ARA Worblental

Die ARA Worblental ist die drittgrösste Kläranlage im Kanton Bern. Sie liegt im Ortsteil Worblaufen der Gemeinde Ittigen, wenig nordöstlich der Stadt Bern. In der Anlage werden die Abwässer von etwa 70’000 Einwohnern sowie Grosskunden aus Industrie und Gewerbe behandelt. Zuletzt fliesst das bis zu 99% gereinigte Abwasser in die Aare.

Seit 1971 in Betrieb: Die Abwasserreinigungsanlage (ARA) Worblental
Seit 1971 in Betrieb: Die Abwasserreinigungsanlage (ARA) Worblental
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Die Kläranlage und das zugehörige Kanalisationsnetz werden seit 1971 vom Gemeindeverband ARA Worblental betrieben, einem Zweckverband der zehn Berner Gemeinden Arni, Biglen, Bolligen, Grosshöchstetten, Ittigen, Ostermundigen, Stettlen, Vechigen, Worb und Zollikofen. Als Vertragspartnerin ist auch die Gemeinde Münsingen beteiligt.

In der ARA Worblental werden täglich rund 33’000 Kubikmeter Schmutzwasser gereinigt. Diese Menge entspricht etwa dem Inhalt von 13 Olympia-Schwimmbecken. Das Abwasser stammt aus elf Gemeinden mit insgesamt 70’000 Einwohnern. Hinzu kommen Zuflüsse aus Industrie, Gewerbe und von Pendlern, welche einem Einwohnergleichwert von ca. 50’000 Menschen entsprechen. Aus dem Einzugsgebiet benötigt das Abwasser maximal fünf Stunden bis zur ARA.

Die Kläranlage liegt am tiefsten Punkt des Einzugsgebiets
Die Kläranlage liegt am tiefsten Punkt des Einzugsgebiets

Das Abwasser aus den Gemeinden gelangt zunächst über kleinere Kanalisationen und schliesslich in sogenannten Verbandskanälen zur ARA. In diesen Mischwasserkanalisationen fliesst auch Regenwasser ab, wie es auf Strassen, Plätzen oder Hausdächern anfällt. Bei Trockenwetter fliessen pro Sekunde durchschnittlich 350 Liter oder der Inhalt von anderthalb Badewannen zur Anlage. Bei Regenwetter kann sich der Zufluss bis auf die zehnfache Menge erhöhen.

Abwasserreinigung

Fliessschema Abwasserreinigung ARA Worblental

In der Kläranlage durchläuft das Abwasser drei Reinigungsstufen:

Mechanische Reinigung: In einem ersten Schritt werden Feststoffe wie Papier, Fäkalien und Sand aus dem Abwasser entfernt. Dadurch lassen sich rund 30% der Verunreinigungen beseitigen.

Biologische Reinigung: Hier bauen zahllose Mikroorganismen – darunter viele Bakterien – die im Wasser gelösten Verunreinigungen ab oder wandeln diese in harmlosere Stoffe um.

Chemische Reinigung: Durch Zugabe eines Fällmittels werden im Wasser gelöste, biologisch schwer abbaubare Nährstoffe entfernt.

Mechanische Reinigung

1. Grobrechen

Der Grobrechen entfernt grössere Feststoffe wie Essensreste, Fäkalien und Toilettenpapier aus dem Abwasser. Das Rechengut wird von einem Greifer entnommen und der Waschpresse zugeführt, wo es gewaschen, entwässert und gepresst wird. Es folgt der Abtransport zur Kerichtverwertung.

2. Sandfang

Im Sandfang wird die Strömung verlangsamt, damit sich Sand und feines Kies absetzen. Leichtere Feststoffe werden mit eingeblasener Luft am Absetzen gehindert. Der entnommene Sand durchläuft die Sandwaschanlage und gelangt anschliessend auf eine Deponie für unproblematische Stoffe.

