Wie funktionieren Kleinkläranlagen? Welche Systeme gibt es?

1. Wie reinigen Kleinkläranlagen das Abwasser?

Dieser Prozess ähnelt dem der kommunalen Kläranlagen, wo Mikroorganismen organische Abfallstoffe in harmlose Substanzen umwandeln. Folgende drei Schritte sind dabei die Grundlage:

1. Die Vorklärung oder mechanische Reinigung: Der erste Schritt in einer Kleinkläranlage ist die mechanische Reinigung im Absetzbecken. Hier trennen sich Feststoffe und Fette vom Abwasser. Feststoffe sinken zu Boden, während Fette aufsteigen. Das so vorgeklärte Wasser fließt dann zur nächsten Reinigungsstufe.
2. Biologische Reinigung: Das Herzstück der Anlage, wo Bakterien die Hauptarbeit leisten. Sie zersetzen und reinigen das Abwasser, ähnlich wie es in natürlichen Gewässern oder im Boden geschieht. Verschiedene Verfahren halten die Bakterien aktiv und bieten ein Umfeld, in dem sie sich gut vermehren können.
3. Die Nachklärung: Im letzten Schritt werden die Bakterien aus dem Wasser entfernt, um die Umwelt nicht zu belasten und den Bakterienbestand in der Anlage zu erhalten.

Wir haben für Sie ein Video zusammengestellt, das Ihnen die Funktionsweise einer Kleinkläranlage erklärt. Im Anschluss stellen wir Ihnen die einzelnen Schritte noch genauer vor:

1.1. Erster Schritt: Die Vorklärung bzw. mechanische Reinigung

Die mechanische Reinigung in der ersten Kammer einer Kleinkläranlage dient der Entfernung von Grobstoffen. Hierbei setzen sich Feststoffe aufgrund ihres Gewichts ab und bilden Fäkalschlamm, der regelmäßig entsorgt werden muss, spätestens wenn er 50 % der Wassertiefe erreicht. Das verbleibende Wasser, befreit von Grobstoffen, fließt durch Übertritte oder mittels Pumpen zur nächsten Reinigungsstufe.

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1.2. Zweiter Schritt: Die biologische Abwasserbehandlung

Die zweite Stufe der Abwasserreinigung wird durch Bakterien erreicht, welche das Abwasser in ungefährlichere Bestandteile zerlegen. Die Bakterien ernähren sich von den organischen Inhaltsstoffen des Abwassers in der Kläranlage (zum Beispiel Essensreste, Körperausscheidungen oder Schmutzstoffe aus der Wäsche) und vermehren sich dadurch. Man erreicht also eine Win-Win-Situation: Die Bakterien finden gute Lebensbedingungen vor und verrichten für die Menschen eine wichtige Arbeit.

Damit die Mikroorganismen ihre Arbeit tun können, benötigen sie Sauerstoff, welcher durch direktes Einblasen der Luft in das Abwasser oder durch große Oberflächen, die mit der Luft in Kontakt sind zur Verfügung gestellt wird. Ein Beispiel hierfür ist der Tropfkörper, bei dem das Wasser über Lavasteine rieselt und sich dabei mit Sauerstoff anreichert.

Die Arbeit der Mikroorganismen funktioniert wiederum nach verschiedenen Prinzipien:

