Die sekundäre Behandlung von Abwasser ist die Behandlungsstufe um den biologischen Anteil des Abwassers wesentlich abzubauen. Dabei werden normalerweise biologische Verfahren eingesetzt. Städtische und industrielle Kläranlagen verwenden meistens aerobe biologische Prozesse. Anlagen für Belebtschlamm sind am häufigsten in mittelgroßen bis großen Kläranlagen anzutreffen. Die anaerobe Behandlung wird empfohlen, wenn das Abwasser viel kalorischer Wert enthält zusammen mit verhältnismäßig hohen Wassertemperaturen.
Das Ziel der sekundären Behandlung ist die weitere Behandlung des Abwassers aus der Vorklärung zur Entfernung von verbleibenden organischen Stoffen und Schwebstoffen. In den meisten Fällen folgt die sekundäre Behandlung die Vorklärung und umfasst die Entfernung von biologisch abbaubaren gelösten und kolloidalen organischen Stoffen mittels aerober biologischer Behandlungsverfahren. Die aerobe biologische Behandlung wird von aeroben Mikroorganismen (hauptsächlich Bakterien) bei Anwesenheit von Sauerstoff durchgeführt. Diese Mikroorganismen wandeln die organische Stoffe im Abwasser um und produzieren dabei mehr Mikroorganismen und anorganische Endprodukte (vorwiegend CO2, NH3, und H2O). In einem anaeroben Prozess wandeln die anaeroben Bakterien die organischen Stoffe im Abwasser in Biogas um, das große Mengen an Methangas und Kohlendioxid enthält. Es ist ein energieeffizientes Verfahren, das häufig zur Behandlung von Industrieabwässern mit hohem Anteil an organischen Stoffen bei warmen Temperaturen eingesetzt wird. Es kann auch als Vorbehandlung vor der aeroben Behandlung eingesetzt werden.
Die Verschmutzung wird durch aerobe biologische Bakterien zersetzt, die in flockenartigen Ansammlungen, Belebtschlamm genannt, leben.
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