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Die Reinigungsstufen der Kläranlage
Reihe 14
Verlauf
Material
S1
LEK
Glossar
Mediothek
Materialübersicht
III/A
M1
(Ab)
So setzt sich unser Abwasser zusammen
M2
(Ab)
Die mechanische Reinigungsstufe – hier wird Grobes entfernt
M3
(Ab, Ex) Die biologische und chemische Reinigungsstufe
Experimente zur Phosphatfällung mithilfe von Eisen(II)sulfat
und Eisen(III)chlorid
Für jede Gruppe:
r Becherglas (50 ml und 100 ml), Reagenzgläser (20 ml)
r Pipetten, Reagenzglasständer, Löffelspatel oder Teelöffel
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r heißes Wasser, Leitungswasser, Cola
r Natriumphosphat (Na3PO4)
r Grünsalz (Eisen(II)sulfat, FeSO4)
r Eisen(III)chlorid (FeCl3)
M4
(Ex)
So wird Stickstoff aus dem Abwasser eliminiert
Experimente zur Harnstoffzersetzung
r Bechergläser (je nach Ansatzgröße verschiedene Volumina)
r Pipetten, Löffelspatel oder Teelöffel
r Reagenzgläser (20 ml), Reagenzglasständer
r Schüssel mit Eiswasser, Thermometer, Topf, Leitungswasser
r Heizplatte oder Wasserkocher
r Harnstoff (CH4N2O)
r Thioharnstoff (CH4N2S)
r Phenolphthalein-Lösung
r Urease
M5
(Tx)
Expertenbefragung beim Besuch einer Kläranlage
Die Erläuterungen und Lösungen finden Sie auf der Seite 14.
62 RAAbits Biologie Oktober 2009
Die Reinigungsstufen der Kläranlage
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M1
Verlauf
Material
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Glossar
Mediothek
So setzt sich unser Abwasser zusammen
III/A
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Wasch- und Reinigungsmittel sind ebenfalls
Bestandteile häuslicher
Abwässer
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Sobald Wasser durch den Menschen in seiner physikalischen oder chemischen Eigenschaft
verändert wird, entsteht Abwasser. Hierunter fällt auch Kühlwasser, welches in der Regel
zwar sauber ist, jedoch aufgrund der thermischen Veränderung (Erwärmung) als Abwasser
deklariert wird. Das hat auch einen guten Grund, denn durch die Erwärmung nimmt die
Eigenschaft des Wassers, Sauerstoff zu lösen, ab. Viele Organismen in Gewässern sind jedoch
auf einen ausreichenden Sauerstoffgehalt im Wasser angewiesen, weshalb durch die Einleitung von warmen Abwässern auch eine Gefährdung der Umwelt bedingt ist.
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Die Abwässer werden nach ihrer Herkunft in die folgenden drei Gruppen gegliedert:
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1. Häusliche Abwässer
2. Gewerbliche Abwässer
3. Industrielle Abwässer
In häuslichen Abwässern sind Fäkalien aus der Toilette, Wasch- und Reinigungsmittel
sowie Nahrungsmittelreste enthalten.
Als gewerbliches Abwasser bezeichnet man Abwasser, welches
bei der Herstellung von Waren in
einem Gewerbebetrieb anfällt (z. B.
Molkereien,
Brauereien).
Werden
gewerbliche Abwässer mit häuslichen
Abwässern vermischt, so spricht man
von
kommunalen
Abwässern.
Die Vermischung von gewerblichen
Abwässern mit häuslichen Abwässern
darf nur dann erfolgen, wenn gewisse
Schadstoffkonzentrationen eingehalten
werden. Grund: Die Bakterien in der
biologischen Stufe der Kläranlage, welche
die Schadstoffe abbauen, vertragen
keinerlei kurzfristige qualitative und
62 RAAbits Biologie Oktober 2009
Wasch- und Reinigungsmittel sind ebenfalls Bestandteile
häuslicher Abwässer
Die Reinigungsstufen der Kläranlage
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III/A
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Material
S6
LEK
Glossar
Mediothek
Die biologische und chemische Reinigungsstufe
Die biologische Reinigungsstufe – aerobe Organismen helfen beim Abbau
von Kohlenstoffverbindungen
In der biologischen Reinigungsstufe (2. Reinigungsstufe) werden die natürlichen
Selbstreinigungsprozesse aus der Natur in einem technisch optimierten und zeitlich
verkürzten Prozess nachgebildet. Das Abwasser aus der mechanischen Reinigung fließt in
das sogenannte Belebungsbecken. Dort befinden sich aerobe Organismen, die unter
oxidativen Bedingungen den Abbau von organischen Abwasserinhaltsstoffen durchführen.
