Prozeßführung von Kläranlagen

Nach der intensiven Bauphase („Wachstumsphase“) von Kläranlagen in den vergangenen zehn Jahren, die zweifelsohne auf die Novellierung des Wasserhaushaltsgesetzes (WHG) im Jahre 1976 und die Schaffung eines Abwasserabgabengesetzes (AbwAG, 1976) zurückzuführen ist, sind in weiten Teilen der Bundesrepublik Deutschland inzwischen Reinigungsstandards erreicht, die den Zielen des Umweltprogrammes der Bundesregierung aus dem Jahre 1971 schon recht nahe kommen, aber aus dem Blickwinkel der Umweltvorsorge noch nicht genügen (s. WHG, 1986). Da konventionelle Klärverfahren ihre Leistungsgrenzen erreicht haben (BURCHARD, 1985), werden — zunächst in Einzelfällen, mittelfristig aber in großem Umfang — weitergehende Abwasserreinigungsmaßnahmen ergriffen werden müssen (NEUMANN, GORSLER, 1985). Der Kläranlagenbau wird somit nicht stagnieren, vielmehr werden die bestehenden Anlagen hinsichtlich Stabilität der Reinigungsergebnisse und verbleibender Restverschmutzung optimiert werden müssen („Konsolidierungsphase“ i.S.v. RUDOLPH, 1983).

Einer Kläranlage fließt Abwasser, bestehend aus einer Vielzahl geogener, biogener und anthropogener Verbindungen in ständig wechselnden Konzentrationen zu. Deshalb gleicht kein Abwasser einem anderen. Neben den nichtanthropogenen Einflugfaktoren determinieren die Siedlungsstruktur, die sozioökonomischen Verhältnisse und die Art des angesiedelten Gewerbes (deren Abwasserbehandlung bzw. Anwendung emissionsarmer Produktionsverfahren) die Abwasserzusammensetzung und die biologische Behandelbarkeit, worunter zum einen die Verwertbarkeit der Abwasserinhaltstoffe durch Mikroorganismen, zum anderen der Ausschluß einer hemmenden oder abtötenden Wirkung dieser Stoffe auf die mikrobielle Lebensgemeinschaft einer Abwasserbehandlungsanlage zu verstehen ist. Zwischen Abwasserbehandlung und -reinigung ist korrekterweise zu unterscheiden, da unter Behandlung lediglich die Umwandlung der Abwasserinhaltstoffe (Stoffwechsel), unter Reinigung aber auch die Elimination der Stoffwechselendprodukte und Sekundärverschmutzungen zu verstehen ist.

Der Erfolg einer Optimierung respektive Sanierung eines Abwasserbehandlungsverfahrens ist eng verknüpft mit der Frage der geeigneten Schlammbehandlung und kostengünstigen Entsorgung des produzierten Schlammes bzw. der Nutzung der in Kläranlagen vorhandenen Energien. Die biologische Abwasserbehandlung ist zunächst immer gekennzeichnet durch die Umsetzung der gelösten organischen Verbindungen in Biomasse, die es anschließend weiterzuverarbeiten gilt. Die Art der Schlammbehandlung steht in enger Beziehung zur Art des Abwasserreinigungsverfahrens, da je nach Verfahren andere Schlammstrukturen entstehen oder z.B. beim Belebungsverfahren mit abnehmender Schlammbelastung der Schlamm mineralisiert und damit in seiner Struktur verändert wird und zum Teil wieder in Lösung geht. Erstaunlich ist, daß über die Strukturveränderungen und den gezielten Einsatz von Schlammbehandlungstechniken nur sehr spärliche Kenntnisse vorhanden sind (s. MÖLLER, 1983). Im allgemeinen weiß man nur, daß Primärschlämme mäßig bis gut entwässerbar sind und Sekundärschlämme wesentlich schlechter aufgrund des größeren gebundenen Wasseranteils, was auf die organischen und kolloidalen Teilchen zurückgeführt wird (s. Abschnitt 3.1).

Während das Hauptkriterium für eine Investitionsentscheidung im industriellen Bereich der voraussichtliche Gewinn eines Projektes (monetäre Bewertung) ist, ist diese Zielgröße im staatlichen und gemeinnützigen Bereich als einziges Kriterium für die Entscheidungsfindung häufig unzureichend; ganz abgesehen davon, daß eine Zielgröße bei komplexen Projektalternativen oft nicht angegeben werden kann (z.B. Prozeßstabilität einzelner Verfahrensalternativen). In diesen Fällen sind für eine Bewertung Verfahren wünschenswert, mit deren Hilfe die Vielfalt der entscheidungsrelevanten Zielkriterien (z.B. Bedienungsfreundlichkeit, Zuverlässigkeit, Möglichkeit der Anpassung an verschärfte Anforderungen) berücksichtigt und die in den unterschiedlichsten Größen indizierten Zielerträge von Projektalternativen zu einer eindeutigen Aussage über den gesamten Projektwert zusammengefaßt werden können (Abb. 4-1).

Wie in den vorangestellten Kapiteln gezeigt wurde, besteht in der Abwassertechnik ein nicht unerhebliches Optimierungspotential. So ist häufig aus technischen Erwägungen eine Änderung der Prozeßführung angezeigt (z.B. biologische Steuerung oder getrennte Schlammbehandlung, vgl. Abschnitte 2.4 und 3.1), aber auch aus ökonomischen Gründen ist die Überprüfung der konventionellen Techniken angeraten (z.B. Auswahl von Verfahren mit geringerem Energiebedarf oder Prozeßführung mit dem Ziel der Steigerung der Faulgasproduktion, vgl. Abschnitt 3.2). Für derartige Aufgabenstellungen, die nicht nur eine, sondern viele Lösungen besitzen, müssen die jeweiligen Ergebnisse zweckmäßig bewertet werden. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften klärtechnischer Elemente ist jedoch die Auswahl einer einzigen Eigenschaft als Maß für die Güte des Gesamtsystems Kläranlage eine einschneidende Vereinfachung (s. ERFURTH et al., 1973); zumal das Ziel eine technisch-wirtschaftlich optimale Kläranlage ist, bei der neben Effizienzgesichtspunkten auch Verfügbarkeitsgesichtspunkte u. dgl. eine Rolle spielen. Wenn im folgenden trotzdem sämtlichen Entscheidungen nur das ökonomische Prinzip — d.h. die Erfüllung der Reinigungsanforderungen mit möglichst geringen Kosten — zugrunde-gelegt wird, hat das rein pragmatische Gründe, da es in dieser Arbeit lediglich darum geht, das „Werkzeug“ für technisch-wirtschaftliche Optimierungen von Kläranlagen zu liefern; eine mögliche mehrdimensionale Bewertung der Lösungen stellt dann eine logische Weiterentwicklung des hier erarbeiteten Instrumentariums dar.

In der heutigen Wirtschaftssituation ist bei der Projektierung von Kläranlagen neben das zentrale Problem der technischen Realisierung der gestellten Anforderungen an die Ablaufqualität des gereinigten Abwassers die Forderung nach einer wirtschaftlich arbeitenden Anlage getreten. Die Chancen für eine technisch-wirtschaftliche Optimierung sind günstig, weil in den letzten Jahren eine Reihe von Verfahren bzw. Verfahrensprinzipien entwickelt bzw. weiterentwickelt wurden, die interessante Alternativen zur konventionellen Klärtechnik darstellen: Einerseits aufgrund ihres Leistungsvermögens, ihrer Steuerbarkeit oder ihrer steuernden Wirkung auf andere Prozeßstufen, andererseits aufgrund ihrer günstigeren Preisleistungsverhältnisse.