Belebtschlammpraktikum - Kantonsschule Wil

Kantonsschule Wil
Belebtschlammpraktikum:
Biologiepraktikum: 3. Semester
Name Schule Klasse Datum
1. Theorie
DIE BIOLOGISCHE ABWASSERREINIGUNG
Das Belebungsverfahren
Das Belebungsverfahren beruht auf folgender Entdeckung:
Wenn man Abwasser belüftet, bilden sich nach einiger Zeit spontan Flocken von Bakterien aus. Wird die
Belüftung unterbrochen, so setzen sich die Bakterienflocken zu Boden. Die überstehende Flüssigkeit, deren
Verunreinigungsgrad deutlich verringert wurde, kann entfernt werden. Die Bakterienflocken können wieder
für die Verwendung einer neuen Ladung von Abwasser verwendet werden.
Was ist nun mit dem belüfteten Abwasser passiert? Dem Abwasser, in dem von Natur aus viele Bakterien
enthalten sind, wurde Sauerstoff zugeführt. Die verschiedenen Bakterien wachsen rasch und teilen sich
regelmässig, da sie den sich im Abwasser befindlichen Schmutzstoff als Nahrung verwenden. Im Laufe der
Zeit nimmt dadurch die Menge an Bakterien zu, die Menge an Schmutzstoff verringert sich. Hat nun die
Bakterienmasse einen gewissen Wert erreicht, beginnen die Bakterienzellen mit der Bildung von
Agglomeraten - den so genannten Belebtschlammflocken.
In der Kläranlage werden die Flocken in der Folge vom behandelten Abwasser in Nachklärbecken abgetrennt.
Dieser abgesetzte Belebtschlamm wird teilweise dem Belebungsbecken zurückgeführt. Die Überproduktion
an Bakterienzellen wird als Überschussschlamm entfernt.
Zusammensetzung von Belebtschlammflocken
Grob gesagt kann man in den Flocken folgende Komponenten finden:
- lebende Mikroorganismen, hauptsächlich Bakterien;
- tote Zellen;
- nicht abgebaute grosse organische Bruchstücke, die in die Flocke eingelagert sind;
- anorganische Anteile, z.B. Sand aus dem Abwasser; dieser Teil kann zwischen 10 und 50 % des
Gewichtes der Flocken betragen.
Die Zusammensetzung der Flocken in einer bestimmten Anlage hängt natürlich von der jeweiligen Situation
ab. Ein entscheidender Faktor ist sicherlich die Zusammensetzung des Abwassers. Die erforderlichen
Nährstoffe sollten alle in ausreichender Menge vorhanden sein. Ist dies nicht der Fall, kann das Wachstum
vieler Bakterien behindert werden, was einen schlechten Reinigungsprozess und Schleimbildung zur Folge
hat.
Ein weiterer entscheidender Faktor, der die Zusammensetzung der Flocken bestimmt, ist die organische
Schmutzstoffbelastung der Anlage. Dabei spielt das Schlammalter (mittlere Verweilzeit des Schlammes im
System) eine grosse Rolle. Je schwächer die Anlage belastet ist, desto höher ist das Schlammalter (d.h. wenig
Überschussschlamm wird abgezogen) und umgekehrt.
Das Vorkommen bestimmter Organismenarten ist vom Schlammalter abhängig, denn alle Organismen,
deren Generationszeit grösser als das jeweilige Schlammalter ist, werden aus dem System mit dem
Überschussschlamm ausgetragen. In schwach belasteten Anlagen ist daher die Artenvielfalt der Organismen
in den Flocken deutlich grösser.
Beispielsweise kommen nitrifizierende Organismen (Organismen, die Ammoniak zu Nitrat umwandeln)
praktisch nur in Anlagen vor, deren Schlammalter grösser als 3 - 5 Tage ist.
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Biologiepraktikum: 3. Semester
Woran erkennt man nun einen gesunden Belebtschlamm?