• Der Kohlenstoffabbau: Die Bakterien verarbeiten zur eigenen Energiegewinnung Kohlenstoff (zum Beispiel aus den Nahrungsresten) zu Kohlendioxid und Wasser. Ähnlich arbeitet auch unser Körper: Er „verbrennt“ Kohlenstoff aus der Nahrung in den Muskeln, gewinnt dabei Energie und scheidet als „Abfallprodukt“ mit der Atmung Kohlendioxid aus. Nach dem gleichen Prinzip gehen auch die Bakterien in der Kleinkläranlage vor. Dieser Prozess wird in der Klärtechnik Kohlenstoffabbau genannt. Kleinkläranlagen, die für Kohlenstoffabbau geeignet sind, haben die Abwassertechnik-Reinigungsklasse C.
• Nitrifikation:  Ammoniumverbindungen werden in Ammonium und dann in Nitrat umgewandelt, um die Gewässerbelastung zu reduzieren. Anlagen für Nitrifikation haben die Klasse N.
• Denitrifikation: Nach der Nitrifikation kann mit der Denitrifikation ein zusätzlicher Reinigungsschritt erfolgen. Auch er findet in der biologischen Abwasserreinigung durch spezielle Mikroorganismen statt. Bei der Denitrifikation werden Nitrate zu molekularem Stickstoff umgebaut. Das verbessert die Qualität des gereinigten Wassers noch einmal deutlich und verhindert eine gefährliche Überdüngung der Gewässer. Kleinkläranlagen, die für Denitrifikation geeignet sind, haben die Reinigungsklasse D.

Würde man auf diese Schritte verzichten, so müssten natürliche Gewässer diese Aufgabe übernehmen. Das Problem dabei:

1. Die Gewässer benötigen für die Verarbeitung der Stoffe ebenfalls Sauerstoff.
2. Dieser wird also dem Wasser entzogen und die Wasserqualität wird schlechter.
3. Darunter leiden die Tiere in den Gewässern, die ja auch Sauerstoff zum Leben benötigen.

Deshalb baut man möglichst viele Ammoniumverbindungen schon in der Kläranlage ab, um die Gewässer nicht unnötig zu belasten. Dieser Prozess wird in der Klärtechnik Nitrifikation genannt.

1.2.1. Wo befinden sich die Bakterien in der Kleinkläranlage?

Die Bakterien existieren entweder frei schwebend oder als Biofilm auf Oberflächen. Systeme variieren zwischen Belebtschlammverfahren (schwebende Bakterien) und Biofilmverfahren (Tropfkörper- oder Festbett-Systeme).

1.3. Dritter Schritt: Die Nachklärung

In der Nachklärungsphase einer Kleinkläranlage werden die Bakterien, wie Belebtschlamm und Biofilm, separiert, um sie vom gereinigten Abwasser zu trennen und ihre Rückführung in den Reinigungsprozess zu ermöglichen. Dies verhindert, dass sie in großer Menge in Gewässer oder das Grundwasser gelangen.

Der Prozess erfolgt durch Absinken der Biomasse auf den Grund der Nachklärkammer. Der abgesetzte Schlamm wird meist in die Vorklärung zurückgeführt, wo die Bakterien erneut zur Abwasserreinigung beitragen. Das gereinigte Wasser wird dann von der Oberfläche abgeleitet oder abgepumpt.

Zusätzliche Reinigungsschritte: Abhängig von lokalen Vorschriften und Umweltbedingungen variieren die erforderlichen Reinigungsklassen zwischen C (Kohlenstoffabbau), N (Kohlenstoffabbau und Nitrifikation) und D (Kohlenstoffabbau, Nitrifikation und Denitrifikation).

Meist reicht Klasse C aus, aber in schutzbedürftigen Gebieten können zusätzliche Schritte wie Phosphateliminierung oder weiterführende Hygienisierung erforderlich sein.

1.4. Zusätzliche Phosphateliminierung in Kleinkläranlagen

Phosphor, oft aus Waschmitteln stammend, kann Gewässer überdüngen und deren Ökosysteme schädigen. Um dies zu verhindern, ist in Kleinkläranlagen eine Phosphateliminierung möglich. Dies geschieht entweder durch chemische Fällmittel, die Phosphate binden, oder durch Mikroorganismen, die Phosphate unter wechselnden Sauerstoffbedingungen aufnehmen und abgeben. Anlagen mit dieser Funktion sind mit „+P“ markiert. Nutzer von Kleinkläranlagen sollten den Einsatz phosphathaltiger Produkte wie bestimmte Waschmittel und Badezusätze begrenzen (Weitere Infos auch unter: https://www.db-thueringen.de/servlets/MCRFileNodeServlet/dbt_derivate_00039095/pubdownload1044.pdf).

