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Dieses Quiz als Battle spielen: Deutsch, Klasse 7-8, G-Niveau

Abwasserreinigung - Chemie

Einleitung

Abwasser entsteht in Haushalten, Schulen, Betrieben und auf Straßen. Es enthält feste Stoffe, gelöste Salze, organische Verbindungen, Stickstoff- und Phosphorverbindungen, Mikroorganismen sowie Spurenstoffe. Eine Kläranlage trennt, wandelt und entfernt diese Stoffe mit mechanischen, biologischen und chemischen Verfahren. Dabei wird das Wasser so weit gereinigt, dass es in ein Gewässer eingeleitet werden kann. Es ist danach jedoch normalerweise kein Trinkwasser.

In diesem aiMOOC lernst Du, welche Stoffeigenschaften bei der Reinigung genutzt werden, welche Redoxreaktionen in der biologischen Stufe ablaufen und wie Phosphat durch Fällung entfernt werden kann.

Lernziele

Du kannst den Weg des Abwassers durch eine Kläranlage erklären, Stofftrennverfahren den Anlagenteilen zuordnen, wichtige Reaktionsgleichungen deuten und die Bedeutung von pH-Wert, Sauerstoffbedarf und Nährstoffentfernung beurteilen.

Abwasser als Stoffgemisch

Abwasser ist ein komplexes Stoffgemisch. Seine Bestandteile unterscheiden sich in Teilchengröße, Dichte, Löslichkeit, Ladung und chemischer Reaktivität. Genau diese Unterschiede nutzt die Abwasserreinigung.

Bestandteil	Beispiel	Geeignetes Prinzip
Grobstoffe	Hygieneartikel, Laub, Kunststoffteile	Sieben am Rechen
Absetzbare Stoffe	Sand, Schlammteilchen	Sedimentation
Gelöste organische Stoffe	Fette, Eiweiße, Kohlenhydrate	biologischer Abbau
Nährstoffe	Ammonium, Nitrat, Phosphat	biologische Umwandlung und Fällung
Spurenstoffe	Arzneimittelreste, Pestizide	Adsorption oder Oxidation

Sicherheitsregel: Verwende im Unterricht niemals echtes Abwasser. Experimente werden nur mit künstlichem Modellabwasser, Schutzbrille und nach Anweisung der Lehrkraft durchgeführt.

Reinigungsstufen im Überblick

Die Behandlung erfolgt meist in mehreren aufeinanderfolgenden Stufen. Jede Stufe löst eine andere Trenn- oder Umwandlungsaufgabe.

Stufe	Zentrales Prinzip	Typische Wirkung
Mechanische Reinigung	Sieben, Dichtetrennung, Sedimentation	Entfernung ungelöster Stoffe
Biologische Reinigung	Stoffwechsel von Mikroorganismen	Abbau organischer Stoffe und Stickstoffumwandlung
Chemische Reinigung	Fällung, Flockung, Neutralisation	Entfernung gelöster Ionen und feiner Teilchen
Weitergehende Reinigung	Adsorption, Oxidation, Membrantrennung	Verringerung von Spurenstoffen

Mechanische Reinigung

Rechen, Sandfang und Fettfang

Am Rechen bleiben grobe Stoffe hängen. Im Sandfang wird die Strömung verlangsamt. Dichte mineralische Teilchen sinken ab, während leichtere organische Teilchen möglichst in Schwebe bleiben. Im Fettfang steigen Fette und Öle wegen ihrer geringeren Dichte an die Oberfläche und werden abgeschöpft.

Diese Schritte sind physikalische Trennverfahren. Es entstehen noch keine neuen Stoffe.

Vorklärbecken und Sedimentation

Im Vorklärbecken sinken feinere Schwebstoffe ab. Die Trennung beruht auf Sedimentation: Teilchen mit höherer Dichte als Wasser bewegen sich unter dem Einfluss der Schwerkraft nach unten. Der entstandene Primärschlamm wird abgezogen und später behandelt.

Biologische Reinigung

Belebungsbecken

Im Belebtschlammverfahren bauen Bakterien und andere Mikroorganismen gelöste organische Stoffe ab. Gebläse führen Sauerstoff zu. Vereinfacht kann die aerobe Oxidation organischer Stoffe so dargestellt werden:

$o r g a n i s c h e S t o f f e + O_{2} ⟶ C O_{2} + H_{2} O + B i o m a s s e$

Der Sauerstoff ist zugleich Reaktionspartner und Voraussetzung für den Stoffwechsel aerober Mikroorganismen.

