Effektive Methoden zur Abwasserbehandlung von Abwasser

Verständnis der städtischen Abwasserentstehung und des Behandlungsbedarfs

Zunehmende Urbanisierung treibt den Bedarf an Abwasserbehandlung

Mehr als die Hälfte der Menschen weltweit lebt heutzutage in städtischen Gebieten, was laut dem jüngsten UN-Bericht aus dem Jahr 2023 jährlich etwa 380 Milliarden Kubikmeter kommunales Abwasser erzeugt. Da die Städte so schnell wachsen, kann die veraltete Infrastruktur nicht mithalten. Betrachtet man Großstädte mit mehr als drei Millionen Einwohnern, fehlt es ungefähr sechzig Prozent davon an ausreichenden Einrichtungen, um den Abfall ordnungsgemäß zu behandeln. Wenn rohe Abwässer in Flüsse und Bäche eingeleitet werden, gelangen schädliche Stoffe wie krankheitserregende Organismen, mikroskopisch kleine Kunststoffpartikel und Rückstände von Medikamenten aus unseren Hausapotheken mit hinein. Diese Schadstoffe dringen in das Grundwasser ein, und fast ein Viertel aller Trinkwasserquellen ist auf diese Weise betroffen.

Globale Statistiken zur Abwasserentsorgung und deren Umweltauswirkungen

Weltweit fließen etwa 80 Prozent des Abwassers ungeklärt wieder in unsere Wassersysteme zurück, wodurch jährlich rund 580 Tonnen Stickstoffverschmutzung in Flüsse und Seen gelangen. Was passiert danach? Diese Stoffe verursachen schließlich die gefürchteten Todeszonen in über 700 Küstengebieten, in denen nichts mehr zu leben scheint, da der gesamte Sauerstoff verbraucht wird. Das eigentliche Problem entsteht durch diese neuen Arten von Chemikalien, die mittlerweile überall vorkommen, wie Nonylphenolverbindungen und das Medikament Carbamazepin, die herkömmliche Kläranlagen unerkannt passieren. Sie bleiben in Fischen und anderen Meerestieren erhalten und reichern sich im Laufe der Zeit an, bis sie gefährliche Konzentrationen erreichen, manchmal bis zu 1,2 Milligramm pro Liter, wie aus einer 2022 veröffentlichten Studie von Ponemon hervorgeht.

Moderne Abwasserbehandlungssysteme verfolgen heute zwei zentrale Ziele: den Schutz der öffentlichen Gesundheit durch die Entfernung von Krankheitserregern (<1 KBE/100 mL E. coli-Zielwerte) und die Rückgewinnung von Ressourcen wie Phosphor (bis zu 90 % Rückgewinnungsrate ) zur landwirtschaftlichen Wiederverwendung.

Kernbiologische Behandlungsverfahren in der Abwasserbehandlung

Belebtschlammverfahren als zentrale aerobe Behandlungsmethode

Aerobe Belebtschlamm-Systeme bilden weiterhin das Rückgrat der modernen Abwasserbehandlung, bei dem auf Sauerstoff angewiesene Bakterien 85–90 % der organischen Schadstoffe in belüfteten Becken abbauen. Kommunale Anlagen erreichen typischerweise eine Reduzierung der biologischen Sauerstoffnachfrage (BSB) von über 95 % durch optimierte mikrobielle Gemeinschaften und präzise Steuerung des gelösten Sauerstoffs.

Biologische Behandlung mit Mikroorganismen und Würmern zum Abbau organischer Stoffe

Vermifiltrationsverfahren ergänzen den mikrobiellen Abbau durch Eisenia fetida regenwürmer, die im Vergleich zu konventionellen Methoden die Zellulose-Zersetzung um 40 % beschleunigen. Dieser hybride Ansatz reduziert Schlammmengen um 30–35 % und beseitigt Gerüche – ein entscheidender Vorteil für dezentrale Systeme.

Anaerobe Vergärung und Fermentation zur Energiegewinnung

Geschlossene anaerobe Faulbehälter wandeln die chemische Energie von Abwasser in Biogas um, wobei neuere Studien eine Biogaserzeugung von 0,35–0,45 m³ pro kg entferntem CSB zeigen. Die Ko-Vergärung mit Speiserestabfällen erhöht den Methangehalt auf 65–70 % und verwandelt Kläranlagen so in netto Energie produzierende Einrichtungen.

Algenbasierte Systeme und Phytosanierung zur Nährstoffentfernung

Pilotprojekte unter Verwendung von Chlorella vulgaris mikroalgen erreichen durch Algen-Abwasser-Symbiose eine Rückgewinnung von 89 % Stickstoff und 76 % Phosphor. Kombinierte Wasserlinsenteiche und künstliche Feuchtgebiete entfernen Restmengen an Schwermetallen mit einer Effizienz von 60–80 % und ermöglichen eine sichere Wiederverwendung des Wassers in der landwirtschaftlichen Bewässerung.

