Ökotechnologien UI13-HS15 1.3
Skript Elemente der Ökotechnologie Filtration Biofilme Mikrobielle Ökologie
Skript Elemente der Ökotechnologie Filtration Biofilme Mikrobielle Ökologie
Nenne drei physikalische Eigenschaften nach welchen ein Filtration durchgeführt werden kann
- Porgengrösse
- Oberflächenladung
- Permeabilität
Definition Filtration
Filtration ist eine mechanische oder physikalische Methode, um feste von flüssigen Bestandteilen zu trennen. Zweck der Filtration ist im einfachsten Fall das Reinigen einer Flüssigkeit (Klären), oder die Gewinnung eines abgetrennten Wertstoffes.
Wie erfolgt die Unterteilung der unterschiedlichen Filtrationsbereiche?
Nach der grösse der gefilterten Partikel:
Mikrofiltration --> bis zu 0,2 mikrometer (Zooplanktion, Algen, Trübung, Bakterien, Suspendierte Partikel)
Ultrafiltration --> 0,1 - 0,01 mikrometer (Makromoleküle, Viren, Kolloide)
Nanofiltration --> 0,01 - 0,001 mikrometer (organische Verbindungen, zweiwertige Ionen)
Umkehrosmose --> zusätzlich einwertige ionen
Welche Filtrationsbereiche unterschiede man, mit Angabe der ungefähren Partikelgrössen
Mikrofiltration --> bis zu 0,2 mikrometer (Zooplanktion, Algen, Trübung, Bakterien, Suspendierte Partikel)
Ultrafiltration --> 0,1 - 0,01 mikrometer (Makromoleküle, Viren, Kolloide)
Nanofiltration --> 0,01 - 0,001 mikrometer (organische Verbindungen, zweiwertige Ionen)
Umkehrosmose --> zusätzlich einwertige ionen
Welche Teilchengrössen kann man mit der Mikrofiltration abtrennen?
Teilchen bis zu 0,2 Mikrometer grösse --> Algen, Bakterien, Zooplankton, Trübung, Suspendierte Partikel
Nennen Sie 5 charakteristische Kenngrössen von Filterhilfsmitteln und/oder Filterschich-ten.
- Permeabilität --> Kehrwert der Filterwiderstandes, Masseinheit für die Durchlässigkeit
- Korngrössenverteilung --> Kennzeichen für die hydraulische Leitfähigkeit
- Oberflächenladung --> Strömungspotential
- Elektrophorese
- Elektroosmose
- Sedimentationspotential
- Strömungspotential
Nennen Sie mindestens drei Effekte, die bei der Filtration mit Tiefenfiltern für die Rückhaltung von Teilchen verantwortlich sind.
Siebfiltration --> an der Oberfläche (Porengrösse des Filtermediums kleiner als Partikelgrösse, führt mit Fortschreitender Filterung zur Verstopfung des Filters)
Tiefenfiltration --> innerhalb des Filtermediums
Adsorptionseffekte --> elektrokinetische Eigenschaften an der inneren Oberfläche
Was versteht man unter Cross-Flow- (Querstrom-)Filtration?
Suspension fliest mit hoher Geschwindigkeit quer über Filterfläche.
Wie ist ein Mehrschichtfilter aufgebaut?
Filterschüttung besteht aus mehreren Filtermaterialien unterschiedlicher Dichte und Körnung
Definition Biofilm
Die Mehrheit aller Mikroorganismen leben in Zellaggregaten und nicht in suspendierter Form. Solche Aggregate können als Filme an Grenzflächen und als Flocken ("schwebende Biofil-me"), sowie im Schlamm vorkommen. Alle diese Vorkommensweisen von Mikroorganismen werden unter dem Begriff "Biofilm“ zusammengefasst.
Wie bzw. womit können sich Mikroorganismen an geeignete Oberflächen festsetzen?
- Fimbrien dienen v.a. zur Erkennung und An-haftung an Wirtszellen. Die klebrigen Enden haften an der Wirtsmembran (= Adhäsion).
