Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes -PrüfungsvorbereitungWS 2011/2012

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1 Platzhalter für Bild, Bild auf Titelfolie hinter das Logo einsetzen Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes -PrüfungsvorbereitungWS 2011/2012 apl. Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Dockhorn

2 Prüfung am um Uhr. Dauer: 60 Minuten Halle BI, Bienroder Weg 83 BI 84.1, Bienroder Weg 84, Raum 011 BI 84.2, Bienroder Weg 84, Raum Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 2

3 Gliederung der Vorlesung Einführung Biologische Grundlagen Stoffkreisläufe + Prozesse Phosphor/Phosphorrecycling Stickstoff/Stickstoffrecycling Anaerobtechnik Nutzung von Biomasse zur Energiegewinnung Neuartige Sanitärsysteme Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 3

4 Wie kann ich 527 Folien lernen? Auswendig oder auf Lücke? 1. Fast alle Inhalte sind Grundlagen, die auch in anderen Vorlesung/Prüfungen schon vorgekommen sind (Reaktivierung) bzw. gehören zum Bereich des Allgemeinwissens. 2. Auswendig lernen??? Viele Abbildungen können als Gedankenstütze dienen! Also Inhalte mit Abbildungen gedanklich verbinden. (Detailtiefe beachten) 3. Auf Lücke lernen??? Eher nicht! (Detailtiefe beachten) 4. Viele Folien haben größtenteils nur eine Kernaussage Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 4

5 Inhalt und Gewichtung Einführung (dient als Allgemeiner Überblick) Biologische Grundlagen Stoffkreisläufe + Prozesse Phosphor/Phosphorrecycling Stickstoff/Stickstoffrecycling Anaerobtechnik Nutzung von Biomasse zur Energiegewinnung Neuartige Sanitärsysteme } ca. 10/60 Punkten ca. 12/60 Punkten ca. 12/60 Punkten ca. 10/60 Punkten ca. 06/60 Punkten ca. 10/60 Punkten Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 5

6 Wie ist die Klausur aufgebaut? Alle Themen, die der Gliederung des Vorlesungsprogramms enthalten sind kommen auch dran Zu jedem Thema/Vorlesung gibt es zunächst Verständnisfragen, dann gibt es tiefer gehende Aufgaben (Leistungsabfragen) Die Aufgaben sind der Gliederung nach thematisch angeordnet. Keine Abschnitte, sondern; die ersten Fragen sind aus VL1, die Letzten aus VL8 Zwischen 35 und 45 Fragen, die man meistens in wenigen Wörtern beantworten kann Die Fragen sind zumeist kurz und prägnant gestellt So kann auch die Antwort ausfallen Jede Aufgabe wird je nach Zeitaufwand/Schwierigkeitsgrad bewertet (1 Punkt = 1 Minute) Aufgaben in denen ein Taschenrechner benötigt wird, kann es geben! Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 6

7 Wie kann man sich vorbereiten? Nicht nur durchschauen, sondern auch verstehen! Notizen machen um die Kernaussage der Folien hervor zu heben! In Lerngruppen Zusammenfassungen schreiben 4 Leute, jeder 2 Themen! Eigene Klausurfragen stellen, z.b.: Was für Umweltfaktoren werden beeinflusst, wenn? Welche Ansätze zum Umwelt- und Ressourcenschutz gibt es Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 7

8 Fragen stellen leicht gemacht! (Quelle: Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 8

9 Biologische Grundlagen Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 9

10 Die Geosphären Atmosphäre (Lufthülle): ermöglicht überhaupt erst das Leben auf der Erde, schirmt uns gegen Strahlung aus dem All ab, enthält die lebenswichtigen Gase Sauerstoff und Kohlendioxid bewerkstelligt einen globalen Stofftransport von Gasen und Wasser. Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 10

11 Nahrungsnetzwerk im Mischwald (Quelle: Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 11

12 Einfluss durch den Menschen auf das Ökosystem Erde Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 12

13 Lebensformen Man unterscheidet die drei Reiche Tiere Pflanzen Protisten (meist einzellig) Obgleich alle drei Reiche mit ihren vielfältigen Vertretern essentiell für die Funktionsweise der Ökosysteme und damit der Erde sind, sind für die Belange des technischen Umweltschutzes vor allem Protisten von Interesse. Höhere Protisten: sind Eukaryonten ("höher entwickelte" Zellen mit Zellkern und Organellen), sie ähneln im Zellaufbau den Tieren und Pflanzen; Vertreter: Algen, Pilze, Protozoen Niedere Protisten: sind Prokaryonten ("ursprüngliche" Zellen ohne Zellkern und Organellen); Vertreter: Bakterien und Blaualgen (Cyanobakterien) Vor allem die Bakterien sind bedeutsam für die Belange des biologischen technischen Umweltschutzes. Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 13

14 Der Aufbau einer Bakterienzelle (Quelle: Schlegel, 1992) Wachstumsformen von Bakterien Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 14

15 Energiegewinnung Hauptaufgabe des Stoffwechsels: Bereitstellung der universellen Energiequelle ATP (Adenosintriphosphat) sowie von Reduktionsäquivalenten, z.b. NADPH/H+. ATP = Adenosintriphosphat Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 15 NADP = Nicotinsäureamid- Adenosin-Dinukleotid-Phosphat