Kleinkläranlagen mit zusätzlicher Phosphateliminierung sind in der Reinigungsklasse mit „+P“ gekennzeichnet.

Generell wird empfohlen, bei der Nutzung von Kleinkläranlagen auf ein Übermaß an bestimmten Stoffen zu verzichten. Dazu gehören zum Beispiel Weichspüler oder auch intensive Badezusätze. Mehr Tipps zum Betrieb Ihrer Kleinkläranlage finden Sie hier.

1.5. Zusätzliche Hygienisierung in Kleinkläranlagen

Hygienisierung (siehe auch dieser Link) reduziert verbleibende Mikroorganismen im Abwasser, typischerweise mittels UV-Anlagen oder speziellen Filtern. Diese Technik wird in Anlagen der Klasse „+H“ angewandt. Bei der Auswahl einer höheren Reinigungsklasse als behördlich gefordert, sollten Nutzer beachten, dass dies strengere Wartungs- und Analyseanforderungen nach sich ziehen kann. Es ist ratsam, Anträge entsprechend der behördlichen Vorgaben zu stellen, um unnötige Mehrkosten und Aufwand zu vermeiden.

Welche Reinigungsklasse bei Ihnen gefordert wird, kann Ihnen die zuständige Behörde sagen. Falls Sie freiwillig eine Kleinkläranlage kaufen möchten, die eine höhere Klasse als gefordert erfüllt, sollten Sie Folgendes beachten: Stellen Sie den Antrag nur für die geforderte Reinigungsklasse! Sonst müssen Sie die Anforderungen der höheren Reinigungsklasse komplett einhalten. Das kann bedeuten, dass Sie Ihre Kläranlage dreimal jährlich warten lassen müssen und dabei zusätzliche Analysen nötig werden. Wenn das ohne zwingenden Grund passiert, ist es sehr ärgerlich.

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2. Welche unterschiedlichen Systeme von Kleinkläranlagen gibt es?

Jetzt kommen wir zu der Frage, welches Klärsystem wohl am besten zu Ihrem Grundstück passt. Man kann hierfür zwischen drei Systemgruppen und den hierzu gehörenden Klärsystemen unterscheiden:

1. Belebtschlammverfahren
2. Biofilmverfahren
3. naturnahe Systeme.

Hierbei gibt es jeweils mehrere Klärsysteme:

Im Gegensatz zu den naturnahen Systemen wird beim Belebtschlammverfahren und beim Biofilmverfahren zusätzlich Luft ins Wasser gepumpt. Man spricht auch von technischen Verfahren im Vergleich zu den naturnahen Systemen.

Und so funktionieren die einzelnen Systemgruppen:

2.1. Was ist das Belebtschlammverfahren?

Beim Belebtschlammverfahren wird Abwasser durch das Einbringen von Luftblasen mit Sauerstoff angereichert. Dies fördert das Bakterienwachstum für eine effektive Abwasserreinigung. Typische Belebtschlammverfahren in Kleinkläranlagen umfassen:

• SBR (Sequencing Batch Reactor)
• MBR (Membranbelebungsanlagen)
• Durchflussverfahren
• CBR (Continuous-Batch-Reactor)
• STBR (Short-Time-Batch-Reactor)

Für Details zu jedem Verfahren, besuchen Sie die entsprechenden Informationsseiten.

