Heutzutage wird immer mehr Wert auf ökologische Verfahren und darunter auch naturschützende und umweltfreundliche Methoden gelegt. Aufgrund der aktuellen Klimasituation ist es essenziell, der Umwelt so wenig wie möglich zu schaden, weshalb der Fokus immer häufiger auf biologischen Verfahren als Alternative zu herkömmlichen Verfahren liegt. Diese können beispielsweise in der Abwasserreinigung oder Abfallbehandlung zum Einsatz kommen.
Biologische Verfahren
Biologische Verfahren umfassen alle Verfahren, die sich mit Mikroorganismen und höheren Organismen beschäftigen, um einen gewissen Stoffumsatz zu erzielen.
Biologische Verfahren – Abwasserreinigung
In der Abwasserreinigung werden heutzutage aufgrund des Umweltaspektes häufig biologische Verfahren eingesetzt. Im Allgemeinen wird bei der Abwasserreinigung in zwei Verfahren unterschieden: aerob und anaerob, es kann aber auch eine Mischung der zwei Arten zur Wasserreinigung geben.
Unter dem Begriff aerob versteht man eine Phase oder einen Prozess, der unter hoher Sauerstoffzufuhr stattfindet. Wohingegen ein anaerober Prozess unter sehr wenig Sauerstoff oder Sauerstoffausschluss vorangeht.
Biologisch-Aerobe Verfahren
Für aerobe Verfahren werden Mikroorganismen eingesetzt, die Sauerstoff verbrauchen, um organischen Verbindungen abzubauen. Das geschieht durch gelösten Sauerstoff in den verschiedenen Massen, wie Wasser oder Biomasse.
Ein typisches biologisches Abbauverfahren ist die Nitrifikation durch Bakterien (Nitrosmomonas und Nitrobacter). Während der Nitrifikation wird Ammoniak (NH3) über Nitrit (NO2-) zu Nitrat (NO3-) umgewandelt.
Unter Nitrifikation versteht man die bakterielle Oxidation von Ammoniak zu Nitrat. Sie wird von nitrifizierenden Bakterien durchgeführt.
Biologisch-Anaerobe Verfahren
Unter anaeroben Verfahren versteht man biologische Prozesse, während denen organische Verunreinigungen durch Umwandlung in Biogas aus dem Abwasser entfernt werden. Bei diesen Verfahren wird der Stromverbrauch sowie die Schlammproduktion gering gehalten. Somit sind anaerobe Verfahren auch umweltfreundlich.
Um Stickstoff mit biologischen Verfahren aus z. B. Abwasser zu entfernen, wird die Denitrifikation verwendet. Sie wird wie die Nitrifikation von Bakterien durchgeführt und beschreibt die Umwandlung von Nitrat zu gasförmigem molekularem Stickstoff (N2). Der gasförmige Stickstoff entweicht im Anschluss in die Atmosphäre.
Die Denitrifikation ist die Umwandlung von Nitrat zu molekularem Stickstoff. Das erfolgt durch Bakterien, die auch unter Denitrifikanten bekannt sind.
Biologische Verfahren in der Kläranlage
Heutzutage gibt es zwei verschiedene Arten von Kläranlagen. Sie werden in biologisch und klassisch unterschieden:
Klassische Kläranlage
Eine klassische Kläranlage arbeitet in einem dreistufigen System: dazu gehören die mechanische Vorreinigung, die biologische Stufe und zuletzt der Faulturm für den anfallenden Klärschlamm.
