Betriebliche Einflussfaktoren auf die Lachgasemission im Zuge der Denitrifikation bei der biologischen Abwasserreinigung

Abstract

Um eine nachhaltige Wassergütewirtschaft zu erlangen, sollen die Lachgasemissionen aus Kläranlagen auf Grund ihrer Klimaschutzrelevanz verringert werden. Da Lachgas nicht nur als Produkt der Nitrifikation, sondern auch als Zwischenprodukt der Denitrifikation im Zuge der biologischen Abwasserreinigung entstehen kann, wurde im Rahmen dieser Diplomarbeit der Ablauf von Denitrifikation näher untersucht. Dabei wurde hauptsächlich der Einfluss von Abwasserbelastung auf den Prozess der Denitrifikation näher charakterisiert. Die Untersuchung hat auf einer Versuchsanlage im Labor des Institutes für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft der Technischen Universität Wien stattgefunden. Die Untersuchung wurde in drei Phasen unterteilt. In der ersten Untersuchungsphase hat die allgemeine Optimierung und Regulierung des Betriebes stattgefunden (Belüftungsintensität, Dauer des belüfteten bzw. unbelüfteten Intervalls etc.). In der zweiten Phase wurden an einzelnen Tagen spezielle Versuche durchgeführt, indem das zusätzliche Substrat (Ethanol bzw. Methanol) stoßweise während der Denitrifikation dosiert wurde. Die Absicht war es, die Verfügbarkeit an organischer Kohlenstoffquelle (CSB) gezielt während der Denitrifikation zu erhöhen und gleichzeitig ihren Einfluss auf die Lachgasakkumulierung in gelöster Form zu untersuchen. Im Rahmen der dritten Phase erfolgte die Untersuchung der Einwurkung einer Änderung der Abwasserzusammensetzung durch die Erhöhung des CSB schon im Zulauf. Somit wurde eine höhere CSB-Verfügbarkeit während des gesamten biologischen Reinigungsprozesses eingerichtet. Während der gesamten Betriebszeit der Versuchsanlage wurden die N2O-Emissionen On-Line gemessen, um die Emissionschwankungen abhängig von der Belastung und den Betriebsbedingungen über einen längeren Zeitraum zu erfassen. Die N2O-Emissionen wurden sowohl in der flüssigen Phase als auch in der Gasphase kontinuierlich eingefasst. On-Line- Messung des N2O-Gehaltes im Luftraum erfolgte mittels N2O-IR-Spektrometer. Für die kontinuierliche Bestimmung von gelöstem Lachgas im Reaktor bzw. Belebtschlamm wurde ein N2O-Mikrosensor (Unisense) verwendet. Dabei war vorteilhaft, dass On-Line-Messung im Belebtschlamm parallel zur On-Line-Messung in der Gasphase erfolgen konnte. Die einzelne Versuche haben zu einem besseren Verständnis der Einflussfaktoren auf die Lachgasakkumulierung im Zuge der Denitrifikation beigetragen und gezeigt, wie die Lachgasakkumulierung vor allem durch eine Erhöhung des verfügbaren CSB im Abwasser zu unterbinden ist. Durch die Erhöhung der CSB-Verfügbarkeit bzw. Verringerung des N/CSBVerhältnisses wird diese Akkumulierung während der Denitrifikation bedeutend reduziert, indem ein vollständiger Prozess der Denitrifikation ermöglicht ist. Beide verwendeten Arten der CSB-Quelle (Ethanol und Methanol) haben einen Erfolg gewährleistet, wobei beim Methanol eine Anpassungszeit für die Bakterien erforderlich war.

In order to achieve a sustainable water-quality management, nitrous oxide emissions from wastewater treatment plants need to be reduced due to their relevance for climate protection. Since nitrous oxide can not only occur as a product of nitrification, but also as an product of denitrification in the course of biological wastewater treatment, the course of denitrification was investigated more detailed in the context of this diploma thesis. The research took place on a laboratory-scaled pilot plant, in the laboratory of the Institute for Water Quality, Resource Management and Waste Management of the Vienna University of Technology. The research was divided into three phases. In the first research phase were the general optimization and regulation of the operation performed (aeration intensity, duration of the aerated and non-aerated interval, etc.). In the second phase, special tests were carried out on individual days by metering the additional substrate (ethanol or methanol) intermittently during the denitrification. The intention was to increase the availability of organic carbon (COD) during denitrification and at the same time to investigate its influence on nitrous oxide accumulation in dissolved form. In the third phase the additional substrate was added directly in the inflow, to enable the increased availability of the organic carbon during the whole treatment. Throughout the operation of the pilot plant, N2O emissions were measured on-line in order to capture the variations over a longer period of time, depending on load and operating conditions. N2O emissions were continuously measured in both the liquid phase and the gas phase. On-line measurement of the N2O concentration in the air space was carried out with the N2O-IR spectrometer. An N2O microsensor (Unisense) was used for the continuous determination of dissolved nitrous oxide in the activated sludge. The individual experiments have contributed to a better understanding of the factors influencing nitrous oxide accumulation in the course of denitrification and have shown how nitrous oxide accumulation can be prevented, above all, by increasing the amount of the available COD in wastewater. Increasing COD availability or decreasing the N/COD ratio significantly reduces the accumulation of N2O during denitrification by enabling a complete process of denitrification. Both types of COD sources, that have been used (ethanol and methanol), have ensured success, whereat the activated sludge required an additional adaption period in order to use methanol as a carbon source.