Die Pflanzenkläranlage - natürlich klären

  Nadja Fichtenau,  

  Nadine Jakobi, Die Pflanzenkläranlage  

  Ramona Langohr natürlich klären  

11.  Physikalische Parameter (Nadine)  65

11.1  . pH-Wert  65

11.2.  Leitfähigkeit  66

11.3.  Temperatur  68

12.  Fehlerbetrachtung (Nadja)  69

13.  Bestimmung der Wassergüte (Ramona)  70

13.1  Die Güte von Fließgewässern  70

13.2  Einteilung der Gewässergüteklassen:  71

13.3  Vergleich der Ergebnisse mit den Wassergüteklassen  72

14.  Bewertung der Reinigungsleistung (Nadja)  73

15.  Wirtschaftlichkeit (Ramona)  76

16.  Quellenverzeichnis (alle)  79

16.1  Bücher und Magazine  79

16.2  Internet  79

16.3  Normen  79

16.4  Sonstige Quellen  80

16.5  Bilderverzeichnis  80

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Nadja Fichtenau, Nadine Jakobi,

Ramona Langohr 1. Zusammenfassung

Da das Thema Umweltschutz, durch die Auswirkungen des Klimawandels aktueller denn je ist, erschien uns das Thema Pflanzenkläranlage sinnvoll, da diese eine umweltfreundlichere Alternative zur kommunalen Abwasserreinigung ist. Wir haben uns speziell auf die Anlage Ziegler in Neuselhalden bei Steinheim konzentriert, da diese für uns geografisch gut erreichbar ist.

Um die Qualität des gereinigten Wassers zu bestimmen, und dadurch auf die Reinigungsleistung zu schließen, haben wir in regelmäßigen Abständen Proben aus dem Ablauf entnommen und einige Parameter qualitativ und quantitativ bestimmt. Aus dem mikrobiologischen, chemischen und physikalischen Bereich wählten wir die für uns relevanten Parameter aus, welche aus dem nachfolgenden Text entnommen werden können. Um besser verstehen zu können, warum gerade diese Parameter so wichtig sind, haben wir uns auch über ihre Wirkung auf Mensch, Tier und Umwelt informiert.

Anhand der Ergebnisse unserer Messungen konnten wir die Wassergüte bestimmen und auf die Reinigungsqualität der Pflanzenkläranlage schließen. Für ein besseres Verständnis der Pflanzenkläranlagen, haben wir uns außerdem mit dem Aufbau und der Funktion einer solchen beschäftigt.

2. Summary

Trough the impact of climate change, the theme of environmental protection is more currently then ever before. So the topic “plant sewage plant” seemed meaningful to us, because it is a more environmentally friendlier alternative to cleaning sewage municipally. We have specifically concentrated us on the plant Ziegler in Neuselhalden in the near of Steinheim, because these is for us geographically well attainable.

To determine the quality of the cleaned water, and hence to find out the cleaning performance, we have periodically collected samples from the expiry and some parameters qualitatively and quantitatively determined. From the microbiological, chemical and physical field we examined the relevant parameters, which can be extracted out of the following text. In order better to understand why these parameters are so important, we have also informed us about their effect on human, animal and environment.

Based on the results of our measurements, we were able to determine the water quality and to find out the cleaning performance of the plant. For a better understanding of the plant sewage plants, we have in addition, also dealt with the construction and the function of such system.

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Ramona Langohr 3. Zweck

Diese Facharbeit wurde geschrieben um die kaum bekannten Pflanzenkläranlagen bekannter zu machen.

Am Beispiel der Pflanzenkläranlage Ziegler in Neuselhalden bei Steinheim wurde die Qualität der Reinigungsleistung kontrolliert.

4. Pflanzenkläranlagen allgemein

Pflanzenkläranlagen sind eine gute Alternative zur kommunalen Abwasserreinigung. Sie werden meist in kleinen Dörfern oder Aussiedlerhöfen verwendet, da eine Verbindung an das zentrale Abwassernetz zu teuer und zu umständlich wäre. Der Begriff „Pflanzenkläranlage“ ist eher umgangssprachlich. Da die Pflanzen nicht direkt an der Abwasserreinigung beteiligt sind, lautet der korrekte fachliche Begriff „vollbiologische Kleinkläranlage“.

