Kläranlage, Klärwerk, Anlage zur Reinigung von Abwasser vor der Einleitung in Flüsse (Fließgewässer) oder Seen, um deren Belastung mit organischen und anderen unerwünschten Stoffen zu verringern. In kommunalen Kläranlagen werden in Deutschland meist 3 Reinigungsstufen durchlaufen ( ä vgl. Abb. 1 ), eine mechanische und eine biologische Klärung sowie eine chemische Phosphatfällung oder biologische Phosphorentfernung (s.u.). – Nach der mechanischen Klärung in der Rechen- und Siebanlage, mit Sandfang und Ölabscheider, wird das Abwasser zur Vorklärung in ein Absetzbecken(Vorklärbecken, ca. 1,5 Stunden) geleitet, in dem sich große ungelöste Stoffe als Schlamm absetzen und zum Teil bereits ein biologischer Abbau beginnt. Die sich anschließende biologische Hauptklärung ist meist oxidativ (aerob = „Biologie") und entspricht der natürlichen Selbstreinigung von Gewässern. Nur wird durch bestimmte Verfahren (z.B. im Tropfkörper oder Belebungsbecken) erreicht, daß auf relativ kleinem Raum in kurzer Zeit ein intensiver Abbau (Mineralisation) stattfindet. Im durchlüfteten Tropfkörper ( ä vgl. Abb. 2 ) fließt das Abwasser von oben über poröses Material (z.B. Lavaschlacke, Kunststoffschichten), auf dem sich eine schleimige Biomasse (Biofilm, Biofilter, Tropfkörperrasen, Filterhaut) ausbildet, eine Lebensgemeinschaft aerober Organismen (Bakterien, Pilze, Protozoen, Kleinkrebse, Würmer, Insektenlarven). Die leicht abbaubaren organischen Verbindungen werden im Atmungsstoffwechsel (Dissimilation) abgebaut und zum Teil in Biomasse umgewandelt (Assimilation). Für diesen Abbau und die Oxidation anorganischer Verbindungen sind hauptsächlich Bakterien ( ä vgl. Tab. ), zum Teil auch Pilze und Protozoen verantwortlich. Die Höheren Organismen ernähren sich von den Mikroorganismen und verhindern dadurch einen zu starken Zuwachs des Biofilms. Eine effektive Mineralisation organischer Stoffe im Abwasser kann auch ohne Füllmaterial im „Belebungsbecken" (Belebtschlammbecken, 2–5 Stunden) erfolgen. Durch eine starke Belüftung des Abwassers in offenen Becken von unten oder eine O₂-Begasung geschlossener Becken entwickelt sich eine bestimmte, von der Abwasserzusammensetzung und der Verfahrensweise abhängige Bakteriengemeinschaft. Dabei bilden sich Flocken aus, die sich aus Bakterienzellen, extrazellulären Schleimen und toten, unlöslichen organischen Stoffen zusammensetzen. In diesem „Belebtschlamm" befinden sich neben Bakterien noch typische Protozoen, gelegentlich Rädertiere und Fadenwürmer. Das im Tropfkörper oder Belebungsbecken gereinigte Abwasser wird anschließend in große Nachklärbecken geleitet, wo sich die in Flocken zusammengeballte Bakterienmasse absetzt und das klare Überstandswasser nach einiger Zeit (5–6 Stunden) in natürliches Gewässer (= Vorfluter, z.B. Fluß) abgelassen wird. Ein schnelles, vollständiges Absetzen der Belebtschlammflocken ist unbedingt notwendig, damit diese Biomasse nicht in den Vorfluter abschwimmt und damit die organische Belastung des geklärten Abwassers durch die Zunahme an Bakterienmasse erhöht wird. Bei einem stärkeren Abtreiben der Biomasse aus der Kläranlage kann sich auch der Anteil an Belebtschlamm so stark vermindern, daß die Funktionsfähigkeit der Anlage gefährdet ist. Störungen