3. Feinrechen

Im Feinrechen bleiben nun auch kleinere Feststoffe wie Kerne, Papierteilchen oder Hygieneartikel hängen. Das entnommene Material gelangt per Druckluft ins Grobrechengebäude (1), wo es in der Waschpresse behandelt und mit dem übrigen Rechengut entsorgt wird.

4. Regenüberlaufbecken

Die biologische Reinigungsstufe der ARA kann maximal 1100 Liter pro Sekunde bewältigen. Wird diese Kapazität überschritten – etwa bei einem Gewitter – muss überschüssiges Wasser ins Regenbecken abgeschlagen werden, wo es bis zum Rückgang der Zuflüssse verbleibt.

5. Vorklärbecken

In den Vorklärbecken fliesst das Abwasser nur langsam, womit sich auch letzte Feststoffe – insbesondere Fäkalien – absetzen. Leichtere Stoffe wie Öle und Fette schwimmen zur Wasseroberfläche auf. Der so entstehende Primärschlamm wird von Seilzugräumern abgezogen und der Schlammbehandlung zugeführt.

Ende der mechanischen Reinigung

Nach fast zweieinhalb Stunden in der ARA ist das weitgehend von Feststoffen befreite Abwassser zu rund 30% gereinigt. Es verbleiben die im Wasser gelösten Verunreinigungen und feine Schwebstoffe, die in der biologischen Reinigungsstufe abgebaut werden.

Biologische Reinigung

Im Wasser gelöste Verunreinigungen – die wichtigsten Stoffe im Überblick

Ammonium-Stickstoff: Gelangt vorwiegend über Eiweissverbindungen und Harnstoffe ins Abwasser. Wirkt in Gewässern sauerstoffzehrend und ist für viele Wasserlebewesen giftig.

Phosphate: Gelangen vorwiegend über menschliche Ausscheidungen und (Geschirr-) Spülmittel ins Abwasser. Tragen massiv zur Nährstoffbelastung von Gewässern bei. Können starkes Algenwachstum und schlussendlich Sauerstoffzehrung auslösen. Phosphate werden grösstenteils bei der chemischen Reinigung ausgefällt (siehe weiter unten).

Nitrat-Stickstoff: Wird vorwiegend von Mikroorganismen aus Ammonium-Stickstoff oxidiert. Trägt zur Nährstoffbelastung in Gewässern bei.

Organische-Kohlenstoffverbindungen: Gelangen etwa durch Fette, Kohlenhydrate oder Zucker ins Abwasser. Wirken beim Abbau in Gewässern sauerstoffzehrend.

6. Belebtschlammanlage

Hier wird das Abwasser von unzähligen zu Schlammflocken zusammengeballten Mikroorganismen gereinigt. Diese Kleinstlebewesen bauen im Wasser gelöste Schmutzstoffe ab, indem sie diese als Nahrungs- und Energiequelle verbrauchen. Dabei vermehren sie sich zu überschüssigem Belebtschlamm, der aus dem Wasser entfernt und der Schlammbehandlung zugeführt wird.

7. Nachklärbecken

In den Nachklärbecken sinkt der Belebtschlamm langsam auf Grund, wodurch er sich vom Wasser abtrennt. Es folgt der Rücklauf zur Belebtschlammanlage (6), wo die Mikroorganismen vom neuem mit der Abwasserreinigung beginnen. Das Wasser aus den Nachklärbecken wird nun der Festbettanlage (8) zugeführt, wo es weitergehend von Nährstoffen befreit wird (Denitrifikation).

8. Festbettanlage: Abwasserreinigung

In der Festbettanlage durchfliesst das Abwasser Filterzellen, die mit Tonkügelchen und Kunststoffpackungen gefüllt sind. Auf diesen Trägermaterialien – dem Festbett – leben wiederum zahllose Mikrooganismen, die sich von den Schmutzstoffen im Abwasser ernähren. Es passiert hier also ähnliches wie in der Belebtschlammanlage (6), allerdings wird das Wasser effizienter und weitergehend gereinigt.