Die Größe einer solchen Pflanzenkläranlage hängt von der Einwohnerzahl ab die dort angeschlossen werden. Die Mindestgröße allerdings beträgt 4 Einwohner.

Es gibt verschiedene Firmen die Pflanzenkläranlagen bauen, allerdings kann sie auch unter fachlicher Anleitung zum größten Teil im Eigenbau errichtet werden.

Als Vorbilder für die Pflanzenkläranlage dienten Sumpfgebiete und mit Sumpfpflanzen bewachsene Flachwasserareale an Seen oder Flüssen, daher verwendet man zur Unterstützung der Schilfpflanzen häufig Sumpfpflanzen. Die Vorläufer der Pflanzenkläranlagen sind die Rieselfelder. Sie wurden im 19. Jahrhundert erstellt, als die Belastung der Gewässer in großen Städten zu groß wurde. Man hat das Abwasser auf naheliegende, nährstoffarme Böden gepumpt. Durch sogenannte Dränrohre wurde das abgesickerte Wasser wiederum in einen Bach- oder Flusslauf geleitet.

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Ramona Langohr Die durch die Nährstoffe aufgewerteten Böden wurden später landwirtschaftlich genutzt oder haben sich zu interessanten Biotopen und Vogelschutzgebieten entwickelt.

Das Prinzip der Rieselfelder wurde weiter ausgebaut und heute bestehen die Pflanzenkläranlagen aus einer Vorklärung, dem Pumpenschacht, dem Pflanzenbeet, einem Kontrollschacht und der Versickerung.

Durch das Zusammenwirken von Mechanik, Biologie, Chemie und Physik klären die Pflanzenkläranlagen das Wasser auf natürlichem Wege.

Die Vorreinigung ist mechanisch. Hierfür werden Absetzgruben oder Ausfaulgruben verwendet. In der Absetzkammer wird der Klärschlamm durch Absetzen und Aufschwimmen abgeschieden. Es gibt Einkammer- und Mehrkammerabsetzgruben, wobei die Mehrkammerabsetzgrube meist drei oder vier Kammern hat.

Die Ausfaulgruben haben ebenfalls drei bis vier Kammern, und sind etwa dreibis fünfmal so groß wie eine Mehrkammerabsetzgrube. Das Wasser hat hier somit eine längere Aufenthaltszeit und die organischen Bestandteile des Schlammes werden unter anaerobem Milieu ¹ abgebaut. Der anfallende Schlamm kann entweder zu entsprechenden Entsorgungs-Anlagen abgeführt werden, oder auf eine Klärschlammvererdungsanlage ausgebracht werden.

Im Beschickerschacht ist eine Pumpe, die das Abwasser intervallweise oder konstant auf das Pflanzenbeet pumpt. Bei natürlichem Gefälle ist keine Pumpe notwendig.

Das Pflanzenbeet ist ein ausgehobenes Becken, das mit einer wasserdichten, Folie ausgelegt wird um es gegen den Untergrund abzudichten. Das Becken wird mit Sand- und Kiesschichten unterschiedlicher Korngröße befüllt. In das Beet werden Sumpf- und Schilfpflanzen eingepflanzt, welche für die Eintragung von Sauerstoff und die Auflockerung des Bodens sorgen. Das Pflanzenbeet kann horizontal oder vertikal beschickt werden. Für die vertikale Beschickung sind zusätzliche Rohre knapp über dem Kies nötig, um das Wasser gleichmäßig auf der Fläche zu verteilen. Bei der horizontalen Beschickung wird nur ein Rohr am Anfang des Beetes benötigt, durch das das Wasser intervallweise auf das Beet gegeben wird.

¹ ohne Sauerstoffanwesenheit Seite 5 von 81

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Ramona Langohr Durch die Schwerkraft fließt das Wasser allerdings eher diagonal als horizontal durch den Bodenkörper.

Das am Ende des Pflanzenbeetes abgesickerte Wasser sammelt sich und wird durch einen Kontrollschacht geleitet. Hier werden durchschnittlich zweimal im Jahr Stichproben genommen und analysiert.

