Bestehende Behandlungssysteme

Abwasserleitung. Foto © Joe Miller
Die Entsorgung von Sanitärabfällen ist seit den frühesten Siedlungen ein Problem. In der Vergangenheit wurden Abwässer und Haushaltsabwässer in die nächstgelegenen Wasserstraßen eingeleitet, wobei Verdünnung und Oxidation als Behandlung genutzt wurden. Diese Idee der „Selbstreinigung“ war nicht falsch; Viele Verunreinigungen können durch natürliche Prozesse mit ausreichender Exposition, Zeit und Verdünnung entfernt werden. Das Bevölkerungswachstum und die zunehmenden Schadstoffe im Abwasser haben diesen Ansatz jedoch unzureichend gemacht. Die Entdeckung von durch Abwasser übertragenen Krankheiten führte zu einer Entwicklung der sanitären Einrichtungen mit dem Ziel, Abwasser vom Trinkwasser zu trennen, um die Gesundheit der Menschen zu schützen. ref Seitdem wurden viele Behandlungssysteme entwickelt, um zu verhindern, dass Rohabwasser in die Ozeane gelangt. Nachfolgend finden Sie eine Einführung in gängige Abwasserbehandlungssysteme, die heute verwendet werden.

Wasseraufbereitungsanlage

Kläranlage in Kalifornien, USA. Foto © Michael Layefsky, Flickr

Zentrale Kläranlagen und Abwasserkanäle

Hintergrund

Dicht besiedelte Gebiete und Industriestädte sind in erster Linie auf zentralisierte Kläranlagen angewiesen, um Abwasser aufzunehmen und zu behandeln. Komplizierte Netze von unterirdischen Abwasserrohren bringen Abwasser aus Häusern und Gebäuden mithilfe von Schwerkraft und Pumpen in die Kläranlage. Diese großen Anlagen sind teuer zu bauen, zu betreiben und zu warten. Technologien und Behandlungskapazitäten von diesen Systemen werden nach anfänglichen Investitionen selten aktualisiert. Dies gilt auch für Abwasserrohre, die häufigen Undichtigkeiten und Überläufen ausgesetzt sind. Der Aufbau einer Abwasserrohrinfrastruktur ist teuer, insbesondere außerhalb dicht besiedelter städtischer Gebiete. Es besteht auch ein zunehmendes Risiko von Fehlfunktionen, die durch vermehrte Niederschläge, steigende Grundwasserspiegel und Meeresspiegel verursacht werden. Zusätzlich zu den anfänglichen Baukosten sind Upgrades dieser umfangreichen Infrastruktur kostspielig und liegen in der Regel in der Verantwortung einer Gemeinde oder einer lokalen Regierung.

Antenne der Kläranlage

Kläranlage von oben. Foto © Alex de Haas, Flickr

Großstädte erzeugen nicht nur große Abwassermengen, sondern auch Regenwasser auch. In Gebieten ohne die Absorption Aufgrund der Rückhaltung, die Böden, Wiesen, Wälder und andere natürliche Merkmale bieten, kann der Niederschlag nirgendwo hinfließen. Er fließt über undurchlässige Oberflächen und sammelt Ablagerungen und Verunreinigungen an, was zu einem verschmutzten städtischen Abfluss führt. Als Reaktion darauf bauten viele Städte kombinierte Abwasserkanäle, um Regenwasser zu sammeln und zu denselben zentralen Kläranlagen wie Abwasser zu transportieren. Dies scheint zwar effizient zu sein, erhöht jedoch die Verwundbarkeit aller Systemkomponenten. Stürme und starker Regen übersteigen häufig die Kapazität von Rohren, Vorratsbehältern und Aufbereitungssystemen, was zu großen Einleitungen von unbehandeltem Abwasser, einschließlich Rohabwasser, in Wasserstraßen führt. In den Vereinigten Staaten werden 40 Millionen Menschen von kombinierten Abwasserkanälen versorgt, die jährlich über 3 Billionen Liter unbehandeltes Abwasser und Regenwasser bei kombinierten Abwasserüberlaufereignissen (CSO) ablassen. ref

Weitere Informationen zum Abwassermanagement finden Sie im Wastewater 101-Webinar:

Behandlung

Sobald das Abwasser in einer Kläranlage ankommt, wird es vor der Einleitung mehreren Behandlungsstufen unterzogen.