8. Festbettanlage: Rückspülung (gleiches Zellenpaar)

Während der Abwasserreinigung reichert sich auf den Trägermaterialien überschüssiger Belebtschlamm an, den es regelmässig zu entfernen gilt. Die Zellen werden deshalb alle 24 Stunden mit Luft und sauberem Wasser rückgespült. Der so entfernte Überschussschlamm gelangt in die Schlammbehandlung.

Chemische Reinigung

9. Fällmittelstation

Bei der chemischen Reinigung werden im Wasser gelöste Phosphate ausgefällt. Diese biologisch nur schwer abbaubaren Nährstoffe werden  durch Zugabe eines Fällmittels in eine ungelöste, flockenähnliche Form überführt. Die Entnahme der ausgefällten Phosphate erfolgt mit dem Primär– und dem Biologieschlamm (siehe Vorklärbecken, Belebtschlammanlage und Festbettanlage).

Qualitätskontrolle & Ablauf

10. Labor

Im Labor wird die Qualität des gereinigten Abwassers, aber auch die Abwasserzusammensetzung innerhalb der Anlage überwacht. Laboranalysen sind überall dort wichtig, wo Mikroorganismen im Spiel sind – also auch bei der Schlammbehandlung. Zudem dient das Labor zur Kontrolle der gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte.

Einleitstellen

An den Einleitstellen fliesst das bis zu 99% gereinigte Abwasser in die Aare und damit in den natürlichen Kreislauf zurück. Eine Tiefeneinleitung fördert die Durchmischung mit dem Flusswasser, wodurch verbliebene Verunreinigungen schneller abgebaut werden.

Ist das eingeleitete Wasser trinkbar?

Nein, es wird deshalb bewusst von gereinigtem Abwasser gesprochen. Es sind darin wenige Restverunreinigungen wie Keime und organische Spurenstoffe enthalten. Kläranlagen wie die ARA Worblental liefern jedoch hervorragende Abbauleistungen von bis zu 99%, so dass in der Aare bedenkenlos gebadet werden kann.

Wie lange ist das Abwasser in der ARA?

Je nach Fliessweg und Wetter ergeben sich unterschiedliche Aufenthaltszeiten. Bei Trockenwetter verlassen 80% der Zuflüsse bereits nach etwa vier Stunden die Anlage. Das übrige Abwasser, das vorgängig die Belebtschlammbiologie durchfliesst, verbleibt bis zu 42 Stunden auf der ARA.

Ist die Anlage im Dauerbetrieb?

Ja. Auf der ARA Worblental wird seit Februar 1971 ununterbrochen Abwasser gereinigt. Damit Wartungsarbeiten, Reparaturen und Umbauten vorgenommen werden können, sind alle Prozessschritte mindestens zweistrassig ausgeführt. Fällt beispielsweise ein Grobrechen aus, kann dessen Aufgabe vom zweiten Rechen übernommen werden.

Schlammbehandlung

Fliessschema Schlammbehandlung ARA Worblental

1. Schlammeindickung

Der Biologieschlamm ist sehr dünnflüssig und muss zur weiteren Behandlung eingedickt, das heisst entwässert werden. Dies geschieht in sogenannten Dekanterzentrifugen, in denen das Schlammvolumen um bis zu 95% reduziert wird.

2. Schlammsiebung

Im Primärschlamm aus den Vorklärbecken sind noch Grobstoffe enthalten, welche den Feinrechen passieren konnten. Um Störungen in der Schlammbehandlung zu vermeiden, werden solche Fremdstoffe werden mit Siebpressen aus dem Schlamm entfernt.

3. Mischvorlagen

Hier werden die verschiedenen Schlämme zur Verbesserung der Fauleigenschaften vermischt. An den Mischvorlagen werden auch sogenannte Co-Substrate angenommen, die etwa aus leicht abbaubaren Abfällen der Lebensmittelindustrie bestehen.

4. Wärmeübertrager

Im Wärmeübertrager erlangt der Frischschlamm die notwendige Temperatur für die nachfolgende Schlammfaulung (5). Zur Erwärmung dient heisses Kühlwasser aus den Blockheizkraftwerken (10), das über eine Zirkulationsleitung dem Wärmeübertrager zugeführt wird.

