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Kläranlage

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Chemie

In dem folgenden Artikel beschäftigen wir uns mit einem Thema, das für dich vielleicht nicht so präsent, wie die anderen Trennmethoden, ist. Dennoch ist dieses Verfahren eine grundlegende Voraussetzung für unsere Zivilisation. Denn was wären wir heute ohne eine Kläranlage, die unser Abwasser reinigt?

Aufbau einer Kläranlage

Bevor wir mit diesem Thema beginnen, ist es notwendig zu klären, was eine Kläranlage überhaupt ist. Daher lässt sich folgende Definition aufstellen:

Als Kläranlage bezeichnet man die notwendigen technischen Anlagen, die mithilfe von mechanischen, biologischen und chemischen Prozessen zur Reinigung des Abwassers beitragen.

Sicherlich hast du in deinem Leben schon einmal eine Kläranlage gesehen. Oftmals erkennt man sie an den großen, miteinander verbundenen Rundbecken und natürlich manchmal auch an dem verräterischen Geruch.

Kläranlage, Fließschema Kläranlage StudySmarterAbbildung 1: Fließschema einer Kläranlage; Quelle: wikipedia.org von Rathmer

Die Abbildung hier zeigt dir eine Übersicht, welche Schritte für die Reinigung des Abwassers notwendig sind.

Zuerst kommt hier natürlich der Zulauf. Riesige Abwasserkanäle übernehmen diesen Job und spülen tausende Liter Abwasser an. Oftmals sind diese mit einem Pumpwerk verbunden, das das Abwasser dann an die richtigen Stellen befördert. Dazu gehört auch eine Regenentlastung, vorausgesetzt Regenwasser wird dem Kanal zugeführt.

Mechanische Reinigung

Die erste Säuberung beginnt im Anschluss mit dem Rechen, in dem grobe Verschmutzungen herausgesucht werden. Dazu zählen vor allem unsachgemäß entsorgte Artikel wie Tampons, Binden und Kondome, aber auch angespülte Steine, Äste und tote Tiere.

Kleinere Partikel werden im Sandfang herausgesucht, der direkt angeschlossen ist. Hier lagern sich Sand, kleine Steine und Splitter jeglicher Art ab.

Das Vorklärbecken ist die dritte Station. Die Strömungsgeschwindigkeit wird nun so weit verringert, dass sich auch die letzten, ungelösten Stoffe wie Papier und Fäkalien absetzen. Es entsteht ein Schlamm, der in einen Faulturm weitergeleitet wird und später noch Verwendungen finden kann. Doch dazu lernst du im Abschnitt zum Thema Umwelt mehr.

Biologische Reinigung

Die biologische Reinigung beruht soeben auf Mikroorganismen, die die verbleibenden Verschmutzungen abbauen. In den meisten Fällen ist dafür eine Belüftung notwendig, da der Vorgang unter aeroben Bedingungen stattfindet.

Kläranlage Biologische Reinigung StudySmarterAbbildung 2: Die biologische Reinigung im Belebungsbecken; Quelle: wasser-wissen.de

Auch ein solches Bild kommt dir sicherlich bekannt vor. Es handelt sich dabei um ein solches Belebungsbecken. Darin befinden sich aerobe Bakterien und Mikroorganismen, die das zugeführte Wasser reinigen, indem sie die Kohlenstoffverbindungen zu Kohlenstoffdioxid und Biomasse abbauen. Das CO₂ verflüchtigt sich in Gasform nach oben, während die Biomasse absinkt und dort entnommen werden kann.

Häufig handelt es sich hier um kontinuierlich durchlaufende Becken, die direkt an den nächsten Schritt, das Nachklärbecken, gekoppelt sind. In diesem wird der restliche Belebtschlamm, das heißt die Mikroorganismen und Bakterien, von dem Abwasser getrennt. Ein Großteil des Schlamms wird wieder in die Belebungsbecken zurückgeführt, damit die Organismen erneut ihre Arbeit verrichten können.

Chemische Reinigung

Nach der biologischen Reinigung steht häufig bereits der Ablauf, der das gereinigte Abwasser zum Beispiel in einen Vorfluter befördert.

Allerdings findet in der Zwischenzeit meist auch eine chemische Reinigung statt. So werden einem Belebungsbecken häufig auch noch Fällmittel zugegeben, die zum Beispiel Phosphor aus dem Wasser ausfällen. Durch Zugabe von Säure oder Base kommt es in manchen Kläranlagen vor, dass auch der pH-Wert neutralisiert werden muss. Das bezieht sich besonders auf die Reinigung von Baustellenabwasser, das häufig alkalisch ist.