  • primärDie Behandlung beginnt mit dem Sieben: Das Abwasser wird durch Siebe geleitet, um große Feststoffe zu entfernen. Das Abwasser wird dann in Absetzbecken geleitet, wo die Schwerkraft dazu beiträgt, zusätzliche suspendierte Feststoffe abzusetzen.
  • Sekundäroder biologische Behandlung zielt darauf ab, organische Stoffe vor der Desinfektion aus dem Abwasser zu entfernen. Sauerstoff und Mikroorganismen werden verwendet, um biochemische Reaktionen zu katalysieren und zu fördern, die Verunreinigungen abbauen. Dieser Prozess modelliert natürliche Systeme und wird durch Belüftung oder Einwirkung von zusätzlichem Sauerstoff effizienter. Für die Zersetzung ist Sauerstoff erforderlich, und die Belüftung hilft, gelöste Gase zu beseitigen. Diese Reaktionen regen schließlich dazu an, dass sich verbleibende Partikel absetzen. Übliche Techniken zur biologischen Behandlung umfassen Tropfkörper und Belebtschlamm, die die für Mikroorganismen verfügbare Oberfläche sowie deren Dichte erhöhen.
  • Tertiäroder chemische Behandlung wird verwendet, um das weitere Absetzen und die Nährstoffentfernung zu fördern. Zugesetzte Polymere ziehen Schadstoffe an, um Klumpen zu bilden, während Kohlenstoff- oder Kohlefilter die physikalische Adsorption katalysieren, um Nährstoffe zu reduzieren.
  • Schließlich wird das Abwasser desinfiziert, um verbleibende Krankheitserreger zu neutralisieren. Während Chlor eines der häufigsten Desinfektionsmittel ist, UV oder Ozon kann bevorzugt sein, um chemische Restkonzentrationen zu minimieren. ref

Der Abwasserfluss durch eine Kläranlage von den Ansaugrohren zum Abfluss. Quelle: öffnet sich in einem neuen FensterMallik und Arefin 2018

In den USA ist nach dem Clean Water Act (CWA) eine Primär- und Sekundärbehandlung erforderlich, und die Anzahl der Einrichtungen mit Tertiärbehandlung nimmt zu. ref Darüber hinaus werden Beschränkungen der Nährstoffkonzentrationen im Abwasser auf staatlicher und betrieblicher Ebene eingeführt, um die Nährstoffbeladung und die daraus resultierenden Auswirkungen zu berücksichtigen Eutrophierung. Behandlungskriterien sind hilfreich, reichen jedoch nicht aus, um die Meeresökosysteme vor Verschmutzung zu schützen.

Übersicht über das zentralisierte System

  • Zentralisierte Systeme erhöhen die Effizienz der Behandlung, konsolidieren die Wartungskosten und minimieren sie Verschmutzung durch nicht punktuelle Quellen
  • Zu den Mängeln zentralisierter Systeme zählen erhebliche Anfangsinvestitionen, kostspielige und technische Instandhaltung, Kapazitätsbeschränkungen, Leckageanfälligkeit, Witterungsanfälligkeit und unzureichende Nährstoffentfernung

