Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 12.02.16


Abwasser-Reinigung: Die dritte Stufe

Vortrag von Josephine Hendel, überarbeitet von Carina Preiß im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - AC", WS 14/15


Gliederung:

1 Die Kläranlage
   
1.1 Die mechanische Reinigungsstufe
    1.2 Die biologische Reinigungsstufe

2 Die chemische Stufe
    2.1 Neutralisation / pH - Wert Einstellung
    2.2 Desinfektion
    2.3 Phosphatfällung
    2.4 Stickstoffelimination
    2.5 Enteisenung durch Oxidation
    2.6 Entmanganung durch Oxidation

3 Experiment

Literatur


Einleitung:

Verseuchtes Wasser tötet Millionen jährlich (05.09.2006)

„Jedes Jahr sterben 1,6 Millionen Kinder unter fünf Jahren an verseuchtem Wasser… 2,6 Milliarden Menschen hätten noch nicht mal Zugang zur hygienischen Grundversorgung, dies fördert den Ausbruch an Krankheiten, wie Cholera, Typhus, … Verunreinigtes Wasser bewirkt ca. 80% aller Krankheiten in der dritten Welt….“.[1]

Zurückzuführen ist das Problem auf das Fehlen eines grundlegenden Netzes an Abwasserreinigung, d.h. eine Versorgung mit sauberem Trinkwasser ist nicht gewährleistet. Für uns ist es selbstverständlich jeden Tag mit frischem und sauberem Wasser versorgt zu werden…


1 Die Kläranlage


Abb. 1:Kläranlage Bayreuth [2]

Abwasser (= durch Gebrauch verunreinigtes Wasser) wird in der Kanalisation gesammelt und anschließend über Kanalnetze zu Kläranlage transportiert. Zur Reinigung der unerwünschten Bestandteile, werden in einer Kläranlage mechanische, biologische und chemische Verfahren eingesetzt.


Abb. 2: Skizze einer Kläranlage [3]

1.1 Die mechanische Reinigungsstufe

  • Rechen: grobes Material (Holz, Dosen, Papier)
  • Sandfang: als Absetzbecken, grobe absetzbare Verunreinigungen aus dem Abwasser entfernen (Sand, Steine, Glassplitter)
  • Vorklärbecken: Ungelöste Stoffe (Fäkalstoffe, Papier etc.) setzen sich als Schlamm ab

Der so entstandene sog. Primärschlamm gelangt dann in den Voreindicker, wo er als eingedickter Schlamm in den Faulturm gelangt. Im Faulturm können ca. 30 % der festen, ungelösten Stoffe entfernt werden.

1.2 Die biologische Reinigungsstufe

  • Belebtschlamm-Verfahren: Schaffung günstiger Lebensbedingungen mittels Sauerstoffzufuhr für Bakterien, diese wandeln organisch, gelöste Stoffe in anorganische Stoffe um, wobei sie sich unter Schlammbildung vermehren, dieser wird ins Nachklärbecken eingeleitet.
  • Nachklärbecken: Schlammflocken setzen sich ab, ein Teil wird in den Faulturm geleitet, aber auch Rücklauf ins Belebungsbecken, damit ausreichende Menge an Bakterien zum Abbau vorhanden. Das Abwasser ist jetzt zu etwa 90% von biologisch abbaubaren Stoffen gereinigt.

2 Die chemische Stufe

2.1 Neutralisation / pH – Wert Einstellung

  • Einstellung des gewünschten pH – Wertes durch Zugabe von Säure oder Base
  • Säure: HCl
  • Base: Kalkmilch

2.2 Desinfektion

  • Abtötung von Krankheitserregern durch Zugabe von Chlor, dabei entstehen Nebenprodukte: Chloramine und Kohlenwasserstoffe.
  • Besser ist Zugabe von Chlordioxid ClO2, somit kann vermieden werden, dass halogenierte Kohlenwasserstoffe ( toxisch) entstehen.
  • Auch die Bestrahlung mit UV hat eine keimtötende Wirkung.