Weiterhin kann es in besonderen Fällen dazu kommen, dass organische Verbindungen sich nicht abbauen lassen oder viele Krankheitserreger im Wasser schwimmen. Dafür wird Ozon und auch UV-Strahlung hinzugegeben. Zur Desinfektion wirkt größtenteils Chlor.

Die notwendige Menge der chemischen Reinigung ist allerdings abhängig vom Standort der Kläranlagen und natürlich abhängig von der spezifischen Aufgabe. Baustellenabwasser wird zum Beispiel anders gereinigt, als das normale Abwasser aus den Haushalten.

Wie funktioniert eine Kläranlage?

Nachdem du ausführlich kennengelernt hast, wie Abwasser eine Kläranlage durchläuft, betrachten wir nun vor allem die chemischen Aspekte. Dazu zählen auch Trennmethoden, die auf physikalischen Eigenschaften beruhen.

Beginnend bei dem Rechen fällt als Erstes eine Siebung an, da die gröbsten Teile aufgrund ihrer Größe aussortiert werden. Im Sandfang und im Vorklärbecken findet dann eine Sedimentation statt und dann natürlich auch eine Filtration, um die verbleibenden Stoffe zu entfernen.

Die anschließenden biologischen Prozesse kennst du inzwischen schon. In diesem Teil stellen wir dir aber noch einmal die chemischen Reaktionen dahinter vor. Zuerst einmal fassen wir die Reaktion durch die Mikroorganismen zusammen. Dafür steht allgemein folgende Reaktion:

Reaktionsgleichung Kläranlage Studysmarter

Die unterschiedlichen Wasserinhaltsstoffe werden meist durch Zugabe verschiedener Fällungsmittel herausgefiltert.

Reaktionsgleichungen Kläranlage StudySmarter

Bio-P bezeichnet Mikroorganismen, die darauf spezialisiert sind, Phosphor in ihren Zellen einzulagern und zu speichern. So kann dem Abwasser der Phosphor auf sehr umweltschonende Weise entzogen werden. Die Ausfällung der Phosphat-Ionen geschieht mithilfe von Eisen- oder auch Aluminiumsalzen.

Das Nitrat hingegen ist sogar ein sehr wünschenswertes Produkt im Wasser. Häufiger kommt es vor, dass das Wasser aus dem Vorfluter für die Landwirtschaft in der Umgebung verwendet wird. Nitrat wirkt hier dann als Mineraldünger für die Pflanzen. Allerdings ist dennoch zu beachten, dass nicht zu viel Nitrat im Wasser vorkommt, da es sonst schnell zu einer Überdüngung kommt.

Der Stickstoff hingegen ist gasförmig und verflüchtigt sich von allein aus dem gereinigten Abwasser. Das Gleiche gilt wie bereits erwähnt für Kohlenstoffdioxid.

Mithilfe dieser Reaktionen ist das Abwasser im Anschluss so weit gereinigt, dass es problemlos weiterverwendet werden kann. Den Einfluss auf die Umwelt lernst du direkt im nächsten Abschnitt kennen. Dabei spielt besonders das Biogas eine wichtige Rolle.

Die Kläranlage und die Umwelt

Zu Beginn hast du gelernt, dass der Schlamm, der bei der Sedimentation entsteht, in einen Faulturm geleitet wird. Hier wird er gelagert, wobei durch anaerobe Gärung ein Gas entsteht, das man auch Klärgas nennt. Im vorherigen Abschnitt hast du es als Biogas kennengelernt. Wie du inzwischen sicherlich weißt, besteht es hauptsächlich aus Methan und Kohlenstoffdioxid. Dieses Klärgas spielt für die aktuelle Situation bezüglich Klimaschutz eine wichtige Rolle, denn es ist ein Energieträger, der uns viele Möglichkeiten bietet.

Kläranlage Faulturm StudySmarterAbbildung 3: Die Faultürme einer Kläranlage; Quelle: stadtentwaesserung-dresden.de

Die Abbildung zeigt dir, wie solche Faultürme aussehen. Das entstehende Klärgas kann zum Beispiel verwendet werden, um Strom zu erzeugen. Weiterhin gibt es zahlreiche Möglichkeiten, dieses Gas auch für die Wärme- und Kälteversorgung zu verwenden. Aktuell wird sogar ein geringer Teil in das vorhandene Gasnetz geleitet, um den Verbrauch an Erdgas zu verringern. Problematisch ist jedoch, dass der Brennwert von Klärgas nicht so hoch ist. Diese Methode ist in Zukunft folglich noch ausbaubar.