2.2. Wie funktionieren Kleinkläranlagen mit Biofilmverfahren?

Auch bei den Kläranlagen mit Biofilmverfahren wird Luft ins Abwasser eingebracht, um den Bakterien optimale Lebensbedingungen zu ermöglichen. Im Gegensatz zum Belebtschlammverfahren werden hier aber die Bakterien auf bestimmten Flächen gezüchtet. Beispielsweise schwimmende Plastikgitter in runder oder länglicher Form oder fest installierte Kunststoffgitter oder Röhren in der Reaktionskammer. Auf deren Oberfläche können sich die Bakterien gut ansiedeln, vermehren und bilden den sogenannten Biofilm (eine schleimige Schicht). Meist wird von unten Luft eingetragen, sodass die Bakterienzucht und Abwasserreinigung angeregt wird.

Zu den Biofilmverfahren gehören:

• Getauchtes Festbett
• Freibewegliche Aufwuchskörper (z.B. Wirbelschwebebett)
• Rotationstauchkörper (Scheibentauchkörper, Walzentauchkörper)
• Bodenfilteranlagen
• Belüftete Biofilteranlagen 
• Tropfkörper

2.2.1. Stromverbrauch belüfteter Kleinkläranlagen

Immer wieder wird über den Stromverbrauch von Kleinkläranlagen gesprochen. Hin und wieder hört man Aussagen wie: „Nur x Euro Stromkosten für eine 4 EW-Anlage“. Kann man sich darauf verlassen? Wie realistisch sind solche Angaben?

Wir erklären Ihnen kurz die Zusammenhänge zwischen Reinigungsleistung, Sauerstoffbedarf, Luftmenge und Stromverbrauch.

Sauerstoffbedarf: Die Abwasserreinigung in Kleinkläranlagen erfolgt aerob, das heißt unter Verwendung von Sauerstoff. Vereinfacht gesagt: Die Mikroorganismen, die das Wasser reinigen, brauchen Sauerstoff zum Atmen. Je besser sie sich vermehren und das Wasser reinigen, umso mehr Sauerstoff brauchen sie. Genaue Angaben über den Sauerstoffbedarf sind in der Fachliteratur zu finden.

Sauerstoffeintrag: Bei Anlagen, die mit Druckluft betrieben werden, ist die Berechnung des Sauerstoffeintrages relativ einfach. Der Sauerstoffeintrag ist linear abhängig von der Luftmenge und vom Weg der Luftblasen (= Einblastiefe). Wie viel Sauerstoff pro m³ Luft und pro Meter Einblastiefe ins Wasser eingetragen wird, ist nur noch vom Membranrohrbelüfter beziehungsweise vom Tellerbelüfter abhängig. Die Belüfterhersteller nennen hierfür eine Kenngröße. Bei feinblasiger Belüftung im häuslichen Abwasser liegt dieser Wert bei 14 g Sauerstoff pro m³ Luft und Meter Einblastiefe. (Die Unterschiede zwischen den Herstellern sind nur sehr gering.)

Bei Anlagen, die mit Tauch- oder Strahlbelüftern Sauerstoff eintragen, ist eine theoretische Berechnung nicht möglich. Hier sind Versuchsreihen erforderlich. Dadurch ist eine einfache Kontrolle der Herstellerangaben nicht möglich, es bleibt nur das Vertrauen.

Luftleistung eines Verdichters: Luftverdichter haben eine Leistungskurve, auf der der Volumenstrom (in m³/h) in Abhängigkeit vom Gegendruck (in mbar) angegeben ist. Der Gegendruck setzt sich zusammen aus:

• dem Wasserdruck (Einblastiefe): 1 mbar pro cm
• dem Öffnungsdruck der Membranen (geringfügig vom Hersteller abhängig, in der Regel ca. 20 bis 30 mbar)
• der Alterung der Membranen durch Ausspülen des Weichmachers während der ersten Betriebsjahre (ebenfalls geringfügig vom Hersteller abhängig, in der Regel ca. 25 bis 50 mbar)
• dem Druckverlust in Verrohrung und Schlauch (je nach Schlauchlänge und Durchmesser 20 bis 50 mbar)

Beispielrechnung: 

