Grundlegende Verfahren der Abwasserbehandlung und Wasseraufbereitung
Wasser ist unser wertvollstes Gut und wird täglich knapper. Dürreperioden, Klimawandel oder die unerbittliche Ausbeutung dieser wertvollen nachwachsenden Ressource führen dazu, dass Wasserknappheit immer wichtiger wird. Daher wird das Wasserrecycling immer wichtiger. Zum Schutz unserer Umwelt, also der natürlichen Gewässer und zur Trinkwassergewinnung werden daher die meisten Abwässer zunächst von Rückständen und Schadstoffen gereinigt, bevor sie dem Wasserkreislauf zugeführt werden. Um Leitungswasser aufzubereiten und die bestmögliche Wasserqualität zu produzieren, werden unterschiedliche Verfahren eingesetzt.
Generell lässt die Abwasserbehandlung in zwei Grundtypen unterteilen. Im ersten Schritt werden problematische Stoffe aus dem Wasser entfernt. Dies geschieht z.B. durch Reinigung, Enteisenung, Entmanganung, Entkeimung, Entsalzung oder Enthärtung. Im zweiten Schritt werden gezielt Stoffe hinzugefügt, um die Wasserqualität zu verbessern und Prüfarameter wie die elektrische Leitfähigkeit oder den pH-Wert zu optimieren.
Die Stufen der Wasseraufbereitung
Bei der Wasseraufbereitung durchläuft das Wasser unterschiedliche Aufbereitungsstufen. Folgende Verfahren stehen bei der Wasseraufbereitung in Klärwerken zur Verfügung:
- Physikalische Verfahren dienen zur mechanischen Optimierung und sind Vorgänge wie die Belüftung, die Sedimentation oder die thermische Beeinflussung durch Erhitzung. Bei der Physischen Aufbereitung werden Siebe, Filter und Siebböden verwendet.
- Biologische Verfahren nutzen die anaerobe Abwasserreinigung, die Schlammfaulung oder die biochemische Oxidation.
- Chemische Verfahren verwenden folgende Techniken: Flockung, Fällung, Neutralisation und Desinfektion.
- Membranverfahren dienen der feinen Filtration und nutzen Prozesse wie die Umkehrosmose und Nanofiltration.
Kommunalen Kläranlagen behandeln den größten Anteil der anfallenden Abwassermenge, weshalb häufig eine Kombination und ein energieeffizientes Verfahren erforderlich ist. Welche spezifischen Verfahren vor Ort eingesetzt werden, ist durch den Aufbau der Kläranlage und den Gegebenheiten des Abwassers ab.
Die einzelnen Reinigungsprozesse einer Kläranlagen lassen sich in die folgenden vier unterschiedlichen Stufen einteilen:
Stufe I: Die mechanische Wasseraufbereitung
In der ersten Stufe der Wasseraufbereitung werden die unbehandelten Abwässer mechanisch behandelt; hier werden die groben Teile ca. 20 – 30 % der enthaltenen Fremdkörper entfernt. Das Abwasser wird hierzu in eine Siebanlage eingeleitet, in welcher ein Rechen und/oder eine Siebtrommel in Funktion eines Vorfilters die grobem Verunreinigungen wie z.B. Blätter, Papier oder Plastik und Textilien entfernt.
Unterschiedliche Rechen, angefangen beim Grobrechen mit bis zu einem Dezimeter Spaltweite bis zu einem Feinrechen mit nur wenigen Millimetern Spannweite, durchkämmen dabei das Wasser und filtern die Grobstoffe heraus. Das Wasser durchströmt die mechanischen Siebe dabei mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Dem mechanisch gefilterten Abfall der Siebe auch als Rechenschutt bezeichnet wird das Wasser entzogen und in der Regel durch Verbrennung entsorgt.
Das vorgereinigte Wasser gelangt dann in einen sogenannten Sandfang. In der Abwasserbehandlung werden grobe Partikel wie Steine, Glasscherben oder Sand sowie grobe organische Stoffe, die nicht durch Rechen getrennt werden, in Absetzbecken entfernt. Dies tritt bei relativ hohen Strömungsgeschwindigkeiten von etwa 0,3 m/s auf. Man unterscheidet zwischen unbelüfteten Langsandfängen, belüfteten Langsandfängen (auch Rundsandfänge genannt) und Rundsandfängen.
