Biologische Reinigungsstufe

Das Abwasser, das in der mechanischen Reinigungsstufe von Grobstoffen und Sand befreit wurde, enthält noch weitere Schmutz- und Schadstoffe im Wesentlichen in gelöster Form. Diese Stoffe werden durch Mikroorganismen abgebaut. Stickstoff und Phosphor werden beispielsweise in die Zellmasse dieser Mikroorganismen eingelagert, Kohlenstoffverbindungen dienen diesen als Nahrungs- und Energielieferant. Das durch Oxidation des Ammoniums entstehende Nitrat wird in gasförmigen Stickstoff und Wasser aufgespalten. Voraussetzung für eine kontinuierliche biologische Reinigung ist eine geeignete, an die Abwassermenge und an die Lebensbedingungen der Mikroorganismen angepasste Verfahrenstechnik. Die Reinigungsvorgänge in der biologischen Stufe sind dieselben wie in natürlichen Gewässern, nur in konzentrierter Form. Mit Belebtschlamm oder Sekundärschlamm wird in diesem Zusammenhang die Summe aus Mikroorganismen und deren Stoffwechselprodukten bezeichnet. 

Der biologische Reinigungsteil der Kläranlage Grafrath ist zweistufig aufgebaut. Er besteht aus dem neu errichteten Belebungsbecken 1 mit vier gleichgroßen Kammern, die nacheinander durchflossen werden und dem nachfolgenden ringförmigen zweiten Belebungsbecken. Die Kammern 1 und 2 des Belebungsbeckens 1 werden nicht belüftet. Sie dienen zum Abbau des Nitrates (die so genannte Denitrifikation) und als erster Schritt für die biologische Phosphatelimination. Die Kammern 3 und 4 vom Belebungsbecken 1 können je nach Belastung belüftet oder unbelüftet betrieben werden, um eine optimale Reinigungsleistung zu erreichen, das Belebungsbecken 2 wird kontinuierlich belüftet. Durch die Belüftung werden die organischen Verbindungen aus dem Abwasser abgebaut und das Ammonium zu Nitrat oxidiert (die so genannte Nitrifikation).

Zur Entfernung des dabei erzeugten Nitrates auf biologischem Weg darf einerseits dem Abwasser kein Sauerstoff zugeführt werden, andererseits sind Kohlenstoffverbindungen als Nahrungsquelle für die Mirkoorganismen erforderlich. Es wird deshalb das nitrathaltige Abwasser aus dem Ablauf des Belebungsbeckens 2 in die Kammer 1 des Belebungsbecken 1 zurückgeführt (die so genannte vorgeschaltete Denitrifikation) und mit dem nährstoffreichen Abwasser aus dem Zulauf gemischt. Das Nitrat wird dabei von den Mikroorganismen veratmet und zu atomarem Stickstoff und Wasser reduziert.

Die kontinuierliche Zufuhr von Nährstoffen führt zu einer Vermehrung und zum Wachstum der Mikroorganismen. Dieser Zuwachs an Biomasse wird dem System als Überschussschlamm entzogen und den Schlammstapelbehältern zugeführt. Die Biomasse lässt sich, im Gegensatz zu den gelösten Schad- und Nährstoffen, relativ leicht vom Abwasser trennen. Diesem Zweck dient die Nachklärung, die über eine Schlammräumung verfügt. Dieses Bauwerk sorgt für die Rückführung der aus dem Belebungsbecken abfließenden Mikroorganismen und damit für einen internen Kreislauf, der für eine vollständige biologische Reinigung erforderlich ist.

Die Aufenthaltszeit des belebten Schlammes im Belebungsbecken liegt bei mehr als 20 Tagen. Dies führt zu einer Umwandlung der im Belebtschlamm enthaltenen organische Substanzen zu humusartigen und zu mineralischen Endprodukten, der so genannten aeroben Schlammstabilisierung. Das Verfahrensprinzip beruht darauf, dass man die im Klärschlamm enthaltenen Mikroorganismen unter Anwesenheit von Sauerstoff einem ständigen "Hungerzustand" aussetzt, wodurch sie gezwungen werden, nahezu alle nur irgendwie verfügbaren Reserve-, Speicher- und sonstigen verwertbaren Stoffe als Nahrung zu verarbeiten. Der Schlamm wird damit auf aerobem Wege so stabilisiert, dass es bei der anschließenden Entsorgung zu keinen weiteren Abbauprozessen und somit zu keinen Geruchsbelästigungen kommt.