Klärschlamm – einfach erklärt

Begriff und Arten

Klärschlamm ist eine Mischung aus organischen und anorganischen Fest- und Flüssigstoffen, die bei der Abwasserreinigung durch Sedimentation entsteht. Sedimentation bedeutet, dass Schwebstoffe in der Kläranlage aus dem Wasser absinken und sich am Boden sammeln. Im flüssigen Anteil sind neben Wasser viele chemische Verbindungen gelöst.

Man unterscheidet Rohschlamm, Belebtschlamm und behandelten beziehungsweise stabilisierten Klärschlamm. Rohschlamm entsteht als Primärschlamm in der mechanischen Reinigungsstufe aus den festen Bestandteilen des Abwassers. Belebtschlamm fällt als Überschussschlamm in der biologischen Stufe an und besteht vor allem aus Mikroorganismen wie Protisten und Bakterien. Durch aerobe oder anaerobe Behandlung wird der Schlamm stabilisiert und geruchsärmer. Bei anaerober Behandlung in Faultürmen entsteht Faulschlamm; dabei bildet sich Klärgas mit einem Methangehalt von etwa 60 %. Im Ausgangszustand ist Klärschlamm dünnflüssig und dunkel. Durch Schwerkrafteindickung werden etwa 2 bis 5 % Feststoffgehalt erreicht. Mit Flockungshilfsmitteln und Entwässerungsanlagen wie Zentrifugen, Schneckenpressen oder Siebbandanlagen kann der Trockenstoffgehalt bis auf 35 % steigen; Kammerfilterpressen oder Klärschlammvererdungsanlagen können noch höhere Entwässerungsgrade erreichen.

Inhaltsstoffe und Risiken

Klärschlamm enthält viele Nährstoffe, weil Mikroorganismen in der biologischen Abwasserreinigung Nährsalze aus dem Abwasser in ihrer Biomasse anreichern. Für die Landwirtschaft sind besonders Nitrat, Phosphat und andere Pflanzennährstoffe wichtig. Typische Gehalte, bezogen auf die Trockenmasse, schwanken stark zwischen Anlagen und Zeitpunkten: Stickstoff und Phosphate liegen jeweils bei etwa 1,5 bis 5 % TS, Kalium bei 0,1 bis 0,3 % TS, Calcium bei 4 bis 6 % TS, Magnesium bei 0,6 bis 2 % TS und der Glühverlust als Maß für organische Bestandteile bei 40 bis 80 %.

Daneben können Rohstoffe in Spuren vorkommen. In städtischem Klärschlamm wurde Gold nachgewiesen, etwa durchschnittlich 0,3 g pro Tonne Klärschlamm in Proben aus Arizona. Aus Klärschlammasche der japanischen Stadt Suwa wurden 1890 g Gold pro Tonne Asche gewonnen, was mit metallverarbeitenden Betrieben im Einzugsgebiet erklärt wird.

Problematisch sind Schadstoffe. Klärschlamm kann organische Verbindungen enthalten, die zum Beispiel kanzerogen, mutagen oder giftig wirken. Schwermetallverbindungen sind ein besonderes Risiko; Chrom ist je nach chemischer Form unterschiedlich zu bewerten: elementar ungiftig, als Chrom(III) essenziell und als Chrom(VI) giftig und karzinogen. Grenzwerte in der deutschen Klärschlammverordnung und der Düngemittelverordnung sollen Mensch und Umwelt schützen. Auch geringe Konzentrationen können sich bei landwirtschaftlicher Ausbringung anreichern, also bioakkumulieren, und in die Nahrungskette gelangen. Genannt werden außerdem AOX, PCB und PCDD sowie Spurenstoffe aus Krankenhaus- und Haushaltsabwässern, darunter Medikamentengruppen. Reinigungsverfahren entfernen solche Spurenstoffe nicht vollständig.

Behandlung und Stabilisierung

Klärschlamm wird behandelt, damit er verwertet oder entsorgt werden kann. Mögliche Verfahrensstufen sind Eindicken, Konditionieren, Hygienisieren, Entwässern und Trocknen. Welche Schritte in welcher Reihenfolge verwendet werden, hängt unter anderem von der Größe der Kläranlage, der Stabilisierungsart, der lokalen Situation und dem Platzangebot ab.