Nach dem Kontrollschacht wird das Wasser entweder in einen Flusslauf eingeleitet oder ins Erdreich versickert. Eine Versickerung ist nur bei einem Sand, Kies oder Lehmboden und genügend Abstand zum Grundwasser möglich. Durch eine Wasserrückführung kann das gereinigte Wasser zum Beispiel für die Klospülung wiederverwendet werden.

5. Vorstellung der Pflanzenkläranlage Ziegler

Die Pflanzenkläranlage Ziegler befindet sich am Rande von Neuselhalden in der Nähe des Hofes Ziegler.

Neuselhalden ist einer der neun Teilorte von Steinheim am Albuch, das am nordöstlichen Ende der schwäbischen Alb liegt. Das Dorf liegt in Baden-Württemberg und gehört zum Kreis Heidenheim.

Die Pflanzenkläranlage wurde im Sommer 2004 von einigen Einwohner und der Firma Janisch & Schulz GmbH aus Gambach in Hessen gebaut.

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Ramona Langohr Da die Abwasserreinigung in Neuselhalden ein Problem darstellte, und ein Anschluss an die Sammelkläranlage in Mergelstetten, die fast 20 km entfernt ist, zu teuer war, entschied man sich für die Pflanzenkläranlage als kostengünstigere und umweltfreundlichere Alternative.

Durch das Engagement der Einwohner dauerte der Bau selbst nur knapp eine Woche. Die Investitionskosten lagen zwischen 5000 und 6000 Euro, was den Besitzer der Anlage, Helmut Ziegler, angenehm überraschte. Die Anlage ist für 45 Einwohnerwerte (EW) ² ausgelegt und es wurden sechs Höfe beziehungsweise Gebäude angeschlossen.

6. Aufbau

Die Pflanzenkläranlage Ziegler besteht aus je einer Dreikammerabsetzgrube pro Haus als Vorklärung, einem Beschickerschacht, dem Pflanzenbeet, einem Kontrollschacht und einer Versickerungsgrube.

² Ein Einwohnerwert entspricht einer Person mit einer durchschnittlich produzierten Abwassermenge von 150 Liter pro Tag (aus „Abwasserreinigung mit Pflanzen“) Seite 7 von 81

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Ramona Langohr 6.1 Die Rohrverlegung

Bei der Rohrverlegung muss darauf geachtet werden, dass in der richtigen Tiefe, dem frostfreien Bereich ³ verlegt wird. In die Grabsohle wird eine Schicht steinfreier Sand gegeben, darauf werden die Rohre verlegt und wiederum mit Sand bedeckt. Bei der Anlage Ziegler wurden Rohre mit Durchmessern von 100 und 150mm (DN 100, DN 150) in Tiefen bis zu 130cm verwendet.

6.2 Die Vorklärung

In jedem der angeschlossenen Gebäude befindet sich eine Absetzkammer, die von der Firma Mall Umweltsysteme GmbH aus Donaueschingen sind. Unterhalb einer Absetzgrube wird mit Sand und Kies eine waagrechte Fläche geschaffen. Jede Kammer besteht aus drei einzelnen Betonringen, die beim Einbau aufeinander gesetzt und mit Schachtbaumörtel verbunden werden. Nach oben hin schließt ein konisches Betonelement mit Betondeckel die Absetzkammer ab.

Bei den Absetzgruben der Anlage Ziegler handelt es sich um Dreikammergruben. Die erste Kammer nimmt dabei die Hälfte des Volumens ein, die zweite und dritte Kammer jeweils ein Viertel.

Die verschiedenen Kammern sind über Tauchrohre verbunden. Bei den Tauchrohren ist zu beachten, dass sie die richtige Eintauchtiefe haben. Sind sie zu kurz, geraten Schwimmstoffe in die nächste Kammer, schlimmstenfalls bis ins Pflanzenbeet. Sind die Rohre zu tief, reichen sie in den Absetzschlamm. Die Tauchrohre in der Anlage Ziegler haben eine Länge zwischen 30 und 50cm.

Das Abwasser läuft über ein Tauchrohr in die erste Kammer. Von dort aus weiter in Kammer zwei und dann in Kammer drei. Von den Absetzgruben fließt das sogenannte Klarwasser weiter zum Beschickerschacht.

