Aufgabe Vorschlag B - 1 - Abwasserreinigung · Abitur Hessen Umwelttechnik LK 2022

1.1 Skizzieren und beschriften Sie das Blockschaltbild einer kommunalen Kläranlage mit belüftetem Sandfang und Regenrückhaltebecken.

Lösung: Skizze und Beschriftung eines vollständigen Blockschaltbilds einer kommunalen Kläranlage: - Zulauf und Regenentlastung / Regenrückhaltebecken - Mechanische Stufe: Rechen, belüfteter Sandfang, Vorklärbecken - Biologische Stufe: Belebungsbecken mit Belüftung, Nachklärbecken, Rücklaufschlamm - Schlammbehandlung: Voreindicker, Faulraum, Nacheindicker, Schlammpresse / Schlammentsorgung

1.2 Nennen Sie fünf Maßnahmen, die durchgeführt werden mussten, bevor die Kläranlage Dümpelfeld wieder in Betrieb genommen werden konnte.

Lösung: Fünf der folgenden Maßnahmen: - Becken entleeren und säubern - Elektroinstallation ersetzen - Defekte Geräte (Räumer, Pumpen, Belüftungsanlagen etc.) reparieren oder austauschen - Kanalisation reparieren - Animpfen des Belebungsbeckens mit Belebtschlamm aus anderen Kläranlagen

1.3 Zeigen Sie, dass die durchschnittliche Verweildauer des Abwassers in der Kläranlage Dümpelfeld ca. zwei Tage beträgt (Material 1).

Lösung: $$t = \frac{V_{\text{Becken}}}{\dot{V}_{\text{Abwasser}}} = \frac{11\cdot 10^6\text{ L}}{20\,000\text{ E} \cdot 250\text{ L}\cdot\text{E}^{-1}\cdot\text{d}^{-1}} = 2{,}2\text{ d} \approx 2\text{ Tage}$$

1.3 Berechnen Sie die Fließgeschwindigkeit in m·s⁻¹ im Kanalrohr, wenn das Rohr halb gefüllt ist.

Lösung: $0{,}23$ m/s / $19894$ m/d

1.4 Erläutern Sie die Abwasserbemessungsgrößen BSB5 und CSB. Analysieren Sie die beiden Messwerte hinsichtlich der Abbaubarkeit der Abwasserinhaltsstoffe in einer Kläranlage und im Vorfluter.

Lösung: - BSB5: Summenparameter für die Menge an Sauerstoff, die von Mikroorganismen zum biotischen Abbau der im Wasser vorhandenen oxidierbaren Stoffe bei 20 °C innerhalb von 5 Tagen veratmet wird. Indirektes Maß für biologisch abbaubare Inhaltsstoffe. - CSB: Maß für die Summe aller im Wasser vorhandenen, unter bestimmten Bedingungen oxidierbaren organischen und anorganischen Stoffe (Sauerstoffäquivalent gemessen über Kaliumdichromat-Verbrauch). - Analyse: Da CSB (67 g/(E·d)) nur unwesentlich größer als BSB5 (60 g/(E·d)) ist, sind die Abwasserinhaltsstoffe sehr gut biologisch abbaubar (nur ca. 10–12 % nicht biologisch abbaubar). In einer funktionierenden Kläranlage sehr gut reinigbar; im Vorfluter führt der Abbau jedoch zu drastischer Sauerstoffzehrung und schwerem Eingriff ins Ökosystem.

1.5 Vergleichen Sie die Einleitung des ungeklärten Abwassers mit der Einleitung des mechanisch gereinigten Abwassers. Beurteilen Sie die mittelfristigen Folgen der Einleitung von lediglich mechanisch gereinigtem Abwasser für den Vorfluter.

Lösung: - Vergleich: * Ungeklärtes Abwasser enthält die volle Schmutzfracht an unlöslichen und gelösten Stoffen sowie Stickstoffverbindungen (Harnstoff, Ammonium, Nitrat, Nitrit). * Mechanisch geklärtes Abwasser enthält nur noch die gelösten Stoffe; die unlöslichen Feststoffe/Schmutzfracht sind weitgehend abgetrennt, die Belastung ist deutlich verringert, gelöste organische Stoffe und Stickstoffverbindungen verbleiben jedoch im Wasser. - Beurteilung der Folgen: * Sauerstoffmangel durch Veratmung der gelösten organischen Stoffe durch aerobe Mikroorganismen, Schädigung höherer Wassertiere (Fische, Krebse). * Toxizität unvollständig oxidierter Stickstoffverbindungen (Ammonium, Ammoniak, Nitrit). * Sauerstoffzehrung durch die Nitrifikation im Gewässer. * Eutrophierung durch Nitrat/Stickstoff als Minimumfaktor, starkes Algenwachstum; nächtlicher Sauerstoffmangel führt zum Ersticken von Organismen.

1.6 Erklären Sie die zeitliche Verzögerung bei der Inbetriebnahme der biologischen Reinigungsstufe.

Lösung: Die biologische Reinigungsstufe beruht auf Mikroorganismen (Belebtschlamm). Nach Zerstörung/Ausspülung müssen diese neu beschafft (z. B. Frischschlamm aus anderen Klärwerken) und ins System eingebracht werden. Die Populationen (aerobe und anaerobe Mikroorganismen) müssen sich vermehren, an die spezifische Schmutzfracht adaptieren und miteinander ein biologisches Gleichgewicht ausbilden. Dieser Einlauf- und Adaptionsprozess dauert mehrere Wochen.

1.7 Vergleichen Sie das Belebtschlammverfahren der bisherigen Klärwerke mit dem Tropfkörperverfahren anhand von vier verschiedenen Kriterien. Beurteilen Sie die Überlegungen, die Belebungsbecken durch Tropfkörperreaktoren auszutauschen.

Lösung: - Vergleich anhand von 4 Kriterien (z. B.): 1. Prinzip/Mikroorganismen: Belebtschlamm = suspendierte Mikroorganismen in Schwebe; Tropfkörper = sessile Mikroorganismen (Biofilm / biologischer Rasen auf Festkörpern). 2. Durchströmung: Belebtschlamm = horizontal durchströmt; Tropfkörper = vertikal durchrieselt/durchströmt. 3. Belüftung: Belebtschlamm = künstliche Belüftung (Einblasen von Luft); Tropfkörper = natürliche Belüftung durch Kaminwirkung/Konvektion (bei offenen Reaktoren). 4. Schlammrücklauf: Belebtschlamm = kontinuierlicher Rücklaufschlamm zwingend nötig; Tropfkörper = kein Schlammrücklauf erforderlich. 5. Platzbedarf: Belebtschlamm = hoher Flächenbedarf; Tropfkörper = geringer Flächenbedarf (Turmbauweise in die Höhe). - Beurteilung: Tropfkörperreaktoren können geschlossen und in die Höhe gebaut werden, wodurch der Biofilm bei künftigen Hochwasserereignissen nicht so leicht ausgespült wird und die Anlage nach Überschwemmungen schneller wieder betriebsbereit wäre. Da Kläranlagen topographisch an tiefen Stellen liegen müssen und Belebungsbecken extrem flutanfällig sind, ist die Überlegung des Betreibers technisch nachvollziehbar und sinnvoll.