Energiebilanz und Treibhausgasemissionen urbaner Abwasserreinigungssysteme

Eine erhöhte Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre führt zur Erwärmung der Erde und damit zu einem Wandel ihres Klimas. Der durch den Menschen verursachte Klimawandel ist eine der größten derzeitigen Herausforderungen. Ein weltweites, gemeinschaftliches und transdisziplinäres Handeln in vielen Bereichen ist erforderlich, um diesen durch konsequente Minderung von Treibhausgasen auf ein erträgliches Maß zu beschränken.

Kläranlagen können einen nicht unbedeutenden Beitrag zur Minderung von Treibhausgasemissionen leisten, da sie Emissionsquellen für die klimarelevanten Gase Kohlenstoffdioxid, Methan und Distickstoffmonoxid sind. Kohlenstoffdioxid entsteht hierbei auf direktem Wege, durch die Oxidation von organischen Stoffen im Abwasser und während der endogenen Atmung, oder indirekt, bei der Erzeugung notwendiger elektrischer Energie für den Betrieb. Distickstoffmonoxid, ugs. auch Lachgas genannt, ist ein natürlich vorkommendes Zwischenprodukt in der biologischen Abwasserreinigung und kann in turbulenten Bereichen der Kläranlage ausgestrippt werden. Methan entsteht bereits in signifikanten Mengen im Kanalsystem und erreicht die Kläranlage in gelöster Form. Wie auch beim Lachgas können Turbulenzen zur Freisetzung des gelösten Methans führen.

Bisher liegen nur wenige messtechnisch fundierte Emissionsdaten für das Gesamtsystem Kläranlage vor. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Treibhausgase mit modernen Messverfahren, wie der sog. Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie (FTIR), nur sehr aufwendig und kostenintensiv zu quantifizieren sind. In diesen Zusammenhängen besteht die Notwendigkeit, Verfahren zur Quantifizierung von Treibhausgasemissionen zu erforschen und weiterzuentwickeln, um damit Emissionsquellen und Möglichkeiten der Reduzierung aufzuzeigen und letztlich die Energieoptimierung von Abwasserreinigungssystemen voranzutreiben.

Im ersten Teil des Forschungsprojektes wird daher eine neue Methode entwickelt, bei der durch Aussalzen die gelösten Treibhausgase im Abwasser quantifiziert werden können. Durch Anwendung von Massenbilanzen kann anschließend berechnet werden, in welchen Mengen eine Kläranlage Treibhausgase potenziell emittieren kann.

Im zweiten Teil wird, mittels der Simulationssoftware SIMBA#water des Magdeburger Instituts für Automation und Kommunikation e. V. (ifak), ein dynamisches Modell entwickelt zur Vorhersage von Treibhaugasemissionen für das Gesamtsystem Kläranlage. Die Basis für die Modellierung bildet hierbei das ASM3 („Activated Sludge Model No. 3“).

Team

• Kollegiat: Dr.-Ing. Pascal Kosse
• Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Marc Wichern (RUB, Ingenieurwissenschaften)
• Betreuer: Prof. Dr. Torsten Schmidt (UDE, Chemie)
• Betreuer: Dr.-Ing. Manfred Lübken (RUB, Ingenieurwissenschaften)
• Mentor: Dr.-Ing. Ruben-Laurids Lange (Emschergenossenschaft/Lippeverband)