Ein Hersteller einer SBR-Kleinkläranlage mit Drucklufthebern wirbt mit Stromkosten von unter 20 € im Jahr für eine 4 EW-Anlage der Klasse C. Ist das möglich?
• Als Verdichter wird ein Nitto LA 45 B (Leistungsaufnahme 45 W) eingesetzt.
• Die tägliche Laufzeit des Verdichters beträgt 6,5 Stunden.
• Aufs Jahr gerechnet bedeutet das: 0,045 x 6,5 x 365 = 107 kWh. Bei 18 Cent pro kWh wären das tatsächlich weniger als 20 € pro Jahr.
• Im Reaktor beträgt die Wassertiefe 1,35 m.

Was bringt der Verdichter?

Die Einblastiefe kann mit 1,25 m (Wassertiefe minus 10 cm) angenommen werden. Der Gegendruck beträgt dann unter optimistischen Bedingungen 125 + 20 + 25 + 20 = 190 mbar.
Bei diesem Gegendruck bringt der Verdichter laut Kurve 30 l/min = 1,8 m³/h.

Wie viel Sauerstoff wird eingetragen?

Bei dieser beispielhaften Anlage wird der Verdichter auch für den Betrieb der Druckluftheber benutzt, sodass von den 6,5 Stunden Laufzeit am Tag maximal 6 Stunden für die reine Belüftung übrig bleiben. Der tägliche Sauerstoffeintrag beträgt:
Eintragskoeffizient des Belüfters (14 x Volumenstrom (1,8)) x tägliche Laufzeit (6) x Einblastiefe (1,25) = 189 g Sauerstoff pro Tag.

Wie viel Sauerstoff ist notwendig?

Da die Anlage über eine Vorklärung verfügt, wird die Eingangsfracht von 60 auf 40 g BSB5 (biologischer Sauerstoffbedarf, eine Einheit für die Verschmutzung des Wassers) pro Tag und Einwohnerwert reduziert. Das heißt, im Reaktor werden täglich 4 x 40 = 160 g BSB5 veratmet. Allerdings sind nur für den Kohlenstoffabbau 1,6 x 160 = 256 g O2 notwendig, deutlich mehr als der eingetragene Sauerstoff!

Schlussfolgerung/Fazit:

Der Sauerstoffeintrag in dieser Beispielrechnung ist nicht ausreichend, um die Schmutzfracht zu verarbeiten. Der Abbau wird nur unvollständig ablaufen können. Der Betreiber spart zwar Stromkosten, die Anlage erreicht aber bei voller Auslastung nicht die geforderten Ablaufwerte!

Alle Hersteller „kochen mit Wasser“. Bakterien können nicht unterscheiden, ob sie in einer Kleinkläranlage der Firma X oder Y arbeiten. Der Bedarf an Sauerstoff ist alleine von der Schmutzmenge abhängig, die sie verarbeiten müssen. Wird mit sehr niedrigen Stromkosten geworben, ist entweder die Aussage falsch (zum Beispiel weil zu optimistisch gerechnet wurde) oder der Sauerstoffeintrag ist zu gering und die Anlage wird die geforderten Ablaufwerte nicht einhalten können.

Zu sehr an den Stromkosten sparen zu wollen (zum Beispiel durch sehr kleine Verdichter oder durch kürzere Belüftungszeiten), verringert die Sicherheit hinsichtlich kurzfristiger Überlastungen der Anlage.

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2.3. Pflanzenkläranlagen als naturnahe Anlagen

Neben den technischen Kleinkläranlagen gibt es noch eine weitere Möglichkeit: die „natürlichen“ Systeme. Sie kommen ohne technische Bauteile aus. Bei diesen Pflanzenkläranlagen wird, wie der Name schon sagt, das Abwasser in großen Beeten durch geeignete Pflanzen gereinigt.