³ ab 8cm Tiefe Seite 8 von 81

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Ramona Langohr 6.3 Die Beschickung

Der Beschickerschacht ist insgesamt 2,18m tief und hat einen Durchmesser von 120cm. Beim Einbau ist, wie bei der Absetzkammer darauf zu achten, dass eine waagrechte Fläche geschaffen wird.

Das Wasser läuft über ein 150er Rohr von den Dreikammerabsetzgruben in den Beschickerschacht. Von dort aus werden je 150l des vorgereinigten Wassers intervallweise weiter auf das Pflanzenbeet geleitet.

6.4 Das Pflanzenbeet

Das Pflanzenbeet hat eine Länge von 20m, eine Breite von 7m und eine Tiefe von 1,20m.

Auf der Beetsohle ist eine wasserdichte hochwertige Folie ausgelegt, die das Beet gegen den Untergrund abdichtet.

Auf der Folie sind verschiedene Schichten an Sand und Kies aufgeschichtet. Die unterste Schicht, die Stützschicht, besteht aus 20 cm grobem Kies mit einer Korngröße von 16 - 32mm. Darauf folgt eine 10 cm dicke Schicht aus feinem Kies mit einer Korngröße von 2 - 8mm.

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Ramona Langohr Darauf wiederum ist eine 40 cm dicke Schicht aus Sand, der eine Korngröße von 0 - 20mm hat. Die oberste Schicht besteht wieder aus feinem Kies und ist 10 cm dick.

In den zwei obersten Schichten wachsen Schilfpflanzen, von der Sorte Fragmitis Australis. Die Schilfpflanzen werden jeden Frühling abgemäht um frisch nachwachsen zu können.

Das Pflanzenbeet der Anlage Ziegler wird vertikal durchflossen. Das bedeutet, dass über die gesamte Oberfläche des Beetes parallel zueinander Rohre verlegt sind, die seitlich Löcher haben.

So wird das Wasser bei einer Beschickung über die gesamte Fläche des Pflanzenbeetes verteilt und läuft dann senkrecht durch die Bodenschichten hindurch.

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Ramona Langohr Am Grund des Beetes sammelt sich das Wasser und läuft durch ein DN 150 Rohr, das mit Löchern versehen ist zum Kontrollschacht ab.

6.5 Der Kontrollschacht

Der Kontrollschacht ist 1,45m tief, hat einen Durchmesser von 120cm und läuft oben exzentrisch konisch ⁴ zu. Im Kontrollschacht befindet sich eine Rohröffnung aus der das gereinigte Wasser abläuft und entnommen werden kann.

Geschlossen wird der Kontrollschacht mit einem Betondeckel, der nicht dicht abschließt und entfernt werden kann um Proben zu nehmen.

6.6 Die Versickerung

In Neuselhalden wird das gereinigte Wasser nicht in ein Gewässer eingeleitet, sondern in einer Grube mit 1,5m Tiefe versickert. Durch die Versickerung wird das Wasser in den Erdschichten noch einmal nachgereinigt bevor es ins Grundwasser gelangt.

⁴ auf einer Seite nach oben schmaler werdend Seite 11 von 81

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Ramona Langohr 7. Funktion

Die Funktion einer Pflanzenkläranlage unterteilt sich in 3 Schritte.

7.1 Mechanische Reinigung

Als erstes erfolgt die mechanische Abwasserreinigung in einer Mehrkammerabsetzgrube. Sie ist in drei Kammern unterteilt. In allen drei Kammern findet in der Regel der gleiche Prozess statt. Das zu reinigende Wasser verweilt einige Zeit in einer solchen Kammer, sodass sich Grobstoffe abscheiden können. Hierbei unterscheidet man absetzbare Stoffe, die später den Bodenschlamm bilden und aufschwimmende Stoffe, die später den Schwimmschlamm bilden.

Das so vorgereinigte Abwasser fließt dann über Übertritte und Rohre in den Beschickerschacht. In dem Beschickerschacht befindet sich ein Topf aus Kunststoff welcher auf der Wasseroberfläche schwimmt. An diesem Topf ist unten ein Rohr befestigt. Bei einer Höhe von etwa 0,5 m wird der Topf zurückgehalten, wobei der Wasserspiegel weiter steigt. Das Wasser schwappt nun über den Rand des Topfes und füllt diesen. Dadurch, dass der Topf nun schwerer geworden ist sinkt er und durch das Rohr am Topf fließt das Wasser in die Pflanzenkläranlage. Auf diese Weise werden 150 l Wasser auf einmal in die Anlage geleitet. Eine kleine Wassermenge bleibt allerdings immer in dem Beschickerschacht zurück, da der Topf eine bestimmte Höhe hat.