Nitrifikation und Denitrifikation

Stickstoff liegt im Abwasser häufig als Ammonium vor. Bei der Nitrifikation oxidieren spezialisierte Bakterien Ammonium über Nitrit zu Nitrat. Eine vereinfachte Gesamtgleichung lautet:

$N H_{4}^{+} + 2 O_{2} ⟶ N O_{3}^{-} + 2 H^{+} + H_{2} O$

Die Reaktion benötigt Sauerstoff und kann den pH-Wert senken, weil Protonen entstehen.

Bei der Denitrifikation nutzen andere Bakterien Nitrat in sauerstoffarmen Bereichen als Oxidationsmittel. Dabei entsteht gasförmiger Stickstoff, der in die Luft entweicht:

$2 N O_{3}^{-} + 10 e^{-} + 12 H^{+} ⟶ N_{2} + 6 H_{2} O$

So wird reaktiver Stickstoff aus dem Wasser entfernt. Das schützt Gewässer vor Eutrophierung.

Nachklärbecken

Im Nachklärbecken setzen sich Belebtschlammflocken ab. Ein Teil des Schlamms wird als Rücklaufschlamm in das Belebungsbecken zurückgeführt. Überschussschlamm wird aus dem Prozess entfernt.

Chemische Reinigung

Phosphatfällung

Phosphat ist ein wichtiger Pflanzennährstoff. Zu viel Phosphat in Seen und Flüssen kann starkes Algenwachstum auslösen. In Kläranlagen werden deshalb häufig Eisen- oder Aluminiumsalze dosiert. Die Metall-Ionen bilden mit Phosphat schwer lösliche Feststoffe.

Beispiel mit Eisen(III)-Ionen:

$F e^{3 +} + P O_{4}^{3 -} ⟶ F e P O_{4} ↓$

Der Pfeil nach unten kennzeichnet einen Niederschlag. Das feste Eisenphosphat lagert sich an Schlammflocken an und kann durch Sedimentation entfernt werden.

Flockung und Koagulation

Sehr kleine Teilchen bleiben oft als Kolloide im Wasser verteilt. Sie tragen häufig gleichartige elektrische Ladungen und stoßen sich gegenseitig ab. Flockungsmittel verringern diese Abstoßung. Die Teilchen lagern sich zu größeren Flocken zusammen und lassen sich anschließend besser abtrennen.

Neutralisation und pH-Wert

Stark saures oder stark basisches Abwasser kann biologische Prozesse stören und Gewässer schädigen. Durch Neutralisation wird der pH-Wert eingestellt. Die zentrale Reaktion lautet:

$H_{3} O^{+} + O H^{-} ⟶ 2 H_{2} O$

In der Praxis muss die Dosierung sorgfältig geregelt werden. Zu viel Säure oder Base würde den pH-Wert in die Gegenrichtung verschieben.

Weitergehende Reinigung

Eine vierte Reinigungsstufe kann schwer abbaubare Spurenstoffe verringern.

Adsorption: Aktivkohle besitzt eine sehr große innere Oberfläche. Viele organische Moleküle lagern sich daran an.
Ozonung: Ozon ist ein starkes Oxidationsmittel und kann bestimmte Spurenstoffe chemisch verändern.
Membranverfahren: Sehr kleine Poren halten Teilchen und je nach Membran auch gelöste Stoffe zurück.

Bei der Ozonung können Reaktionsprodukte entstehen. Deshalb wird das Verfahren häufig mit einer nachgeschalteten biologisch aktiven Filtration kombiniert. Aktivkohle bindet Stoffe nur; die beladene Kohle muss regeneriert oder ersetzt werden.

Klärschlamm, Faulgas und Kreislaufchemie

Primär- und Überschussschlamm enthalten viel Wasser und organische Substanz. In Faultürmen bauen Mikroorganismen einen Teil dieser Stoffe ohne Sauerstoff ab. Dabei entsteht Biogas mit einem hohen Anteil an Methan und Kohlenstoffdioxid. Eine stark vereinfachte Gleichung ist:

$C_{6} H_{12} O_{6} ⟶ 3 C H_{4} + 3 C O_{2}$

Das Methan kann zur Erzeugung von Wärme und Strom genutzt werden. Klärschlamm enthält außerdem Phosphor. Dessen Rückgewinnung ist ein Beispiel für Kreislaufwirtschaft.

Kontrolle der Wasserqualität

Laboranalysen zeigen, ob die Reinigung funktioniert.

