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Kläranlagen produzieren nicht nur sauberes Wasser

Der wichtigste Rohstoff des Menschen ist das Trinkwasser. Aber von den 1,4 Milliarden Kubikkilometern Wasser auf der Erde sind nur 0,0001 Prozent leicht zugängliches Trinkwasser. Deshalb ist es wichtig Abwasser zu reinigen, bevor es dem Trinkwasserkreislauf wieder zugeführt wird. Alleine in Stuttgart werden pro Stunde bis zu 27 Millionen Liter Abwasser in Kläranlagen gereinigt. Dabei werden bis zu 95 Prozent der organischen Stoffe entfernt. Wissenschaftler sehen in den Kläranlagen aber nicht mehr nur reine Abwasserreinigungssysteme, sondern Potenzial für weitere Aufgaben. So wird neben einer vollständigeren Reinigung auch erforscht, ob sich beispielsweise Düngemittel oder Wasserstoff mit Hilfe des Klärungsprozesses gewinnen lassen.

130 Liter! So viel Trinkwasser verbraucht der durchschnittliche Deutsche pro Tag. Verbrauchtes Abwasser muss, bevor es wieder in den Wasserkreislauf gelangt, in Kläranlagen gereinigt werden. Es gibt mehrere Methoden der Reinigung: chemische, physikalische und biologische. Größere Kläranlagen verwenden eine Kombination aller drei Methoden, wohingegen bei Kleinkläranlagen vollbiologische oder physikalisch-biologische Varianten anzutreffen sind. Chemische Methoden bedienen sich der Zugabe von Reaktionspartnern für bestimmte, im Abwasser gelöste Stoffe, die danach – meist physikalisch - entfernt werden. Physikalische Methoden eignen sich zum Entfernen von Schmutzpartikeln mit Hilfe von Sieben oder Filtern und biologische nutzen Mikroorganismen oder Pflanzen, um Verschmutzungen und Nährstoffe im Wasser abzubauen. Falls Nährstoffe in den Wasserkreislauf gelangen, würden Pflanzen diese zusammen mit Luftsauerstoff zum Wachsen benutzen. Es wäre kein Sauerstoff mehr für andere Organismen vorhanden. Das Gewässer „kippt um.“

Kleinkläranlagen als Mittel zur dezentralen Abwasserreinigung

Das 4-stufige SBR-Verfahren in Kleinkläranlagen. © BIOPRO/cm

Kleinkläranlagen kommen immer dann zum Einsatz, wenn der Anschluss an das öffentliche Abwassernetzwerk wirtschaftlich nicht sinnvoll ist. So beispielsweise bei kleinen Siedlungen oder einzelnen Häusern. Sie entsorgen ihr Abwasser dezentral. Die meisten Kleinkläranlagen funktionieren nach dem SBR-Prinzip (sequenzielle biologische Reinigung). Dahinter folgen die Membranfilteranlage und Festbettanlage. Allen drei Mehrkammersystemen ist gemein, dass in der ersten Kammer die sogenannte mechanische Vorklärung stattfindet, das heißt feste Bestandteile werden zurückgehalten (1). Das Abwasser wird danach in die zweite Kammer gepumpt, in der sich auch die Bakterien befinden und die eigentliche Reinigung des Abwassers stattfindet. Dafür wird Luft eingeblasen, um Sauerstoff zur Verfügung zu stellen (2). Beim SBR-Verfahren wirbelt die Luft auch die am Boden sitzenden Bakterien auf und erzeugt dadurch ein sogenanntes Schwebebett, das die Nährstoffe abbaut und so das Abwasser reinigt. Beim Festbett-Verfahren heften sich die Bakterien an eine in der Kammer fest installierte Matrix. Danach folgt in beiden Systemen eine Ruhephase. Das gereinigte Wasser trennt sich an der Oberfläche ab (3) und wird anschließend abgeleitet (4). Zusätzlich zu dem Festbett wird bei der Membranfilteranlage das Wasser noch durch feine Filter geleitet, um Keime herauszufiltern. Das so gereinigte Abwasser kann beispielsweise in der Toilettenspülung oder bei der Gartenbewässerung wiederverwendet werden.

Seit 2005 wird nach den Zulassungsgrundsätzen für die Anwendung von Kleinkläranlagen durch das Deutsche Institut für Bautechnik DIBt die Leistungsfähigkeit in fünf Ablaufklassen eingeteilt. Bei allen Klassen (C, N, D, +P, +H) wird Kohlenstoff effektiv entfernt. Zusätzlich zu Kohlenstoff (chemisches Symbol C) wird in Klasse N der Stickstoff durch Oxidation und in Klasse D mikrobiologisch entfernt. In Klasse +P wird neben Kohlenstoff und Stickstoff auch Phosphor entfernt. Klasse +H bedeutet, dass Kohlenstoff, Stickstoff und durch eine zusätzliche Hygienisierung auch noch Keime herausgefiltert werden. Welche Ablaufklasse nötig ist, hängt von dem Gewässer ab, in das das gereinigte Wasser eingeleitet werden soll. In Wasserschutzgebieten beispielsweise ist die höchste Ablaufklasse +H Pflicht, wohingegen bei den meisten Kleinkläranlagen Klasse C ausreichend ist.

