Möglichkeiten der Lachgas-Entfernung in Abluftströmen von Kläranlagen

Abstract

Die vorliegende Masterarbeit erforscht die Möglichkeiten zur Entfernung von Lachgas in Abluftströmen von Kläranlagen. Lachgas ist ein etwa 300-mal stärkeres Treibhausgas als Kohlenstoffdioxid und wird auch bei der Abwasserreinigung in Zuge der biologischen Stickstoffentfernung über Nitrifikation und Denitrifikation gebildet und in die Luft emittiert. Ziel der Masterarbeit war es, herauszufinden, welche Methoden zur Lachgasentfernung verfügbar sind, wie man diese auf Kläranlagen umsetzen kann und Laborversuche mit einem neu entwickelten einstufigen Biowäscher durchzuführen.Im Verlauf der Arbeit wurde eine umfangreiche Literaturrecherche durchgeführt, um den aktuellen Wissensstand bezüglich der Lachgas-Entfernungsmethoden zu erfassen. Es wurden chemisch-physikalische Verfahren identifiziert, die auf Grund der hohen Prozesstemperaturen vorwiegend in der Industrie Anwendung finden, sowie biologische Methoden wie denitrifizierende Biowäscher und Biofilter. Denitrifizierende Biowäscher sind im Betrieb flexibler und erscheinen besser geeignet für Kläranlagen, da bereits Denitrifikationsbecken vorhanden sind, in die die Abluft aus der biologischen Behandlungsstufe (Haupt- bzw. Nebenstrom) eingeleitet werden kann.Bis heute werden zweistufige Biowäscher zur Lachgasentfernung auf Kläranalgen erforscht. Im Rahmen der Diplomarbeit wurde erstmals ein einstufiger Biowäscher in Form einer Blasensäule im Labormaßstab entwickelt, der mit einem Gemisch aus realem kommunalem Abwasser und Belebtschlamm kontinuierlich beschickt und mit N2O-beladener Luft belüftet wurde. Der Sauerstoff und das Lachgas, die über den Gas-Flüssigkeits-Transfer ins Wasser eingetragen werden, werden von den heterotrophen Bakterien im Belebtschlamm genutzt, um organische Verbindungen im Abwasser abzubauen. Die Umsetzung von Lachgas kann nur dann erfolgen, wenn der eingetragene Sauerstoff weitgehend verbraucht wird. Die Ergebnisse der durchgeführten Versuchsreihen zeigen, dass der entwickelte einstufige Biowäscher einen N2O-Entfernungsgrad von 55 bis 80% in Abluftströmen aus Belebungsbecken mit 40-6000 ppmv N2O erreicht. Betriebliche Faktoren, insbesondere die Konzentration an gelöstem Sauerstoff, die CSB-Verfügbarkeit für die Denitrifikation sowie die Aktivität der heterotrophen Bakterien im Belebtschlamm beeinflussen den Wirkungsgrad. Die vorliegende Arbeit trägt zur Erweiterung des Wissens im Bereich der Reduktion von direkten Treibhausgasemissionen bei der Abwasserreinigung bei und motiviert zu vertiefenden Untersuchungen.

The present master's thesis explores possibilities to remove nitrous oxide in exhaust air streams from sewage treatment plants. Nitrous oxide is approximately 300 times more potent as a greenhouse gas than carbon dioxide and is formed and emitted into the air during wastewater treatment as part of biological nitrogen removal through nitrification and denitrification. The objective of the master's thesis was to evaluate available methods for nitrous oxide removal in exhaust air streams, how these methods can be implemented in sewage treatment plants, and to conduct laboratory experiments with a newly developed single-stage bio-scrubber.Throughout the work, an extensive literature review was conducted to depict the current state of knowledge regarding nitrous oxide removal methods. Physical-chemical processes, predominantly applied in the industry due to high process temperatures, were identified, along with biological methods such as denitrifying bio-scrubbers and biofilters. Denitrifying bio-scrubbers are more operationally flexible and appear better suited for sewage treatment plants since denitrification tanks are already present, where exhaust air from the biological treatment stage (main or side stream) can be introduced.To the author's knowledge, two-stage bio-scrubbers for nitrous oxide removal in sewage treatment plants have been explored until now. In the course of the thesis, a single-stage bio-scrubber in the form of a bubble column was developed at the laboratory scale for the first time. It was continuously fed with a mixture of real municipal wastewater and activated sludge and aerated with N2O-rich air. Oxygen and nitrous oxide introduced into the water through gas-liquid transfer were utilized by heterotrophic bacteria in the activated sludge to degrade organic compounds in the wastewater. Nitrous oxide conversion can only occur when the introduced oxygen is largely consumed. The results of the conducted experimental series show that the developed single-stage bio-scrubber achieves a N2O removal efficiency of 55 to 80% in exhaust air streams from aeration tanks with 40-6000 ppmv N2O. Operational factors, especially the concentration of dissolved oxygen, the chemical oxygen demand (COD) availability for denitrification, and the activity of heterotrophic bacteria in activated sludge, influence the removal efficiency. This work contributes to expanding the knowledge in the field of reducing direct greenhouse gas emissions in wastewater treatment and encourages further investigations.