Bei naturnahen Anlagen leitet man das Abwasser in Teiche ein, die mit ausgewählten Sumpfpflanzen bestückt sind. Dort, wo die Pflanzen stehen (der Bereich wird Bodenkörper oder Wasserkörper genannt) wird dann das Abwasser hindurchgeleitet. Im Boden und im Wurzelbereich der Pflanzen sind Mikroorganismen beheimatet, die die Stoffe „fressen“ oder binden.

Genauere Erklärungen und jede Menge Tipps für die Planung von Pflanzenkläranlagen finden Sie hier.

Naturnahe Kleinkläranlagen finden Sie auch unter folgenden Bezeichnungen:

• Pflanzenbeet
• Schilfbeet
• Schilfkläranlage
• bepflanzter Bodenfilter

2.4. Zusätzlich: UV-Hygienisierung für Kleinkläranlagen

Bereits seit Jahrzehnten setzt man in der Wasseraufbereitung UV-Licht zur Desinfektion von Trinkwasser ein. Diese Technik wird auch für Abwasser verwendet und kann bei ganz unterschiedlichen Kleinkläranlagen zusätzlich eingesetzt werden. Technisch ist das Verfahren simpel: Das biologisch geklärte Abwasser wird mit UV-Licht (Wellenlänge 253 Nanometer) bestrahlt.

Die DNA der Mikroorganismen wird dadurch manipuliert und die Zellteilung verhindert. In der Folge können sich schädliche Keime nicht mehr vermehren und das Wasser wird keimfrei beziehungsweise sehr keimarm.

Die UV-Technik hat einige Vorteile:

• Die UV-Lampe hat eine recht lange Lebensdauer und ist kostengünstig.
• Es gibt keine mechanisch beanspruchten Baugruppen, sodass kaum oder keine Wartung nötig ist.
• Selbst ein Ausfall ist unbedenklich: Eine defekte UV-Lampe hat keinen Einfluss auf die biologische Klärstufe, die Kläranlage funktioniert also weiterhin problemlos. Das Wasser wird „nur“ nicht mehr hygienisiert.
• Da das UV-System nicht Bestandteil der biologischen Reinigungsstufe ist, sondern nachgeschaltet wird, ist die Nachrüstung simpel.

Trotzdem wollen wir natürlich auch die Nachteile nicht unerwähnt lassen:

• Bei trübem Abwasser kann es zu Problemen kommen. Schließlich muss das UV-Licht das Wasser durchdringen können, um seine Wirkung zu entfalten. Die Trübung des Wassers darf also nicht zu hoch sein.
• Das Wasser wird durch die Hygienisierung zwar keimfrei, aber kleine Schmutzpartikel werden nicht herausgefiltert. Das ist nur mit Mikro- bzw. Ultrafiltrationsanlagen möglich. Für die meisten Anwendungen (zum Beispiel zur Gartenbewässerung) stellt das jedoch kein Problem dar.

Fazit: Die UV-Hygienisierung ist durchaus für bestimmte Kleinklärsysteme interessant. Solche Systeme werden mit der Zulassungsstufe „+H“ (plus Hygienisierung) gekennzeichnet.

2.5. Resümee:

Sie haben nun einen Überblick über die Systemgruppen und Klärsysteme. Für welches System Sie sich entscheiden hängt von folgenden Faktoren ab:

• Platzbedarf & Grundstücksgröße
• Verzicht oder Nutzung technischer Bauteile
• Stromkosten
• gewünschter oder unerwünschter Bedarf an Pflege (speziell bei Pflanzenbeeten)
• Kosten des Systems
• Verwendung oder Nicht-Verwendung vorhandener Klärbehälter (Nachrüstung)

Wir empfehlen Ihnen, sich Systeme, welche Sie interessieren noch genauer anzusehen und Vor- und Nachteile für sich abzuwägen. Hier noch ein paar Links zu wichtigen weiterführenden Artikeln bezüglich der Systeme:

• Klärbehälter & Versickerung
• Festbett-, Wirbelbettanlagen
• SBR-Anlagen
• CBR-Anlagen
• Pflanzenkläranlagen