16 Energiegewinnung ATP-Gewinnung/Verbrauch Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 16

17 Phosphor Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 17

18 Stoffliche Eigenschaften Ausschließlich in gebundener Form, meist als Phosphat (PO 4 ) in Lithosphäre als Apatit Zum Teil auch in Form von Guano vorhanden Gehalt in der Erdkruste: ~ 0,11 %. Gewinnung erfolgt bergbaulich, anschließend elektrochemische Herstellung Formen des elementaren Phosphors: weißer, roter, violetter, schwarzer Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 18

19 Notwendigkeit Phosphor ist essentiell für alle Lebewesen: Mensch und Tier: Tagesbedarf eines erwachsenen Menschen: ca. 0,75 g P Körper eines Menschen besteht zu 1% aus Phosphor Knochen- und Zahngerüst besteht hauptsächlich aus Hydroxylapatit 6/7 des Phosphors im Menschen befindet sich in den Knochen Bestandteil der DNA Pflanzen: Entscheidende Komponente des Energiestoffwechsels Umwandlung ADP zu ATP Bestandteil von DNA, ADP/ATP und Enzymen Baustein zur Aufrechterhaltung der Zellstruktur Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 19

20 Phosphoreintrag in Klärschlamm Biologische Phosphorelimination Fällung des Phosphors durch Eisensalz, Aluminiumsalz oder Kalk Belebungsanlage mit Bio-P/ chemische P- Fällung Faulung Abwasser Verwertung / Entsorgung Phosphoraustrag Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 20

21 Physikalisch-Chemische Elimination Eingesetzte Fällmittel: Eisensalz FeCl 3 6H 2 O + PO 3-4 FePO Cl H 2 O Aluminiumsalz Al 2 (SO 4 ) 3 18H 2 O + 2 PO AlPO SO H 2 O Kalk 10 Ca PO OH - Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 Gefälltes Phosphat befindet sich in: Primärschlamm (Vorfällung) Überschussschlamm (Simultanfällung) Tertiärschlamm (Nachfällung) 43% der KA wenden die Fällung an Probleme: Mehranfall an Schlamm Phosphor als Eisenphosphat nicht mehr pflanzenverfügbar Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 21

22 Wieviel kostet P-Recycling? 5-8 /kg P P-Rock, Crystallactor (Piekema 2001, Berg 2005) 1,18 /kg P P-Rücklösung aus KS-Asche (nur HCl) (Stark 2005) 1,7 /kg P Thermochemische Aufbereitung von KS-Asche (Prinzhorn 2005) 6,4 /kg P Biocon (Balmér 2003) 12 /kg P Seaborne (Jung 2003) 2,2-8,8 /kg P Krepro (Schaum 2002, Balmér 2003) Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 22

23 Anaerobtechnik Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 23

24 Verfahrenstechnik (2-stufige Prozessführung) Schlammentwässerung (Quelle: ( ) Trocknung/ Verbrennung Landwirt. Verwertung Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 24

25 Faulgasnutzung (Quelle: Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 25

26 Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Gleichzeitige Gewinnung von mechanischer Energie, die in der Regel unmittelbar in elektrischen Strom umgewandelt wird, und nutzbarer Wärme! (Quelle: Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 26

27 Mikro-BHKW für den Haushalt (P < 50 kw el ) (Quelle: Leistungsbereiche für Ein- und Mehrfamilienhäuser: Gesamtwirkungsgrad: ~ 90% Elektrische Leistung: ~ 1,0 bis 5 kw el Thermische Leistung: ~ 5,0 bis 15 kw th (Quelle: Durchschnittlicher Energiebedarf für ein 4-Personen-Haushalt in der BRD: kwh el /a kwh th /a (BDEW, 2006) Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 27

28 Energieverbrauch der Abwasserreinigung vs. Energieproduktion aus Abwasser für Deutschland Aerober Abbau Belüftung - 2,2 Mio. MWh EL /a (= 250 MW EL ) 3,6 Mio. t CSB/a + 0,3 Mio. t N/a CO 2 + H 2 O Anaerober Abbau Biogas CH 4 + CO 2 3,6 Mio. t CSB/a BHKW Biogas- Anlage + 4 Mio. MWh EL /a (= 460 MW EL ) Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 28

29 Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 29

30 Noch ein paar letzte Hinweise! Faustzahlen worauf in der Vorlesung hingewiesen wurde Die einzelnen Prozesse, wie z.b. der vierstufiger anaerobe Abbau und jegliche Stoffkreisläufe (P, N,...) sollten bekannt sein. Natürlich auch Möglichkeiten der Rückgewinnung. Einfache chemische Gleichungen! P und N waren die Schwerpunkte dieser Veranstaltung! Verfahrenstechnik: Ein paar Fakten sollte man auch parat haben. Alternative Energiequellen, Rohstoffe... Fragen aus dem Bereich der Abwassertechnik insbesondere Klärschlammbehandlung ist naheliegend beim Institut für Siedlungswasserwirtschaft. Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 30

31 Noch Fragen? (Quelle: Naturwissenschaftlich-technische Grundlagen des Umwelt- und Ressourcenschutzes 31