Die Voraussetzung für eine optimale Abbauleistung sind die Vielfalt und die unterschiedlichen
Ernährungsgewohnheiten der Belebtschlammorganismen.
Dazu kommt, dass jede einzelne Organismenart wiederum einen Hinweis über den Zustand der Anlage geben
kann.
Bäumchenbakterien
Das zahlreiche Auftreten der Bäumchenbakterie
Zoogloea in scharf
konturierten, verzweigten Kolonien –
so genannten Dendriten - zeigt eine
gute Adsorptionsfähigkeit des
Schlammes an.
Abb. 1: Zoogloea-Kolonien im Belebtschlamm (links Detailaufnahme,
rechts Übersicht)
Sauginfusorien
Sauginfusorien haben eine längere Generationsdauer zwischen zwei
Teilungsschritten als die meisten Wimpertiere. Sie werden also durch
periodisch auftretende ungünstige Einflüsse viel stärker in ihrer
Vermehrung beeinträchtigt. Daher ist das Auftreten der Suctorien ein
Zeichen besonders stabiler Belebtschlamm-verhältnisse.
Aspidisca
Abb. 2: Sauginfusorie Tocophrya
Sind überwiegend Weidegänger im Belebtschlamm vertreten wie diese
Aspidisca, so ist die wässrige Phase schon verhältnismässig arm an
suspendierten Einzelbakterien. Die strudelnden Glockentierchen finden
nicht mehr genug Nahrung. Ein solcher Zustand kennzeichnet einen
Klärablauf von besonders grosser Sichttiefe.
Abb. 3: Aspidisca costata
Carchesium
Abb. 4: Carchesium
Um die Schmutzstoffe optimal abzubauen, muss auch die Sauerstoffversorgung gut sein.
Carchesium, eine Glockentierchenart, zeigt eine optimale Sauerstoffversorgung an.
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Biologiepraktikum: 3. Semester
Woran erkennt man den kranken oder belasteten Schlamm?
Spirillum
Das Massenauftreten der Schraubenbakterie Spirillum zeigt an, dass über
längere Zeiträume sauerstoffarme Zustände im Belebtschlamm auftreten -
meist ein Zeichen hochgradiger Belastung. Spirillen können sich aber auch
bei zu langer Aufenthaltszeit des Abwassers in der Vorklärung entwickeln
und in die Belebung gelangen.
Epistylis enzystiert
Während die meisten freibeweglichen
Wimpertierchen unter dem Belastungsschock
absterben und sich auflösen,
gelingt es den Glockentierchen fast
Abb. 5: Spirillum
immer, in Sekundenschnelle eine
schützende Hülle abzuscheiden und in Form einer Zyste günstigere Zeiten
abzuwarten. Turbulenzen im Becken können zur Folge haben, dass sich die
Zysten von den Stielen losreissen.
Abb. 6: Epistylis enzystiert
Woran erkennt man den jungen oder alten Schlamm?
Wird eine Belebtschlammanlage in Betrieb genommen, so dauert es meist einige Wochen, bis man einen voll
funktionsfähigen Schlamm erwarten kann. Bis dahin überwiegen vielfach Organismengruppen, die später
wieder völlig verschwinden.
Amöben
Ganz besonders typisch für den noch nicht eingearbeiteten Schlamm ist
das Massenauftreten von Amöben (Wechseltierchen, Wurzelfüssern).
Neben Wurzelfüssern finden sich anfänglich auch meist viele
Geisseltierchen.
Abb. 7: Amöbe
Rädertiere
Ganz besonders typisch für ein hohes Schlammalter und
damit meist für eine geringe Nennbelastung ist eine
Reihe von Rädertierarten.