- Spezielle Haftstrukturen: Bestimmte Bakterien können sich wie andere Aufwuchsorganismen (z.B. Glockentier-chen in Belebtschlamm) mit Hilfe eines Stiels an Oberflächen verankern.
Beschreiben Sie kurz die Funktionen der EPS (extrazellulären polymeren Substanzen)
EPS sind Makromoleküle, welche Mikroorganismen für den Aufbau von Biofilmen bilden und ausscheiden.
Adhäsion an belebte und unbelebte Ober-flächen (erster Schritt der Kolonisation).
Aggregation der Zellen, Flocken- oder Bio-filmbildung und Stabilisierung der Lebens-gemeinschaft.
Zell-Zell-Erkennung, wichtig für symbio-tische Beziehungen untereinander.
Strukturelemente: Für mechanische Sta-bilität und Formgebung (Abb. rechts).
Schutz vor Giften wie Antibiotika, Schwer-metallen, Desinfektionsmittel oder anderen Schadstoffen, aber auch vor Schutz vor dem Immunsystem, Parasiten und Weide-organismen.
Aufnahme, Binden und Speichern von Wasser, Ionen und organischen Stoffen (Schleim besteht mehrheitlich aus Wasser).
Enzymatische Aktivitäten durch extrazelluläre Enzyme für den Abbau von Polymeren als Nähr-stoffquelle.
Wie finden Mikroorganismen Oberflächen und wie können sie Biofilme wieder verlassen (aktive und passive Vorgänge)
Weiterverbreitung von Biofilmbildnern
Aktiv:
Entweder werden gewisse Bewohner des Biofilms wieder mobil (nach weiterem Quorum Sensing) und schwärmen aus
Passiv:
durch Strömungen werden Teile des Biofilms abgerissen und verfrachtet.
Welche Funktionen haben Biofilme im Aquifer?
Selektionsprozesse: Oft können eingeschleppte, systemfremde Bakterien nicht längere Zeit über-leben (Nährstoffmangel etc.)
Konkurrenzdruck: Bereits vorhandene stabile Lebensgemeinschaften erschweren oder verhindern die Etablierung von neu hinzu gekommenen Arten.
Wo in der Trinkwasseraufbereitung spielen Biofilme eine wichtige Rolle?
Quellwasser:
Natürliche Reinigung des Wassers durch Bodeninfiltration mit Hilfe von Biofilmen.
Gewinnen von Grundwasser:
Aufbereitung mit Langsam-Sandfiltern. Damit soll die Bodenpassage nachgeahmt werden. Es findet allerdings nur eine Oberflächenfiltration statt. Auf dem Filter bildet sich eine Schmutz-decke aus. In diesen Biofilm finden div. biologische Abbauprozesse statt
Welche Probleme können Biofilme in Wasserleitungen, direkt und indirekt, verursachen?
Zusammen mit Kalkablagerungen und Korro-sionsschäden können mit der Zeit die Leitun-gen, Ventile etc. Schaden nehmen und verstopfen. In den Biofilmen der Warmwasserleitungen können sich auch Legionellen ansiedeln
Weshalb wird in ARA gezielt nitrifiziert, wenn dabei doch gar kein Stickstoff aus dem Abwasser entfernt wird?
o Weil so durch eine spätere Dinitrifikation das Nitrat in Stickstoff und Stickoxide umgewandelt werden kann.
Ist es wahrscheinlich, dass in einem Biofilm gleichzeitig denitrifiziert und Methan gebildet wird? Weshalb? Weshalb nicht?
Nein
Denitrifikation
Anoxisch (ohne Sauerstoff, mit Nitrat)
Methanproduktion
anaerob (Ohne Sauerstoff, ohne Nitrat)
Warum gibt es Belüftungsbecken von ARA, welche verglichen mit „herkömmlichen Belüftungen“ nur eine halb so hohe Überschussschlammproduktion aufweisen?
o Keine Ahnung (Vielleicht weil Phosphoranreicherung mehre Durchgänge braucht…)
Welche Auswirkung hat der unterschiedliche KS aerober und anaerober Organismen in natürlichen Systemen?
o Ks gleich Halbsättigungskonstante
o Aerobe Organismen können auch bei tiefen Substratkonzentrationen noch schnell wachsen und so hinterlassen sie nur einen kleinen Restwert.