| Phasen | Funktion |
| Mechanische Vorreinigung | Hier werden Rechen eingesetzt, die etwa Laub oder Glassplitter aus dem Abwasser filtern. Danach sorgt das sogenannte Vorklärbecken dafür, festere Stoffe herauszufiltern. Darunter zählen unter anderem Fäkalien oder Toilettenpapier. Dadurch wird der "Schlamm" vom Wasser getrennt. |
| Biologische Stufe | Hier übernimmt das Wasser seine Reinigung sozusagen selbst. Es setzen die natürlichen Reinigungsprozesse des Wassers ein. Mikroorganismen, wie Hefe oder Bakterien, bauen die Verunreinigungen ab. Durch den hohen Sauerstoffbedarf wird häufig künstlich Sauerstoff in das Wasser eingeführt. |
| Schlamm/ Biomasse | Hier wird der in der mechanischen Vorreinigung entstandene Schlamm eingedickt und vergärt im Anschluss im Faulturm. Bei dieser Vergärung entstehen Klärgase. Alternativ kann der Schlamm aber auch kompostiert und entsorgt werden. Welcher der beiden Abläufe durchgeführt wird, hängt immer vom Betreiber der Kläranlage ab. |
Biologische Verfahren der Wasseraufbereitung
Biologische Kläranlagen arbeiten oftmals nach der sequenziellen biologischen Reinigung (SBR-Prinzip). Das Abwasser wird aufgefangen und festes Material sowie schwimmende Fette werden vom Abwasser getrennt. Die nächste Reinigungsstufe, die biologische Reinigung, wird wie bei der klassischen Kläranlage von Mikroorganismen durchgeführt.
Um den Reinigungsprozess so effektiv wie möglich zu halten, müssen die Mikroorganismen gesund und aktiv sein. Um diesen Zustand zu erhalten, werden in der biologischen Kläranlage drei verschiedene Methoden angewandt:
| Methoden | Ablauf |
| Belebtschlammverfahren | Das Wasser wird mit ausreichend Sauerstoff angereichert, den die Mikroorganismen zum Arbeiten benötigen. Hier schwimmen die Bakterien frei im Abwasser. |
| Biofilmverfahren | Beim Biofilmverfahren handelt es sich um spezielle Platten, die einen Lebensraum für Bakterien bieten. Viele Bakterien unterschiedlicher Spezies bilden dann zusammen einen Biofilm aus, der ihnen Stabilität und verbesserten Zugang zu Nährstoffen bietet. Somit fördern sie deren Entwicklung und die Organismen können effektiver arbeiten. |
| Pflanzenkläranlage | Hierbei handelt es sich um Beete oder Teiche, in die das Abwasser hineinfließt. Spezielle Pflanzen (Schilfrohr, Seggen) und Mikroorganismen klären gemeinsam das Wasser. |
Wusstest Du, dass sogenannte Naturpools auch eine Form der Pflanzenkläranlage beinhalten? Hier sorgen auch gewisse Pflanzen, wie Schilfrohr oder Seggen, für die Wasserreinigung des Pools. Neben dieser Methode wird auch der externe Biofilter verwendet.
In diesem Filter wird unter viel Sauerstoffzufuhr ein sogenannter aerober Biofilm aufgebaut. Unter Biofilm versteht man eine Anhäufung von Mikroorganismen, wie Bakterien oder Pilze. Sie haben die Eigenschaft frei verfügbare Nährstoffe im Wasser effektiv und schnell zu binden, so, dass sie in Zellwachstum umgewandelt werden. Dadurch wird nährstoffarmes, permanent klares Wasser erzielt. So reinigen sich im Übrigen auch Bäche oder andere fließende Gewässer.
In diesen Pools wird also genau das Prinzip angewendet, das auch die Systeme der Abwasserreinigung verfolgen.
Abbildung 1: Naturpool
Biologische Verfahren – Abfallbehandlung
Für die Abfallbehandlung in biologischen Anlagen werden Mikroorganismen zur Behandlung organischer Abfälle eingesetzt. Hierbei ist in zwei Verfahren zu unterscheiden:
- Kompostierung (aerob): Prozesse, bei denen gezielt Sauerstoff zur Behandlung des Abfalls eingesetzt wird
- Vergärungsverfahren (anaerob): Prozesse, die unter Ausschluss von Sauerstoff stattfinden.
Als organische Abfälle bezeichnet man Abfälle von tierischer oder pflanzlicher Herkunft, die biologisch abbaubar sind.
Kompostierungsverfahren
Diese werden besonders bei strukturreichen Abfällen eingesetzt. Dazu gehören vorwiegend Grünschnitt oder (faulendes) Gemüse, da diese Abfälle verkleinert werden müssen. Sie werden dann zu Mieten aufgeschichtet. Mieten sind geschichtete Komposthaufen, deren Vorteil darin besteht, dass die Biomasse gut durchlüftet wird. Dadurch kann die Masse auch kontrollierter verrotten.