Die Bakterien sind der Schlüssel zur Reinigung

Die Reinigungsleistung von Kläranlagen hängt entscheidend von der biologischen Reinigungsstufe und damit von Qualität und Effektivität der Bakterienkultur ab. Deshalb ist es wichtig, diese Bakterienkultur zu pflegen. Sollten die Bakterien absterben, müssen sie durch neue ersetzt werden. In einer Kleinkläranlage ist dieses Risiko erheblich höher als in einer großen Anlage, in der alle drei Methoden zur Reinigung angewandt werden und schon im chemischen Reinigungsschritt Schadstoffe abgefangen werden. Darüber hinaus werden Schadstoffe in großen Anlagen stark verdünnt. Dagegen kann schon ein entsorgtes Medikament im Abwasser einer Kleinkläranlage für das Absterben der Bakterienkultur ausreichen. Die Bakterienkultur setzt sich bei Kläranlagen immer aus den Bakterien zusammen, die mit dem Abwasser in die Kläranlage gelangen. So hat jede Kläranlage ihr eigenes, unverwechselbares Portfolio an Bakterien. Dieses labile System unterliegt ständigen Kontrollen, um die Einhaltung der Ablaufklasse zu gewährleisten. Versuche, Kläranlagen mit fremden Bakterienstämmen (sogenannten Fremdkulturen) zu betreiben, sind bislang nicht erfolgreich. Deshalb konzentriert sich die Forschung hauptsächlich auf die Verfahrenstechnik.

Einen zusätzlichen Nutzen aus der Abwasserverwertung ziehen

Zurückgewonnene Produkte, die direkt als organische Düngemittel eingesetzt werden können. © Fraunhofer IGB

Derzeit versuchen Forscher des Fraunhofer Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart die Nährstoffe aus dem Abwasser als Dünger wieder zu verwenden. Die Abteilung Physikalische Prozesstechnik beschäftigt sich auf dem Arbeitsgebiet des Nährstoffmanagements mit der Rückgewinnung von Phosphat. Es sollen neue Methoden etabliert werden, mit denen sich landwirtschaftlich nutzbares Phosphat gewinnen lässt.

Ein anderes Projekt des Instituts fokussiert sich auf die Eliminierung von verschiedenen Chemikalien aus Krankenhausabwasser. Schon geringe Konzentrationen solcher Stoffe, wie beispielsweise Medikamente oder deren Abbauprodukte, sind gefährlich und können sich in der Nahrungskette ansammeln, falls sie in den Wasserkreislauf gelangen. Deshalb entwickelte das IGB in Zusammenarbeit mit externen Partnern einen Membran-Bioreaktor für die Reinigung solcher Abwässer. Im einem weiteren Schritt soll ein zweiter Bioreaktor für eine weitere Reduzierung der Schadstoffe sorgen, da beispielsweise das Psychopharmakon Carbamezepin das System unverändert passierte.

Chemiker der Universität Jena versuchen gänzlich auf Chemikalien in der Abwasserreinigung zu verzichten. Dazu nutzen sie einen Effekt namens Kavitation. Bei diesem Effekt entstehen an bewegten Teilen in Flüssigkeiten kleinste Bläschen wie bei einer sich drehenden Schiffsschraube. Zerplatzen diese Bläschen, werden an den Grenzflächen extrem große Temperaturen und Drücke erreicht, die ausreichen, um Wasser in Radikale zu spalten. Die Radikale können wiederum Gefahrenstoffe, wie das Carbamezepin, unschädlich machen.

In gänzlich anderer Richtung wird am Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft ISWA in Stuttgart geforscht: Der in den Kläranlagen anfallende Klärschlamm soll energetisch genutzt werden. Das ISWA forscht an Methoden, die Energie aus der Klärschlammfaulung für die Erzeugung von Wasserstoff zu verwenden. Die hohen energetischen Hürden, die es bei der Wasserstofferzeugung zu überwältigen gilt, könnten bei dieser Art der Wasserstoffgewinnung durch den ständig zuströmenden Energieträger Kohlenstoff genommen werden. Dies wäre ein weiterer Schritt weg von fossilen Energieträgern. Die erforderliche Anlagentechnik ist durch die Kläranlagen schon vorhanden. Somit müssen hauptsächlich die Randbedingungen wie Temperatur oder pH-Wert optimiert werden. Der ohnehin in der Klärschlammfaulung entstehende Wasserstoff könnte durch Gastrennung und Ionenaustauscher aufkonzentriert werden, um eine fast emissionsfreie Energieerzeugung zu realisieren.

Eine nachhaltige Wasserwirtschaft als großes Ziel

Bereits im September 2006 startete das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) das Projekt „Wasser 2050“ unter anderem mit dem Ziel, notwendige Entwicklungen zu identifizieren, um im Jahre 2050 eine nachhaltige Wasserwirtschaft betreiben zu können. Und das nicht nur in Deutschland, sondern weltweit, wobei Deutschland als Technologielieferant eine große internationale Rolle einnehmen soll. An der Umsetzung der Ziele, die in dem Buch „Wasser2050: Chancen für die deutsche Wasserwirtschaft“ beschrieben werden, wird die zukünftige Generation maßgeblich beteiligt sein. Um dieser Aufgabe gerecht werden zu können, wird bereits heute auf eine fundierte Ausbildung Wert gelegt. So bieten zahlreiche Hochschulen in Baden-Württemberg verschiedene Studiengänge an, die sich mit der Behandlung von Abwasser beschäftigen, wie beispielsweise die Universität Stuttgart mit den Studiengängen WASTE und Umweltschutztechnik.

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Ein Bioreaktor ist ein geschlossenes System, in dem mikrobielle Umsetzungen organischer Substanzen unter kontrollierten Bedingungen stattfinden und gemessen werden können.
  • Fossile sind aus der erdgeschichtlichen Vergangenheit stammende Überreste von Tieren oder Pflanzen.
  • Bundesministerium für Bildung und Forschung
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