Anaerobe Systeme erreichen in der Regel keine Direkteinleiterkonzentrationen und hinterlassen hohe Restsubstratkonzentr
Unter welchen Bedingungen findet Nitrifikation in einem Boden statt und wie wirkt sie sich aus?
o Ks gleich Halbsättigungskonstante
o Aerobe Organismen können auch bei tiefen Substratkonzentrationen noch schnell wachsen und so hinterlassen sie nur einen kleinen Restwert.
Anaerobe Systeme erreichen in der Regel keine Direkteinleiterkonzentrationen und hinterlassen hohe Restsubstratkonzentr
Warum steigt in letzter Zeit das Interesse an der Methanisierung als mikrobiologischer Reaktion?
o Stichwort Power-to-Gas; In der Methanisierung wird eine Speichermöglichkeit für elektrische Energie gesehen, was in Betrachtung auf die Energiewende dringend notwendig ist.
Weshalb versauern Biogasfermenter nicht, wenn O2 zur Oxidation von H2S in den Kopfraum eingebracht wird?
o Das H2S wird aerob zu Schwefel, dass kann er nur im Kopfraum und nicht im anaeroben Teil. Im Kopfteil werden Drähte gespannt um die Schwefelreaktion zu ermöglichen. Diese Drähte voller Schwefel können ausgewechselt werden.
Weshalb erhält man aus schwefelreichen Industrieabwässern (z.B. Zellstofffabrikation, Fermentationsbrühen) auch bei guter Biogasproduktion ein eher methanarmes Gas?
Bei Schwefelreichen Inputstoffen finden auch Schwefelreaktionen statt. Sowohl Methan- als auch Schwefelreaktionen benötigen Wasserstoff. Dadurch entsteht eine Konkurrenz Situation und der Methanoutput ist kleiner
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Flashcards
Nenne drei physikalische Eigenschaften nach welchen ein Filtration durchgeführt werden kann
- Porgengrösse
- Oberflächenladung
- Permeabilität
Definition Filtration
Filtration ist eine mechanische oder physikalische Methode, um feste von flüssigen Bestandteilen zu trennen. Zweck der Filtration ist im einfachsten Fall das Reinigen einer Flüssigkeit (Klären), oder die Gewinnung eines abgetrennten Wertstoffes.
Wie erfolgt die Unterteilung der unterschiedlichen Filtrationsbereiche?
Nach der grösse der gefilterten Partikel:
Mikrofiltration --> bis zu 0,2 mikrometer (Zooplanktion, Algen, Trübung, Bakterien, Suspendierte Partikel)
Ultrafiltration --> 0,1 - 0,01 mikrometer (Makromoleküle, Viren, Kolloide)
Nanofiltration --> 0,01 - 0,001 mikrometer (organische Verbindungen, zweiwertige Ionen)
Umkehrosmose --> zusätzlich einwertige ionen
Welche Filtrationsbereiche unterschiede man, mit Angabe der ungefähren Partikelgrössen
Mikrofiltration --> bis zu 0,2 mikrometer (Zooplanktion, Algen, Trübung, Bakterien, Suspendierte Partikel)
Ultrafiltration --> 0,1 - 0,01 mikrometer (Makromoleküle, Viren, Kolloide)
Nanofiltration --> 0,01 - 0,001 mikrometer (organische Verbindungen, zweiwertige Ionen)
Umkehrosmose --> zusätzlich einwertige ionen
Welche Teilchengrössen kann man mit der Mikrofiltration abtrennen?
Teilchen bis zu 0,2 Mikrometer grösse --> Algen, Bakterien, Zooplankton, Trübung, Suspendierte Partikel
Nennen Sie 5 charakteristische Kenngrössen von Filterhilfsmitteln und/oder Filterschich-ten.
