun auch im Bereich der Abwasserentsorgung der »Stand der Technik« vorgeschrieben — also die Technik, die den aktuellen Entwicklungsstand technisch und wirtschaftlich durchführbarer Verfahren repräsentiert. Erstmals ist auch eine Verpflichtung zur Sicherung der Gewässer als Bestandteil des Naturhaushalts und als Lebensraum für Tiere und Pflanzen eingeführt worden. Die neben der »Ökosteuer« einzige bundesweit erhobene Umweltabgabe mit Lenkungsfunktion findet sich im Abwasserabgabengesetz. Dort wird unter Anderem geregelt, dass beim direkten Einleiten von Abwasser eine Abgabe gezahlt werden muss, welche die Länder für Maßnahmen der Gewässerreinhaltung verwenden. Seit 1997 beträgt die Höhe der Abgabe 70 DM je Schadeinheit. Infolge der Vorgaben des Wasch- und Reinigungsmittelgesetzes und der darauf aufbauenden Tensid- sowie Phosphathöchstmengen-Verordnung sank beispielsweise in den alten Ländern der Phosphoreintrag von 42 000 Tonnen im Jahr 1975 auf 2000 Tonnen im Jahr 1993. Schließlich enthält das Bundesseuchengesetz die grundlegenden Anforderungen an die Güte des Trinkwassers sowie die Hygieneanforderungen an die Beseitigung kommunaler Abwässer.
Das Abkommen der dritten Nordseeschutzkonferenz sah 1990 vor, im Zeitraum von 1985 bis 1995 die Emissionen von bestimmten Schadstoffen — 36 wurden als vorrangig zu behandelnd benannt — um 50 Prozent zu reduzieren; bei Dioxinen, Quecksilber, Cadmium und Blei war sogar eine Reduktion um 70 Prozent angestrebt. Wie schwierig die konkrete Umsetzung ist, zeigt sich am Ergebnis: Dieses Ziel wurde von den acht Anrainerstaaten insgesamt bisher nicht erreicht.
Verfahren zur Abwasserreinigung
Technische Verfahren zur Behandlung von Abwässern wurden zunächst für den kommunalen Bereich entwickelt und sind erst später von der Industrie übernommen worden. Die meisten kommunalen Kläranlagen reinigen das Abwasser in zwei Stufen: Mechanische Verfahren bilden die erste Reinigungsstufe, an die sich eine zweite Reinigungsstufe, die biologische Abwasserreinigung, anschließt. Immer häufiger werden in kommunalen Klärwerken auch chemische Verfahren als dritte Reinigungsstufe angewendet, und zwar, um gezielt noch verbliebene Nährstoffe aus dem Abwasser zu entfernen, die sonst zur Eutrophierung der Gewässer führen würden. Allen Verfahren der Abwasserreinigung gemeinsam ist, dass die unerwünschten Substanzen am Ende aus dem Wasser entfernt (»abgetrennt« oder »eliminiert«) sind und in konzentrierter Form vorliegen.
Im industriellen Bereich sind die Anlagen zur Abwasserreinigung meist an die sehr spezielle bei der Produktion anfallende Abwasserzusammensetzung und an örtliche Gegebenheiten angepasst. Deshalb dominieren dort schadstoffspezifische chemische Verfahren. In kommunalen Kläranlagen hat dagegen das anfallende Abwasser überall in etwa die gleiche Zusammensetzung. Deshalb sind kommunale Klärwerke — anders als industrielle Anlagen — allerorts fast einheitlich aufgebaut.
Ein Stoff lässt sich nur dann aus dem Abwasser entfernen, wenn er in Wasser unlöslich ist. Daher ist es die wichtigste Aufgabe der Abwasserbehandlung, die Schmutzstoffe in eine wasserunlösliche Form zu bringen. Ein wasserunlöslicher Feststoff kann als Sediment oder Flocken mechanisch entfernt werden, ein unlösliches Gas entweicht aus dem Abwasser in die Luft.
Mechanische Abwasserreinigung
Ein besonderes Merkmal kommunaler Abwässer ist ihr — im Vergleich zu industriellen Abwässern — hoher Anteil an Feststoffen, die teilweise in grober Form vorliegen (wie unzerkleinerte Abfälle oder Hygieneartikel). Diesen Anteil deutlich zu reduzieren ist Aufgabe der ersten Reinigungsstufe einer kommunalen Kläranlage, der mechanischen Reinigung. Neben dem Primärschlamm und dem Sandanfall wird dem Abwasser dabei aber auch schon eine Vielzahl organischer Komponenten entnommen (rund 20 Prozent des biologischen Sauerstoffbedarfs, BSB5).