Die Schwallbeschickung hat den Vorteil, dass durch die große Menge das Wasser im Winter nicht so schnell einfriert.

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Ramona Langohr Die obere feine Kiesschicht sorgt dafür, dass das Abwasser sich waagerecht und schön gleichmäßig auf dem Beet verteilt. Die restlichen Kies bzw. Sandschichten sind für die Filtration des Abwassers zuständig. Die Filtration erfolgt dabei durch Adsorption an der Oberfläche des Kieses bzw. Sandes, wobei beim Sand die Adsorption durch die große Oberfläche am höchsten ist (daher ist es auch die höchste Schicht).

7.2 Biologische Reinigung

Bei der biologischen Abwasserreinigung werden organische Wasserinhaltstoffe, z.B. Essensreste oder Ausscheidungen aus dem Körper, mit Hilfe von Mikroorganismen abgebaut.

Damit die Mikroorganismen dies tun können benötigen sie Sauerstoff. Für eine genügende Sauerstoffzufuhr ist das Schilf zuständig. Schilf ist besonders gut geeignet, weil es einen hohlen Stängel hat und dadurch viel Sauerstoff in das Beet gelangt. So bietet der Wurzelraum der Schilfpflanzen einen optimalen Lebensraum für die Mikroorganismen. Das Schilf ist allerdings nicht der Träger des Reinigungsprozesses, er fördert lediglich milieuabhängige Prozesse wie z.B. Beschattung, Schutz vor Auskühlung und Aufrechterhaltung der Durchlässigkeit.

Zu Beginn der Reinigung ist eine geringe Menge an Biofilm vorhanden. Durch Vermehrung der Mikroorganismen nimmt die Menge an Biofilm im Laufe des biologischen Reinigungsprozesses zu. Damit nimmt auch die Reinigungsleistung zu.

(Nach einer bestimmten Zeit muss allerdings ein Teil entfernt werden, weil er sonst das Pflanzenbeet verstopfen würde.)

Die Mikroorganismen wandeln Kohlenstoffverbindungen für die eigene Energiegewinnung in Kohlenstoffdioxid und Wasser um. Dieser Prozess wird Kohlenstoffabbau genannt.

Im Sauerstoffreichen Gebiet, d.h. im Wurzelbereich der Schilfpflanzen findet die Nitrifikation statt. Bei diesem Prozess werden Ammoniumverbindungen, z.B. aus Eiweiß oder Harnstoff, zu Ammonium umgewandelt. Das Ammonium wird dann mit Hilfe von Bakterien zu Nitrat oxidiert.

Unterhalb des Wurzelbereiches kommt Sauerstoff nur chemisch vor. Dort leben Bakterien welche den Sauerstoff aus dem Nitrat nutzen und dann das Nitrat zu elementarem Stickstoff weiterverarbeiten. Diesen Prozess nennt man auch Denitrifikation.

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Ramona Langohr 7.3 Physikalisch-chemische Reinigung

In dieser Reinigungsstufe wird Phosphat eliminiert. Dazu wird im Bodenkörper mit Eisensalzen oder anderen Mineralien die im Boden vorkommen eine Fällungsreaktion hervorgerufen.

Das Phosphat wird also gefällt (chemisch) und scheidet sich dann an den Kies- bzw. Sandkörnern ab (physikalisch).

Die untere Schicht groben Kieses ist eine so genannte Drainage, dort liegt ein Rohr in welches Löcher gebohrt wurden. Die Feinkiesschicht unter der Sandschicht verhindert, dass der Sand in die untere Grobkiesschicht gelangt, und somit die Löcher in dem Rohr verstopft. Das gereinigte Wasser fließt in die Rohre und wird dann zum Probeentnahmeschacht geleitet.

8. Probennahme

Zur Untersuchung der Wasserqualität entnimmt man in regelmäßigen Abständen Proben und untersucht diese auf bestimmte Inhaltsstoffe.