- Permeabilität --> Kehrwert der Filterwiderstandes, Masseinheit für die Durchlässigkeit
- Korngrössenverteilung --> Kennzeichen für die hydraulische Leitfähigkeit
- Oberflächenladung --> Strömungspotential
- Elektrophorese
- Elektroosmose
- Sedimentationspotential
- Strömungspotential
Nennen Sie mindestens drei Effekte, die bei der Filtration mit Tiefenfiltern für die Rückhaltung von Teilchen verantwortlich sind.
Siebfiltration --> an der Oberfläche (Porengrösse des Filtermediums kleiner als Partikelgrösse, führt mit Fortschreitender Filterung zur Verstopfung des Filters)
Tiefenfiltration --> innerhalb des Filtermediums
Adsorptionseffekte --> elektrokinetische Eigenschaften an der inneren Oberfläche
Was versteht man unter Cross-Flow- (Querstrom-)Filtration?
Suspension fliest mit hoher Geschwindigkeit quer über Filterfläche.
Wie ist ein Mehrschichtfilter aufgebaut?
Filterschüttung besteht aus mehreren Filtermaterialien unterschiedlicher Dichte und Körnung
Definition Biofilm
Die Mehrheit aller Mikroorganismen leben in Zellaggregaten und nicht in suspendierter Form. Solche Aggregate können als Filme an Grenzflächen und als Flocken ("schwebende Biofil-me"), sowie im Schlamm vorkommen. Alle diese Vorkommensweisen von Mikroorganismen werden unter dem Begriff "Biofilm“ zusammengefasst.
Wie bzw. womit können sich Mikroorganismen an geeignete Oberflächen festsetzen?
- Fimbrien dienen v.a. zur Erkennung und An-haftung an Wirtszellen. Die klebrigen Enden haften an der Wirtsmembran (= Adhäsion).
- Spezielle Haftstrukturen: Bestimmte Bakterien können sich wie andere Aufwuchsorganismen (z.B. Glockentier-chen in Belebtschlamm) mit Hilfe eines Stiels an Oberflächen verankern.
Beschreiben Sie kurz die Funktionen der EPS (extrazellulären polymeren Substanzen)
EPS sind Makromoleküle, welche Mikroorganismen für den Aufbau von Biofilmen bilden und ausscheiden.
Adhäsion an belebte und unbelebte Ober-flächen (erster Schritt der Kolonisation).
Aggregation der Zellen, Flocken- oder Bio-filmbildung und Stabilisierung der Lebens-gemeinschaft.
Zell-Zell-Erkennung, wichtig für symbio-tische Beziehungen untereinander.
Strukturelemente: Für mechanische Sta-bilität und Formgebung (Abb. rechts).
Schutz vor Giften wie Antibiotika, Schwer-metallen, Desinfektionsmittel oder anderen Schadstoffen, aber auch vor Schutz vor dem Immunsystem, Parasiten und Weide-organismen.
Aufnahme, Binden und Speichern von Wasser, Ionen und organischen Stoffen (Schleim besteht mehrheitlich aus Wasser).
Enzymatische Aktivitäten durch extrazelluläre Enzyme für den Abbau von Polymeren als Nähr-stoffquelle.
Wie finden Mikroorganismen Oberflächen und wie können sie Biofilme wieder verlassen (aktive und passive Vorgänge)
Weiterverbreitung von Biofilmbildnern
Aktiv:
Entweder werden gewisse Bewohner des Biofilms wieder mobil (nach weiterem Quorum Sensing) und schwärmen aus
Passiv:
durch Strömungen werden Teile des Biofilms abgerissen und verfrachtet.
Welche Funktionen haben Biofilme im Aquifer?
Selektionsprozesse: Oft können eingeschleppte, systemfremde Bakterien nicht längere Zeit über-leben (Nährstoffmangel etc.)
Konkurrenzdruck: Bereits vorhandene stabile Lebensgemeinschaften erschweren oder verhindern die Etablierung von neu hinzu gekommenen Arten.