Sekundäre und tertiäre physikalisch-chemische Behandlungsstufen

Koagulation, Flockung und Sedimentation zur Feststoffentfernung

Sobald die biologische Behandlungsstufe abgeschlossen ist, folgt die Koagulation, bei der Chemikalien wie Alaun oder Eisenchlorid hinzugefügt werden, um hartnäckige Schwebeteilchen im Wasser aufzubrechen. Danach erfolgt die Flockung – im Grunde eine langsame Rührbewegung, die dabei hilft, dass sich diese winzigen Partikel zu größeren Flocken zusammenlagern, die schließlich bei der Sedimentation auf den Boden sinken. Die meisten modernen Aufbereitungsanlagen können die Trübungswerte innerhalb einer Stunde um etwa 80 bis 90 Prozent senken. Wenn die Betreiber ihre Chemikaliendosierung optimal einstellen, erzielen sie oft noch bessere Ergebnisse. Die Feststoffentfernungsrate steigt um etwa 35 bis 40 Prozent, und es entsteht insgesamt weniger Schlamm, was das Abfallmanagement für das Anlagenpersonal vereinfacht.

Filtration und fortgeschrittene Oxidation zur Schadstoffabbau

Sandfilter und Membransysteme (Mikrofiltration/Nanofiltration) fangen Partikel bis zu 0,1 Mikron ein und entfernen 95 % der Mikroplastikpartikel und Krankheitserreger. Fortgeschrittene Oxidationsverfahren (AOPs) wie Ozon/UV oder die Fenton-Reaktion zersetzen Arzneimittel und Pestizide durch Bildung von Hydroxylradikalen und erreichen eine Zerstörungsrate von >99 % bei persistenten organischen Verbindungen.

Desinfektion mit Chlor, Chloraminen und UV-Strahlung

Die endgültige Desinfektion beseitigt verbleibende Krankheitserreger durch:

Aktuelle Analysen zeigen, dass UV-Systeme in 98 % der kommunalen Anlagen die fäkalen Koliformen auf <10 KBE/100 ml reduzieren und dabei Desinfektionsnebenprodukte (DBPs) vermeiden.

Entfernung von EDCs und Arzneimittelrückständen in der tertiären Behandlungsstufe

Die Aktivkohleadsorption und Ozonung zielen auf endokrine Disruptoren (EDCs) und Arzneimittel (PPCPs), die die sekundäre Behandlung überstehen. Granulierte Aktivkohle (GAC) entfernt 60–80 % der östrogenen Verbindungen, während Ozondosen von 3–5 mg/L 90 % der Antibiotika wie Sulfamethoxazol abbauen.

Schlammmanagement, Ressourcenrückgewinnung und Integration in die Kreislaufwirtschaft

Vom Schlamm zu Klärschlamm: Stabilisierung, Entwässerung und sichere Entsorgung

Die meisten modernen Abwasserbehandlungsanlagen verwandeln etwa 95 % ihres Schlammes mithilfe von Verfahren wie anaerober Vergärung in Kombination mit thermischen Trocknungsprozessen in stabile Bioabfälle. Eine 2025 veröffentlichte Studie untersuchte, wie Hydrothermische Karbonisierungssysteme funktionieren, und die Ergebnisse waren tatsächlich beeindruckend. Diese Systeme senken die Entsorgungskosten um etwa zwei Drittel und erzeugen gleichzeitig ein Produkt namens Hydrochar, das Landwirte auf ihren Feldern nutzen können. Die Amortisationszeit ist ebenfalls sehr kurz, in der Regel innerhalb von nur drei Jahren. Besonders wertvoll macht dieses Verfahren, dass es schädliche Krankheitserreger und lästige flüchtige organische Verbindungen eliminiert. Das bedeutet, dass das Endprodukt alle Anforderungen der EPA für Bioabfälle der Klasse A erfüllt, was für jede Anlage wichtig ist, die die Umweltvorschriften einhalten möchte.

Rückgewinnung von Nährstoffen und Energie aus Abwasserströmen

Moderne Technik kann etwa 80 bis 90 Prozent des Phosphors und Stickstoffs aus Klärschlamm zurückgewinnen, der anschließend zur Herstellung von Düngemitteln verwendet wird. Dies trägt dazu bei, das weltweite Problem knapper Mineralien zu lösen. Kläranlagen decken etwa ein Drittel bis die Hälfte ihres Energiebedarfs durch Methan, das in den großen Faulbehältern entsteht, und speisen manchmal sogar überschüssigen Strom ins Netz zurück. Einige neuere Pyrolyse-Systeme beginnen, Schlamm-Lipide in Biodiesel umzuwandeln, mit einer Ausbeute von etwa 120 bis maximal 150 Litern pro Tonne verarbeitetem Material. Diese Innovationen reduzieren erheblich unsere Abhängigkeit von herkömmlichen fossilen Brennstoffen für die Energieerzeugung.

