Abwasseraufbereitung

Strom aus der Kläranlage

Von Katharina Lehmann · 2021

Die Reinigung von Abwasser im Klärwerk ist stromintensiv. Doch es geht auch anders – schließlich steckt das Abwasser selbst voller Energie; aus dem bei der Abwasseraufbereitung entstehenden Klärschlamm lässt sich Biogas gewinnen. Und auch die Rohstoffe gilt es zurückzugewinnen.

Klärwerk aus der Vogelperspektive
Im Klärwerk wird Abwasser zu Brauchwasser aufbereitet. Foto: iStock / AvigatorPhotographer

Kläranlagen zählen zu den größten Energieverbrauchern der Kommunen. Pro Jahr und Person kostet die Reinigung von Ab- und Brauchwasser in großen Anlagen etwa 30 Kilowattstunden Energie, in kleinen gar 60 bis 70 Kilowattstunden. Doch es geht auch anders: Zum einen könnte dank energieeffizienter Anlagen ein großer Teil dieser Energie eingespart werden. Zum anderen enthalten die organischen Abfälle im Abwasser selbst jede Menge Energie – mit der ließe sich nicht nur das Klärwerk selbst betreiben.

Hamburger Kläranlage ist energieautark

Beispiel Hamburg: Rund 150 Millionen Kubikmeter Abwasser fallen jedes Jahr in der Hansestadt an. 2017 wurden dafür im größten Klärwerk Deutschlands mit seinen beiden Standorten Köhlbrandhöft und Dradenau 83 Gigawattstunden Energie verbraucht. Zum Vergleich: Insgesamt wurden in der Hansestadt 2017 rund 422 Gigawattstunden Strom verbraucht. Rund ein Fünftel der verbrauchten Energie entfiel demnach allein auf die Klärwerke. Doch der Betreiber Hamburg Wasser bezog den benötigten Strom nicht aus dem Netz – er stellte ihn selbst her. In den Wind-, Photovoltaik- und Biogasanlagen, die bereits seit Anfang der 2000er Jahre auf dem Gelände installiert wurden, konnten 2017 rund 95 Gigawattstunden Strom erzeugt werden. Hinzukamen 112 Gigawattstunden Wärme, von denen nur 99 Gigawattstunden verbraucht wurden. 

„Wir haben hier in Hamburg die größte Kläranlage Deutschlands, die energieautark ist. Das heißt, sie produziert mehr Energie als sie verbraucht“, erklärt Ingo Hannemann, Chef von Hamburg Wasser, gegenüber dem NDR. Doch Hannemann ist noch nicht fertig: Wärmepumpen sollen in den kommenden Jahren dem Abwasser Wärme entziehen und diese direkt ins Fernwärmenetz beziehungsweise in Wärmespeicher weiterleiten. Zudem startete Hannemann im vergangenen Jahr „Gala 2”, ein Projekt, das dazu beitragen soll, den CO2-Ausstoß in der Hansestadt bis 2030 zu halbieren. In der neuen Anlage entsteht aus Faulgas, das im Klärwerk bei der Aufbereitung von Abwasser und Klärschlamm entsteht, reines Biomethan. Entsprechend aufbereitet, entspricht es dem Brennwert von Erdgas und kann ins Hamburger Gasnetz eingespeist werden. Mit dem Gas können rund 5.700 Haushalte ein Jahr lang versorgt werden. „Mit der Anlage tragen wir deutlich zu einer CO2-freien Energieversorgung bei“, erklärt Hannemann.

Organische Bestandteile im Fokus

Es sind vor allem die organischen Bestandteile wie Pflanzenreste oder Exkremente im Abwasser, die immer weiter in den Fokus der Energieoptimierer rücken. Denn die organischen Rückstände stecken voller Energie in Form von Biomasse, die es zu bergen gilt. Hochrechnungen des Bundesumweltministeriums zufolge, nähert sich das Energiepotenzial im Abwasser dem Energie-Output von zwölf Kraftwerken an. Gleichzeitig könne die bei der Klärung entstehende Wärme gewonnen und genutzt werden. Doch es ist nicht nur die Energie, auf die es die Forscher abgesehen haben. Gerade in Regionen, in denen viel Landwirtschaft betrieben wird, ist das Abwasser stark mit Stoffen wie Stickstoff und Phosphor versetzt. Diese Stoffe müssen aufwendig entfernt werden. Würden sie beim Reinigungsprozess gleichzeitig von anderen Stoffen separiert, könnten sie später als Wertstoffe in den ökonomischen Kreislauf zurückgegeben und erneut für die Düngung der Felder verwendet werden. 

Grafik: So funktioniert eine Kläranlage
Quelle: Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. DWA aus der Broschüre „Klärchen klärt auf” Abwasser, 2019

Abwasseraufbereitung: drei Stufen reichen nicht mehr

Möglich ist das durchaus – dazu braucht es aber eine vierte Reinigungsstufe. Doch die meisten Klärwerke sind heute nur für drei Reinigungsstufen ausgelegt. Im ersten Schritt werden auf mechanische Weise grobe Verunreinigungen und Feststoffe aus dem Abwasser herausgefiltert. Dazu gehören Sand, Fette und Öle, die entweder obenauf schwimmen oder sich absetzen. In der anschließenden biologischen Bereinigung zersetzen Bakterien alle organischen Stoffe. Im dritten Schritt, der chemischen Behandlung, werden dem Abwasser Stoffe zugeführt, die chemische Verunreinigungen neutralisieren, dabei aber auch Rohstoffe wie Stickstoff und Phosphor eliminieren. Doch die chemische Reinigung entfernt nicht alle unerwünschten Substanzen. Aufgrund des technologischen und medizinischen Fortschritts gelangen immer neue Stoffe ins Abwasser, die mittels der herkömmlichen Verfahren nicht herausgefiltert, zersetzt oder neutralisiert werden können. Vor allem Chemikalien und Düngemittel, Kosmetika und Waschmittel, Arzneimittel und Röntgenkontrastmittel stellen die Abwasseraufbereitung vor Herausforderungen. Allein in Deutschland gelangen jährlich etwa 300.000 Tonnen Mikroschadstoffe in die Wasserkreisläufe. Einige dieser Stoffe haben schon in sehr geringer Konzentration nachteilige Wirkungen auf unser Ökosystem und stören die Gewinnung von Trinkwasser. Solche Schadstoffe aus dem Abwasser wieder loszuwerden, ist allerdings leichter gesagt als getan: „Die bestehenden dreistufigen kommunalen Wasser- und Abwasserreinigungsanlagen sind nur teilweise in der Lage, diese Schadstoffe herauszufiltern“, erklärt Dr. Anett Werner von der Technischen Universität Dresden das Problem. „Selbst modernste Anlagen können keine vollständige Reinigung leisten.“ Hier braucht es eine vierte Reinigungsstufe, mit der sämtliche Mikroschadstoffe aus dem Abwasser entfernt werden.

Quellen:
wissenschaft.de: So funktionieren komplexe Abwassersysteme
Pharma+Food: Biologische Abwasser-Aufbereitung

Mit Aktivkohlefilter und Ozon gegen Medikamentenrückstände

Um Medikamentenrückstände und Mikroschadstoffe effektiv aus dem Abwasser zu entfernen, favorisieren Abwassertechniker des Umweltbundesamts zwei Verfahren: Entweder wird das geklärte Abwasser durch einen Aktivkohlefilter geleitet, an dessen Struktur die Medikamentenrückstände hängenbleiben. Oder dem Abwasser wird Ozon zugesetzt, das die Pharmawirkstoffe chemisch umwandelt.

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