VSA Berufsprüfung Abwasserbehandlung Teil 1

Eine chemische Reaktion wird in Form einer Gleichung dargestellt. Links vom Reaktionspfeil stehen die Ausgangsstoffe, also die Stoffe, die miteinander reagieren. Auf oder unter dem Pfeil können Reaktionsbedingungen (Temperatur, Druck, Katalysatoren) angegeben werden. Rechts vom Pfeil stehen die Produkte, d.h. die Stoffe, die nach der Reaktion. FeCI3 + Na3PO4 ---> Fe PO4 + 3 NaCI

In welchem Masse der biologische Prozess abläuft, hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie Zusammensetzung des Abwassers bezüglich der für das Wachstum der Bakterien erforderlichen Nährstoffe, Temperatur des Abwassers, vorhandene Menge an Biomasse, Versorgung der Bakterien mit Sauerstoff, im Abwasser enthaltene Hemmstoffe oder Gifte usw.

Während durch ein ungünstiges Nährstoffangebot oder durch tiefe Temperaturen die Bakterientätigkeit und damit die Abwasserreinigung lediglich verlangsamt wird, stirbt diese bei Zuleitung von Giftstoffen oder durch ein längeres Ausbleiben der Sauerstoffversorgung gänzlich ab.

Die wirksame Oberfläche des Füllmaterials ist jene Fläche, die mit Abwasser benetzt wird, auf der sich ein biologischer Rasen bilden kann. Im Unterschied zu den Steinfüllungen weisen die Kunststoffmaterialien theoretisch grössere Oberflächen und ein grösseres Hohlvolumen auf. Tröpfkörper mit Steinfüllung erfordern für ein gesichertes Aus-schwemmen des Schlammes (abgestossener biologischer Rasen) eine Oberflächenbeschickung von 0,8 m3/m2 x h. Tropfkörper mit Kunststoffelementen als Füllmaterial können je nach Art des Füllmaterials ohne Gefahr die Verstopfung mit geringeren Abwassermengen pro Grundfläche beschickt werden. Dies hat jedoch in der Regel zur Folge, dass das Füllmaterial nicht mehr vollständig benetzt wird, womit auch die Abbauleistung zurückgeht. Eine grosse Zahl von verschiedenen Füllmaterialien aus Kunststoff erfordert für eine vollständige Ausnützung der theoretischen Oberfläche eine Beschickung von 1,5 m3 / m2 x h.

Die im Abwasser enthaltenen Schmutzstoffe bilden das Substrat (Nahrung) für den Aufbau des biologischen Rasens. Der biologische Rasen muss für sein Wachstum nicht nur mit Substrat, sondern auch mit Sauerstoff versorgt werden. Da der Tropfkörper auf einem Rost über einem Hohlraum, mit Öffnung nach aussen, aufgebaut ist, kann die Luft durch das Füllmaterial aufsteigen und an das Abwasser und den biologischen Rasen abgegeben werden. Ein Tropfkörper darf nicht über seine Leistungsfähigkeit hinaus mit Schmutzstoffen belastet werden. Enthält das Abwasser eine zu hohe Schmutzstoffkonzentration, wächst der Rasen schneller, als er durch das durchrieselnde Wasser wieder ausgeschwemmt werden kann. Die Folge ist ein Verstopfen der Hohlräume im Tropfkörper. Das versprühte Abwasser bleibt auf der Oberfläche liegen, die Luftdurchströmung ist unterbunden. Ein verstopfter Tropfkörper ist nicht mehr betriebsfähig und muss eventuell teilweise ausgeräumt werden, um durchgespült werden zu können. Die zulässige Schmutzstoffkonzentration hängt wiederum von der Art des Füllmaterials ab. Eine Steinfüllung sollte höchstens mit 500 g BSB5 pro m3 Tropfkörpervolumen und Tag belastet werden. Kunststoff-Füllkörper können je nach deren Art bis 20 kg BSB5 pro M3 Volumen im Tag vertragen, ohne zu verstopfen. Bei hohen Schmutzstoffbelastungen sind nur noch Teilreinigungen erreichbar.

Ein zu hoch konzentriertes Abwasser wird durch Rückführung von bereits gereinigtem Abwasser verdünnt. Durch die Rezirkulation des Abwassers kann sowohl die ideale Beschickungsmenge als auch die für eine Vollreinigung zulässige Schmutzstoffkonzentration eingestellt werden. Die Rezirkulation verursacht einen erhöhten Energieaufwand für den Pumpenbetrieb. An erster Stelle steht aber in jedem Fall die möglichst weitgehende Reinigung des Abwassers, der Energieaufwand kommt erst an zweiter Stelle.

Beim Tropfkörper wird weniger Belebtschlamm als bei einer Belebtschlammbiologie erzeugt, deshalb müssen die Nachklärbecken bei der Belebtschlammanlage grösser sein

Oberflächenbelastung Feststoffoberflächenbelastung Schlammvolumenoberflächenbelasung (Wie sie berechnet werden siehe Berechnungen)

Unter dem Begriff Mikroorganismen werden tierische, pflanzliche und andere belebte Organismen verstanden, die kleiner als ca. 0.1 mm sind und deshalb nur mit dem Mikroskop gesehen werden können.