Bisher hast du die positiven Seiten einer Kläranlage kennengelernt. Du weißt nun, dass Klärgas vielseitig einsetzbar ist und eine sehr simple Herstellung dahintersteckt. Dennoch sind Kläranlagen aktuell betrachtet die Anlagen mit dem höchsten Energieverbrauch. Obwohl sie notwendig sind für unsere Zivilisation, entstehen auf diese Weise riesige Mengen an Treibhausgasen.

Etwa 5 % der Nicht-CO2-Emissionen kommen von Kläranlagen. Dazu gehören Methan und Lachgas, die eine deutlich stärkere Wirkung als Treibhausgas besitzen als nur CO₂. Dennoch tragen sie gleichzeitig dazu bei, die Menge zu reduzieren, da ungereinigtes Abwasser noch viel größere Mengen Treibhausgas produzieren würde.

Du siehst folglich, dass Kläranlagen essenziell sind. Dennoch ist es mit Blick auf den Klimawandel notwendig, die Vorgänge anzupassen und zu perfektionieren. Es ist inzwischen durchaus ein Ziel, dass sich Kläranlagen selbst mit Energie versorgen können.

Kläranlage – Das Wichtigste auf einen Blick

  • Eine Kläranlage bezeichnet eine technische Anlage zur Reinigung des Abwassers. Sie besteht aus den drei Stufen mechanische, biologische und chemische Reinigung.
  • Zur mechanischen Reinigung werden Rechen und bestimmte Becken zur Sedimentation eingesetzt.
  • Die biologische Reinigung findet mithilfe von aeroben Bakterien und Mikroorganismen statt, die aus den organischen Stoffen CO₂ und Biomasse produzieren.
  • Die chemische Reinigung erfolgt meist mit Ausfällungsreaktionen. Weiterhin werden Ozon, UV-Strahlung und Chlor verwendet, um Krankheitserreger zu vernichten und das Wasser dementsprechend zu desinfizieren.
  • Aus den verschiedenen Ionen entstehen Nitrat, Stickstoff und Phosphor für die Mikroorganismen.
  • Mithilfe von Klärgas kann ein Teil zur Gasversorgung und zur Wärme- und Kälteversorgung beigetragen werden.
  • Ziel für die Zukunft ist es, dass sich Kläranlagen energetisch selbst versorgen können.

Kläranlage

Eine Kläranlage funktioniert über drei verschiedenen Reinigungsstufen: mechanische, biologische und chemische Reinigung. Dabei wird das Abwasser zuerst vom Gröbsten durch Filtration und Sedimentation gereinigt, bevor während der biologischen Reinigung Mikroorganismen diese Aufgabe übernehmen. Die chemische Reinigung dient zu Ausfällen von schwer zu trennenden Stoffen. 

Das gereinigte Wasser gelangt über den Ablauf in den Vorfluter. Der entstehende Schlamm wird zur Herstellung von Klärgas verwendet. 

Man unterteilt die Reinigung in folgende Stufen: 

  • mechanische Reinigung 
  • biologische Reinigung 
  • chemische Reinigung.

In einer Kläranlage wird das Abwasser von seinen Verschmutzungen gereinigt. Das geschieht über drei Stufen. 

Nein, gereinigtes Wasser aus der Kläranlage ist kein Trinkwasser. Stattdessen wird es unter anderem für die Landwirtschaft verwendet. 

Trinkwasser muss deutlich höhere Bedingungen erfüllen und müsste noch mehrfach chemisch gereinigt werden. 

Finales Kläranlage Quiz

Frage

Was ist eine Kläranlage?

Antwort anzeigen

Antwort

Als Kläranlage bezeichnet man die notwendigen technischen Anlagen, die mithilfe von mechanischen, biologischen und chemischen Prozessen zur Reinigung des Abwassers beitragen. 

Frage anzeigen

Frage

Welche drei Schritte gehören zur mechanischen Reinigung in einer Kläranlage?