der Schlammabsetzung, z.B. bei einem zuckerhaltigem Abwasser, treten u.a. ein, wenn die Flocken durch die Entwicklung stark fädiger Formen (z.B. Sphaerotilus natans, Microthrix parvicella, Nocardioforme Actinomyceten) zu groß oder untereinander verbunden werden und sich dadurch nur unvollständig absetzen (Blähschlammbildung). Ein weiterer wichtiger Störfaktor kann die Ausbildung einer Schwimm- bzw. Schaumschicht sein, die sich aus Gasblasen, Tensiden und Bakterien zusammensetzt und auf der Abwasseroberfläche schwimmt. – Der Schlamm der Kläranlage muß beim Belebungsverfahren zum Teil in das Belebungsbecken zurückgeführt werden (Rücklaufschlamm, Impfschlamm), um das neue Abwasser mit Mikroorganismen-Flocken anzureichern. Der Überschußschlamm (Restschlamm) aus Nach- und Vorklärbecken kann einer weiteren biologischen Klärung, einer reduktiven (anaeroben) Zersetzung, zugeführt werden. Da diese Schlammfaulung nur unter Sauerstoffausschluß ablaufen kann, erfolgt der Faulprozeß in großen geschlossenen Tanks (Faulräume, Faultürme). Das Ausfaulen dauert etwa 25 Tage. Durch diese Vergärung von weiterem organischem Material tritt eine Stabilisierung des Schlamms ein, er wird weitgehend geruchlos und läßt sich später leichter entwässern. Die Bakterien zersetzen dabei zum Teil auch schwer abbaubare polymere organische Stoffe (z.B. Cellulose, Pektin). Zunächst entstehen durch den Stoffwechsel verschiedener Bakterienarten organische Säuren, Alkohole und Wasserstoff und als Endprodukte in großen Mengen Biogas (Faulgas = Methan + CO₂; Methanbildung), das zum Heizen der Faultürme und zum Betrieb von Maschinen genutzt werden kann. Im Faulprozeß werden Krankheitserreger (Abwasser, Tab.), Würmer und Unkrautsamen zum großen Teil vernichtet. Nach dem Ausfaulen wird der übriggebliebene Faulschlamm eingedickt, entwässert (Trockenbeete, Hitzebehandlung) und auf Klärschlamm-Deponien abgelagert. Früher wurde der ausgefaulte Schlamm auch als guter Dünger verwertet; doch ist heute die Belastung mit Schwermetallen meist zu hoch. Mit neuen Techniken versucht man, noch Gas und Öl aus dem Schlamm zu gewinnen. Das Faulwasser wird meist noch einmal einer aeroben Klärung zugeführt. – Die biologisch abbaubaren organischen Verbindungen werden in der Kläranlage um mehr als 90% vermindert (gemessen als BSB₅; biochemischer Sauerstoffbedarf). Das geklärte Abwasser weist aber in der Regel einen hohen Gehalt an Phosphat und Nitrat auf, die zu einer Überdüngung des Vorfluters und dadurch zu einer üppigen Entwicklung von Algen und Cyanobakterien führen können (Eutrophierung). Damit verbunden ist eine starke Entwicklung von heterotrophen, sauerstoffverbrauchenden Mikroorganismen. Im Extremfall (z.B. bei Zersetzung von Algen und Wasserpflanzen) kann es durch diese sekundäre Verschmutzung sogar zum vollständigen Verbrauch des gelösten Sauerstoffs kommen („Umkippen" des Gewässers) und somit zum Absterben des tierischen Lebens. In fast allen Anlagen in Deutschland findet daher auch eine weitergehende Entfernung von Stickstoffverbindungen und Phosphat statt. Nitrat läßt sich durch eine Denitrifikation zu molekularem Stickstoff (N₂) umwandeln und somit aus dem Abwasser entfernen. Diese biologische Reduktion findet in einem unbelüfteten