Analyse chemischer Prozesse in der Abwasseraufbereitung für weniger Treibhausgase
Abwasseraufbereitungsanlagen erzeugen die Treibhausgase Methan, das besonders schädlich ist, und Stickoxid (N2O). N2O wird zwar nur in kleinen Mengen ausgestoßen, hat aber bei gleichem Volumen einen etwa 300-fach stärkeren potenziellen Treibhauseffekt als Kohlendioxid. Das Übereinkommen von Paris sieht vor, dass solche Anlagen ihre Emissionen senken und klimaneutral werden müssen. Das heißt, auch das N2O muss entfernt werden. Problematisch ist allerdings, dass die Entstehung von N2O komplex abläuft und sich nur schwer zurückverfolgen lässt, wo die einzelnen Verfahren der Abwasseraufbereitung dabei wie ins Spiel kommen. Die zugrunde liegenden biologischen Abläufe sind an reinen Bakterienkulturen in kontrollierter Laborumgebung recht einfach nachzuvollziehen. Abwasseraufbereitungsanlagen bestehen aber aus einer komplexen und variablen Mischung verschiedener Bakterienarten mit jeweils anderen Stoffwechseln. Die wechselnde Zusammensetzung des Zulaufs und die Belüftung der Kläranlagen machen den Vorgang noch komplizierter. Ein N2O-Problem unter Laborbedingungen nachvollziehen zu können, bringt daher nicht unbedingt eine Lösung für den Betrieb der Anlage mit sich.
Ein N2O-Problem unter realen Bedingungen
Das EU-finanzierte Projekt AMACONOE hat das N2O-Problem von Abwasseraufbereitungsanlagen untersucht, um Lösungen zur Eindämmung der Emissionen beisteuern zu können. Das Team hat eine Datenbank von Betriebsparametern lebensgroßer Anlagen erstellt, die umfassender ist als alle weltweit bisher verfügbaren, und diese Daten mit komplexen statistischen Auswertungen und Prozessmodellierungen analysiert. Dank der außergewöhnlichen Größe und Komplexität der Datenbank waren Analysen möglich, die vorher nicht denkbar gewesen waren. Nach einer Evaluation des Modells ergaben sich Optimierungsmöglichkeiten in Konstruktion und Betrieb der Abwasseranlagen. Die Forschenden fanden heraus, dass in den aeroben (mit Sauerstoff) Aufbereitungsphasen der Anlage autotrophe Ammoniak oxidierende Bakterien N2O erzeugen und erwartungsgemäß in denselben Phasen daraus noch Nitrat (NO3) oxidieren. Noch wichtiger ist aber die Erkenntnis, dass die Entfernung von N2O-Ansammlungen in der Flüssigkeit direkt von erhöhten Nitratkonzentrationen zu Beginn der anoxischen (mit wenig Sauerstoff) Aufbereitungsphase abhängt. „Hier stellten wir die Hypothese auf, dass heterotrophe Organismen zuerst das Nitrat aufbrauchen wollen“, erklärt Projektkoordinator Professor Gürkan Sin „und erst danach greifen sie auf das flüssige N2O zurück und entfernen es dadurch. Darum müssen also unbedingt sowohl die aeroben als auch die anoxischen Aktivitäten in der Anlage kontrolliert werden, damit ein ausgeglichener Betrieb möglich wird.“
Steuerungsmaßnahmen für die Praxis
Abwasseranlagen müssen also Dauer und Intensität der Sauerstoffzufuhr genau steuern. Zu diesem Zweck hat das Projekt nun Technologien entwickelt. Zuerst ging es um eine Methode zur Kontrolle der Sauerstoffzufuhr in der aeroben Phase, um die Entstehungsrate des N2O mithilfe der richtigen Belüftungsintensität so klein wie möglich zu halten. Außerdem entwickelte das Team eine Möglichkeit, die Entfernung von N2O in der anoxischen Phase zu steuern, indem die externe Kohlenstoffquelle kontrolliert wird. In der Praxis heißt das, in der anoxischen Phase wird intermittierend zufließendes Abwasser beigefügt. „Viele Anlagen haben bereits ein System namens Supervisory Control and Data Acquisition SCADA“, ergänzt Sin. „Einige haben vielleicht zusätzlich noch einen komplexen Steuerungsalgorithmus oder eine Steuerungstechnologie. Unsere Ergebnisse lassen sich entweder von Null auf aufbauen oder über Modifikationen an bestehenden Steuerungs- und Automatisierungsprozessen einbinden.“ Die Betreiber können so ihre Anlagen analysieren und die richtige Strategie zur Begrenzung der N2O-Emissionen auswählen. Projektergebnis waren spezifische Techniken zur Eindämmung der N2O-Erzeugung im Betrieb von Abwasseranlagen. Dank dieser Steuerungsmöglichkeiten ergibt sich ein positiver Einfluss auf den Klimawandel. Unterstützt wurde das Forschungsvorhaben im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen.
Schlüsselbegriffe
AMACONOE, Anlage, N2O, Abwasser, Biologie, Schmutzwasser, Treibhausgase, Stickoxid
