Jehmlich, Alexander (2014)

Thema

Kleintechnische Untersuchungen zur Elimination von Methan in vertikal durchströmten Bodenfiltern

Aufgabenstellung

Kleinkläranlagen verfügen im Regelfall über eine Vorbehandlungsstufe zur Abscheidung partikulärer Substanzen. Infolge der langen Verweilzeit des Schlamms in den Absetz- und Speicherräumen führen anaerobe Prozesse zum Abbau von organischen Abwasserinhaltsstoffen. Die dabei entstehenden Gase, hauptsächlich Methan und Kohlendioxid, werden an die Umwelt abgegeben. Eine Verwertung des Methans ist aufgrund des geringen Aufkommens aus wirtschaftlichen und technologischen Gesichtspunkten nicht realisierbar. Da Methanemissionen aufgrund ihrer klimaschädigenden Wirkung zu vermeiden sind, soll ein Verfahren untersucht werden, dass die Elimination des Methans erlaubt.

Vertikal durchströmte Pflanzenkläranlagen (PKA) haben sich im Anwendungsbereich bis 50 EW bewährt. Während mit einstufigen, vertikal durchströmten PKA eine nahezu vollständige Nitrififikation erreicht werden kann, ist ihre Denitrifikationsleistung nur sehr gering. Eine Verbesserung der Denitrifikationsleistung ist durch Rezirkulation des gebildeten Nitrats in das VKB möglich. Ein alternativer Ansatz geht davon aus, dass Methan in Anwesenheit von Nitrat durch mikrobiologische Stoffwechselumsätze in CO2 und Wasser bei gleichzeitiger Denitrifikation umgewandelt wird. Bei Implementierung dieses Prozesses in eine PKA würde bei einer einstufigen Verfahrensweise eine weitergehende Stickstoffelimination und eine Verringerung der Methanemissionen erreicht werden.

Die Aufgabe der Masterarbeit besteht darin, in Laborversuchen die grundsätzliche Eignung des Verfahrens als Vorbereitung eines halbtechnischen Tests zu untersuchen sowie die Randbedingungen und erreichbaren Wirkungsgrade zu bestimmen. Die Arbeit umfasst zum einen Recherchen zu den Verfahrensgrundlagen, zum anderen praktische Untersuchungen zur Stickstoffelimination und zu Strömungsvorgängen in Bodenfiltern.

Autorenreferat

In dieser Arbeit wurde primär die Methanoxidation in all ihren Variationen bearbeitet. Sekundär wurde die Entstehung von Kapillarschichten in vertikalen Bodenfiltern betrachtet. Sowohl für das Hauptthema als auch das Nebenthema wurden grundlegende Literaturrecherchen durchgeführt. Anschließend sollte versucht werden, die daraus gewonnenen Erkenntnisse an Hand kleintechnischer Versuche zu verifizieren.

Aus der Literatur ist zu entnehmen, dass die aerobe Methanoxidation praktisch umgesetzt werden kann und diese bereits zum Beispiel auf Deponien angewendet wurde. Die Abbauprozesse werden benannt und mittels einer Reaktionsgleichung beschrieben. Allerdings herrschen in der Literatur Diskrepanzen über die mögliche Intensität der Methanoxidation. Die möglichen Methanoxidationsraten werden sehr unterschiedlich quantifiziert, was allein schon durch die sehr unterschiedlichen Versuchsgestaltungen begründet wird. Für Pflanzenkläranlagen wurde die Methanoxidation noch nicht untersucht. Daraus ergab sich die Fragestellung der Umsetzbarkeit der Methanoxidation auf Pflanzenkläranlagen.

Die Kapillarschichtausbildung ist in der Literatur weitgehend bekannt, vor allem in der Deponietechnik. Die physikalischen Prozesse für die Entstehung sind in der Literatur beschrieben. Allerdings wurde die Existenz der Kapillarschichten noch nicht explizit für Pflanzenkläranlagen untersucht. Der Nachweis dieser Existenz war ein weiterer Bestandteil dieser Arbeit.

Für die Methanoxidationsversuchsanlage wurden Vorversuche zur Gas-Dichtheit, die Eignung der Gasmessung durch den Gaschromatographen und der richtigen Methaneintragshöhe durchgeführt. Für die Fragestellung in Vertikalbodenfiltern, welche mit mechanisch gereinigtem Rohabwasser beschickt werden, Methan entsteht, wurden eine Versuchsanlage und ein Standversuch betrieben. Für die Methanoxidationsversuche wurden 5 gleich aufgebaute Versuchsanlagen unterschiedlich betrieben, um die Einflüsse von Methan, Sauerstoff und Nitrat auf die Methanoxidation zu ermitteln.

Für einen Vergleich der Messungen von gelösten und gasförmigen Konzentrationen wurden Berechnungen angestellt. Außerdem wurde die Entwicklung der Gaszusammensetzung in einem theoretisch gasdichten Absetzbehälter zeitabhängig berechnet.

Eine vollständige Gas-Dichtheit der Versuchsanlage konnte nicht erreicht werden. Die aerobe Methanoxidation konnte durch die Entstehung von Kohlenstoffdioxid und Verringerung von Methan nachgewiesen werden. Für vertikale Bodenfilter ist somit der Nachweis für die mögliche Methanoxidation erbracht und der Einsatz auf Pflanzenkläranlagen wäre möglich.

Die Entstehung von Kapillarschichten in vertikalen Bodenfiltern, welche im Aufbau den Pflanzenkläranlagen entsprechen, konnte an Hand erhöhter Wassergehalte nachgewiesen werden. Ebenso wurden Auswirkungen auf die Intensität einer Kapillarschichtausbildung durch verschiedene Beschickungsvariationen nachgewiesen.

Sowohl für die Probleme der Methanoxidation als auch die der Kapillarschichtausbildung wurden mögliche Lösungsansätze ausgearbeitet und kurz erläutert.

Betreuung