Teil des Belebungsbeckens oder in einem zusätzlichen Becken vor oder im Anschluß an die belüftete Phase statt. Da die Stickstoffverbindungen im kommunalen Abwasser jedoch fast ausschließlich als Ammoniumverbindung vorliegen, muß vor der Denitrifikation im Belebungsbecken erst eine biologische Oxidation, eine Nitrifikation, stattfinden. Die Anreicherung der dafür verantwortlichen nitrifizierenden Bakterien läßt sich durch bestimmte Betriebsweisen erreichen. In modernen Anlagen wird auch das Phosphat zum größten Teil entfernt (3. Reinigungsstufe), wobei die Umsetzungen in dem gleichen Becken wie der Abbau der organischen Abwasserstoffe stattfinden kann. Phosphat wird meist durch eine chemische Fällung (z.B. mittels Eisen- oder Aluminiumverbindungen) im Belebungsbecken in unlösliche Phosphatverbindungen umgewandelt und mit dem Überschuß-Schlamm dem Abwasser entzogen. Durch besondere Verfahrensweisen, bei denen der Belebtschlamm eine Sauerstoff- und Nitrat-freie Zone durchfließt, läßt sich auch eine biologische Phosphorentfernung erreichen. Dabei speichern spezifische Bakterien Phosphat in hoher Konzentration in den Zellen, die dann auch mit dem Überschuß-Schlamm dem Abwasser entzogen werden (Polyphosphat). – Um das aus den Nachklärbecken abfließende Abwasser von restlichen Schwebstoffen zu säubern, kann eine Nachbehandlung in Filterkammern, z.B. in Sandfiltern, erfolgen. Durch einen Zusatz von Fällungsmitteln vor dem Filter wird neben der Abtrennung der Restverschmutzung gleichzeitig der Phosphatgehalt weiter verringert. Das geklärte Abwasser kann auch in sog. Schönungsteichen von organischer und anorganischer Restverschmutzung befreit werden. Ein weiteres biologisches Verfahren mit sehr hoher Reinigungsleistung ist das Wurzelraumverfahren (Naturklärverfahren). Die einfache, natürliche biologische Abwasserreinigung durch direkte Verrieselung (Rieselfelder) oder durch Einleiten in Fischteiche (Abwasserteiche) ist in der Regel wegen der zu hohen Schmutzbelastung nicht mehr möglich. – Viele Industrieabwässer enthalten besondere Verunreinigungen (z.B. Schwermetalle und andere toxische Substanzen), die durch eine biologische Reinigung nicht beseitigt werden oder die sogar die Mikroorganismen der biologischen Klärstufen schwer schädigen können. Diese Abwässer müssen daher chemisch oder chemisch-physikalisch (z.B. mit Aktivkohle) vorbehandelt werden. Für den Abbau besonderer organischer Verunreinigungen, zur Tankerkesselreinigung, Rohrleitungssäuberung oder zum „Einfahren" biologischer Klärstufen sind auch spezielle Starterkulturen entwickelt worden. Diese Bakterien werden entweder durch natürliche Anreicherung aus bestimmten Abwässern gewonnen oder auch künstlich (gentechnisch; Gentechnologie) konstruiert, z.B. Pseudomonaden, die halogenierte aromatische Verbindungen, wie 3,5-Dichlorbenzoat, abbauen. – Die herkömmlichen Kläranlagen haben einen großen Platzbedarf. Um ihn zu verringern und die Begasung (Sauerstoffausnutzung) zu verbessern, wurden für die Industrie besondere Abwassertanks mit 20–120 m Wassertiefe entwickelt (Hochbiologie, Turmbiologie, Biohochreaktor), in denen eine sehr gute biologische Reinigung erfolgt. Abwasserbehandlung (Abb.), Abwasserpilz, Anaerobiose, Einwohnergleichwert.