Diese Proben entnimmt man im Probeentnahmeschacht, welcher gut zu erreichen ist und sogar eine Leiter zur besseren Probenahme beinhaltet. Diese Leiter wird allerdings selten gebraucht.

Bei der Anlage Ziegler wird zweimal im Jahr eine Stichprobe entnommen. Für die Probeentnahme, sowie die Untersuchung der absetzbaren Stoffe ist der Herr Grötzinger verantwortlich. Die Untersuchung des gereinigten Wassers übernimmt das Institut Alfa bei Ulm.

8.1 Geräte

Für die Probeentnahme benötigt man bestimmte Geräte wie z.B. ein Brecheisen um den Betondeckel vom Probeentnahmeschacht zu hebeln.

Foto 5: Öffnen des Probeentnahmeschachtes mit Hilfe eines Brecheisens

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Ramona Langohr Zum entnehmen des zu untersuchenden Wassers eignet sich am besten ein größerer Kunststoffbecher an dem man einen langen Stock befestigt. Außerdem braucht man noch einen Trichter und einige Behälter, z.B. Flaschen in die man die Probe abfüllt. Die Flaschen sollten vor der Probeentnahme gründlich mit heißem Wasser ausgespült werden.

Foto 6: Kunststoffbecher mit langem Holzstab für die Entnahme der Wasserprobe

Bei der Wahl der Behältnisse sollte man darauf achten, dass diese nicht mit dem zu bestimmenden Stoff reagieren. So sollte man z.B. für eine Natriumbestimmung die Probe nicht in einer Glasflasche aufbewahren. Bei einer Phosphatbestimmung ist es ratsam die Probe nicht in einer Kunststoffflasche aufzubewahren.

Um größere Schwankungen der Analysenwerte zu vermeiden, sollte man bei häufiger Probenahme immer den gleichen Wochentag bevorzugen. Schwankungen können dadurch entstehen, dass z.B. am Wochenende die Abwassermenge höher ist, weil die Einwohner dann mehr Zeit zu Hause verbringen und manchmal vielleicht auch Besuch da ist. Ein anderer Faktor bei dem Schwankungen der Analysenwerte auftreten können, ist der Regen. Wenn es viel regnet kann die Probe sehr verdünnt werden, da ja der Regen genau wie das Abwasser im Pflanzenbeet versickert.

Auch die Uhrzeit der Probenahme sollte genau überlegt sein. So kann es beispielsweise vorkommen, dass früh morgens kein Wasser kommt, da über Nacht kein Wasser verbraucht wird.

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Ramona Langohr 8.2 Durchführung

Im Schnitt braucht man ca. 3 - 3,5 L Probe, welche man mit dem Kunststoffbecher auffängt und mit Hilfe des Trichters in die Flaschen füllt. Die Flaschen, der Kunststoffbecher und der Trichter sind vorher mit etwas Probe auszuspülen. So verhindert man dass die Probe durch z.B. restliches Spülwasser verunreinigt oder verdünnt wird.

Foto 7: Durchführung einer Probenahme

Beim Abfüllen der Probe ist die Flasche randvoll zu befüllen, sodass keine Reaktion mit der Luft möglich ist. Auch das kann den Analysenwert später verfälschen.

Foto 8: Abfüllen der Probe in geeignete Behältnisse

Beim Transport der Probe ist darauf zu achten, dass diese immer kühl ist. Hier bietet sich eine isolierte Tragetasche mit mehreren Kühlakkus an. Um die Probe sicher zu Transportieren kann man zur Polsterung um Glasflaschen etwas Zeitungspapier wickeln. Das hat noch den positiven Nebeneffekt, dass die Probe nochmals isoliert wird.

Durch das Kühlen beim Transport kann die Temperatur der Probe stark verändert werden, daher muss sie direkt bei der Probenahme gemessen werden. Dazu nimmt man am besten ein TESTO 110.

Die Probenahme dauert im Schnitt ca. 10 Minuten bis eine Viertel Stunde.

Bei jeder Probenahme ist ein Probenahmeprotokoll anzufertigen. Dort stehen Dinge wie Datum, Uhrzeit, Wetterverhältnisse und Wassertemperatur drin.

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