Auch Fette und Öle werden mit einem belüfteten Sandfang aus dem Abwasser entfernt, wobei Folgendes passiert: Die eingebrachte Prozessluft erzeugt eine rollende Bewegung im Wasser und transportiert leichtere Stoffe wie Öle und Fette an die Oberfläche. Hier können sie leicht aus dem Wasser entfernt werden.
Rundsandfänge nutzen die Zentrifugalkraft, um Stoffe aus dem Abwasser zu trennen und abzusaugen. Nach dem Waschen im Bunker wird der Bunkerschutt gewaschen und organische Stoffe entfernt. Dies verbessert die Entwässerung des gesammelten anorganischen Materials, das zB im Straßenbau wiederverwendet werden kann. Ist eine weitere Verwertung nicht möglich, müssen die Sandfangabfälle fachgerecht entsorgt werden, sie werden deponiert oder in einer Müllverbrennungsanlage vernichtet.
Vorklärbecken sind die nächste Stufe in der Abwasserreinigung. Die Geschwindigkeit des Abwassers beträgt ca. 1,5 cm/s und ist damit deutlich geringer als im Sandkasten. Reduzieren Sie die Durchflussraten, indem Sie das Becken erweitern. Eine geringe Durchflussmenge ist notwendig, damit sich je nach Bedingungen feinere Schmutzpartikel am Boden oder an der Wasseroberfläche absetzen können.
Der durch Absetzen (Bodenabsetzen) entstehende Schlamm wird als Primärschlamm bezeichnet. Es besteht in der Regel aus organischen Materialien. Der Primärschlamm wird mit einem Abstreifer vom Boden in den Frischschlammtrichter geschoben. Der Schwimmer wird in die Schwimmrinne umgeleitet. Pumpen befördern den Frischschlamm in sogenannte Faultürme.
Im Faulturm wird in vier Stufen (Hydrolyse, Versauerung, acetonogene und methanogene Stufe) Methangas erzeugt und im Blockheizkraftwerk in Strom umgewandelt, der für den Betrieb der Anlage genutzt werden kann. Der Faulprozess im Faulturm ist nach etwa vier Wochen abgeschlossen. Übrig bleibt ein geruchloser Schlamm, der nach der Entwässerung in Zentrifugen oder Filtern meist in der Landwirtschaft verwendet wird.
Hier endet die mechanische Reinigungsphase. In dieser Phase werden durchschnittlich 30 % bis 40 % der Schadstoffe aus dem Abwasser entfernt. Auf dem Weg durch die Kläranlage gelangt das Abwasser nun in die nächste Stufe der Abwasserreinigung.
Stufe II: Die biologische Wasseraufbereitung
In den meisten Kläranlagen gelangt das in der mechanischen Reinigungsstufe vorgereinigte Wasser nun in ein sogenanntes Belebungsbecken, meist als Umlaufbecken ausgeführt. Hier findet die biologische Reinigung statt.
Das Wasser wird durch Zugabe von Sauerstoff und mithilfe eines Propellers umgewälzt. Es entstehen mehr oder weniger belüftete Bereiche, in denen unterschiedliche Umgebungsbedingungen für Bakterien und Mikroorganismen geschaffen werden. Diese Mikroben ernähren sich von im Wasser noch vorhandenen organischen Schadstoffen und wandeln diese in anorganische Stoffe um. Bakterien bilden einen Belebtschlamm-Schwarm, der frei im Wasser schwimmt. Die Zufuhr von Sauerstoff regt das Bakterienwachstum an und fördert so die Bildung von Belebtschlamm. Daher wird dieses biologische Abwasserbehandlungsverfahren auch als Belebtschlammverfahren bezeichnet.
