Abwasseranlage überwacht Treibhausgasemissionen

Emissionen aus Abwasserbehandlungsprozessen finden weltweit weniger Beachtung im Vergleich zu den behördlich überwachten Abwasseremissionen aus solchen Anlagen. In Helsinki, Finnland, überwacht eine große kommunale Kläranlage jedoch kontinuierlich ihre Emissionen von Treibhausgasen, um Bemühungen der Stadt zur Bekämpfung des Klimawandels zu unterstützen und zur Verbesserung der Abwasserbehandlung.

Mit einem Multigas-FTIR-Analysator (Fourier Transform Infrared) von Gasmet, einem in Helsinki ansässigen Hersteller analytischer Instrumente, können die Betreiber der Anlage die Auswirkungen der Prozesskontrolle auf THG-Emissionen wie Kohlendioxid, Methan und Lachgas messen. Dabei werden auch die stickstoffhaltigen Verbindungen im Abwasserstrom veranschaulicht.

Hintergrund

Die Kläranlage Viikinmäki wurde 1994 gebaut, um Abwässer aus inländischen (85%) und industriellen (15%) Quellen zu verarbeiten. Allerdings ist die durchschnittliche Temperatur in Helsinki zwischen Dezember und Februar um minus 4 °C, mit Extremen unter minus 20 und sogar minus 30 °C, so dass die Anlage größtenteils unterirdisch gebaut wurde, um die Einfriertemperaturen zu vermeiden. Unterirdische Bauten sind in den nordischen Ländern weit verbreitet und bieten weitere Vorteile wie die Landverfügbarkeit über dem Werk und stabile Bedingungen für die Prozesskontrolle und das Geruchsmanagement.

Das Viikinmäki-Werk ist die größte Kläranlage in Finnland und bewirtschaftet rund 270.000 m³ Abwasser pro Tag, das sind rund 100 Millionen m³ pro Jahr. Das Abwasser wird entsprechend den finnischen Genehmigungsbestimmungen für Abwassereinleitung behandelt, die strenger als die EU-Wasserrahmenrichtlinien für Parameter wie Stickstoffentfernung, Phosphatgehalt, BSB, CSB und suspendierte Feststoffe sind. Nach der Behandlung wird das gereinigte / aufbereitete Abwasser in einer Tiefe von über 20 m 8 km weit auf See und befördert. Dies scheint überflüssig zu sein, aber die 16 km lange Abflussleitung wurde in den 80er Jahren gebaut und sollte sicherstellen, dass sich abgeleitete Abwässer nicht an den flachen und verstreuten Küsten- und Naturschutzgebieten entlang der Küste von Helsinki ansammeln.

Das Behandlungsverfahren basiert auf dem Belebtschlammverfahren und umfasst drei Phasen: mechanische, biologische und chemische Behandlung. Die traditionelle Stickstoffentfernung wurde mit einem biologischen Filter, der Denitrifikationsbakterien einsetzt, verstärkt.

Die im Abwasserbehandlungsprozess enthaltenen organischen Stoffe werden durch Zersetzung des Schlamms getrennt und das im Aufschlussverfahren erzeugte Biogas wird zur weiteren Verwendung gespeichert. Dank der aus Biogas gewonnenen Energie ist die Kläranlage in Bezug auf die Heizung unabhängig und in Bezug auf Elektroenergie zu 70 Prozent autark. Die Anlage soll in naher Zukunft vollständig energieautark arbeiten und es werden noch rund 60.000 Tonnen Trockenmüll jährlich für den Landschaftsbau verkauft.

Gasüberwachung

Aufgrund der Größe der Anlage (E-PRTR-Berichterstattung) und den Verpflichtungen der Umweltbehörde der Region Helsinki (HSY) zum Schutz der Umwelt war es erforderlich, gasförmige Emissionen zu überwachen. Zu Beginn der E-PRTR Berichtsanforderungen (2007) wurden die jährlichen gasförmigen Emissionen auf der Basis von Stichproben abgebildet. Die Überwachung war jedoch relativ einfach umzusetzen, da für die unterirdische Anlage bereits eine Gasabsaugung vorhanden war.

