Abwasserreinigung (Fach) / Grundlagen (Lektion)

Grundlagen

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• Wachstumsfunktion Mikroorganismen!Formel! X(t) = X0· exp(μ · t)  bei X = X0    bei t = 0 ,X = Konzentration der Bakterien [Masse/ml]μ = Wachstumsgeschwindigkeit [1/d]t = Zeit [d]
• Hydrolyse?Erläutere kurz!(3) organischen Abwasserinhaltsstoffe, die partikulär, kolloidal oder in Form langkettiger Verbindungen vorliegen, können nicht von den Bakterien aufgenommen werden. Die Bakterien scheiden daher Enzyme aus, die diese Stoffe in einzelne, wasserlösliche Substanzen (z. B. Zucker, Amino-und Fettsäuren zerlegen) zerlegen, sodass sie als Substrat für die Bakterien verfügbar werden. Hydrolyse benötigt Zeit, was wiederum den Abbauprozess verlangsamt
• Nährstoffbedarf!Es werden 100 kg BSB5abgebaut. Wieviel Stickstoff und Phosphor werden hierbei ungefähr biologisch fixiert? Die Mikroorganismen benötigt zum Aufbau ihrer Biomasse organische Stoffe wie Kohlenhydrate, Proteine oder Nukleinsäure.Diese Stoffe enthalten aber auch organische gebundenen Stickstoff und Phosphor, sodass auf diesem Weg bereits ein Teil dieser Nährstoffe aus dem Abwasser entfernt wird:•Stickstoffbedarf:0,04 –0,05 g N pro g abgebauten BSB5•Phosphorbedarf:0,01 –0,02 g N pro g abgebauten BSB5 :•Stickstoffbedarf:100 kg BSB5· 0,045 = 4,5 kg N•Phosphorbedarf:100 kg BSB5· 0,015 = 1,5 kg P
• Was beschreibt die MONOD-Kinetik? Es gibt einen nicht-linearen Zusammenhang zwischen der Substratkonzentration und der Wachstumsrate. Ein Ansatz der versucht, diesen Zusammenhang zu beschreiben, ist die Monod-Gleichung: μ = μmax· S/(KS+S) μ = Wachstumsgeschwindigkeit der Bakterien in 1/dS= Substratkonzentration im Reaktor [g/m3]KS= Substratkonzentration, bei der die halbe maximale = Wachstumsgeschwindigkeit erreicht wird [g/m3]
• Substratatmung: ist die eigentliche Basis der biologischen Abwasserreinigung. Um welche Prozesse handelt es sich?(5) Dabei handelt es sich um folgende Stoffwechsel-bzw. Abbauprozesse:•Aerober Abbau organischer Stoffe•Nitrifikation•Denitrifikation•Anaerober Abbau organischer Stoffe•Biologische Phosphorelimination
• Was versteht man unter aeroben, anoxischen, aeroben Prozessen? Es gibt Abwasserreinigungsprozesse, die nur dann ablaufen, wenn eine ausreichende Konzentration an gelösten Sauerstoff vorhanden ist (aerobe Prozesse). anderen biologischen Prozessen benötigen die Bakterien hingegen niedrige Sauerstoffkonzentrationen, damit sie alternativ auf den chemisch gebundenen Sauerstoff zurückgreifen (anoxische Prozesse). Schließlich gibt es auch biologische Prozesse, die nur dann effektiv ablaufen, wenn Sauerstoff weder in gelöster noch in chemisch gebundener Form einfach zugänglich ist (anaerobe Prozesse).
• Aerober Abbau organische Stoffe wird durch welche MO durchgeführt und wie lautet die Reaktionsgleichung am Beispiel der Kohlenhydrate? Der Abbauprozess erfolgt durch heterotrophe Mikroorganismen, die die organischen Stoffe mineralisieren und dadurch Energie gewinnen sowie Zellmasse aufbauen diese Mikroorganismenvermehren sich schnell und sind daher in der Regel nicht limitierend für den Prozess Reaktionsgleichung (am Beispiel von Kohlenhydrat): CH2O + O2→CO2+ H2O+ Energie
• Was ist Nitrifikation?Welche Bakterien und welche Stoffe wozu umgeandelt? Bei der Nitrifikation wird Ammonium (NH4) in zwei Schritten durch Bakterien zunächst zu Nitrit (NO2) und dann zu Nitrat (NO3) oxidiert. Reaktionsgleichung:Nitritation: NH4++ 1,5 O2->2 H++ H2O + NO2-+ EnergieNitratation:NO2-+ 0,5 O2->NO3-+ EnergieNitrifikation:NH4++ 2,0 O2->NO3-+ 2 H++ H2O + Energie Diese autotrophen Bakterien (Nitrosomonas, Nitrobakter) benötigen mehr gelösten Sauerstoff als heterotrophe Bakterien, den wir in das Abwasser eintragen müssen. ->Energieintensiv (Strom)!
• Welcher Prozess ist der geschwindigkeitsbestimmende in der Abwassereinigung und warum? Nitrifikation autotrophen Bakterien (Nitrosomonas, Nitrobakter) diese Bakterien wachsen langsamer als heterotrophe Bakterien
• Warum gelten Überwachungswerte für Ammonium und Stickstoff laut Abwasserverordnung nur bei Abwassertemperaturen über 12°C? langsames Wachtum autotropher Bakterien zur Nitrifikation reinigungsleistung kann nur bei Ausreicchenden Temperaturen gewährleistet werden