5. Schlammfaulung

In den Faulräumen bauen Mikroorganismen während 21 Tagen die organischen Substanzen im Schlamm ab. Die Abbauprozesse finden unter anaeroben, das heisst sauerstofflosen Bedingungen statt. Es entstehen dabei Kohlenstoffdioxid, Wasser und Methangas. Letzteres wird in den Blockheizkraftwerken (10) zur Strom- und Wärmeproduktion genutzt.

6. Nachfaulung

Der unbeheizte Nachfaulraum wird zur Lagerung des anfallenden Faulschlamms verwendet. Gleichzeitig findet hier während etwa 20 Tagen eine Restvergärung von organischen Substanzen statt. Das dabei anfallende Biogas wird ebenfalls in den Blockheizkraftwerken (10) genutzt.

7. Schlammstapel

Die Stapelbehälter werden ebenfalls zur Lagerung des Faulschlamms verwendet, ehe dieser zur Schlammentwässerung (8) gelangt.

8. Schlammentwässerung

Hier wird der Faulschlamm mit Dekanterzentrifugen und Flockungshilfsmitteln auf einen Trockengehalt von ca. 30% entwässert. Das dabei entstehende „Endprodukt“ erinnert an feuchte Blumenerde. Zuletzt wird der Faulschlamm einer Monoverbrennungsanlage in Oftringen (Kanton Aargau) zugeführt, wo er zur späteren Rückgewinnung von Phosphor thermisch verwertet wird.

Schlammverwertung

9. Gasometer

Im Gasometer wird das bei der  Schlammfaulung (5 und 6) anfallende Biogas zwischengespeichert, ehe dieses dem Blockheizkraftwerk (10) zugeführt wird. Es können dadurch Verbrauchs- und Produktionsschwankungen ausgeglichen werden.

10: Blockheizkraftwerk

Das gewonnene Biogas wird in zwei Blockheizkraftwerken zur Strom- und Wärmeproduktion genutzt. Die ARA Worblental deckt so 100% des eigenen Strom- und über 100% des Wärmebedarfs.

Abluft- und Faulwasserbehandlung

11. Abluftbehandlung

Zur Minimierung von Gerüchen im Umfeld der ARA sind geruchssensible Anlagenbereiche eingehaust. Die dort entstehende Abluft wird abgesaugt und in zwei Biofilteranlagen behandelt.

12. Faulwasserstapel

Das Faulwasser aus der Schlammentwässerung (8) ist stark mit Ammonium-Stickstoff belastet und darf deshalb nur dosiert der Abwasserreinigung zugeführt werden. Es wird zu diesem Zweck in einem Becken gepuffert.

Schlammentsorgung

Monoverbrennung (Entsorgung Region Zofingen)

Der entwässerte Faulschlamm aus der ARA Worblental gelangt zuletzt per Lastwagen nach Oftringen in den Kanton Aargau. An diesem Standort betreibt der Gemeindeverband Entsorgung Region Zofingen (erzo) eine Monoverbrennungsanlage zur Entsorgung von Klärschlämmen. Bei der Monoverbrennung wird ausschliesslich Klärschlamm verbrannt, was eine (künftige) Rückgewinnung von Phosphor erlauben soll.

Anlieferung von Faulschlamm. Foto: J. Hartmann erzo
Anlieferung von Faulschlamm. Foto: J. Hartmann erzo
Faulschlamm mit einem Trockensubstanzgehalt von 25-30%
Faulschlamm mit einem Trockensubstanzgehalt von 25-30%

Monoverbrennung

Wegen des hohen Wassergehalts von bis zu 75% muss der Schlamm vorgängig getrocknet werden, ehe dieser zu brennen beginnt. Der Drehrohrofen wird deshalb mit heissen Verbrennungsgasen aus der benachbarten Kerichtverbrennungsanlage betrieben. Der Brennwerrt des (getrockneten) Schlamms erlaubt aber dennoch einen energieautarken Betrieb des Ofens.

