Aufgabe Vorschlag B - Aufgabe 1 · Abitur Hessen Umwelttechnik LK 2021

1.1 Skizzieren Sie schematisch ein Funktionsschaltbild der Kläranlage Erftstadt-Köttingen mit dazugehöriger Schlammbehandlung und beschriften Sie es (Material 2).

Lösung: Erwartet wird eine schematische Skizze mit: - Abwasserlinie: Zulauf, Regenentlastung, Rechen, Sandfang, Vorklärbecken, Belebungsbecken (mit Belüftung), Nachklärbecken, Ablauf. - Schlammlinie: Rücklaufschlamm (zurück ins Belebungsbecken), Überschussschlamm, Primär- und Überschussschlamm zum Voreindicker, Faulraum / Faulturm, Nacheindicker, Schlammpresse / Entwässerung, Schlammentsorgung.

1.1 Benennen Sie die drei Reinigungsstufen einer Kläranlage.

Lösung: mechanische Reinigungsstufe / biologische Reinigungsstufe / chemische Reinigungsstufe

1.2 Erklären Sie die gesamte Klärschlammführung durch die Anlage, indem Sie auf die unterschiedlichen Stationen der Schlammbehandlung eingehen.

Lösung: - Primärschlamm bildet sich durch Absetzen von mittleren und feinen ungelösten Stoffen im Vorklärbecken auf Grund der niedrigen Strömungsgeschwindigkeit. - Im Belebungsbecken verstoffwechseln die Mikroorganismen die gelösten organischen Substanzen aus dem Abwasser und vermehren sich dabei. Durch Koloniebildung der Mikroorganismen im Belebungsbecken entstehen Flocken. Diese Flocken bilden den Belebtschlamm. - Im Nachklärbecken setzt sich der Belebtschlamm durch nahezu nicht mehr vorhandene Strömungsgeschwindigkeit zur Beckensohle ab und wird vom gereinigten Abwasser abgetrennt. - Mit einem Teil des Rücklaufschlamms aus dem Nachklärbecken wird das Belebungsbecken zurückgeimpft. Dadurch wird sichergestellt, dass die Zusammensetzung der optimal angepassten Mikroorganismen erhalten und stabilisiert wird. - Der Rest wird dem System als Überschussschlamm entnommen, um die organische Schmutzfracht aus dem Kreislauf zu entfernen. - Ein Teil des Überschussschlamms wird in das Vorklärbecken zur Verbesserung des Schlammabsetzverhaltens zurückgeführt und dient der Anregung des mikrobiellen Abbaus, bevor das Abwasser in das Belebungsbecken kommt. - Um das Volumen für den Faulturm zu reduzieren, wird dem Überschussschlamm und Primärschlamm im Voreindicker Wasser entzogen. - Im Faulturm findet durch anaerobe Mikroorganismen eine weitgehende Mineralisierung des organischen Schlammanteils statt. - Der Wasseranteil im Nacheindicker und in der anschließenden Presse wird reduziert, damit die Restfeuchte für die nachfolgende Klärschlammentsorgung nicht zu hoch ist.

1.3 Vergleichen Sie das in der Kommune Erftstadt vorhandene Mischwassernetz mit einem Trennwassernetz. Untersuchen Sie den Einfluss, den das Kanalnetzsystem auf die Reinigungsleistung der Kläranlage hat.

Lösung: Vergleich: - Im Mischnetzsystem werden alle Abwässer (Schmutz-, Fremd- und Regenwasser) in einer gemeinsamen Leitung gemischt abgeführt, während im Trennnetzsystem getrennte Leitungssysteme für Schmutzwasser sowie Regen- und Fremdwasser angelegt werden. - Die Abmessung der Kanäle im Mischnetzsystem muss für den Regenwasserabfluss dimensioniert werden, der mehr als das Hundertfache des Schmutzwasserabflusses betragen kann. Im Trennnetzsystem müssen die Rohre für das Schmutzwasser sehr viel kleiner dimensioniert werden. - Das Mischnetzsystem erfordert die zusätzliche Einrichtung von Bauwerken zur Mischwasserentlastung (z. B. Regenüberlaufbecken), die im Trennnetzsystem nicht erforderlich sind. - In Zeiten ohne Niederschläge sind die Abwasserkanäle im Mischnetzsystem nicht ausgelastet und es bilden sich Ablagerungen, die bei Starkregenereignissen weggespült werden. Im Trennnetzsystem gibt es ebenfalls eine Neigung der Schmutzwasserleitungen zur Bildung von Ablagerungen. Da diese nicht durch große Regenwassermengen durchspült werden, entstehen beim Trennnetzsystem zusätzliche Kosten für das Reinigen der Schmutzwasserkanäle. - Der Aufwand bei der Erstellung der Anschlüsse ist im Mischnetzsystem geringer, da nur ein Kanalsystem installiert und betrieben werden muss. - Die Gefahr eines Fehlanschlusses (Einleitung von Schmutzwasser in Regenwasserkanäle) wird beim Mischnetzsystem vermieden. Der Anschluss von Neubauten im Trennnetzsystem ist komplizierter als im Mischnetzsystem, da alle Leitungen in doppelter Ausführung verlegt werden müssen. Einfluss auf die Reinigungsleistung: *Mischnetzsystem:* - Bei Starkregenereignissen können die Regenrückhaltebecken der Kläranlage nicht die gesamte Abwassermenge aufnehmen und diese muss ungeklärt in die Gewässer eingeleitet werden. Dies ist nur dann problematisch, wenn durch leicht abbaubare (sauerstoffzehrende) Substanzen die Grenzwerte für Sauerstoff im Gewässer unterschritten werden. - Die Gewässerbelastung wird dadurch nicht zwangsläufig höher, da bei Starkregenereignissen eine Konzentrationsverdünnung des Schmutzwassers stattfindet und bei normalen Wetterlagen der Großteil des Regenabflusses mitgereinigt wird (Rückstände aus dem Straßenverkehr, z. B. Schwermetalle usw.). *Trennnetzsystem:* - Kläranlagen werden von großen Regenwassermengen entlastet. - Die Kläranlage arbeitet im Betrieb günstiger, da das Schmutzwasser in geringerer und sehr viel kontinuierlicherer Menge mit konstanter Konzentration an Schmutzfracht anfällt. - Insbesondere nach langen Trockenzeiten gelangt mit Regenwasser von Verkehrsflächen und Dächern abfließendes, belastetes Wasser ungereinigt in den Vorfluter.