Viele Menschen besitzen heutzutage auch zu Hause einen Komposter. Wenn Du nun regelmäßig über eine längere Zeit hinweg Deine Küchenabfälle, etwa Apfelreste oder Karottenschalen sowie Kaffeesatz in den Komposter gibst und das für eine Weile verrotten lässt, dann kannst Du die übrige Masse später zum Düngen verwenden.
Vergärungsverfahren
Die Vergärungsverfahren finden im sogenannten Fermenter statt. Dabei wird in diskontinuierliche und kontinuierliche Vergärung unterschieden.
Kontinuierliches Verfahren
Durch den Fermenter wird regelmäßig Biogas produziert. Dies erfolgt durch eine regelmäßige Hinzufügung eines Substrates. Das wird als kontinuierliches Verfahren bezeichnet.
Diskontinuierliches Verfahren
Bei der diskontinuierlichen Vergärung wird in dem Fermenter mit einem Gemisch aus Substrat und Biomasse angesetzt. Er wird nach einigen Wochen gelehrt. Dadurch ist keine regelmäßige Biogasproduktion möglich.
Mischung aus Kompostierungs- und Vergärungsverfahren
Heutzutage werden das Kompostierungs- und das Vergärungsverfahren oftmals kombiniert. Es wird zunächst Biogas hergestellt, das beispielsweise als "Biomethan" in Erdgasnetze eingebracht werden kann.
Danach wird der feuchte Gärrückstand abgepresst und mit etwa Grünabfällen angereichert. Daraufhin wird die Masse gut durchlüftet, so ändert sich die Mikroorganismenpopulationen. Dadurch wird der Vergärungsprozess auf ein Kompostierungsverfahren umgestellt. Die Biomasse des Kompostes kann schlussendlich als Biodünger eingesetzt werden.
Mechanisch-Biologische Abfallbehandlungsverfahren
Auch bei der mechanisch-biologischen Abfallbehandlung (MBA) wird in verschiedene Verfahren unterschieden.
Klassisches Verfahren
Bei den klassischen Verfahren werden Metalle von anderen Bestandteilen, die zur Energiegewinnung elementar sind, getrennt. Diese Bestandteile werden heizwertreich genannt. Zuletzt bleibt die sogenannte Deponiefraktion zurück. Das ist die Masse, die biologisch behandelt wird.
Stabilatverfahren
Dagegen wird beim Stabilatverfahren ein Ersatzbrennstoff (Stabilat )hergestellt. Dabei wird nur wenig der mineralischen Abfälle auf Deponien entsorgt. Sie werden durch die Reaktionswärme im biologischen Prozess getrocknet und somit für die weiteren Schritte vorbereitet. Denn trocken lassen sie sich effizienter, in die Kategorien Ersatzbrennstoffe oder Eisen- sowie Nicht-Eisen, trennen.
Schlussendlich benötigen beide, die klassische Methode sowie das Stabilatverfahren, eine Feuerungsanlage, in der die durch Stabilate erzeugten Ersatzbrennstoffe und auch die heizwertreichen Fraktionen der klassischen Anlage, verbrannt werden können.
Biologische Verfahren Pflanzenschutz
Für den biologischen Pflanzenschutz werden die natürlichen Gegenspieler in der Natur nützlich gemacht. Insbesondere die Gegenspieler von Schädlingen und Krankheitserregern. Es wird also auf chemische Schädlingsbekämpfung verzichtet und biologische beziehungsweise physikalische Maßnahmen zum Schutz der Pflanzen angewendet. Hier findest Du einige natürliche Organismen und Stoffe zum Pflanzenschutz und ihre Funktionsweise aufgelistet:
| Maßnahmen | Funktionsweise |
| Insektenviren | Insektenviren sind bestimmte Viren, die lediglich Insekten befallen und diese abtöten können. Ihr ökologischer Vorteil besteht darin, dass sie nur wenige Schädlinge abtöten und somit gezielt eingesetzt werden können. Ein Beispiel dafür ist der Apfelwickler-Granulovirus, der gegen die Maden des Apfelwicklers eingesetzt wird.Wie auch bei chemischen Mitteln kann gleichsam diese Maßnahme bei zu häufiger Anwendung an Wirkung nachlassen. |
| Pilze und Mikroorganismen | Bestimmte Bakterien, wie Bacillus thuringiensis, sind in Wirkstoffen enthalten, die gegen Schädlinge eingesetzt werden können. Auch bestimmte Pilze können gegen hauptsächlich im Boden lebende Schadorganismen vorgehen und diese unschädlich machen. |
| Naturstoffe | Als Naturstoffe werden Extrakte von Pflanzen bezeichnet, die bestimmte Schädlinge als abstoßend erachten. Andere lösen in der Pflanze gewisse Abwehrreaktionen aus, um die Schädlinge fernzuhalten. |
Biologische Verfahren zur Haltbarmachung von Lebensmitteln
Lebensmittel verderben durch Mikroorganismen, Enzyme oder andere Stoffe. Um die Lebensmittel nun länger haltbar zu machen, werden verschiedene Konservierungsverfahren aus den Bereichen der Chemie, der Physik und der Biologie angewandt. In der Biologie wird dabei in drei verschiedene Konservierungsmethoden unterschieden: die Milchsäuregärung und die alkoholische Gärung sowie die Essigsäuregärung.
