Die Meere entlasten

21.05.2014 - Aus Schweizer Kläranlagen fliesst immer weniger Stickstoff in die Gewässer - dank ausgebauter Technik. In der Anlage Kloten/Opfikon im Kanton Zürich gehen Pioniere noch einen Schritt weiter: Sie gewinnen den Stickstoff zurück, damit er als Dünger wiederverwendet werden kann.

Anlage für die Rückgewinnung von Stickstoff.
Anlage für die Rückgewinnung von Stickstoff.
© ARA Kloten/Opfikon

Text: Beatrix Mühlethaler

Aus den Haushalten gelangen grosse Mengen an Nährstoffen in die Abwasserreinigungsanlagen (ARAs). Der aus dem Reinigungsprozess hervorgehende Klärschlamm ist vor allem reich an Phosphor und Stickstoff. Weil er aber auch viele Schadstoffe enthält, verbietet das Bundesrecht seit 2006 seine Nutzung als Dünger. Die Kläranlage Kloten/Opfikon (ZH) liefert seit 2010 erstmals in der Schweiz wieder einen verwendbaren Dünger aus der Stickstoffkomponente. Wer sich an die braune, nicht gerade wohlriechende Brühe erinnert, die früher auf die Äcker ausgebracht wurde, staunt über die klare Flüssigkeit, welche die ARA produziert.

Der neue Flüssigdünger wird nicht in den Klärbecken gewonnen, sondern aus dem Wasser, das bei der Trocknung des Faulschlamms anfällt. Die Flüssigkeit durchläuft einen mehrstufigen Prozess, bei dem das stickstoffhaltige Ammoniak als Gas ausgeblasen und mit Schwefelsäure gebunden wird. Jährlich resultieren daraus 240 t schwefelhaltigen Stickstoffdüngers. Dieser sei bei den Bauern zur Düngung von Getreidekulturen sehr begehrt, sagt ARA-Leiter Michael Kasper. Er freut sich darüber, dass sich damit der Stickstoffkreislauf zumindest teilweise wieder schliessen lässt.

Kleine Helfer

Die Rückgewinnung von Stickstoff bringt über den Düngerverkauf zwar Einnahmen, führt aber dennoch zu Mehrkosten. Eine sinnvolle Investition ist sie vor allem in grossen ARAs. Das Hauptaugenmerk gilt indes nach wie vor einer guten Reinigungsleistung, damit keine schädlichen Stickstoffverbindungen in die Gewässer gelangen und die Fracht an Gesamtstickstoff sinkt. Zentral sind in jeder Kläranlage die Um- und Abbauprozesse in den sogenannten Belebtschlammbecken, in denen Bakterien die biologische Reinigung des Abwassers übernehmen. Bei der Nitrifikation, die unter Sauerstoffzufuhr abläuft, werden bestimmte Stickstoffverbindungen, die für Fische schon in kleinen Mengen giftig sind, zu Nitrat umgebaut.

Das Nitrat, das bei der Nitrifikation als Abbauprodukt im Wasser bleibt, ist für die Wasserorganismen unschädlich. Es muss aber dennoch in Grenzen gehalten werden, weil die Oberflächengewässer mit den Grundwasserkörpern in Verbindung stehen und der Stoff dort unerwünscht ist. In Grundwasser, das als Trinkwasser genutzt wird oder dafür vorgesehen ist, darf gemäss Gewässerschutzverordnung die Nitratkonzentration 25 mg pro Liter nicht überschreiten . Viele ARAs verfügen deshalb über eine Denitrifikationsstufe, bei der ein Teil des Nitrats abgebaut wird, und zwar zu reinem und unproblematischem Luftstickstoff.

Überdüngte Meere

Dennoch verlassen nach wie vor grosse Mengen Stickstoff aus den ARAs und der Landwirtschaft die Schweiz in Richtung Meer - über den Rhein in die Nordsee, über den Ticino in die Adria und über die Rhone in das Mittelmeer. Dort führen sie zur Überdüngung der marinen Ökosysteme und zu übermässigem Algenwuchs. Manche Algen produzieren starke Gifte. Zudem wird beim Abbau der Algenteppiche auf dem Meeresboden der Sauerstoff knapp. Beides hat verheerende Folgen für die Flora und Fauna. Deshalb legten internationale Konferenzen zum Schutz der Nordsee in den 1980er- und 1990er-Jahren für die Zufuhr von Nährstoffen Reduktionsziele fest. Sowohl für die Abwasserreinigung als auch für die landwirtschaftliche Praxis wurden Massnahmen formuliert.

In der Folge stellte der Bund in der Gewässerschutzverordnung erhöhte Anforderungen an ARAs, die im Rheineinzugsgebiet liegen. Für Investitionen, welche die betroffenen Kläranlagen deswegen tätigen mussten, leistete der Bund Beiträge. Das Programm war erfolgreich: Die Abwasserreiniger im Einzugsgebiet des Rheins leiten heute 2600 t weniger Stickstoff in die Gewässer als noch 1995. Während die ARAs im schweizerischen Durchschnitt gemäss Modellrechnungen der Eidgenössische Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserreinigung und Gewässerschutz (Eawag) 44 % des Stickstoffs zurückhalten, sind es im Rheineinzugsgebiet 52 %.

Technische Lösungen

Inzwischen sind Reinigungstechniken verfügbar, die 70 % und mehr Stickstoff eliminieren können. Würden alle grösseren ARAs dieses technische Potenzial ausschöpfen, liesse sich die Stickstofflast nochmals stark verringern. Die Eawag hat die Zahlen in einer Studie ermittelt: Von 41‘000 t Stickstoff, die in die Kläranlagen fliessen, werden zurzeit 18‘000 t eliminiert. Zusätzliche 6600 t liessen sich zurückhalten, wenn 160 weitere grössere Anlagen in modernste Technik investieren und die Prozessführung optimieren würden.

Das grösste Potenzial liegt also in einer effizienten Denitrifikation. Dabei läuft die biologische Reinigung in einem geschlossenen Behälter ab. Die Sauerstoffzufuhr wird so gesteuert, dass sowohl Nitrifikation wie Denitrifikation regelmässig abwechselnd im gleichen Reaktorbecken erfolgen können. Grundlage für eine exakte Prozesssteuerung sind Sensoren, die kontinuierlich Messdaten zum Stand des Reinigungsprozesses liefern. Sobald eine Abwasserfüllung gereinigt und abgelassen sowie der Überschussschlamm entfernt ist, wird der Behälter neu gefüllt. Dieses Verfahren lässt sich auch in bestehenden Becken realisieren.

Die Eawag empfiehlt zudem, in weiteren grossen ARAs eine Faulwasserbehandlung einzuführen. Damit könnten zusätzlich 15 % Stickstoff zurückbehalten werden. Erreichen lässt sich dies mit einem konventionellen biologischen Prozess, bei dem harmloser Luftstickstoff entsteht. Die ARAs können aber auch dem Pionier Kloten/Opfikon folgen und aus dem Abfallprodukt Stickstoff wertvollen Dünger erzeugen.

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Letzte Änderung 21.05.2014

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