Dezentrale Behandlungssysteme

Hintergrund

Vor-Ort-Abwasserbehandlungssysteme (OWTS) sind lokalisierte kleine Systeme zur Abwasserbehandlung, bei denen zentralisierte Systeme entweder ungeeignet sind oder nicht gebaut wurden. Hydrologie, Geologie und Geographie (sowie Finanzen, Politik und Vorschriften) können bestimmen, ob ein Abwasserkanal und ein zentrales System möglich sind oder ob Abwasserbehandlungssysteme (OWTS) vor Ort besser geeignet sind. Gebiete mit verstreuten Wohnhäusern, flachen Böden, undurchlässigem Grundgestein oder gefährdeten Grundwasserspiegeln werden häufig von OWTS bedient. Diese Systeme können für einzelne Hausbesitzer kostspielig sein, jedoch können an einigen Stellen die Installations- und Wartungskosten durch Subventionen oder lokale Anreize gesenkt werden.

Behandlung

Der Abwasserfluss durch ein herkömmliches Abwassersystem vor Ort. Quelle: EPA Office of Water 2002

Abwasserbehandlungssysteme (OWTS) vor Ort sammeln, behandeln und leiten Abwasser an dem Ort ab, an dem es erzeugt wird. Es gibt viele Arten von Behandlungssystemen vor Ort, aber die folgenden drei Arten sind weltweit weit verbreitet:

  • Senkgruben, die nur einen Eindämmungs- und Behandlungsschritt haben. Hier sammeln gegrabene oder gebaute Gruben Abwasser zur natürlichen Ablagerung und Behandlung. Senkgruben erweisen sich als unwirksam, bieten eine unzureichende Behandlung und werden an vielen Stellen auslaufen, ersetzt und sogar verboten.
  • Klärgruben enthalten typischerweise einen Vorratsbehälter für Rohabwasser und ein Verteilungsverfahren, um eine zusätzliche Behandlung für das Abwasser bereitzustellen, wenn es abgelassen wird. Tanks fangen nicht nur Abwasser auf, sondern fördern auch das Absetzen und anaerob Behandlung. Ein zusätzliches aerob Tankkammern werden immer häufiger eingesetzt, um die biologische Behandlung und Nährstoffentfernung zu verbessern, und einige Klärgruben verfügen sogar über Umwälzpumpen, um das Abwasser zwischen der aeroben und der anaeroben Umgebung zu bewegen. Die Verteilung ist entscheidend für die Verlangsamung des Abwasserflusses in die Umwelt.
  • Felder entleeren sind eine Ausbreitungstechnik, die Möglichkeiten für eine zusätzliche Behandlung des Abwassers durch Mikroorganismen in Boden, Kies oder anderen Materialien vor dem Einleiten in das Grund- oder Oberflächenwasser fördert. Das folgende Video von The Nature Conservancy Long Island bietet eine detailliertere Erklärung der Klärgruben- und Klärgrubensysteme.

Eine weitere OWTS-Option sind containergestützte Systeme, die in ähnlicher Weise Abwasser vor Ort sammeln und lagern und dann den Abfall zur Behandlung an einen anderen Ort transportieren müssen. Diese Systeme sind vorwiegend in Gebieten mit begrenzter Infrastruktur zu finden und umfassen Grubenlatrinen, die geleert werden müssen, sobald sie voll sind, und Eimertoiletten, die täglich geleert werden. Die Behandlung von Abfällen aus containergestützten Optionen reicht von den oben beschriebenen herkömmlichen Behandlungsverfahren über neue Methoden zur Rückgewinnung von Ressourcen bis hin zu keiner Behandlung. Erfolgreiche containergestützte Optionen werden in ausführlicher beschrieben Neue Lösungen.

Klärgruben und Senkgruben sind nicht für die Nährstoffversorgung ausgelegt und können diese nur unzureichend aus dem Abwasser entfernen. Sie können für die Meeresumwelt in Küstengebieten gefährlich sein. Obwohl es viele technologische Fortschritte bei der Nährstoffentfernung in OWTS gegeben hat, mangelt es weltweit an einer Regulierung der Nährstoffe in Abwässern. Übersehene Lecks und Fehlfunktionen verursachen eine Verschmutzung durch nicht punktuelle Quellen, die schwer zu erkennen ist und keine Konsequenzen für die Nichteinhaltung hat, so dass nur wenig Möglichkeiten zur Durchsetzung bestehen. Upgrades auf OWTS-Systeme, um eine verbesserte Nährstoffreduzierung zu ermöglichen, zeigen dies mehr Kosteneffizienz als den Bau neuer großer Kläranlagen.