• Erläutere Denitrifikation!Was wird umgewandelt? Reaktionsgleichung? Bedingungen? Bei der Denitrifikation wird Nitrat (NO3) durch heterotrophe Bakterien zu elementaren Stickstoff (N2) reduziert, der in die Atmosphäre entgast. Dabei können die meisten heterotrophen Bakterienarten, die organischen Stoffe aerob abbauen, auch denitrifizieren. Diese Bakterien benötigen hierfür aber niedrige Sauerstoffkonzentra-tionen, damit sie alternativ auf den chemisch gebundenen Sauerstoff (was für sie energetisch ungünstiger ist) zurückgreifen Die Bakterien benötigen weiterhin leicht abbaubare Kohlenstoffverbindungen. Reaktionsgleichung (am Beispiel von Kohlenhydrat):5CH2O + 4NO3-+ 4H+ -->5CO2+ 7H2O + 2N2↑+ Energie
• Was ist anaerober Abbau organischer Stoffe?(1)In welchem Bereich der Abwasserreinigung eingesetzt?(2)Welche Bedingungen müssen vorliegen?(2) 4-stufigen, komplexen Abbauprozess in der Industrieabwasser-und Klärschlammbehandlung eine wichtige Rolle Bedingungen: Sauerstoffmangel bzw.Sauerstofffreiheit effizient: Temperaturen zwischen 30 bis 40 °C(mesophil) oder 50 bis 60 °C(thermophil)
• Phosphorelimination: Erläutern Sie kurz den Prozess!!(6) heterotrophe Bakterien, die Polyphosphate als Speicherstoffe bilden und in die Zelle einlagern können Im Vergleich zum normalen Phosphorgehalt der Zelle (ca. 1 –2 %), können diese Bakterien unter idealen Randbedingungen bis zu 15 % eingelagert werden Durch Einstellung der erforderlichen Randbedingungen kann somit deutlich mehr Phosphor eliminiert werden und somit chemische Fällmittel eingespart werden: Im anaeroben Milieu verbrauchen die Bakterien Polyphosphat und nutzen den Energiegewinn um organische Speicherstoffe (Polysubstrate) in die Zelle einzulagern; die Phosphatkonzentration im Abwasser steigt zunächst an Dieser Schritt ist besonders effektiv, wenn gelöste, leicht abbaubare organische Verbindungen (z. B. organische Säuren) vorhanden sind In einem aeroben bzw. anoxischen Milieu werden hingegen nun die Polysubstrate abgebaut und stattdessen Polyphosphate gebildet; hierdurch sinkt die Phosphatkonzentration im Abwasser
• Nenne die 3 Grundtypen idealer Reaktoren und 2 Modifikationen dieser! Diskontinuierlicher Rührkesselreaktor Kontinuierlicher Rührkesselreaktor Kontinuierlicher Rohrreaktor Modifikationen: Reaktoren mit einer Rückführung Reihenschaltung (z. B. Kaskadenschaltung von Rührkesselreaktoren)
• Erkennen oder erklären können eines diskontinuerlichen Rührkessels!(Batch reaktor) Abwachselnd Füllphase Reaktionsphase (voll durchmischt) Entleerungsphase (siehe Skript Grundlagen S.92ff))
• Skizziere den Konzentrationsverlauf in einem Diskontinuerlichen Rührkessel! Nenne Vor-und Nachteile dieses Reaktortyps!(4)(gegenüber Rührkessel) (siehe Grundlagen S. 93f) Vorteile: Im Prinzip kann der Prozess so lange fortgesetzt werden bis das gewünschte Abwasserreinigungsziel erreicht wird Höhere Stoffumsätze im Vergleich zu kontinuierlichen Rührkesse Nachteile: Chargenbetrieb kann zu höheren Betriebskosten führen (Energiekosten für Pumpen) Automatisierungsaufwand
• Erläutere kurz das Prinzip(1) und skizziere Konzentrationsverlauf in einem Diagramm! Nenne Vor-und Nachteile des Typs!(3) Skizze Skript S 95 Grundlagen : Volldurchmischung-->Konzentration im Reaktor=Ablauf des Reaktors Vorteile: einfache Einbettung in einen kontinuierlichen Verfahrensablauf Im Normalbetrieb stellt sich oft ein stationärer –oder zumindest stabiler –Zustand ein Nachteile: Aus einen quasi-stationären Betrieb resultieren im Vergleich zur diskontinuierlichen Betriebsführung niedrigere Stoffumsätze
• Erläutere kurz Prinzip Rührkesselkaskade(1)!Was sollte Vermieden werden?(2) Reihenschaltung kontinuerlicher Rührkessel Vermeidung von: Kurzschlussströmungen sowie anfänglich hoher Stoffumsätze
• Skizziere das Prinzip eines kontinuerlichen Rohrreaktors sowie die Konzentrationsverlauf! Nenne Vor-und Nachteile! Siehe Klausuranmerkungen S. 98 REaktionsraum kontinuerlich durchflosse, aber nicht voll durchmischt Reinigung entlang Fließstrecke somit czu größer cab (fallende halbparabel) Vorteile: einfache und kostengünstige Bauart Vergleichbare Betriebsbedingungen führen im Rohrreaktor zu höheren Umsätzen als im Rührkessel Nachteile: Eine ungestörte eindimensionale Strömung kann praktisch nicht realisiert werden Belastungsspitzen können im Extremfall bis in den Ablauf durchschlagen

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