Abb. 8: Rädertierchen Proales
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KLEINE BELEBTSCHLAMMSYSTEMATIK
Allgemeines Aussehen von Belebtschlammflocken (Typen)
Biologiepraktikum: 3. Semester
Abb. 9: Kräftige kompakte Flocken
Abb. 10: Unregelmässige
Flockenform; viele frei
schwebende Bakterien
Abb. 11: Schlammflocke mit offener
Struktur
Abb. 12: grosse Flocken mit
schwacher Struktur; viele frei
schwebende Bakterien
Abb. 13: Fadenbakterien und kleine
Flockenteilchen bilden ein
Agglomerat
Abb. 14: Schlammflocke mit geringer
Mannigfaltigkeit
Einteilung von Belebtschlamm bezüglich des Auftretens von Fadenbakterien
Abb. 15: Kategorie 0: Fäden nahezu
nicht vorhanden
Abb. 18: Kategorie 3: grosse Anzahl
von Fäden
Abb. 16: Kategorie 1: geringe Anzahl
von Fäden
Abb. 19: Kategorie 4: übermässige
Anzahl von Fäden
Abb. 17: Kategorie 2: mässige Anzahl
von Fäden
Je mehr Fäden, desto grösser ist
die Belastung des Schlammes.
Man spricht dann von
Blähschlamm, d.h. die Flocken
setzen sich praktisch nicht mehr
ab, so dass das gesäuberte Wasser
nicht mehr vom Schlamm
getrennt werden kann.
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Bakterien im Belebtschlamm
Biologiepraktikum: 3. Semester
Abb. 20: Nocardiaartige, bis etwa 16 µm, oft verbunden mit
braunem Schaum auf Belüftungsbecken und
Schwimmschlamm auf Nachklärbecken. Hinweis
auf: mindestens mittelalten Schlamm. Gegenmassnahme:
Herabsetzung des Schlammalters
(sofern wegen Reinigungsleistung möglich).
Abb. 21: Zoogloea sp., sehr kleine Bakterien (etwa 1 µm)
bilden gallertige Bäumchen (bis 1.5 mm wenn
keine Turbulenz), Kann Blähschlamm verursachen.
Hinweis auf: normale bis hohe Belastung.
Abb. 22: Sphaerotilus natans, "Abwasserpilz"; lange Fäden
(Durchmesser bis 10 µm), aus vielen
Einzelbakterien in gemeinsamer Schleimhülle.
Bewirkt hohen Schlammindex (Blähschlamm).
Abb. 23: Sphaerotilus natans, unechte Verzweigung (abzweigender
Faden seitlich angelagert). Hinweis
auf: starke Belastung mit gut abbaubarem
organischem Material, z.B. Zucker, Fruchtsäuren.
Abb. 24: Schwefelbakterien, Fäden aus vielen Einzelbakterien
meist nur wenige µm dick, häufig mit
dunkel erscheinenden Schwefelablagerungen im
Inneren, bei gewissen Formen können sich die
Fäden langsam vorwärts bewegen. Hinweis auf:
faulende Schlammablagerungen in Kanalisation,
Vorklärung oder Biologie, evtl. hohe
Schwefelkonzentration im Zufluss.
Abb. 25: Spirillen-Bakterien, Spiralen mit wenigen Umgängen,
meist in rascher, schraubender
Bewegung, Durchmesser wenige µm. Hinweis
auf: zu lange Zeit im Vorklärbecken belassen und
dadurch Anfaulungen, sehr hohe Belastung.
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Pilze im Belebtschlamm
Biologiepraktikum: 3. Semester
Abb. 26: Echte Pilze, Fäden mit Querwänden und echten Verzweigungen. Durchmesser bis einige 10 µm. Bewirken
Blähschlamm.
Amöben, Geisseltierchen und Glockentierchen im Belebtschlamm
Abb. 27: Amoeben sind Wechseltierchen, z.B. Vahlkampfia
sp. Formwechselnd, Bewegung durch "Ausfliessen".
Hinweis auf: alte, stabilisierte, manchmal
teilweise gestörte Lebensgemeinschaft (Biozönose).
Abb. 28: Geisseltierchen, z.B. Bodo sp., bis 8 µm, Geissel
meist nicht erkennbar, bewegen sich relativ
rasch. Hinweis auf: schlecht geräumte Vorklärung,
hohe Belastung.
