Abteilung Verfahrenstechnik

N2Oara - Treibhausgasemissionen aus der Abwasserreinigung

In N2Oara entwickeln wir ein Messkonzept, um gasförmige Emissionen auf Kläranlagen zu messen. Ziele des Projekts sind damit Treibhausgasemissionen aus Kläranlagen zu quantifizieren. Zudem wird das Potential der Abluftmessung für die Steuerung von Kläranlagen charakterisiert. Die Vorteile der Abluftmessung liegen, im Gegensatz zur Messung in der gelösten Phase, beim deutlich geringen Wartungsaufwand der Sensoren. Ein Fokus des Projekts liegt auf der Quantifizierung und Charakterisierung von Lachgasemissionen, dem bedeutendsten Treibhausgas in der Abwasserreinigung.

Messung von gasförmigen Emissionen

Abluftemissionen aus der Abwasserreinigung werden mit schwimmenden Ablufthauben erfasst. Mehrere Standorte können dabei mit einem Sensor ausgemessen werden. Neben Treibhausgasen kann auch die Sauerstoffkonzentration, welche mit der Sauerstoffzehrung im Reaktor korreliert, in der Abluft gemessen werden. Die Gasmessung verursacht deutlich tiefere Wartungsarbeiten als die Messung in der Flüssigphase. Somit kann die Messmethode ist die Messung auch für die Steuerung und Optimierung einer Kläranlage geeignet. Heute wird die Abluftmessung bei der Abwasserreinigung jedoch nicht eingesetzt: ein ungenutztes Potential für Betriebsoptimierung.

Treibhausgase aus der Abwasserreinigung

Kläranlagen sind bedeutende Emittenten von Treibhausgasen. Die grössten Emissionen verteilen sich auf die Treibhausgase Lachgas (N2O), Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2). Insgesamt repräsentieren die Treibhausgasemissionen aus Kläranlagen 1-2% der Gesamtschweizerischen Emissionen. N2O gilt dabei als bedeutendste Treibhausgasemission der Abwasserbehandlung.

In vielen Gemeinden ist die Kläranlage einer der wichtigsten Stromverbraucher. Ein Optimieren der Kläranalage betreffend Stromverbrauch macht aber nur dann Sinn, wenn dadurch die N2O Emissionen nicht gesteigert werden: Die Belüftung ist einerseits eine der wichtigsten Stromverbraucher auf Kläranlagen, beeinflusst aber auch, speziell bei tiefer Belüftung, die N2O Emission stark.

Lachgasemissionen

Aktuelle Langzeit Messungen der Abluft zeigen, dass im Jahresdurchschnitt 1.7% der N-Fracht im Abwasser als N2O emittiert wird. Die Lachgasemissionen sind dabei sehr dynamisch im Jahresverlauf. N2O wird in der Abwasserreinigung durch mikrobiologische Aktivität im biologischen Stickstoffabbau produziert. Die Produktionswege von N2O sind dabei weitgehend bekannt. Die Gründe für die starke Dynamik der Emission im Jahresverlauf sind hingegen bisher ungeklärt. Zudem konnte ein starker Zusammenhang zur Nitritkonzentration im Abwasser festgestellt werden. Nitrit weist eine hohe Toxizität in natürlichen Gewässer auf. Ein vielversprechendes Mittel, um die Lachgasemissionen bestimmten Produktionswegen zuzuordnen, ist die Messung Isotopen-Konzentrationen im Lachgasatom. 

Projektziele im Detail

-   Quantifizierung von Treibhausgasemissionen aus Kläranlagen, wie Lachgas, Methan und Kohlendioxid und Extrapolation der Emissionen auf die gesamte Schweiz anhand von 15 Messkampagnen auf für die Schweiz typischen Anlagen.

-   Einflussgrössen der N2O Emission analysieren, welche relevant für die saisonale Variation sowie auch auf die kurzzeitige Fluktuation (Tagesgang) der N2O Emission sind, mit Fokus auf die mikrobielle Zusammensetzung des Schlamms, die Bedingungen im Reaktor und auf die Betriebsführung.

-   Strategien zur Reduktion der N2O Emission: Verfahrenswahl, -optimierung und Reduktionsmassnahmen, sollen mit Hilfe von Versuchen in Labor- und Pilotmassstab getestet und anhand Messungen im Vollmassstab untersucht werden

-   Aufbau einer repräsentativen Abluftmessung für die Abwasserreinigung, damit relevante Messgrössen im regulären Betrieb an mehreren Stellen online quantifiziert werden können. Neben N2O bietet die Bestimmung des Sauerstoffs (O2) in der Abluft wie auch des lokale Luftdurchflusses die Möglichkeit für eine verbesserte Betriebsführung: optimierte Stickstoffelimination durch sehr wartungsarme online Messung der O2-Zehrung, online erkennen von NO2- Spitzen im Ablauf anhand der N2O Messung, Optimierung des Unterhalts der Belüfterregister, erkennen ungünstiger Luftverteilung innerhalb des Biologiebeckens. Einzelheiten zum Aufbau der Messung werden öffentlich verfügbar gemacht.

-   Die Relevanz der Abluftmessung für Optimierung von Kläranlagen wird diskutiert. Im Vordergrund steht a) die Bedeutung von N2O als direkte Treibhausgasemission bei der Energieoptimierung von Kläranlagen, b) der Nutzen der N2O Messung, um NO2- Spitzen im Ablauf zu erkennen und zu vermeiden sowie c) das Potential der Abluftmessung einschliesslich der Messung anderer Gase (O2, NO) für Betriebsoptimierungen. 

Über uns

Das N2Oara Projekt Bündel ist ein interdisziplinäres Forschungsprogramm mit Vertragspartnern aus verschieden Bereichen:

Forschung (eawag, Empa, ETH Zürich)

Behörden (BAFU Abt. Gewässerschutz, BAFU Abt. Treibhausgasinventar, AFU Kt. Bern, AWEL Kt. Zürich)

Kläranlagenbetreiber (ARA Real, ARA Werdhölzli, ARA Bern, ARA Hofen, ARA Giubiasco)

Planer (Holinger, Hunziker-Betatech, TBF+Partner)

Kontakt

Wenzel GruberTel. +41 58 765 5595E-Mail senden

Projektleitung

Dr. Adriano JossTel. +41 58 765 5408E-Mail senden

Projektpartner