1.4 Erklären Sie den Begriff Einwohnergleichwert.

Lösung: Der Einwohnergleichwert dient dem Vergleich von gewerblichen Abwässern mit den Abwässern aus den Haushalten. Ein Einwohnergleichwert entspricht der gleichen BSB₅-Fracht, die das Einwohneräquivalent pro Tag erzeugen würde.

1.4 Berechnen Sie die Masse des von der Kläranlage verbrauchten Sauerstoffs pro Tag.

Lösung: $4\,200\,000\,\mathrm{g/d}$ / $4\,200\,\mathrm{kg/d}$ / $4{,}2\,\mathrm{t/d}$

1.4 Berechnen Sie hieraus den Einwohnerwert der Kläranlage.

Lösung: $70\,000\,\mathrm{E}$ / $70\,000\,\mathrm{EW}$

1.4 Berechnen Sie den Einwohnergleichwert der angeschlossenen Gewerbebetriebe von Erftstadt-Köttingen (Material 2).

Lösung: $20\,500\,\mathrm{E}$ / $20\,500\,\mathrm{EGW}$

1.5 Beurteilen Sie die kurz- und mittelfristigen Folgen der Einleitung der Zuckermengen über den beschriebenen Zeitraum für den Betrieb der Kläranlage und für das Flüsschen Erft.

Lösung: Folgen für die Kläranlage: - Die Biozönose im Belebungsbecken ist an die relativ konstante Zusammensetzung des kommunalen Abwassers angepasst und reagiert sehr empfindlich auf große Veränderungen des Abwassermilieus. - Durch Veränderung der Zusammensetzung des Abwassers, insbesondere durch große Mengen sehr leicht abbaubarer Substanzen, wird die Besiedelung durch fremde Mikroorganismen gefördert. Diese haben eine sehr hohe Wachstumsrate auf Grund des leicht abbaubaren Zuckersubstrats. - Diese Mikroorganismen können die flockenbildenden Mikroorganismen kurzfristig vollständig verdrängen, sodass es nur noch zur teilweisen Verstoffwechselung der schwerabbaubaren Fäkalien kommt. - Da die neuen Mikroorganismen keine Flocken bilden, lassen sie sich kaum im Nachklärbecken absetzen und daher nur schlecht aus dem Abwasser entfernen. - Ohne geeignete Maßnahmen vergehen mehrere Wochen, bis sich die Biozönose der flockenbildenden Mikroorganismen wieder erholt. In dieser Zeit verläuft der Fäkalienabbau unzureichend. Folgen für das Flüsschen: - Durch den Zusammenbruch der Mikrobiologie im Belebungsbecken gelangen große Mengen an organischen Substanzen in den Vorfluter. - Durch das ungeklärte Abwasser erhöht sich die Konzentration der Schmutzfracht im Fluss. - Es kommt zur Verlagerung des biologischen Abbaus dieser Nährstoffe in das kleine Flüsschen Erft und zur Sauerstoffzehrung im Flusswasser. - Durch die Abnahme von gelöstem Sauerstoff im Flusswasser kommt es möglicherweise zum Fischsterben. Dies wird durch die höheren Temperaturen im Sommer und dem fehlenden Regen verstärkt, weil die Löslichkeit von Gasen bei hohen Temperaturen abnimmt.

1.6 Entwickeln Sie drei Sofortmaßnahmen nach dem Störfall und begründen Sie diese.

Lösung: Drei geeignete Gegenmaßnahmen, z. B.: - Der Zufluss zur Erft muss abgesperrt werden, damit es dort nicht zur Sauerstoffzehrung kommen kann. Das kontaminierte Abwasser wird in den Regenrückhaltebecken der Kläranlage als Pufferspeicher für mehrere Tage zurückgehalten. Die kurzfristige Zwischenspeicherung ist möglich, da es in der betreffenden Zeit nicht geregnet hat und das Regenüberlaufbecken somit zur Verfügung steht. - Frischer Impfschlamm aus anderen Kläranlagen muss eingebracht werden. Dadurch kann sich die Biozönose im Belebungsbecken schneller erholen, nachdem die Zuckerlösung abgebaut wurde. - Abwasser wird mit Tankfahrzeugen portionsweise zu benachbarten Kläranlagen verbracht. Die Zufuhr der kleineren Portionen stellt für deren biologische Reinigungsstufen keine Gefahr dar. - Ein Teil des ungeklärten Abwassers kann, zusammen mit einem ausreichenden Zufluss an frischem Trinkwasser zur Verdünnung der Schmutzfrachtkonzentration, in die Erft geleitet werden.