G.S.

Lit.: Brauer, H. (Hrsg.): Handbuch des Umweltschutzes und der Umweltschutztechnik. Bd.4, Behandlung von Abwässern. Heidelberg 1996. Lemmer, H. et al. (Hrsg.): Ökologie der Abwasserorganismen. Heidelberg 1996. Mudrack, K., Kunst, S.: Biologie der Abwasserreinigung. Heidelberg ⁴1997. Rehm, H.-J. et al. (Hrsg.): Biotechnology, Vol. 11a, Environmental Processes I, (Hrsg. Winter, J.), Wastewater Treatment. Weinheim ²1999.

Kläranlage

Abb. 1: Schema einer Kläranlage mit 3 Reinigungsstufen:
Bei der mechanischen Klärung(I) werden größere und kleinere Feststoffe sowie Schwimmstoffe abgetrennt und ungelöste Stoffe im Vorklärbecken (Absetzbecken) abgeschieden. Bei der nachgeschalteten biologischen (Haupt-) Klärung(II) findet meist erst ein oxidativer Abbau gelöster, leicht abbaubarer Stoffe im Tropfkörper oder Belebungsbecken statt. Organische Substrate werden mineralisiert und einige anorganische Verbindungen oxidiert:
organische Stoffe → CO₂ + H₂O + Bakterienmasse (Dissimilation);
NH₃ (z.B. aus Protein) → NO₃^–
(nitrifizierende Bakterien);
H₂S (z.B. aus Protein) → SO₄^2–
(schwefeloxidierende Bakterien).
Nitrat kann in einer O₂-freien Stufe vor oder nach dem oxidativen Abbau (Belebung) durch eine Denitrifikation als N₂ entfernt werden. In besonderen Verfahrensweisen kann auch Phosphat aus dem Abwasser eliminiert werden, biologisch durch bestimmte Abwasserbakterien, die Phosphat als Polyphosphat speichern, oder in einer chemischen Reinigungsstufe(III) durch eine Fällung mit Eisen- oder Aluminiumverbindungen.
Im Nachklärbecken setzen sich die in der Hauptklärung gebildeten bakteriellen Flocken (Klärschlamm) ab. Der Überschußschlamm kann eingedickt, filtriert, nach chemischer Behandlung (Konditionierung) zentrifugiert und verbrannt oder einer anaeroben biologischen Behandlung, einer Ausfaulung im Faulturm, unterworfen werden. Das geklärte Abwasser wird in den Vorfluter (= natürliches Gewässer) geleitet.

In industriellen Abwässern werden Phosphat u.a. chemische Verbindungen durch verschiedene Verfahren entfernt:

1) Entfernung kolloidal gelöster Stoffe durch Flockung mit Eisen- und Aluminiumsalzen sowie Kalk (z.B. Farbteilchen)
2) Phosphatfällung durch Eisen- oder Aluminiumsalze. Phosphat kann auch im Belebungsbecken gefällt werden (Simultanfällung)
3) Neutralisation von sauren oder alkalischen Abwässern mit Kalkmilch bzw. Säuren
4) Entfernen von Schwermetallionen (z.B. Cadmium, Chrom oder Quecksilber) durch Fällung als Hydroxide oder Carbonate (mit Natronlauge, Soda, Kalkmilch)
5) Oxidative Abwasserreinigung (Bleichung) mit Ozon, Hypochlorit, Wasserstoffperoxid (z.B. zur Entgiftung von Cyanid und Behandlung farbstoffhaltiger Abwässer).
Schließlich kann durch Chlorierung oder UV-Bestrahlung des gereinigten Abwassers noch eine Abtötung der Krankheitserreger erfolgen.

Kläranlage

Abb. 2:Tropfkörper:
a Flach-Tropfkörper, b Turm-Tropfkörper (Längsschnitt) zur biologischen Abwasserreinigung