Messgröße	Bedeutung
pH-Wert	zeigt saure, neutrale oder basische Bedingungen
Sauerstoffgehalt	wichtig für aerobe Abbauprozesse
Ammonium, Nitrit und Nitrat	zeigen den Verlauf der Stickstoffumwandlung
Phosphat	beurteilt die Nährstoffentfernung
BSB₅	beschreibt den biologischen Sauerstoffbedarf innerhalb von fünf Tagen
CSB	erfasst den chemisch bestimmbaren Sauerstoffbedarf oxidierbarer Stoffe
Trübung	weist auf fein verteilte Teilchen hin

Ein hoher BSB₅-Wert bedeutet, dass Mikroorganismen beim Abbau vieler organischer Stoffe viel Sauerstoff verbrauchen würden. Gelangt solches Wasser in ein Gewässer, kann dort Sauerstoffmangel entstehen.

Abwasser vermeiden statt nur reinigen

Chemikalien, Farben, Lösungsmittel, Speiseöl, Feuchttücher und Arzneimittel gehören nicht in Toilette oder Ausguss. Was gar nicht erst ins Abwasser gelangt, muss später nicht mit großem Energie- und Chemikalieneinsatz entfernt werden.

Zusammenfassung

Die mechanische Stufe trennt ungelöste Stoffe nach Größe und Dichte. In der biologischen Stufe oxidieren Mikroorganismen organische Stoffe und wandeln Stickstoffverbindungen um. Die chemische Stufe nutzt Fällung, Flockung und Neutralisation. Weitergehende Verfahren entfernen einen Teil der Spurenstoffe durch Adsorption, Oxidation oder Membrantrennung. Eine wirksame Abwasserreinigung verbindet damit Stofftrennung, Säure-Base-Chemie, Redoxchemie und Umweltchemie.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welches Verfahren entfernt Grobstoffe zu Beginn der Kläranlage? (Sieben am Rechen) (!Destillation im Faulturm) (!Kristallisation im Nachklärbecken) (!Elektrolyse im Sandfang)

Warum wird dem Belebungsbecken Sauerstoff zugeführt? (Für den aeroben Stoffwechsel der Mikroorganismen) (!Damit Sand nach oben steigt) (!Damit Phosphat verdampft) (!Damit Methan vollständig im Wasser bleibt)

Welches Stickstoff-Ion entsteht am Ende der Nitrifikation? (Nitrat) (!Sulfat) (!Phosphat) (!Carbonat)

Was entsteht bei der Denitrifikation als gasförmiges Produkt? (Stickstoff) (!Chlor) (!Wasserstoff) (!Ozon)

Welches chemische Prinzip wird zur Entfernung von Phosphat genutzt? (Fällung) (!Destillation) (!Sublimation) (!Chromatografie)

Welche Gleichung beschreibt eine Neutralisation? (Oxonium-Ionen plus Hydroxid-Ionen reagieren zu Wasser) (!Nitrat-Ionen reagieren zu Sauerstoff) (!Methan reagiert ohne Sauerstoff zu Phosphat) (!Sand reagiert zu Kohlenstoffdioxid)

Was bewirkt Aktivkohle in der weitergehenden Reinigung? (Sie adsorbiert viele organische Spurenstoffe) (!Sie bildet aus Sand Nitrat) (!Sie erhöht immer den pH-Wert) (!Sie erzeugt im Wasser Methan)

Was zeigt ein hoher BSB5-Wert an? (Einen hohen biologischen Sauerstoffbedarf) (!Eine besonders geringe Stoffbelastung) (!Eine hohe Konzentration an Edelgasen) (!Eine vollständige Phosphatfällung)

Warum ist Phosphat in Gewässern problematisch? (Es kann Eutrophierung fördern) (!Es verhindert jede Form von Algenwachstum) (!Es macht Wasser automatisch zu Trinkwasser) (!Es entfernt alle organischen Stoffe)

Welche Aussage über gereinigtes Kläranlagenwasser ist richtig? (Es ist normalerweise kein Trinkwasser) (!Es enthält grundsätzlich keine gelösten Stoffe mehr) (!Es besteht nur aus destilliertem Wasser) (!Es darf ohne Kontrolle überall verwendet werden)

Memory

Rechen	Grobstoffabtrennung
Sandfang	Dichtetrennung
Belebungsbecken	aerober Abbau
Denitrifikation	Stickstoffbildung
Phosphatfällung	schwerlöslicher Niederschlag
Aktivkohle	Adsorption

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Rechen	Grobe Feststoffe
Vorklärbecken	Absetzbare Schwebstoffe
Belebungsbecken	Organische Stoffe
Nitrifikation	Ammonium zu Nitrat
Denitrifikation	Nitrat zu Stickstoff
Phosphatfällung	Phosphat zu Feststoff

...