Abwasserbehandlung und Kreislaufwirtschaft: Schließung der Ressourcenschleife

Die neueste, IoT-fähige Bioleaching-Technologie sorgt bei der Metallrückgewinnung für Furore und gewinnt Kupfer, Zink und jene schwer fassbaren Seltenen Erden etwa 40 % schneller als herkömmliche Methoden. Städte, die ernsthaft auf Kreislaufwirtschaftsgrundsätze setzen, finden immer bessere Wege, nahezu ihr gesamtes aufbereitetes Wasser erneut zu nutzen. Etwa 98 % werden wiederverwendet, beispielsweise zur Bewässerung von Parks oder zur Kühlung industrieller Anlagen. Hinzu kommt das aus Klärschlamm gewonnene Cellulose, das auf dem wachsenden Markt für biologisch abbaubare Verpackungsmaterialien zunehmend an Wert gewinnt. Nach unserer Beurteilung erfüllen diese Ansätze mehrere Kriterien des Aktionsplans für die Kreislaufwirtschaft der EU. Die CO₂-Bilanz über den gesamten Lebenszyklus liegt dabei rund 18 bis maximal 22 Prozent niedriger im Vergleich zur einfachen Entsorgung nach einmaliger Nutzung.

Effektive Methoden zur Abwasserbehandlung von Abwasser

Auswahl der richtigen Abwasserbehandlungsmethode

Abstimmung der Behandlungsverfahren auf Abwassertyp und Schadstoffprofil

Gute Ergebnisse bei der Abwasserbehandlung zu erzielen, beginnt damit, welche Chemikalien vorhanden sind und wie hoch die tatsächliche Verschmutzung ist. Bei industriellen Abfällen mit Schwermetallen oder Rückständen von Arzneimitteln eignen sich spezielle Verfahren wie die fortgeschrittene Oxidation oder der Ionenaustausch am besten. Für übliches städtisches Abwasser, das reich an organischen Stoffen ist, sind biologische Verfahren in der Regel die bessere Wahl. Das Belebtschlammverfahren bleibt für diese Art von Material weiterhin verbreitet. Laut jüngsten Erkenntnissen aus dem im vergangenen Jahr veröffentlichten Water Reuse Report können maßgeschneiderte Behandlungssysteme, die auf bestimmte Schadstoffe abzielen, die Effizienz um etwa 30 % im Vergleich zu universellen Ansätzen steigern. Das ist sinnvoll, da verschiedene Abfallarten unterschiedliche Behandlungsmethoden erfordern, um ordnungsgemäß bearbeitet zu werden.

Einhaltung gesetzlicher Vorschriften und Anforderungen für die jeweilige Endanwendung

Kläranlagen müssen bestimmte Grenzwerte für Parameter wie BSB-Gehalt, Stickstoffgehalt und Keimzahlen einhalten, die von Aufsichtsbehörden wie der EPA und der Weltgesundheitsorganisation vorgegeben werden. UV-Desinfektion ist beispielsweise wirksam gegen Mikroben, wenn das Wasser zur Bewässerung wiederverwendet werden soll. Andererseits helfen Membranbioreaktor-Systeme Anlagen, die strengen Anforderungen gerecht zu werden, wenn aufbereitetes Wasser in städtische Abwasserkanäle oder Gewässer eingeleitet wird. Viele größere Kläranlagen, die Abwässer aus Gemeinden mit mehr als 10.000 Einwohnern behandeln, installieren laut aktueller Empfehlungen der Gesundheitsbehörden aus dem Jahr 2023 mittlerweile Echtzeit-Monitoring-Ausrüstung, um stets im Einklang mit ihren Genehmigungen und Vorschriften zu bleiben.

Gemeindeeigene vs. industrielle Systeme und dezentrale Vor-Ort-Lösungen

• Gemeindeeigene Anlagen legen Wert auf Skalierbarkeit und integrieren oft tertiäre Stufen wie Sandfiltration
• Industriesysteme konzentrieren sich auf branchenspezifische Herausforderungen (z. B. Öl-Wasser-Abscheider in Raffinerien)
• Dezentrale Lösungen wie verpackte MBR-Anlagen oder angelegte Feuchtgebiete, die abgelegene Gemeinden versorgen und die Infrastrukturkosten um bis zu 45 % senken (Global Water Intelligence 2024)

Neue Entwicklungen bei der Wasserwiederverwendung und nachhaltigen Behandlungsanlagenplanung

Die neuesten Entwicklungen im Bereich KI zur Prozessoptimierung und Nährstoffrückgewinnung verändern die Abwasserbehandlung grundlegend. Mehr als 40 Prozent der neu errichteten Kläranlagen gewinnen heutzutage durch anaerobe Vergärungsprozesse Biogas. Gleichzeitig hat sich die Zahl jener hochmodernen Projekte zur direkten Trinkwiederverwendung, die auf Umkehrosmose sowie UV- und fortschrittliche Oxidationsverfahren setzen, nahezu verdoppelt im Vergleich zum Jahr 2022. Es tauchen auch einige interessante hybride Ansätze auf, bei denen traditionelle Algenbecken mit intelligenten, automatisierten Schlammmanagementsystemen kombiniert werden. Diese Anlagen zeigen eindrucksvoll, wie die Anwendung von Kreislaufwirtschaftskonzepten die Betriebskosten erheblich senken kann, und zwar um jährlich etwa 18 bis 22 Prozent, wie aus jüngsten Branchenberichten hervorgeht.