Eine wichtige Methode ist die anaerobe Schlammstabilisierung, also der Abbau organischer Stoffe ohne Sauerstoff in einem Methanreaktor. Nach der novellierten kommunalen Abwasserrichtlinie (EU) 2024/3019 soll die kommunale Abwasserbehandlung bis 2045 energieneutral sein. Kläranlagen in der EU enthalten laut Artikel 87.500 GWh chemische Energie pro Jahr, ein großer Teil davon im Klärschlamm. Durch Ausfaulung wird die zu behandelnde Masse verringert und Biogas gewonnen, das in Blockheizkraftwerken verstromt werden kann.

Entwässerung und Trocknung

Bei der mechanischen Entwässerung wird stabilisierter Klärschlamm meist vor weiterer Behandlung, Verwertung oder Entsorgung entwässert. Eingesetzt werden hydraulische Pressen, Zentrifugen, Kammerfilterpressen, Siebbandpressen und Schneckenpressen. Damit Wasser besser abgetrennt wird, wird der Schlamm häufig konditioniert, meist mit polymeren Flockungshilfsmitteln, seltener mit Eisen oder Kalkmilch. Eine Kalkzugabe von etwa 20 bis 35 % CaO im Feststoffanteil kann für die Nutzung als Dünger vorteilhaft sein, erhöht aber die zu entsorgende Trockenmasse. Mechanische Entwässerung kann den Feststoffgehalt auf über 30 % steigern und Volumen beziehungsweise Masse auf etwa ein Zehntel des Nassschlamms senken.

Biologische Entwässerung bedeutet, Klärschlamm auf Vererdungsbeete aufzubringen, die meist mit Schilf bepflanzt sind. Dort wird der Schlamm zunächst schnell auf etwa 10 % Feststoffgehalt entwässert. Das Sickerwasser wird über Drainagen aufgefangen und zur Kläranlage zurückgeführt. Über längere Zeit werden organische Bestandteile abgebaut und mineralisiert. Es entsteht Klärschlammerde, die nach Räumung und Nachlagerung bis zu 60 % Trockenmasse erreicht. Durch den Abbau von 50 bis 60 % der organischen Stoffe können die Restmengen deutlich verringert werden.

Trocknung reduziert Gewicht und Volumen weiter, indem gebundenes Wasser verdunstet oder verdampft. Verfahren beruhen auf Kontakt-, Konvektions- oder Strahlungsvorgängen. Der Heizwert hängt von Trocknungsart, Restfeuchte und Kohlenstoffanteil ab: getrockneter Rohschlamm kann bis 19 MJ/kg erreichen, getrockneter Faulschlamm etwa 11 MJ/kg. Bei solarer Klärschlammtrocknung wird vorentwässerter Schlamm in einer transparent gedeckten Halle durch Sonnenenergie getrocknet; bei ausreichend langer Aufenthaltsdauer kann im Sommer ein Trocknungsgrad von rund 90 % erreicht werden. Das entstehende Granulat kann als Sekundärbrennstoff mit 8 bis 11 MJ/kg TS oder als Dünger genutzt werden. Weitere Verfahren sind Bandtrockner, Wirbelschichtverdampfungstrockner und Scheibentrockner.

Verwertung und Entsorgung

Traditionell wurde Klärschlamm wegen seiner pflanzenverfügbaren Nährstoffe auf Felder ausgebracht. Strengere Gesetze und Schadstoffbelastungen haben diese Nutzung eingeschränkt. Zugleich gibt es Bestrebungen, Nährstoffe, Rohstoffe und Energie zurückzugewinnen.