Antwort anzeigen

Antwort

Dazu gehören folgende Bereiche: 

  • Rechen
  • Sandfang
  • Vorklärbecken
Frage anzeigen

Frage

Im Rechen einer Kläranlage werden unsachgemäß entsorgte, grobe Verschmutzungen herausgesucht. Dazu gehören (1) ... sowie angespülte Verschmutzungen wie (2)... . 

Antwort anzeigen

Antwort

Dazu gehören (1) Tampons, Binden und Kondome sowie angespülte Verschmutzung wie (2) Steine, Äste und tote Tiere. 

Frage anzeigen

Frage

Was geschieht im Vorklärbecken?

Antwort anzeigen

Antwort

Im Vorklärbecken wird die Strömungsgeschwindigkeit so weit verringert, dass Papier und Fäkalien sich absetzen können. 

Frage anzeigen

Frage

Weshalb ist eine Belüftung im Belebungsbecken notwendig?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Belebungsbecken einer Kläranlage arbeitet mit Mikroorganismen, die Sauerstoff benötigen. Daher muss dieses Becken belüftet werden. 

Frage anzeigen

Frage

​Welche Art von Bakterien und Mikroorganismen befinden sich im Belebungsbecken?

Antwort anzeigen

Antwort

Es handelt sich dabei um aerobe Organismen. 

Frage anzeigen

Frage

Zu was bauen die Organismen im Belebungsbecken der Kläranlage die Kohlenstoffverbindungen ab?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Kohlenstoffverbindungen werden abgebaut zu Kohlenstoffdioxid und Biomasse. 

Frage anzeigen

Frage

Welches Becken ist direkt an das Belebungsbecken gekoppelt?

Antwort anzeigen

Antwort

Dabei handelt es sich um das Nachklärbecken, den letzten Schritt in der Kläranlage. 

Frage anzeigen

Frage

​Das Belebungsbecken ist in den meisten Fällen ein ... durchlaufendes Becken. 

Antwort anzeigen

Antwort

kontinuierlich 

Frage anzeigen

Frage

Wohin führt das Ablauf einer Kläranlage?

Antwort anzeigen

Antwort

Der Ablauf führt das Abwasser meist in einen Vorfluter. 

Frage anzeigen

Frage

Welche drei Mittel werden verwendet, um Abwasser zu desinfizieren bzw. organische Verbindungen besser abzubauen?

Antwort anzeigen

Antwort

Dafür gibt es die folgenden Möglichkeiten: 

  • Ozon
  • UV-Strahlung
  • Chlor. 
Frage anzeigen

Frage

Welche mechanischen Trennmethoden finden während der ersten Phase statt?

Antwort anzeigen

Antwort

Als Trennmethoden findet man hier in der Kläranlage eine Siebung, Sedimentation und eine Filtration. 

Frage anzeigen

Frage

Was ist Bio-P?

Antwort anzeigen

Antwort

Als Bio-P bezeichnet man Mikroorganismen, die Phosphor aus dem Abwasser aufnehmen. Diese Methode ist sehr umweltschonend. 

Frage anzeigen

Frage

Wofür werden Nitrate verwendet?

Antwort anzeigen

Antwort

Nitrate wirken als Mineraldünger für Pflanzen. Allerdings kann es bei zu hoher Konzentration im Wasser schnell zu einer Überdüngung kommen. 

Frage anzeigen

Frage

Wie entsteht Klärgas im Faulturm?

Antwort anzeigen

Antwort

Klargäs entsteht im Faulturm der Kläranlage durch anaerobe Gärung. 

Frage anzeigen

Frage

Wofür kann Klärgas verwendet werden?

Antwort anzeigen

Antwort

Klärgas aus einer Kläranlage kann verwendet werden, um Strom zu erzeugen oder als Gas in der Wärme- und Kälteversorgung verwendet werden. 

Frage anzeigen

Frage

Etwa ...% der Nicht-CO2-Emission stammen von Kläranlagen. 

Antwort anzeigen

Antwort

5%

Frage anzeigen

Frage

Welches Ziel wird für die Kläranlagen in Zukunft anvisiert?

Antwort anzeigen

Antwort

Ziel von Kläranlagen ist es, dass sie sich in Zukunft energetisch selbst versorgen. 

Frage anzeigen

Frage

​Woraus besteht Klärgas aus einer Kläranlage?

Antwort anzeigen

Antwort

Klärgas besteht hauptsächlich aus Methan und Kohlenstoffdioxid. 

Frage anzeigen
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