2.3 Phosphatfällung

Die im Abwasser enthaltenen Phosphate stammen aus:

  • Lebensmittelzusätzen

  • Waschmitteln


Abb. 3: Waschmittel [5]

  • Dünger


Abb. 4: Pflanzendünger [6]

  • Fäkalien.

Es ist wichtig, die Phosphate zu entfernen, um der Eutrophierung vorzubeugen.

Die Phosphatfällung findet statt, als:

  • Vorfällung im Sandfang
  • Simultanfällung im Sandbecken
  • Nachfällung im separaten Nachklärbecken.

Die Ausfällung der Phosphationen (PO43-) gelangt durch Zugabe von Aluminium- oder Eisensalzen:

2 Na3PO+  Fe2(SO4)3 → 2 FePO4 + 3 Na2SO4
gut löslich       gut löslich       unlöslich       gut löslich

aber:

  • die gelösten Stoffe liegen in Ionenform vor: PO43- + Fe3+ → PO4
  • in der Praxis wird anstatt Eisen(III)-sulfat Eisen(II)-sulfat (Grünsalz) eingesetzt, da es billiger ist und durch die Sauerstoffzugabe die Umwandlung zu Eisen(III)-kationen problemlos erfolgen kann (Oxidation)

Oxidation:           Fe2+ → Fe3+ + e-                                      *4

Reduktion:              O2 + 4 e- + 6 H3O → 2 H3O+ + 6 H2O

  Redox:                    4 Fe2+ + O2 + 4 H3O+ → 4 Fe3+ + 6 H2O

2.4 Stickstoffelimination

Nitrifikation. Bei der Nitrifikation handelt es sich um eine Umwandlung von Ammonium zu Nitrit. Dies geschieht durch aerobe Bakterien und unter Sauerstoffzufuhr.

1. Schritt erfolgt von aeroben Bakterien: Oxidation von Ammonium zu Nitrit:

2. Schritt: Oxidation von Nitrit zu Nitrat: Hierzu genügt lediglich Sauerstoffzufuhr

2N+IIIO2- + O2 → 2N+V O3-


Abb. 5: Stickstoffelimination, aerobe Bedingungen [7]

Denitrifikation. Die Denitrifikation erfolgt durch anaerobe Mikroorganismen. Diese reduzieren Nitrat zu elementarem Stickstoff.

  
Abb. 6: Stickstoffelimination, anaerobe Bedingungen [8]

Nachdem das Abwasser in der Kläranlage gereinigt worden ist, wird es in das natürliche Gewässer zurückgeführt und somit dem Wasserkreislauf zurückgegeben.

2.5 Enteisenung durch Oxidation

Die im Wasser gelösten Eisen(II)-Kationen werden durch Sauerstoff oxidiert.

4Fe+II (HCO3)2 + O2 + 2H2O → 4Fe+III (OH)3 + 8CO2

Damit eine Oxidation stattfinden kann, muss Natronlauge hinzu gegeben werden, damit der pH-Wert des Wassers auf 6 steigt.

2NaOH + 2HCl → 2NaCl + 2H2O

2.6 Entmanganung durch Oxidation

Im Wasser gelöstes Mangan liegt meistens in Form von Manganhydrogencarbonat Mn(HCO3)2 vor.

Die Oxidation vom Mangan(II) mit Sauerstoff zu Mangan(IV) erfolgt vereinfacht so:

2Mn+II (HCO3)2 + O2 → 2Mn+IV O2 * H2O↓ + 4CO2


3 Experiment

Z:

Modellversuch: Triphosphatfällung durch Eisen(III)-Kationen

M.:

  • Standzylinder 500ml

  • dunkler Hintergrund

  • Triphosphat-Lösung
    ρ=1000mg/l

  • Eisen(III)-sulfat-Lösung w=1%

D:

Zu 350ml Triphosphat-Lösung werden 150ml Eisen(III)-Lösung zugeben.

B:

Es entsteht eine gelbliche Trübung, die langsam zu Boden sinkt. Später bilden sich Flocken.