Milchsäuregärung
Die Milchsäuregärung ist eine der ältesten Methoden, um Lebensmittel haltbar zu machen. Dabei wandeln Milchsäurebakterien Kohlenhydrate in Milchsäure und Kohlenstoffdioxid um. Diese beiden Stoffe säuern das Produkt und verhindern somit, dass unerwünschte Bakterien wachsen. Weiterhin wird der Sauerstoff durch den Gärungsprozess verdrängt, was aeroben Mikroorganismen ihren Nährstoff zum Wachsen nimmt.
Allerdings wird durch die Milchsäuregärung auch der Geschmack des Lebensmittels verändert. Er wird säuerlicher, wie es am Beispiel von Sauerkraut gut zu erkennen ist.
Die Milchsäuregärung wird zum Haltbarmachen von unter anderem Gemüse eingesetzt. Des Weiteren werden so auch Joghurt oder Kefir hergestellt.
Mehr zum Thema Milchsäuregärung findest Du im dazugehörigen StudySmarter Artikel.
Alkoholische Gärung
Hier wird Zucker mithilfe von Hefe in Alkohol umgewandelt. Durch den Alkohol werden das Wachstum von Mikroorganismen, wie Bakterien und Pilze, gehemmt. Bei einem Alkoholgehalt von 12,5 Vol.-% stoppt die Gärung.
Endprodukte der alkoholischen Gärung sind unter anderem Bier und Wein.
Bei Fragen zum Thema alkoholische Gärung kannst Du im entsprechenden StudySmarter Artikel Antworten finden.
Essigsäuregärung
Bei der Essigsäuregärung bauen Essigsäurebakterien Zucker oder Alkohol zu Essig ab. So wird der ph-Wert des Lebensmittels abgesenkt, sodass Mikroorganismen nicht mehr überleben können.
Durch die Essigsäuregärung entstehen etwa Branntweine oder Essig.
Biologische Testverfahren – Das Wichtigste
- Biologische Verfahren verwenden Mikroorganismen, um einen gewissen Stoffumsatz zu erreichen
- Bei der biologischen Abwasserreinigung gibt es anaerobe und aerobe Verfahren
- Bei der Abwasserreinigung wird zwischen klassischen und biologischen Verfahren unterschieden
- Die Abfallbehandlung wird in drei Verfahren unterteilt
- Kompostierungsverfahren
- Vergärungsverfahren
- Mischung aus Kompostierungs- und Vergärungsverfahren
- Neben diesen drei Verfahren gibt es auch das Mechanisch-Biologische Abfallbehandlungsverfahren
- Biologischer Pflanzenschutz kann unter anderem durch Insektenviren, Mikroorganismen oder Naturstoffe erfolgen
- Zum Haltbarmachen von Lebensmitteln werden in der Biologie verschiedene Gärungsmethoden eingesetzt
Nachweise
- lanuv.nrw.de: Biologische Behandlung (01.07.2022)
- umweltbundesamt.de: meschanisch-biologische Behandlung (01.07.2022)
- um.baden-wuerttemberg.de: Bioabfallvergärung (01.07.2022)
- julius-kuehn.de: Biologischer Pflanzenschutz (02.07.2022)
- bzfe.de: Haltbarmachen von Lebensmitteln (02.07.2022)
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