Modellierung der Lachgasemissionen aus der biologischen Abwasserreinigung
Lachgas (N2O) ist ein Treibhausgas (ca. 300 Mal stärker als CO2) und bedeutend an der Zerstörung der stratosphärischen Ozonschicht beteiligt. In der biologischen Stufe von Abwasserreinigungsanlagen (ARA) werden relevante Mengen an N2O emittiert. Die N2OBildung ist sehr komplex und nur ansatzweise verstanden. Es wird aber davon ausgegangen, dass hauptsächlich die Nitrifikation eine dominante Quelle darstellt.
In der vorliegenden Masterarbeit wurde anhand von qualitativen Modellierungen versucht die Dynamik der N2O-Emissionen auf der ARA Real nachzuvollziehen und Strategien zur Reduktion der Emissionen zu entwickeln.
Anhand von Daten aus einer Langzeit Messkampagne auf der ARA Real über die N2OEmissionen konnte gezeigt werden, dass die N2O-Emissionen im Winter und Frühling einen bedeutenden Einfluss auf die Treibhausgasbilanz der Anlage hat. Berechnungen ergaben, dass die Emissionen bei über 1.5% der Ammoniumfracht im Zulauf der Anlage liegen. Es wurde abgeschätzt, dass die Emissionen ca. je zur Hälfte auf die Haupt- und die Nachbelüftung der Anlage entfallen. Dieses Ergebnis ist erstaunlich, da üblicherweise vor allem in der Hauptbelüftung der Grossteil der N2O-Emissionen ausgestossen wird.
Für die Entwicklung von N2O reduzierenden Massnahmen auf Kläranlagen können Modellierungen wichtige Hilfestellungen bieten. Allerdings kann mit den bereits publizierten mechanistischen Modellen über die N2O-Bildung nur ein Teil der N2O-Dynamik erklärt werden. Daher wurde in der vorliegenden Studie die N2O-Bildung basierend auf den Daten aus einer Langzeit-Messkampagne auf der ARA Real mit empirischen Ansätzen modelliert. Die N2O-Emissionen zeigen starke Korrelationen zur NO2--Konzentration in der Belüftungszone, Temperatur und zum Niederschlag. Darauf aufbauend wurde das ASM3-Modell mit Stickstofferweiterung um die Lachgasbildung in der Nitrifikation durch die Nitrifikaten Denitrifikation und die hetrotrophe Denitrifikation erweitert und kalibriert. Der dritte bekannte Prozess zur N2O-Bildung (Oxidation von NH2OH) wurde weggelassen.
Die Resultate der Modellierungen zeigen, dass mit dem Modell die Emissionen im Winter qualitativ gut reproduziert und erklärt werden können. Im Sommer bei höheren Temperaturen sind die modellierten Konzentrationen zu hoch. Insbesondere für die Modell Prozesse der Denitrifikation sind Anpassungen möglicherweise vorzusehen.
Anhand des Modells wurden für den Winter Betriebsoptimierungen getestet. In Kombination mit den Resultaten aus der Analyse der Daten aus der Messkampange wurden verschiedene Optimierungsmassnahmen entwickelt. Am vielversprechendsten sind die Erhöhung der O2-Konzentration in der Hauptbelüftung, die Verlängerung der Belüftungsphasen, ein dosierterer Betrieb der Belüftungseinheit der Nachbelüftung und die separate Behandlung von Rückläufen aus der Schlammbehandlung. Teilweise entstehen aber Konflikte mit anderen Zielgrössen, wie der Stickstoffelimination und dem Energieverbrauch der Anlage. Dabei kann das Modell in Zukunft interessante Hilfestellungen bieten und verbunden mit Ökobilanz-Tools könnten die gestellten Optimierungsprobleme gelöst werden.