Übersicht über das dezentrale System

  • Dezentrale Behandlungen sind individualisiert, arbeiten in kleineren Maßstäben und dienen spärlicheren Populationen
  • Zu den Mängeln dezentraler Systeme zählen häufiges Missmanagement oder Versehen, das zu Verstößen führt, unzureichende Entfernung von Nährstoffen und neu auftretenden Verunreinigungen sowie keine Behandlung von Regenwasser

Entladen

Abfluss aus einem Abflussrohr. Foto © pixabay

Nach der Behandlung aus zentralen oder dezentralen Systemen wird das behandelte Abwasser direkt in nahegelegene Gewässer oder in den Boden eingeleitet. Abflussrohre werden verwendet, um Abwasser direkt in Flüsse und Ozeane abzuleiten, während Abflussfelder, Böden, Feuchtgebiete und Vegetation das Versickern von Abwasser in das Grundwasser verlangsamen. Die durch Abwasser verursachte Kontamination der Ozeane hängt sowohl vom Grad der Behandlung vor der Einleitung als auch von der verwendeten Einleitungsstrategie ab. Fortgeschrittene Nährstoffreduktionstechniken und naturbasierte Lösungen können eine zusätzliche Behandlung bewirken und den Abwasserfluss verlangsamen. Andererseits birgt die Einleitung von unzureichend behandeltem Abwasser eine erhöhte Gefahr für die Gesundheit von Mensch, Organismus und Ökosystem. Während großflächige Kläranlagen in Küstengebieten häufig behandelte oder rohe Abwässer direkt in den Ozean einleiten, tritt die Abwasserverschmutzung durch kleinere Rückhaltesysteme durch Grundwasserableitung und Auswaschung häufig unbemerkt auf.

Überlegungen zur Systemauswahl

Infrastruktur, Ressourcen, Geologie, Bevölkerungsgröße, kulturelle Normen und Politik beeinflussen die Auswahl der Abwasserbehandlungssysteme. Beispielsweise eignet sich eine Kläranlage in Gebieten mit hoher Struktur- und Bevölkerungsdichte, vorhandenen Rohrnetzen (oder den Ressourcen und der geeigneten Geologie, um sie erfolgreich zu installieren) und der Kapazität für hochtechnische Wartung. Alternativ sind OWTS besser geeignet, wenn keine Abwasserkanäle vorhanden sind und mehr Abstand zwischen den Abwasserquellen (Haushalte, Unternehmen usw.) besteht. Die vorhandene Abwasserinfrastruktur beeinflusst die Systemeignung, da Upgrades häufig einfacher und kostengünstiger durchzuführen sind als die Entwicklung einer neuen Infrastruktur. Sehen Sie sich diese Fallstudie der Arbeiten zur Zentralisierung der Abwasserbehandlung auf der Insel Rotan in Honduras an.

Es fehlen Entscheidungshilfen zur Auswahl des besten Systems auf der Grundlage lokaler Kontexte, was es schwierig macht, den Bedarf an Abwasserverschmutzung und Abwasserentsorgung angemessen zu bewältigen. Überlegungen zur Systemauswahl sollten vorhandene Infrastruktur, Gemeinschaftsressourcen, soziale und kulturelle Erwartungen, politische Unterstützung oder Einschränkungen, die lokale Geologie und Hydrologie und viele andere Faktoren umfassen. Besuche den öffnet sich in einem neuen FensterToolbox für nachhaltige Abwasserentsorgung und Wassermanagement um mehr über Sanitärsysteme und -technologien zu erfahren.

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