Abteilung Verfahrenstechnik

Lachgas ist ein zirka 310mal stärkeres Klimagas als CO2 und deren Emission in die Atmosphäre entspricht etwa 6% der Schweizerischen Treibhausgasemissionen. Neben Verbrennungsprozessen gehört die mikrobielle Oxidation von NH4-N zu Luftstickstoff durch Nitrifikation und Denitrifikation (in Abwasserreinigungsanlagen, Böden, Wasser, etc.) zu den relevanten Quellen. Global gesehen stammen die Hauptlachgasemissionen aus der landwirtschaftlichen Bodenbewirtschaftung (Düngung und erhöhte N-Fixierung durch Leguminosen wie Soja und Alfalfa). Aktuelle Schätzungen von Lachgasemissionen aus der Abwasserreinigung sind mit einer grossen Unsicherheit verbunden. Für eine genauere Quantifizierung der Emissionen ist daher ein besseres Verständnis der (mikrobiologischen) Prozesse und der Auswirkungen von Umwelt- und Betriebsbedingungen unabdingbar.

In der Schweiz sind die meisten kommunalen Kläranlagen mit einer biologischen Reinigungsstufe ausgerüstet. In Anbetracht des hohen Energieverbrauchs dieser Reinigungsstufe (Belebtschlammverfahren benötigen 50-70% des gesamten Stromverbrauchs einer Kläranlage; Handbuch Energie in ARA, 2008) und somit der grossen wirtschaftlichen Bedeutung für Kläranlagen sind Optimierungsbestrebungen zu erwarten. Insbesondere im Zusammenhang mit neuen Belüftungsstrategien (Energieeinsparung durch Gebläsebetrieb auf tieferem Niveau führt zu einer tieferen O2-Konzentration in der Nitrifikation) müssen die Prozesse der Lachgasbildung und die Einflüsse der relevanten Parameter besser verstanden werden.

Im Rahmen einer Doktorarbeit werden unter Laborbedingungen und im halbtechnischen Massstab (Pilotanlage) Lachgasemissionen aus der biologischen Reinigungsstufe untersucht. Es sollen dabei die relevanten Prozessparameter identifiziert und bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen quantifiziert werden. Das resultierende Modell und die daraus gewonnenen Prozesskontrollstrategien sollen durch Messungen auf Abwasserreinigungsanlagen im Vollmassstab validiert und ergänzt werden.

Es wird davon ausgegangen, dass die Produktion von Lachgas mit einer Störung der mikrobiellen Prozesse (Nitrifikation, Denitrifikation), verursacht durch suboptimale Wachstumsbedingungen, in Beziehung steht. Zu den wichtigsten Parametern gehören:

• Tiefe Sauerstoffkonzentration (hauptsächlich in der Nitrifikationsstufe)

• Akkumulation von Nitrit

• Substratlimitierung während der Denitrifikation

• Unausgeglichene Teilreaktionen wegen rasch wechselnden Bedingungen

Erste Experimente auf der Pilotanlage der Eawag zeigen (Abbildung):

• eine starke Dynamik der Lachgasemissionen aus dem Belebtschlamm.
• umweltrelevante Lachgasemissionen (Frachten) aus dem Belebtschlamm unter realen Bedingungen: bei 2 mg O2/L wurden bis zu 5% der eingetragenen NH4+-N Fracht (im Mittel 25g N/h) als N2O-N emittiert. Dies entspricht etwa 100-200% der international angegebenen CO2-Emissionen für den Energieverbrauch der Belüftung einer Nährstoffeliminationsanlage (Mittlerer Energieverbrauch von Kläranlagen: 0.3 kWhelektrisch/m3Abwasser behandelt entsprechen 0.2 kg CO2,equivalent/m3Abwasser behandelt).

N2O- (rot) und CH4-Emissionen (grün) bei der Behandlung von häuslichem Abwasser, gemessen vom 10. Juni 2009 bis 11. Juni 2009 um 12:00Uhr in der halbtechnischen Kläranlage der Eawag, bei einer O2- Konzentration von 2 mg O2/L (blau). Die N2O- und CH4- Emissionen sind in der oberen Grafikhälfte als CO2-Äquivalente dargestellt.