ACHTUNG: 1000mg/L ist um den Faktor 100-1000x höher als in Abwasser (1-10mg/l).

I:

6 Na5P3O10 + 5 Fe2(SO4)3 → 2 Fe5(P3O10)3 + 15 Na2SO4

Quelle: [9]


Abschluss

Laut UN (United Nations) gehören sauberes Trinkwasser und sanitäre Versorgung zu den Menschenrechten und sollten daher der gesamten Weltbevölkerung zugänglich gemacht werden. Gewässerschutz beginnt aber nicht erst bei der Kläranlage, sondern ist Aufgabe jedes Einzelnen von uns:

Jedermann(...gilt auch für jede Frau...) ist verpflichtet, ...die ... erforderliche Sorgfalt anzuwenden, um eine Verunreinigung des Wassers ... zu verhüten, um eine ... sparsame Verwendung des Wassers zu erzielen, um die Leistungsfähigkeit des Wasserhaushaltes zu erhalten... ( §1a Wasserhaushaltsgesetz).


Literatur:

  1. http://www.20min.ch/news/kreuz_und_quer/story/25674893, 22.10.2014
  2. http://www.johanneshimmelreich.online.de/wwwroot_tipbt/index.php?mode=showarticle&articleid=56, 12.02.2016, Klärwerk der Stadt Bayreuth
  3. Baumann P., "Nachfällung mit Kalkhydrat" oder "Biologische Phosphorentfernung" - ein Verfahrensvergleich, Komissionsverlag R. Oldenbourg, München, 1994, Seite 28ff.
  4. http://www.wwa-fs.bayern.de/, 04.11.2014
  5. http://www.discounto.de/Angebot/Weisser-Riese-oder-Spee-Waschmittel-Pulver-oder-Gel-34379/, 22.10.2014
  6. http://www.pflanzen-versand.com/duenger.82.0.html?gclid=CO2f4_ue4cECFTPJtAodoS4AHg ,04.11.2014
  7. http://.wwa-fs.bayern.de/datenufakten/Klaranlage/ka_er_05.htm, 10.11.2005 (04.11.2014 Link verschollen).
  8. http://.wwa-fs.bayern.de/datenufakten/Klaranlage/ka_er_05.htm, 10.11.2005 (04.11.2014 Link Verschollen).
  9. http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/umat/abwasser/abwasser.htm , 22.10.2014
  10. http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBwasser/Klaeranlagen.php, 22.10.2014
  11. http://www.umweltjournal.de/fp/archiv/home/index.php, 22.10.2014
  12. http://www.umweltjournal.de/FrontPublisher/search2.cgi, Stichwort Abwasser, 22.10.2014
  13. http://www.wwa-n.bayern.de/abwasserreinigung.htm, Stichwort Abwasser 04.11.2014
  14. http://www.icbm.de/, 04.11.2014
  15. http://www.wwa-m.bayern.de/abwasser/index.htm, 04.11.20014
  16. http://de.wikipedia.org/wiki/Kl%C3%A4ranlage, 22.10.2014
  17. http://www.klaerwerk-online.de/index.php, 22.10.2014
  18. http://www.bew.de, 22.10.2014
  19. http://de.wikipedia.org/wiki/Enteisenung_und_Entmanganung 22.10.2014
  20. http://www.uni-weimar.de/Bauing/wbbau/studium/zusatz/Master_Abschlussarbeiten/obenauer/
    masterarbeit_obenauer_web.pdf 22.10.2014
  21. http://www.gesetze-im-internet.de/bundesrecht/whg_2009/gesamt.pdf> http://www.gesetze-im-internet.de/bundesrecht/whg_2009/gesamt.pdf 22.10.2014
  22. http://www.kreis-tir.de/fileadmin/user_upload/Umwelt/Wasserrecht/
    Wassergefaehrdende_Stoffe/Welche_Pflichten_gelten_fuer_den_Betreiber/
    13102006_94630_Wasserhaushaltsgesetz.pdf 22.10.2014

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