Belebtschlammhaltiges Abwasser wird dem Nachklärbecken zugeführt. Auch hier wird die Fließgeschwindigkeit des Abwasserstroms reduziert. Es kommt zur Sedimentation: Der Belebtschlamm setzt sich am Boden des gereinigten Wassers ab und wird durch die mechanische Reinigungsvorrichtung am Boden vom sauberen Wasser getrennt. Ein Teil davon wird als zusätzliche Biomasse dem Faulturm zugeführt.
Der andere Teil des Schlamms, auch „Rücklaufschlamm“ genannt, wird in das Belebungsbecken zurückgeführt, um sicherzustellen, dass sich im Belebungsbecken genügend Mikroorganismen befinden, um das Abwasser zu zersetzen. Nach der biologischen Reinigung sind ca. 90 % des Abwassers frei von biologisch abbaubaren Stoffen. Da der Sauerstoff vom Kompressor bereitgestellt wird, ist die biologische Reinigungsstufe die Stufe mit der höchsten Energie im gesamten Reinigungsprozess.
Hat das Wasser die gesetzlich vorgeschriebene Qualität, kann es wieder in den Wasserkreislauf zurückgeführt werden – zum Beispiel zurück in einen Fluss.
In vielen anderen Situationen reicht die biologische Reinigung nicht aus. In diesen Fällen sind weitere Abwasserbehandlungsverfahren erforderlich – beispielsweise in Form einer chemischen Behandlung. Auch chemische Zusätze kommen zum Einsatz.
Stufe III: Die chemische Wasseraufbereitung
In der dritten Stufe der Wasseraufbereitung werden chemische Verfahren zur Behandlung des Abwassers eingesetzt. Compounds, also chemische Verbindungen, werden eingesetzt, um die gesetzlich vorgeschriebenen Wasserwerte bei den Prüfparametern eines Wassertests, zu erreichen. Die chemische Behandlung in Kläranlagen umfasst Neutralisation, Desinfektion, Phosphatfällung, Stickstoffentfernung, Enteisung und Manganentfernung.
Mittels Neutralisation wird ein definierter pH-Wert eingestellt, der durch Zugabe einer Säure, wie HCl, oder einer Base, wie z. B. Kalkmilch, eingestellt werden kann.
Durch die Desinfektion des Wassers werden Krankheitserreger mittels Zugabe von Chlor bzw. Chlordioxid oxidiert und somit abgetötet. Die UV-Bestrahlung von Abwasser ist eine gute Alternative zur Zugabe von Chemikalien, wird aber seltener eingesetzt.
Oxidationsprozesse sind ein wichtiger Bestandteil der Trink- und Abwassertechnik. Die verfolgten Ziele reichen von der Vernichtung unerwünschter Stoffe im Wasser bis hin zur Reduzierung der Anzahl krankheitserregender Mikroorganismen. Änderungen der gesetzlichen Rahmenbedingungen und die Entwicklung neuer Oxidationsverfahren haben Handlungsbedarf in der Wasserchemie geschaffen.
Phosphatentfernung: Unser Abwasser ist häufig mit Phosphaten aus Waschmitteln, Düngemitteln, Lebensmittelzusatzstoffen und Gülle verunreinigt. Wenn sie im Abwasser verbleiben, können sie zu einer Überdüngung und Nährstoffanreicherung von Gewässern führen, was zu nutzlosem Pflanzenwachstum (Eutrophierung) und damit zu einer Schädigung von Ökosystemen führen kann.
Phosphate werden durch chemische Fällungs- oder Flockungsverfahren entfernt. Die Phosphatfällung wird teilweise durch die Zugabe von Aluminium- oder Eisensalzen in Sandgruben oder Nachklärbecken verursacht. Die bei der Nachbehandlung anfallenden Metallphosphat-Flakes werden anschließend zusammen mit dem Belebtschlamm aus dem Abwasser entfernt. Je nach Betriebsweise können Phosphate auch mit Hilfe von Mikroorganismen aus dem Abwasser „herausgefischt“ werden. In diesem Zusammenhang ist von einer biologischen Phosphorentfernungsmethode die Rede, die jedoch noch selten angewendet wird.