Die Grösse der Bakterien beträgt in vielen Fällen weniger als ein Tausendstel Millimeter (1/1000 mm = 1 µm = 1 Mikrometer = 1 Mikron). Rohwasser enthält zwischen 1 und 10 Millionen Bakterien pro ml. Obwohl diese riesige Zahl von Bakterien nur etwa einen Hunderttausendstel des Volumens von 1 ml beanspruchen, bilden sie in 1 m3 Abwasser eine gesamte Zelloberfläche von etwa 60 m2! Diese grosse Oberfläche erfordert einen sehr hohen Nährstoff-Umsatz, was die hohe Abbauleistung des Belebtschlammes erklärt. Infolge der Bakterienvermehrung werden in der biologischen Reinigungsstufe der Abwasserreinigungsanlagen grosse Mengen von Überschussschlamm gebildet. (ca. 1 kg pro 1 kg abgebauten BSB5).

Bakterien bestehen zum grössten Teil aus Wasser (etwa 80 %). Die Trockensubstanz setzt sich aus komplizierten Verbindungen zusammen(in Prozent der Trockenmasse): Eiweisse 50, Zellwand 10 -20, Erbmaterial 15 -25, Fette 10, Reservestoffe bis 25.Die wichtigsten Elemente sind etwa wie folgt an der Zusammensetzung der Biomasse beteiligt: Kohlenstoff 50 %, Sauerstoff 20 %, Stickstoff 14 %, Wasserstoff 8 %, Phosphor 3 %, übrige 5 % zahlreiche andere Elemente.

Die meisten Mikroorganismen sind auf Sauerstoff angewiesen. Man nennt sie Aerobier. Bakterien, die ohne Sauerstoff auskommen, werden als Anaerobier bezeichnet

Die äussere Zellwand und die Cytoplasmamembran enthalten sehr viele Lipide (Fette), deshalb sind die Bakterien ausserordentlich empfindlich gegen viele fettlösliche Gifte (chlorierte Kohlenwasserstoffe, Lösungsmittel). Auch starke Oxidationsmittel (Javellewasser, Wasserstoffperoxid) können die Zellumhüllung zerstören und damit die Zelle zum Absterben bringen.

Treten im Abwasser plötzlich neue Stoffe auf, müssen die Mikroorganismen zuerst die neuen Enzyme bereitstellen, bevor der Abbau dieser Stoffe erfolgen kann, das heisst, erst mit einer zeitlichen Verzögerung sind die Organismen in der Lage, den neu vorkommenden Abwasserinhaltsstoff mit maximaler Leistung abzubauen. Diese Anpassung wird auch Adaptation genannt. Der Aufbau der Enzyme erfordert viel Zellenergie und Nährstoffe. Es ist deshalb für die Organismen nicht ökonomisch, sämtliche Enzyme für den Abbau aller möglichen Nährstoffe, die eventuell in seinem Wachstumsmilieu (z. B. im Abwasser) lediglich zeitweise anfallen, stets bereitzuhalten. Deshalb werden viele Enzyme für den Abbau von Nährstoffen in der Zelle nur produziert, wenn die entsprechenden Stoffe im Medium vorhanden sind.

Die Enzym-Aktivität wird durch den pH-Wert beeinflusst. Jedes Enzym weist bezüglich seiner Aktivität einen optimalen pH-Wert auf. Extreme pH-Werte können die Enzyme vollständig inakti-vieren oder sogar zerstören. Die Enzymaktivität wird auch durch die Temperatur wesentlich mitbestimmt. Je nach Wachstumsstandort der verschiedenenen Bakterienspezies liegt das Temperaturoptimum bei etwa 14 Grad C (= psych rophile Bakterien), bei etwa 37 Grad (= mesophile Bakterien), bei 62 Grad (= thermophile Bakterien) oder bei ungefähr 85 Grad (= extrem thermophile Bakterien). Viele Enzyme benötigen für ihre Funktionstüchtigkeit gewisse Aktivatoren. Dabei handelt es sich meist um Metalle wie Kupfer, Eisen und Chrom. Diese dürfen aber nur in sehr geringen Konzentrationen vorliegen. In hoher Konzentration führt ihre Gegenwart oft zu einer starken Hemmung der Enzymaktivität. Man bezeichnet diese in kleinsten Mengen notwendigen Verbindungen auch als Spurenelemente.

CSB : Kjeldahl-N : Phosphor = 100: 5 : 1 (in mg/I) oder: (BSB5 : Ammonium-N : Phosphor = 50 : 4: 1)

1 Gramm Belebtschlammtrockensubstanz enthält etwa 10 Milliarden bis 1'000 Milliarden (= 10'000'000'000 bis 1'000'000'000'000) Bakterien. Ihr Anteil an der organischen Trockensubstanz ist aber sehr gering und beträgt lediglich einige wenige Prozente. In den Flocken der Belebtschlämme, die durch Schleimstoffe zusammengehalten werden, kommen zusätzlich verschiedene höhere Organismenformen vor, z. B. Pilze, Protozoen, Rädertierchen und Fadenwürmer. Ausser den Pilzen ernähren sich diese höheren Organismen hauptsächlich von freischwebenden Bakterien und Bakterienüberresten, was zu einer zusätzlichen Klärung des Abflusses wesentlich beiträgt. Die Anwesenheit gewisser Arten von Protozoen gestattet Aussagen über den Verlauf des Reinigungsprozesses, da diese Organismen sehr sensibel auf giftige Stoffe und andere ungünstige Randbedingungen reagieren.