Zunächst wurde ein tragbarer FTIR-Analysator von Gasmet besorgt, um die Emissionen der Anlage zu beurteilen als auch für Forschungszwecke. Mari Heinonen, Prozessleiterin bei Viikinmäki, berichtet: „Die Gas-Emissionsdaten waren sehr interessant, aber sie waren nicht repräsentativ für die jährlichen Emissionen und brachten mehr Fragen als Antworten.“

„Wir haben deshalb ein kontinuierliches Emissionsüberwachungssystem (CEMS) von Gasmet erworben, das Ende 2012 installiert wurde und verfügen nun über unsere ersten ganzjährigen Daten für 2013.”

„Es wurden bisher nur wenige Daten zu den Treibhausgasemissionen der Abwasserbehandlung veröffentlicht. Soweit wir wissen, ist Viikinmäki weltweit das einzige Werk, das diese Art der Überwachung durchführt, sodass unsere Daten zukünftig von Bedeutung sind.“

Der Gasmet CEMS verwendet ein FTIR-Spektrometer, um Infrarotspektren aus dem Abgasstrom zu erhalten. Dabei wird zunächst ein Interferogramm des Probensignals mit einem Interferometer aufgenommen, das alle Infrarotfrequenzen gleichzeitig misst. Daraus wird dann ein Spektrum erzeugt, aus dem qualitative und quantitative Daten erhoben werden. So zeigt die CEMS bei Viikinmäki kontinuierlich Emissionsdaten für CH4, N2O, CO2, NO, NO2 und NH3 an.

Im Laufe der Jahre wurde von Gasmet eine Bibliothek von FTIR-Referenzspektren aufgebaut, die sich nun auf die gleichzeitige Quantifizierung von 50 Gasen oder die Identifizierung von Unbekannten aus einer Sammlung von über 5.000 Gasen erstreckt. Mit der PC-basierten Software (Calcmet) des Instruments ist es dann möglich, rekonstruierte Spektren zu analysieren und zuvor unbekannte Komponenten zu identifizieren – ein großer Vorteil von FTIR.

Während FTIR in der Lage ist, eine enorme Anzahl von Gasen zu analysieren, eignet sich die Technik nicht für Edelgase, homonukleare diatomare Gase (z. B. N2, Cl2, H2, F2 usw.) oder H2S (Nachweisgrenze zu hoch).

Für die Viikinmäki-Anlage wurde die Gasmet-FTIR-Technologie ausgewählt, da sie gleichzeitig mehrere Gase überwachen kann. Mari Heinonen: „Das System hat sich sehr gut bewährt und erfordert nur wenig Wartung. Die Nullpunktkalibrierung mit Stickstoff (Hintergrund) dauert nur wenige Minuten pro Tag und ist voll automatisiert. Die Wasserdampfkalibrierung wird mindestens einmal pro Jahr durchgeführt, aber unter normalen Umständen ist keine andere Kalibrierung erforderlich.“

Aus den Überwachungsdaten hat Mari Heinonen die jährlichen Emissionen für Methan auf rund 350 Tonnen und für Stickoxide auf rund 134 Tonnen berechnet. Dies bedeutet, dass die Emissionen pro Kubikmeter Abwasser sich auf 3,5 g Methan und 1,34 g Stickoxid belaufen.

Mari hofft in Zukunft die Gasüberwachungsdaten auch zur Verbesserung der Prozesskontrolle nutzen zu können: „Traditionelle Überwachungs- und Kontrollsysteme konzentrieren sich auf Sauerstoff-, Nitrat- und Ammoniakkonzentrationen im Wasser. Wenn wir jedoch beispielsweise ein hohes Maß an N2O-Gas nachweisen, kann dies auf ein Problem im Prozess hinweisen, das dann in einer Rückkopplungssteuerung behoben werden könnte.“

„Die Überwachungsdaten für gasförmige Stickstoffverbindungen (N2O, NH3, NOx) ergänzen die Wasseranalyse und liefern ein umfassenderes Bild des Stickstoffkreislaufs im Behandlungsprozess.“

„Es ist klar, dass weitere Untersuchungen erforderlich sind, aber die bisherigen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die Existenz von Stickstoffverbindungen, jenseits derjenigen im Abwasser, berücksichtigt werden muss. Die Entfernung von Stickstoff aus Abwasser ist ein zentrales Ziel, aber wenn dies zu hohen N2O-Emissionen führt, muss der Prozess anders verwaltet werden.“

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