Zur chemischen Wasserreinigung gehört auch die Stickstoffentfernung: Sie dient dazu, wassergefährdende Stickstoffverbindungen wie Ammoniak und Ammonium aus dem Abwasser zu entfernen. Stickstoffverbindungen können dem Wasser lebenswichtigen Sauerstoff entziehen und sogar Fische töten, wenn sie in das Gewässer gelangen.
Stickstoff wird durch Nitrifikation und Denitrifikation abgebaut: Bei der Nitrifikation wird Ammonium unter Zugabe von anaeroben Bakterien und Sauerstoff zu Nitrit und in einem zweiten Schritt zu Nitrat umgewandelt. Auch die anschließende Denitrifikation wird durch die Zugabe von anaeroben Mikroorganismen ausgelöst. Diese zersetzen Nitrate durch enzymatische Aktivität in Stickstoffgas, das dann wieder in die Atmosphäre freigesetzt wird.
Eisenentfernung: Zur Reduktion des Eisengehalts im Leitungswasser auf das vorgeschriebene Maß zu reduzieren, werden Eisen(II)-Kationen durch Zugabe von Sauerstoff oxidiert. Um den Oxidationsprozess auszulösen, wird dem Abwasser zusätzlich Natronlauge zugesetzt werden.
Manganentfernung: Mangan ist im Abwasser normalerweise in Form von Manganbikarbonat vorhanden. Unter Zugabe von Sauerstoff bilden sich schwer lösliche Mangan-IV-Verbindungen, die sich einfach aus Wasser entfernen lassen.
Stufe IV: Die Wasseraufbereitung mit Membranfiltern/Nanofiltern
In der abschließenden Reinigungsstufe werden Membran- und Filtrationsverfahren verwendet. Diese Reinigungsphase wird gewissermaßen mit den chemischen Prozessen der Sedimentation und Flockung kombiniert. So entsteht beispielsweise der Flockungsfiltrationsprozess. Fällmittel und Flockungsmittel werden dem Abwasser hinzugefügt, um das abzutrennende Material auszuflocken. Abwasser mit ausgeflocktem Material passiert dann einen Tuch- oder Sandfilter.
Es dringt langsam in die Filterschicht ein. Auch kleinste organische Schwebstoffe werden entfernt.
Ganz ähnlich funktioniert die Nanofiltration. Im Gegensatz zur gewöhnlichen Filtration wird Wasser jedoch unter Druck durch eine Membran geleitet, die selbst kleinste gelöste Partikel wie Moleküle oder Schwermetallionen zurückhält. Gleiches gilt für die Umkehrosmose, die höhere Betriebsdrücke und feinere Membranen verwendet.
Die im Filtrationsvorgang der Nanofiltration und Umkehrosmose zurückgehaltenen Schwebe- und Spurenstoffe werden gesammelt und als Filterschlamm bekannt und gemeinsam mit dem Auswurf des Vorklärbecken der Verbrennung zugeführt.
Abschließend gelangt das frisch aufbereitete Wasser nun in den letzten Bereich der Kläranlage und wird im Reinwasserspeicher gesammelt. Zur Qualitätssicherung werden Wasserproben entnommen und die Wasserqualität analysiert. Erst wenn alle gesetzlich vorgeschriebenen Prüfparameter für Trinkwasser erfüllt sind und das Wasser die Grenzwerte der Trinkwasserverordnung einhält führt man das gereinigte Leitungswasser dem Wasserkreislauf zu.
Weiterführende Links und Quellen
Wasseraufbereitung: Chemie und chemische Verfahrenstechnik https://books.google.de/books?hl=de&lr=&id=XHr3BQAAQBAJ&oi=fnd&pg=PA1&dq=wasseraufbereitung&ots=nkVLl29sJK&sig=4zyc-_yOosVu9sDTxYL1DKYV8w4&redir_esc=y#v=onepage&q=wasseraufbereitung&f=false
Taschenbuch der Wasserversorgung https://link.springer.com/chapter/10.1007/978–3‑8348–9079-5_4
Synthetische Membranen für die Wasseraufbereitung: aktueller Stand und Perspektiven https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.201409783
Oxidationsverfahren in der Wasseraufbereitung https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/nadc.20000480113
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