Zunächst werden mit Rechenanlagen die Grobstoffe aus dem Abwasser entfernt. Die Gitterstäbe der Rechenanlagen sind rund oder linsenförmig gefertigt und haben einen Abstand von ein bis zehn Zentimetern, sie können mehrere Meter groß werden. Rechenanlagen befinden sich normalerweise in geschlossenen und beheizbaren Räumen. Damit vermeidet man ein Einfrieren im Winter und eine Geruchsbelästigung im Sommer.
Nachdem die Grobstoffe durch Rechen entfernt sind, müssen die im Abwasser mitgeführten festen mineralischen Bestandteile — vor allem Sand — abgeschieden werden. Dies geschieht noch vor der ersten Pumpstufe, denn der Sand würde die Pumpen und nachfolgende Anlagen verschleißen und unnötigen Platz verbrauchen. Die Abscheidung der Sandkörner geschieht in Sandfängen, die so konstruiert sind, dass sich Feststoffe in ihnen leicht absetzen können.
Praktisch überall, wo Abwässer gereinigt werden, fallen außerdem die großen Längs- und Rundbecken auf. Es handelt sich um Absetzbecken, die zur Vor- oder Nachklärung eingesetzt werden. Als Vorklärbecken haben sie die Aufgabe, im Rohwasser enthaltene absetzbare organische Stoffe zu entfernen. Werden sie im Anschluss an die biologischen Verfahren eingesetzt (den biologischen Verfahren »nachgeschaltet«, wie man fachsprachlich sagt), obliegt ihnen die Trennung der Biomasse vom gereinigten Abwasser. Hierfür werden insbesondere Rundbecken eingesetzt. Schließlich können Absetzbecken auch dazu dienen, den Flockenschlamm zu entfernen, der sich nach einer chemischen Abwasserbehandlung gebildet hat.
Rechteckbecken sind auf eine Länge von 60 Metern, Rundbecken auf einen Durchmesser von 50 Metern begrenzt; größere Anlagen erfordern bei einer nur unwesentlich höheren Abscheidung einen nicht mehr vertretbaren finanziellen Aufwand. Die Becken sind so gestaltet, dass über die Zu- und Abläufe sowohl eine gleichmäßige Abwasserzuführung als auch ein ruhiger Ablauf gewährleistet ist. Der anfallende Schlamm wird in den Rundbecken mit einem Schlammschild und einer Räumerbrücke kontinuierlich ausgetragen.
Die Abscheidung wasserunlöslicher (hydrophober) Partikel, Tropfen oder Flocken kann beschleunigt werden, wenn es gelingt, an sie feine Gasblasen anzulagern. Die Gasblasen erhöhen den Auftrieb der Partikel und treiben sie auf diese Weise an die Wasseroberfläche. Dadurch bildet sich an der Wasseroberfläche ein stabiler Schwimmschlamm, der sich einfach ausräumen lässt. Dieses Verfahren heißt Flotation; durchgeführt wird es in Flotationsbecken (Flotationsabscheidern). Im Vergleich zu Sedimentationsabscheidern benötigen Flotationsabscheider bei einer deutlich geringeren Verweilzeit des Abwassers weniger Klärfläche, die Anlagen sind also kompakter. Die einzelnen Flotationsverfahren unterscheiden sich hauptsächlich nach der Art, wie die Gasblasen in das Abwasser eingebracht werden.
Dr. Klaus-Peter Meinicke
Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:
Abwasserreinigung: Was wird aus dem Klärschlamm?
biologische Abwasserreinigung: Mikroben reinigen Abwasser
Grundlegende Informationen finden Sie unter:
Wasser: Eine gefährdete Ressource
Literatur:
Bank, Matthias: Basiswissen Umwelttechnik. Wasser, Luft, Abfall, Lärm, Umweltrecht. Würzburg 31995.
Förstner, Ulrich: Umweltschutztechnik. Eine Einführung. Berlin u. a. 51995.
Heintz, Andreas und Reinhardt, Guido A.: Chemie und Umwelt. Ein Studienbuch für Chemiker, Physiker, Biologen und Geologen. Braunschweig u. a. 41996.
Klee, Otto: Angewandte Hydrobiologie. Trinkwasser - Abwasser - Gewässerschutz. Stuttgart u. a. 21991.
Kunz, Peter M.: Behandlung von Abwasser. Emissionsarme Produktionsverfahren, mechanisch-physikalische, biologische, chemisch-physikalische Abwasserbehandlung, technische Realisierung, rechtliche Grundlagen. Würzburg 41995.
Zahlen zur Abwasser- und Abfallwirtschaft, herausgegeben von der Abwassertechnischen Vereinigung. Bearbeitet von Esch, Bernd.Hennef 1996.