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Der Kohlenstoff- und Stickstoffabbau ist die zweite Reinigungsstufe. Hier werden im wesentlichen die im Abwasser enthaltenen Belastungen aus Harnstoff und Eiweiß (Stickstoff und Kohlenstoff) durch Mikroorganismen abgebaut.

Die Bakterien oder auch Mikroorganismen bestehen aus einer schleimigen Masse, die als Belebtschlamm in der Kläranlage festgehalten wird. Dieser Schlamm nimmt die organischen Schmutzstoffe auf und verlegt sie theoretisch in die Bestandteile Kohlendioxid (CO2), Wasser (H2O), Energie und auch Zellsubstrat, d. h. es entseht ein Zellaufbau und der Schlamm wächst.

Die Zerlegung der Schmutzstoffe oder der Abbau erfolgt dabei in Teilschritten durch jeweils spezialisierte Bakteriengruppen. Stickstoff ist im wesentlichen im Abwasser als Ammonium (NH4) enthalten. Dieser wir zunächst zu Nitrit (NO2) und gleich anschließend zum Nitrat (NO3) umgewandelt.

In der sogenannten Denitrifikationsstufe wird dann das Nitrat, dass in der Umwelt wie ein Düngemittel wirkt, abgebaut zu gasförmigen Stickstoff (N) und ebenfalls Kohlendioxid.