Drehrohrofen

Das rotierende Ofenrohr ist leicht geneigt, wodurch der Schlamm kontinuierlich vorwärts bewegt wird. Die eigentliche Verbrennung beginnt erst ab der Ofenmitte, wo der Schlamm einen genügend hohen Trockensubstanzgehalt (TS) besitzt. Bei höheren TS-Gehalten kann auch überschüssige Abwärme entstehen, die in der KVA verwertet wird.

Rückgewinnung von Phosphor

Phosphor: Essentieller Nährstoff für alle Lebewesen. Wird als Rohstoff abgebaut und vorwiegend als Hauptbestandteil von Düngemitteln verwendet. Phosphor ist nur begrenzt verfügbar und muss zu 100% in die Schweiz importiert werden.  Alleine aus dem Klärschlamm sollen bis 2026 jährlich rund 6000 Tonnen Phosphor zurückgewonnen werden, was in etwa der importierten Menge entsprechen würde.

Für die Rückgewinnung von Phosphor gibt es bislang keine wirtschaftlich vertretbaren und für den grosstechnischen Einsatz geeignete Verfahren. Es wird allerdings an zahlreichen, teils vielversprechenden Ansätzen geforscht. Bis es soweit ist, wird die auf der Erzo anfallende Asche noch in speziellen Kompartimenten auf der Deponie Teuftal im Kanton Bern zwischengelagert.

Eindrücklich: Der Drehrohrofen der erzo in Oftringen
Eindrücklich: Der Drehrohrofen der erzo in Oftringen
Die Klärschlammasche besteht zu etwa 6-8% aus Phosphor
Die Klärschlammasche besteht zu etwa 6-8% aus Phosphor

Ergänzendes zur Biologie

Wieso betreibt die ARA Worblental zwei Reinigungsstufen?

Zur biologischen Abwasserreinigung nutzt die ARA Worblental seit 2007 das effiziente Festbettverfahren. Parallel dazu wird die ältere Belebtschlammanlage weiterbetrieben, wodurch sich verschiedene Vorteile ergeben:

  • Grössere Reinigungskapazität bei Regenwetter (bessere Ablaufwerte, weniger Entlastungen).
  • Erhöhte Betriebssicherheit durch zwei unabhängige Reinigungsstufen.
  •  Die Belebtschlammanlage kann zur Vorbehandlung von stark belastetem Faulwasser genutzt werden.

Betriebsweise

Bei trockener Witterung fliessen 75 – 80% des vorgereinigten Abwassers direkt zur Festbettanlage. Der übrige Teilstrom durchfliesst vorgängig die Belebtschlammanlage (Nitrifikation) und wird anschliessend zum weitergehenden Stickstoff-Abbau der Festbettanlage zugeführt (Denitrifikation). Bei Regenwetter werden die Reinigungsstufen meist parallel betrieben; es kann dadurch fast der dreifache Trockenwetterzufluss bewältigt werden.

Energie & Wärme

Regelpooling

Der Zubau von Wind- und Sonnenenergie verursacht im Stromnetz zunehmend Schwankungen, die von den Netzbetreibern ausgeglichen werden müssen. Bei kurzfristigen Überkapazitäten sind etwa schnell abschaltbare Kraftwerke gefragt, die sogenannt negative Regelleistung zur Verfügung stellen. Blockheizkraftwerke von ARA eignen sich gut für diesen Zweck, da sie kurze Reaktionszeiten besitzen.

Im Rahmen eines Pilotversuchs des Bundes wurden ab 2014 fünf Kläranlagen in einen Regelpool integriert, der vom Netzbetreiber Alpiq abgerufen werden kann. Wie sich zeigte, entstehen für die ARA dadurch kaum Nachteile; so geht etwa keine Energie verloren, weil überschüssiges Gas gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt verstromt werden kann.