Kreuzworträtsel

Rechen	Welches Bauteil hält grobe Stoffe zurück?
Sandfang	Wo setzen sich schwere mineralische Teilchen ab?
Belebungsbecken	In welchem Becken arbeiten aerobe Mikroorganismen?
Nitrifikation	Wie heißt die biologische Oxidation von Ammonium zu Nitrat?
Flockung	Wie heißt die Bildung größerer Teilchenverbände?
Aktivkohle	Welcher poröse Stoff adsorbiert viele Spurenstoffe?

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Lückentext

Offene Aufgaben

Leicht

Fließschema: Zeichne den Weg des Wassers durch Rechen, Sandfang, Vorklärung, Belebungsbecken und Nachklärung.
Stofftrennung: Ordne fünf Alltagsstoffe den Trennprinzipien Sieben, Sedimentation, Abschöpfen oder Adsorption zu.
Modellabwasser: Stelle unter Anleitung ein ungefährliches Modellabwasser aus Wasser, Erde, Papierstückchen und wenig Speiseöl her und beschreibe die sichtbaren Bestandteile.
Umweltschutz: Gestalte ein Plakat mit Stoffen, die nicht in Toilette oder Ausguss gehören.

Standard

Filterversuch: Plane einen Modellversuch mit Sieb, Kies, Sand und Aktivkohle und erkläre, welche Stoffe jede Schicht zurückhalten kann.
pH-Wert: Untersuche mit Indikatorpapier den pH-Wert verschiedener ungefährlicher Wasserproben und beurteile ihre Eignung für biologische Reinigungsprozesse.
Reaktionsgleichung: Erkläre mit Teilchenzeichnungen die Phosphatfällung durch Eisen(III)-Ionen.
Kläranlagenbesuch: Entwickle fünf fachliche Interviewfragen für eine Exkursion zu einer Kläranlage und dokumentiere die Antworten.

Schwer

Stickstoffkreislauf: Erstelle ein Erklärvideo zu Nitrifikation und Denitrifikation mit Reaktionsbedingungen und Umweltbezug.
Messdatenanalyse: Werte fiktive Zu- und Ablaufdaten zu Ammonium, Nitrat, Phosphat, BSB5 und pH-Wert aus und begründe die Reinigungsleistung.
Verfahrensvergleich: Vergleiche Ozonung, Aktivkohle und Membranverfahren nach Wirkprinzip, Energiebedarf, Abfallentstehung und Grenzen.
Anlagenplanung: Entwirf für eine Modellgemeinde eine Reinigungsfolge und begründe jeden Schritt mit Stoffeigenschaften und chemischen Reaktionen.

Lernkontrolle

Stoffeigenschaften und Trennung: Begründe, warum ein Rechen gelöste Stoffe nicht entfernen kann, ein Adsorptionsverfahren aber bestimmte gelöste Moleküle bindet.
Prozessstörung: In einem Belebungsbecken fällt die Sauerstoffzufuhr aus. Erkläre die Folgen für organischen Abbau und Nitrifikation.
pH-Abhängigkeit: Beurteile, warum stark saures Industrieabwasser vor der biologischen Stufe neutralisiert werden muss.
Nährstoffeintrag: Entwickle eine Wirkungskette vom erhöhten Phosphateintrag bis zum möglichen Sauerstoffmangel im Gewässer.
Fällungsreaktion: Erkläre, wie aus gelösten Eisen(III)- und Phosphat-Ionen ein abtrennbarer Feststoff entsteht.
Verfahrensentscheidung: Entscheide für ein Abwasser mit Arzneimittelspuren zwischen Aktivkohle, Ozonung und alleiniger Sedimentation und begründe Deine Auswahl.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis sind folgende Leistungen wichtig:

Du erklärst die Abfolge der mechanischen, biologischen und chemischen Reinigung.
Du ordnest jedem Anlagenteil ein Stofftrenn- oder Reaktionsprinzip zu.
Du deutest die Gleichungen zu Nitrifikation, Neutralisation und Phosphatfällung.
Du erklärst die Bedeutung von BSB5, pH-Wert, Ammonium, Nitrat und Phosphat.
Du beurteilst Folgen unzureichender Reinigung für ein Gewässer.
Du dokumentierst ein Modell-Experiment sicher und nachvollziehbar.
Du vergleichst mindestens zwei weitergehende Reinigungsverfahren.