In der Europäischen Union regelt die Richtlinie 86/278/EWG die Verwendung von Klärschlamm in der Landwirtschaft und legt Grenzwerte für Schwermetalle fest. In Deutschland bestimmt die Klärschlammverordnung die Weiterverwendung kommunaler Klärschlämme. Als Dünger ist Klärschlamm nur auf Ackerflächen zulässig, nicht auf Dauergrünland oder Obst- und Gemüseanbauflächen. 2012 wurden in Deutschland 45 % der behandelten kommunalen Klärschlämme als Dünger in Landwirtschaft und Landschaftsbau genutzt, der Rest thermisch entsorgt; Mecklenburg-Vorpommern erreichte 2012 eine stoffliche Verwertungsrate von 96 %. Die Novellierung von 2017 verschärfte Schadstoff-Grenzwerte und ergänzte Kriterien. Kritisiert werden unter anderem Schadstoffe und Kunststoffe. Die Bundesregierung fördert die Rückgewinnung von Phosphor; 2019 eröffnete in Hamburg die erste Recyclinganlage zur Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm-Asche.

In Österreich ist die Ausbringung in Tirol, Salzburg und Wien verboten, im übrigen Österreich eingeschränkt möglich. Ein bundesweites Verbot war 2013 geplant, aber nicht umgesetzt. 2022 kündigte das Klimaschutzministerium mit dem Aktionsplan Mikroplastik Maßnahmen zur Verringerung von Mikroplastikemissionen aus Klärschlamm-Düngung an. In der Schweiz ist die Ausbringung auf Futter- und Gemüseflächen seit dem 1. Januar 2003 und vollständig seit dem 1. Oktober 2006 verboten. Gründe waren unter anderem Quecksilber und endokrin wirkende Stoffe. Dort wird auch Phosphorrückgewinnung aus Klärschlammasche verfolgt; ab voraussichtlich 2026 soll in Zuchwil Phosphorsäure industriell hergestellt werden können. Phosphor kann außerdem als Struvit, also Ammoniummagnesiumphosphat, ausgefällt werden; Struvit ist gut pflanzenverfügbar und als Dünger nutzbar.

Energetisch kann Klärschlamm durch Verbrennung oder Vergasung genutzt werden. Verfahren sind Mitverbrennung in Kohle- oder Braunkohlekraftwerken, Nutzung im Zementwerk, Mitverbrennung im Müllheizkraftwerk, Monoverbrennung, Vergasung mit oder ohne Biomasse, Klärschlammvergasung, Herstellung von Lefinoel in einer Schweizer Versuchsanlage und hydrothermale Karbonisierung. Bei Mitverbrennung werden Nährstoffe oft so stark verdünnt, dass Rückgewinnung schwierig ist. Bei Monoverbrennung ist der Phosphoranteil in der Asche höher und Rückgewinnung eher möglich. In Zürich wird mit dem Phos4Life-Prozess eine Rückgewinnung von bis zu 95 % des Phosphors aus Monoverbrennungsasche angestrebt. In Deutschland wurden 2017 bereits 70 % des Klärschlamms verbrannt. Eine Deponierung ist in Deutschland seit dem 1. Juni 2005 wegen des hohen organischen Anteils nicht mehr möglich; erlaubt sind nur Abfälle mit höchstens 5 % organischer Trockenmasse.

Gefahren und Schutz

Klärschlamm fällt nach § 3 BioStoffV in die minder schwere Risikogruppe 2 von 4. Er kann Mikroorganismen enthalten, die beim Menschen Infektionskrankheiten auslösen. Eine Verbreitung solcher Krankheiten in der Bevölkerung durch Klärschlamm gilt aber als unwahrscheinlich. Die Aufnahme von Klärschlamm soll vermieden werden, etwa durch Verschlucken, über vorgeschädigte Haut wie offene Wunden oder Ekzeme oder durch Einatmen von Aerosolen.

Zum Schutz gelten hygienische Grundregeln, etwa Händewaschen vor Essen, Trinken, Rauchen und vor dem Toilettengang. Wenn direkter Kontakt nicht vermeidbar ist, muss geeignete persönliche Schutzausrüstung getragen werden. Schutzhandschuhe müssen gegen Mikroorganismen undurchlässig sein und entsprechend gekennzeichnet sein. Bei stark verschmutzenden Arbeiten kann ein spritzwasserundurchlässiger Einweg-Overall schützen. Wenn Aerosole technisch nicht vermieden werden können, sind Atemschutzmasken der höchsten Filterstufe P3 zu tragen.