Wärmeverbund ARA Worblental

In den Blockheizkraftwerken fällt überschüssige Wärme an, die künftig über ein Fernwärmenetz an umliegende Gemeinden geliefert werden soll. Zudem könnte auch dem Abwasser Heizwärme für etwa 4000 Haushalte entzogen werden. Ein definitiver Entscheid darüber, ob und wie der Wärmeverbund realisiert werden soll, ist im Herbst 2018 zu erwarten.

Sauberes Wasser für die Aare

Oberhalb der ARA Worblental liegt das Stauwehr Engehalde, das ein Grossteil des Aarewassers zum Wasserkraftwerk Felsenau ableitet. Auf der nachfolgenden Restwasserstrecke führt der Fluss nur wenig Wasser, wodurch er empfindlicher auf Verunreinigungen reagiert. Die ARA Worblental unterliegt deshalb strengeren Einleitbedingungen als es bei den üblichen Grenzwerten der Fall ist.

Die von der ARA eingeleiteten Abwässer führten bis 2007 zu erheblichen Belastungen der Restwasserstrecke. Grund dafür war die damals veraltete und zeitweise überlastete Belebtschlammanlage. Ab 2001 wurde die Biologie umfassend saniert und ausgebaut. Mit dem Festbettverfahren konnte ab 2007 sogar eine zusätzliche biologische Reinigungsstufe in Betrieb genommen werden. Seither hat sich die Qualität des gereinigten Abwassers deutlich verbessert.

Die rund neun Kilometer lange Restwasserstrecke gehört zu den ökologisch wertvollsten Flusslandschaften des Kantons Bern
Die rund neun Kilometer lange Restwasserstrecke gehört zu den ökologisch wertvollsten Flusslandschaften des Kantons Bern

Wie biologische Untersuchungen der Restwasserstrecke gezeigt haben, wirken sich die gereinigten Abwässer nicht mehr negativ auf die empfindlichen Fischarten Äsche und Bachforelle aus. Beide Arten gelten als Indikator für eine gute Wasserqualität.

Die vierte Reinigungsstufe

Im Abwasser sind zunehmend Mikroverunreinigungen enthalten, die von Kläranlagen nur unzureichend oder gar nicht abgebaut werden können. Solche vorwiegend organischen Spurenstoffe stammen etwa aus Arzneimitteln, Industriechemikalien oder Lebensmittelzusätzen, um nur einige Beispiele zu nennen. Mikroverunreinigungen aus ARA sind eine permanente Belastung für Wasserlebewesen und sollen deshalb deutlich reduziert werden.

Zur Elimination von Spurenstoffen müssen in der Schweiz bis spätestens 2040 rund hundert Kläranlagen mit einer zusätzlichen Reinigungsstufe ergänzt werden. Betroffen sind alle grossen Anlagen, aber auch kleinere ARA an empfindlichen Gewässern. Die ARA Worblental soll voraussichtlich bis 2035 ausgebaut werden.

Weiterführendes

Die ARA Worblental kann unter Voranmeldung kostenlos besichtigt werden. Auch kleine Gruppen sind willkommen.

Für Fragen jeglicher Art stehen wir gerne zur Verfügung.

Kontakt und weitere Informationen: →  ara-worblental.ch

Dank

Dieser Beitrag ist allen Mitarbeitenden des Gemeindeverbands ARA Worblental gewidmet, die sich tagtäglich für den Gewässerschutz einsetzen. Vielen Dank für eure wertvolle Arbeit.

Im Rahmen dieses Beitrags möchte ich dem Verband für die offene, angenehme und unkomplizierte Zusammenarbeit danken.

Vielen Dank an jaques Hartmann vom Verband Entsorgung Region Zofingen (erzo) für die spannenden Beiträge zur Monoverbrennung und der Rückgewinnung von Phosphor.

Literatur und Quellen

Untersuchungen Restwasserstrecke

Guthruf J., 2018; Äschenlarvenkartierung Engehalbinsel – Statusbericht Aquatica, Auftraggeber: Gemeindeverband ARA Worblental, 14 S.

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