OERs zum Thema

Quellen und Vertiefung

Verknüpfte Lernbereiche

Abwasserreinigung - Chemie

aiMOOC-Projekte

Schulfach+

Prüfungsliteratur 2026
Bundesland	Bücher	Kurzbeschreibung
Baden-Württemberg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Mittlere Reife Der Markisenmann - Jan Weiler oder Als die Welt uns gehörte - Liz Kessler Ein Schatten wie ein Leopard - Myron Levoy oder Pampa Blues - Rolf Lappert	Abitur Dorfrichter-Komödie über Wahrheit/Schuld; Roman über einen Ort und deutsche Geschichte. Mittlere Reife Wahllektüren (Roadtrip-Vater-Sohn / Jugendroman im NS-Kontext / Coming-of-age / Provinzroman).
Bayern	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Lustspiel über Machtmissbrauch und Recht; Roman als Zeitschnitt deutscher Geschichte an einem Haus/Grundstück.
Berlin/Brandenburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Der Biberpelz - Gerhart Hauptmann Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Gerichtskomödie; soziales Drama um Ausbeutung/Armut; Komödie/Satire um Diebstahl und Obrigkeit; Roman über Erinnerungsräume und Umbrüche.
Bremen	Abitur Nach Mitternacht - Irmgard Keun Mario und der Zauberer - Thomas Mann Emilia Galotti - Gotthold Ephraim Lessing oder Miss Sara Sampson - Gotthold Ephraim Lessing	Abitur Roman in der NS-Zeit (Alltag, Anpassung, Angst); Novelle über Verführung/Massenpsychologie; bürgerliche Trauerspiele (Moral, Macht, Stand).
Hamburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun	Abitur Justiz-/Machtkritik als Komödie; Großstadtroman der Weimarer Zeit (Rollenbilder, Aufstiegsträume, soziale Realität).
Hessen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Prozess - Franz Kafka	Abitur Gerichtskomödie; Fragmentdrama über Gewalt/Entmenschlichung; Erinnerungsroman über deutsche Brüche; moderner Roman über Schuld, Macht und Bürokratie.
Niedersachsen	Abitur Der zerbrochene Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun Die Marquise von O. - Heinrich von Kleist Über das Marionettentheater - Heinrich von Kleist	Abitur Schwerpunkt auf Drama/Roman sowie Kleist-Prosatext und Essay (Ehre, Gewalt, Unschuld; Ästhetik/„Anmut“).
Nordrhein-Westfalen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Komödie über Wahrheit und Autorität; Roman als literarische „Geschichtsschichtung“ an einem Ort.
Saarland	Abitur Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Furor - Lutz Hübner und Sarah Nemitz Bahnwärter Thiel - Gerhart Hauptmann	Abitur Erinnerungsroman an einem Ort; zeitgenössisches Drama über Eskalation/Populismus; naturalistische Novelle (Pflicht/Überforderung/Abgrund).
Sachsen (berufliches Gymnasium)	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Irrungen, Wirrungen - Theodor Fontane Der gute Mensch von Sezuan - Bertolt Brecht Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Trafikant - Robert Seethaler	Abitur Mischung aus Klassiker-Drama, sozialem Drama, realistischem Roman, epischem Theater und Gegenwarts-/Erinnerungsroman; zusätzlich Coming-of-age im historischen Kontext.
Sachsen-Anhalt	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Themenfelder)	Abitur Schwerpunktsetzung über Themenfelder (u. a. Literatur um 1900; Sprache in politisch-gesellschaftlichen Kontexten), ohne feste Einzeltitel.
Schleswig-Holstein	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Recht/Gerechtigkeit und historische Tiefenschichten eines Ortes – umgesetzt über Drama und Gegenwartsroman.
Thüringen	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool)	Abitur In der Praxis häufig Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool; landesweite Einzeltitel je nach Vorgabe/Handreichung nicht einheitlich ausgewiesen.
Mecklenburg-Vorpommern	Abitur (Quelle aktuell technisch nicht abrufbar; Beteiligung am gemeinsamen Aufgabenpool bekannt)	Abitur Land beteiligt sich am länderübergreifenden Aufgabenpool; konkrete, veröffentlichte Einzeltitel konnten hier nicht ausgelesen werden.
Rheinland-Pfalz	Abitur (keine landesweit einheitliche Pflichtlektüre; schulische Auswahl)	Abitur Keine landesweite Einheitsliste; Auswahl kann schul-/kursbezogen erfolgen.