Abb. 29: Glockentierchen, z.B. Opercularia coarctata. Stiel
ohne Muskel, nicht kontraktil, verzweigt. Länge
etwa 50 µm. Hinweis auf: mittlere bis hohe
Belastung, Sauerstoff meist über 1 mg/l.
Abb. 30: Glockentierchen, z.B. Vorticella putrina Stiel mit
Mukelfaser, kontraktil, unverzweigt. Bis 90 µm
lang. Hinweis auf: hohe Belastung, Sauerstoff oft
unter 1 mg/l.
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Biologiepraktikum: 3. Semester
Abb. 31: Glockentierchen, z.B. Carchesium polypinum, Stiel
kontrahierbar mit Muskel, Muskeln der Seitenstiele
nicht mit Muskel des Hauptstiels verwachsen, bis
140 µm lang. Hinweis auf: schwache bis mittlere
Belastung, gute Sauerstoffversorgung.
Abb. 32: Glockentierchen, z.B. Epistylis sp., koloniebildend,
Stiel verzweigt, ohne Muskelfaser, nicht kontraktil.
Bis 100 µm. Hinweis auf: mittlere Belastung, lange
Belüftungszeit. Bei Belastungsstössen kann der
Körper als kugelige Zyste abgetrennt vom Stiel
überleben
Abb. 33: Glockentierchen, z.B. Vorticella convallaria, etwa 80
µm lang. Stiel unverzweigt mit Muskel. Hinweis
auf: mittlere Belastung, Sauerstoff meist über 2
mg/l.
Freibewegliche Wimpertierchen im Belebtschlamm
Abb. 34: Freibewegliche Wimpertierchen, z.B. Euplotes
charon, bis 90 µm. Hinweis auf: mittlere
Belastung, gute Sauerstoffversorgung. Lebt als
Weidegänger, hat Längsrippen auf dem Rücken.
Abb. 35: Freibewegliche Wimpertierchen, z.B. Aspidisca
costata, bis 40 µm lang. Kriecht oft weidend auf
Schlammflocken herum, hat Längsrippen auf
dem Rücken. Hinweis auf: mittlere Belastung,
gute Sauerstoffversorgung.
Abb. 36: Freibewegliche Wimpertierchen, z.B. Lionotus
fasciola, bis 100 µm lang. Tastet mit dem langen
Hals oft auf Flocken nach Beute, eleganter
Schwimmer. Hinweis auf: mittlere Belastung.
Abb. 37: Freibewegliche Wimpertierchen, z.B. Paramaecium
caudatum, bis 180 (300) µm lang.
Schwimmt rasch, unregelmässig. Hinweis
auf: mittlere Belastung, erträgt viel Ammonium.
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Biologiepraktikum: 3. Semester
Abb. 38: Freibewegliche Wimpertierchen, z.B. Colpidium
colpoda, bis 150 µm lang, nierenförmig,
schwimmt rasch in weiten
Schraubenlinien. Hinweis auf: hohe Belastung,
zellulosehaltiges Abwasser.
Abb. 39: Freibewegliche Wimpertierchen, z.B. Colpidium
campylum, bis 70 µm lang,
nierenförmig. Hinweis auf: hohe Belastung,
Sauerstoffmangel, erträgt viel Ammonium.
Sauginfusorien im Belebtschlamm
Abb. 40: Sauginfusorien, z.B. Podophrya fixa, bis 50 µm
lang, die starren, klebrigen Fangarme strahlen
nach allen Richtungen. Hinweis auf: mittel
belastete Anlage mit altem Belebtschlamm.
Abb. 41: Sauginfusorien, z.B. Tokophrya sp., die klebrigen
Fangarme stehen an der Frontseite in 1 bis 4
Büscheln. Hinweis auf: alter Belebtschlamm.