Die Zersetzung von „leicht abbaubaren Stoffen“ organischen Ursprungs, zum Beispiel Fette,
Eiweiße und Kohlenhydrate, erfolgt durch Bakterien, Einzeller, Würmer und Larven. Diese
aeroben Organismen ernähren sich von den energiereichen organischen Substanzen
(Kohlenstoffverbindungen) und setzen sie mit Sauerstoff zu den energieärmeren
Produkten Kohlenstoffdioxid und Wasser um.
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Belebungsbecken
einer Kläranlage
Durch die optimalen Lebensbedingungen, die in der Reinigungsstufe herrschen, vermehren
sich die aeroben Organismen sehr schnell. Dadurch kommt es zu einem Zuwachs von
Biomasse, dem sogenannten Belebtschlamm. Aufgrund seiner flockigen Struktur lässt sich
der Belebtschlamm anhand einer Probe in einem Glasgefäß gut erkennen.
An das Belebtbecken schließt sich ein Nachklärbecken mit ruhigerem Wasser an. Dort
setzt sich der Belebtschlamm unten ab. Etwa alle 14 Tage wird dann der Belebtschlamm aus
dem Becken entfernt und dem Faulturm zugeführt.
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M4
III/A
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Material
S 10
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Mediothek
So wird Stickstoff aus dem Abwasser eliminiert
Stickstoffverbindungen, sowohl organisch gebundener Stickstoff als auch Ammoniumstickstoff, führen zu einem erhöhten Sauerstoffbedarf in Gewässern. Die Stickstoffverbindungen
im Abwasser werden in erster Linie durch menschliche und tierische Exkremente verursacht. Als besonders kritisch erweist sich die Umwandlung von Ammonium-Ionen (NH4+)
zu Ammoniak (NH3), welches fischtoxisch ist. Die Stickstoffeliminierung erfolgt durch die
biologische Stufe der Kläranlage. Sie verläuft in vier verschiedenen Schritten:
1. Ammonifikation: Umwandlung des organisch gebundenen Stickstoffes in Ammonium
2. Nitrifikation: Oxidierung des Ammoniumstickstoffes zu Nitrat
3. Denitrifikation: Reduktion des Nitrates zu Stickstoff
4. Austreiben des Stickstoffes aus der Kläranlage
1. Ammonifikation
Unter Ammonifikation versteht man die Bildung von AmmoniumIonen aus organischen Stickstoffverbindungen – beispielsweise aus
Harnstoff (CH4N2O).
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Bei der Umwandlung des im Harn enthaltenen Harnstoffes, welche bereits im Kanalnetz
und im Vorklärbecken stattfindet, wird Harnstoff mithilfe von heterotrophen Bakterien
in Ammonium-Ionen (NH4+) und Hydrogencarbonat-Ionen (HCO3-) umgewandelt:
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CH4N2O + 2 H2O + H+ → 2 NH4+ + HCO3-
2. Nitrifikation
Die Nitrifikation erfolgt in zwei Schritten. Grundlage ist der biologische Stickstoffkreislauf.
Zunächst werden Ammonium-Ionen (NH4+) mithilfe
der nitrifizierenden Bakterien
Nitrosomonas zu Nitrit oxidiert: 2 NH4+ + 3 O2 → 2 NO2+ + 2 H2O + 4 H+
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Anschließend wandeln Bakterien der Gattung Nitrobacter das gebildete Nitrit (NO2+) in
Nitrat (NO3 -) um: 2 NO2+ + O2 → 2 NO3-.
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Sowohl Nitrosomonas als auch Nitrobacter ernähren sich autotroph, das heißt unter
Ausnutzung der Energie, welche durch die Nitrifikation gewonnen wurde. Für den Abbauvorgang wird reichlich Sauerstoff benötigt. Deshalb werden die Belebungsbecken stets
belüftet. Ferner sind eine pH-Wert-Regulierung sowie eine Temperatursteuerung notwendig.
Nitrosomonas entfalten ihr Wirkungsoptimum bei einer Temperatur von 25–30 °C und
einem leicht alkalischen pH-Wert zwischen 7,5 und 8,0. Bei der Nitrifikation handelt es
sich um einen chemolithotrophen Prozess. Dabei erfolgt die Energiegewinnung durch
die Oxidation von anorganischen Verbindungen. Die Bakterien, welche den Abbau leisten,
werden auch als Nitrifikanten bezeichnet.
Nitrifikation: Aerober
Abbau von Stickstoffverbindungen
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