Die Einteilung der belebten Natur in die drei Reiche (Tiere, Pflanzen und Protisten = Urtiere) Die Algen, Pilze, Protozoen, Bakterien und Blaualgen gehören dem Reich der Urtiere an und nehmen eine Zwischenstellung zwischen den Tieren und Pflanzen ein.

Das Reich der Protisten umfasst Organismen, die sich von Tieren und Pflanzen durch einen einfacheren Bauplan unterscheiden. Die meisten dieser Lebewesen sind einzellig, sie bilden aber häufig Zellkolonien (Algen- und Bakterienfäden). Ihre Anforderungen an Nährstoffe und wachstumsbedingungen sind sehr unterschiedlich. Die Protisten lassen sich aufgrund ihrer Zellstruktur in zwei voneinander abgrenzbare Gruppen unterteilen: Die höheren Protisten ähneln bezüglich Zellaufbau den Tieren und Pflanzen. Sie besitzen einen echten Zellkern, der die Erbinformation enthält. Zu ihnen werden die Algen, Pilze und Protozoen (tierische Einzeller) gezählt. Die niederen Protisten umfassen die Bakterien und Blaualgen. Sie enthalten keinen abgegrenzten Zellkern. Die Erbinformation liegt als ringförmiger Faden in der Zellflüssigkeit. Eine scharfe Unterteilung in die drei Reiche Tiere, Pflanzen und Protisten ist nicht möglich. Es bestehen fliessende Übergänge, was zeigt, dass die Angehörigen der drei Reiche entwicklungsgeschichtlich stark miteinander verknüpft und auseinander hervorgegangen sind.

Die Viren sind keine eigentlichen Lebewesen, sondern sind für ihre Vermehrung auf tierische, pflanzliche oder Protistenzellen angewiesen. Viren sind eher als komplizierte, in vielen Fällen hochgiftige organische Verbindungen anzusehen, da sie für zahlreiche schwere Erkrankungen verantwortlich sind.

Krankmachende Bakterien, die bei Menschen, Tieren und Pflanzen Schädigungen verursachen.

• Blähschlamm weist einen hohen Belebtschlammindex auf, setzt sich in der Nachklärung ungenügend ab. 
• Belebtschlamm, der einen hohen Anteil von Nocardia aufweist, steigt wegen den wasserabstossenden Eigenschaften an die Wasseroberfläche, es entsteht Schwimmschlamm. Der Schlamm-Index ist meist weniger erhöht als bei Blähschlamm.

Die Bakterien im Belebt- und Faulschlamm müssen ihre Energie aus organischen oder anorganischen Substanzen beziehen, da im Belebungsbecken und im Faulraum das notwendige Licht zur Energiegewinnung nicht vorhanden ist.

Typische Bakterien für den Kohlenstoffabbau in der biologischen Abwasserreinigung verdoppeln sich bei 20°C in 3 Stunden und bei 10°C in 6 Stunden. Die Bakterien (Nitrosomonas) für die Nitrifikation verdoppeln sich bei 20°C in 17 Stunden und bei 10°C in 55 h. Die Nitrifikation ist viel stärker von der Temperatur abhängig als der Kohlenstoffabbau. Da die Abwassertemperatur nicht beeinflusst werden kann, ist für eine gesicherte Nitrifikation die Belebtschlammkonzentration zu erhöhen resp. die Belebtschlammbelastung zu erniedrigen und somit das Schlammalter zu erhöhen.

Mikroorganismen bewegen sich. Mikroorganismen müssen ihre innere geordnete Struktur aufrecht erhalten. Mikroorganismen müssen ständig neue Makromoleküle (beispielsweise Enzyme oder Fermente, Erbmaterial) erneuern oder reparieren, damit keine irreparable Schädigung der Organismen auftritt. Dies sind nur einige Beispiele, die aufzeigen, dass Mikroorganismen dauernd Energie aufwenden und umsetzen müssen, um am Leben zu bleiben. Wenn nur ungenügend Nährstoffe vorhanden sind, werden für diese Prozesse zellinterne Speicherstoffe veratmet, um die erforderliche Energie zu gewinnen. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von endogener Atmung. Durch die Veratmung von Zellmasse nimmt diese ab und es resultiert ein Zerfall von Biomasse.

Die Vorgänge, die zu einem Zusammenführen von Abwasserinhaltsstoffen und Mikroorganismen führen, um laufen häufiger und rascher ab je besser ein System durchmischt wird. Eine gute Durchmischung, d.h. hohe Turbulenz, in einem biologischen Reinigungssystem gewährleistet demnach den bestmöglichen Kontakt zwischen den beiden Reaktionspartnern.