Rädertierchen im Belebtschlamm
Abb. 42: Rädertierchen, z.B. Cephalodella gibba, bis 450
µm lang. Hinweis auf: alter Belebtschlamm,
schwache Belastung, Sauerstoffkonzentration
meist über 3 mg/l.
Fadenwürmer im Belebtschlamm
Abb. 43: Rädertierchen, z.B. Rotatoria sp., bis 1.1 mm
lang, kann Rüssel und Fuss einziehen
(teleskopartig). Hinweis auf: schwache bis
mittlere Belastung, alter Belebtschlamm, gute
Sauerstoffversorgung.
Abb. 44: Fadenwürmer = Nematoden, bis über 1 mm lang. Vorne stumpf, hinten spitz. Hinweis auf: alter Schlamm,
schwache bis mittlere Belastung, wenig empfindlich auf Sauerstoffmangel.
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2. Ziele
I. Wissen, welche Aufgabe der Belebtschlamm in der Abwasserreinigung hat.
II. Aussagen über die Qualität vom untersuchten Belebtschlamm machen können.
III. Artenkenntnis im Mikroorganismenbereich erweitern.
Biologiepraktikum: 3. Semester
3. Material
3.1. Einteilung des Belebtschlammes bezüglich
des Auftretens von Fadenbakterien.
- Belebtschlamm A und B
- Mikroskop
- Mikroskopierbesteck
- Praktikumsanleitung für die Bestimmung
3.2. Bestimmung der Belebtschlammqualität
anhand weiterer Organismen.
- Belebtschlamm A und B
- Mikroskop
- Mikroskopierbesteck
- Praktikumsanleitung für die Bestimmung
4. Arbeit
Für die Mikroskopie gibst du einen Tropfen Belebtschlamm A oder B (innerhalb der Gruppe aufteilen) auf
einen Objektträger. Nachdem du ein Deckglas auf den Tropfen gelegt hast kannst du das Präparat
mikroskopieren.
4.1. Einteilung des Belebtschlammes bezüglich des Auftretens von Fadenbakterien.
Bestimme die Kategorie deines Belebtschlammes. Vergleiche mit den anderen Gruppen, bestimme den
Durchschnittswert deines Belebtschlammes. Die Bestimmung erfolgt mit der 100fachen Vergrösserung bei
geschlossener Blende.
4.2. Bestimmung der Belebtschlammqualität anhand weiterer Organismen.
Identifiziere mit Hilfe der Theorie dieser Anleitung einige Organismen im Belebtschlamm. Für jeden
identifizierten Organismus führst du folgende drei Aufträge durch:
a) Zeichne den identifizierten Organismus (auf einem A6-Blatt).
b) Bestimme die Anzahl der bei 100-facher Vergrösserung im Sichtfeld sichtbaren Individuen dieses
Organismus (die Anzahl darf auch geschätzt werden, wenn sehr viele sichtbar sind).
c) Auf was für eine Belebtschlammqualität weist die Anwesenheit dieses Organismus im Belebtschlamm hin?
Tipp: Suche nach Organismen, die Aussagen über die Qualität des untersuchten Belebtschlammes
ermöglichen.
Hinweis zur Interpretation
In der Interpretation wird eine Gesamtwürdigung der untersuchten Belebtschlamme (A und B) erwartet unter
Einbeziehung der Theorie und der Resultate. (Mindesten eine halbe A4-Seite computergeschrieben mit
folgender Formatierung: Arial, Schriftgrösse 12, normale Schriftbreite, Zeilenabstand 1, Seitenränder überall
1.5 cm)
Zudem sollen beide Belebtschlamme (A und B) miteinander verglichen werden (Mindestens 10
Vergleichspunkte).
5. Resultate
6. Auswertung
7. Interpretation
8. Zusammenfassung
9. Quellen
Literatur: H.+ S. BUCK, Mikroorganismen in der Abwasserreinigung
D.H. EIKELBOOM, Handbuch für die mikroskopische Schlammuntersuchung
Sy/Zö/Ws Seite 9 21.02.2013