Wo in der Trinkwasseraufbereitung spielen Biofilme eine wichtige Rolle?
Quellwasser:
Natürliche Reinigung des Wassers durch Bodeninfiltration mit Hilfe von Biofilmen.
Gewinnen von Grundwasser:
Aufbereitung mit Langsam-Sandfiltern. Damit soll die Bodenpassage nachgeahmt werden. Es findet allerdings nur eine Oberflächenfiltration statt. Auf dem Filter bildet sich eine Schmutz-decke aus. In diesen Biofilm finden div. biologische Abbauprozesse statt
Welche Probleme können Biofilme in Wasserleitungen, direkt und indirekt, verursachen?
Zusammen mit Kalkablagerungen und Korro-sionsschäden können mit der Zeit die Leitun-gen, Ventile etc. Schaden nehmen und verstopfen. In den Biofilmen der Warmwasserleitungen können sich auch Legionellen ansiedeln
Weshalb wird in ARA gezielt nitrifiziert, wenn dabei doch gar kein Stickstoff aus dem Abwasser entfernt wird?
o Weil so durch eine spätere Dinitrifikation das Nitrat in Stickstoff und Stickoxide umgewandelt werden kann.
Ist es wahrscheinlich, dass in einem Biofilm gleichzeitig denitrifiziert und Methan gebildet wird? Weshalb? Weshalb nicht?
Nein
Denitrifikation
Anoxisch (ohne Sauerstoff, mit Nitrat)
Methanproduktion
anaerob (Ohne Sauerstoff, ohne Nitrat)
Warum gibt es Belüftungsbecken von ARA, welche verglichen mit „herkömmlichen Belüftungen“ nur eine halb so hohe Überschussschlammproduktion aufweisen?
o Keine Ahnung (Vielleicht weil Phosphoranreicherung mehre Durchgänge braucht…)
Welche Auswirkung hat der unterschiedliche KS aerober und anaerober Organismen in natürlichen Systemen?
o Ks gleich Halbsättigungskonstante
o Aerobe Organismen können auch bei tiefen Substratkonzentrationen noch schnell wachsen und so hinterlassen sie nur einen kleinen Restwert.
Anaerobe Systeme erreichen in der Regel keine Direkteinleiterkonzentrationen und hinterlassen hohe Restsubstratkonzentr
Unter welchen Bedingungen findet Nitrifikation in einem Boden statt und wie wirkt sie sich aus?
o Ks gleich Halbsättigungskonstante
o Aerobe Organismen können auch bei tiefen Substratkonzentrationen noch schnell wachsen und so hinterlassen sie nur einen kleinen Restwert.
Anaerobe Systeme erreichen in der Regel keine Direkteinleiterkonzentrationen und hinterlassen hohe Restsubstratkonzentr
Warum steigt in letzter Zeit das Interesse an der Methanisierung als mikrobiologischer Reaktion?
o Stichwort Power-to-Gas; In der Methanisierung wird eine Speichermöglichkeit für elektrische Energie gesehen, was in Betrachtung auf die Energiewende dringend notwendig ist.
Weshalb versauern Biogasfermenter nicht, wenn O2 zur Oxidation von H2S in den Kopfraum eingebracht wird?
o Das H2S wird aerob zu Schwefel, dass kann er nur im Kopfraum und nicht im anaeroben Teil. Im Kopfteil werden Drähte gespannt um die Schwefelreaktion zu ermöglichen. Diese Drähte voller Schwefel können ausgewechselt werden.
Weshalb erhält man aus schwefelreichen Industrieabwässern (z.B. Zellstofffabrikation, Fermentationsbrühen) auch bei guter Biogasproduktion ein eher methanarmes Gas?
Bei Schwefelreichen Inputstoffen finden auch Schwefelreaktionen statt. Sowohl Methan- als auch Schwefelreaktionen benötigen Wasserstoff. Dadurch entsteht eine Konkurrenz Situation und der Methanoutput ist kleiner
