Lachgasemissionen aus der Biologie von ARA

Messstandorte und Methoden

ARA

Als Messstandorte für Vergleichsmessungen wurden die in Tabelle 1 aufgeführten ARA ausgewählt. Dabei war eine installierte Abluftmessung auf der ARA eine Voraussetzung.

Tab. 1 - Eckdaten zu den drei ARA und deren biologischen Reinigungsstufen

DFM-Methode

Bei der DFM-Methode werden alle für die Bestimmung der N2O-Emission erforderlichen Parameter an der Drohne selbst gemessen. Dies gilt sowohl für die Bestimmung der Windparameter (Richtung, Windstärke, Gaskonzentrationen, GPS, Druck, Temperatur) als auch für die möglichen Hochrechnungen auf die Gesamtemissionen ganzer Anlagen (Drohnenposition für die Bildung eines Flächenintegrals). Zur Bestimmung der Emissionen wird im Abwind der Kläranlage eine vertikale Fläche abgeflogen, um die gesamte Verteilung der Emissionen abzudecken (vgl. Fig. 1).

Die DFM-Methode wurde gemäss dem patentierten Verfahren der Firma Explicit ApS durchgeführt. Dazu wurde eine handelsübliche Drohne (DJI MATRICE 300 RTK) mit zwei 3-D-Windsensoren (TriSonicaTM mini wind sensor, Anemoment) und einem N₂O-Messgerät (MIRA Strato N₂O/CO₂ sensor, Aeris Technologies) ausgerüstet (Fig. 2). Durch einen zertifizierten Piloten wurden die (Flug-)Route, der Abstand zwischen den einzelnen Flughöhen sowie die maximale Flughöhe festgelegt (Fig. 1 und 3). Bei der Bestimmung der Route wurde versucht, die gesamte Emissionswolke (vgl. Fig. 1) abzudecken. Teilweise wurden Flugrouten durch Hindernisse im Flugfeld verunmöglicht, was zu einer leichten Unterschätzung der Emissionen mit der DFM-Methode führte.

Auf den untersuchten ARA dauerte ein Flug typischerweise rund 15 Minuten. Pro Messtag wurden mehrere Flüge durch­geführt. Die Anzahl der Flüge und die Flugdaten sind in Tabelle 2 zusammengefasst.

Tab. 2 - Drohnenflugtage und Windeigenschaften auf den untersuchten ARA

Abluftmessung

Für die Emissionsbestimmung anhand der Abluftmessung wurde ein Messkonzept gemäss [5] mit schwimmenden Ablufthauben zur Probenahme und einer zentralen Messeinheit eingesetzt. Für die Emissionsberechnungen wurde Gleichung 1 angewendet.

Gl. 1 Berechnung der N₂O-Emissionen aus den Ergebnissen der Abluftmessung.

Dabei gilt:

F(N₂O-N): Emittierte Lachgasfracht pro Zeit; [g N/h]
Q Luft: Luftdurchsatz im Belebungsbecken; [Nm³/h]
N₂O Messwert: Messwert der Lachgaskonzentration in der Abluft; [Nm³/h]
pN: Normaldruck = 101 325 Pa
TN: Normaltemperatur = 273 K
R: Universelle Gaskonstante = 8,314 J/Mol/K
MN: Molare Masse von N₂O-N = 28 g N/Mol

Die Konzentrationsmessung in der beprobten Abluft erfolgte anhand einer zentralen Messeinheit, an die alle Probenahmepunkte angeschlossen waren. Die Luftmenge wurde entweder über Messeinheiten auf der Haube (Abluftrohr, vgl. [8]) oder über Durchflussmessungen in den Belüftungssystemen der ARA ermittelt.

Für die Bestimmung der Gesamtluftmengen wurden entweder gemessene Luftmengen eingesetzt oder diese wurden anhand der Gebläsedrehzahlen berechnet. Bei Messaufbauten der Gasmessung mit einer unvollständigen Abdeckung der Strassen (ARA Werdhölzli, ARA Thunersee) wurden die Emissionen anhand der vorhandenen Messungen auf die gesamte ARA hochgerechnet. Dabei wurde die Annahme getroffen, dass die Emissionen auf allen Strassen gleich sind.

Die Abluftmessungen wurden, wie in Tabelle 3 beschrieben, auf den ARA aufgebaut.

Tab. 3 - Probennahmenpunkte und Bestimmung der Luftmengen auf den untersuchten ARA.

Resultate und Diskussion

DFM-Messkampagne

Die Tage für Messungen mit der DFM-Methode wurden für die einzelnen ARA basierend auf Windprognosen ausgesucht.

ARA Hofen

Auf der ARA Hofen bestanden am Messtag mit starkem, gleichmässigem Wind sowie einem hindernisfreien Flugweg optimale Verhältnisse für den Einsatz der DFM-Methode. Dabei konnte eine starke räumliche Variabilität der Emissionen beobachtet werden. Im Durchschnitt konnten relevante Mengen Lachgas festgestellt werden (2,5 kg N₂O/h). Als Hauptquelle der Emissionen wurde Strasse 1 (südlichste Strasse) erkannt (Fig. 4).

ARA Werdhölzli

Auf der ARA Werdhölzli war an beiden Messtagen ausreichend Wind vorhanden. An Messtag 1 (Fig. 5 unten) musste aber wegen der Windrichtung eine Route im Osten der ARA gewählt werden, die aufgrund von Hindernissen lediglich eine Teilbestimmung der Emissionen zuliess. Am Messtag 2 konnte eine geeignete Route im Süden der Anlage gewählt werden (Fig. 5 oben). Die Emissionen lagen an beiden Tagen in relevanten Bereichen (0,6 – 1,8 kg N2O/h).

ARA Thunersee

Am Messtag auf der ARA Thunersee waren die Windgeschwindigkeiten niedrig und es wurden keine Emissionen beobachtet. Ausserdem konnte aufgrund von Hindernissen der ideale Flugpfad nicht abgeflogen werden. Daher wird in der Folge auf die Messkampagnen auf den ARA Werdhölzli und Hofen fokussiert.

Die Variabilität in der Qualität der Messresultate verdeutlicht die Komplexität in der Planung von Drohnenflügen mit der DFM-Methode. Windrichtung sowie lokale Gegebenheiten auf der Anlage müssen gut aufeinander abgestimmt werden. Deshalb sind bei Messkampagnen auch Messfenster von mehreren Tagen erforderlich, um die optimalen Windbedingungen abwarten zu können.

Methodenvergleich

Mit allen Messansätzen wurden Gesamtemissionen in der gleichen Grössenordnung gefunden (Fig. 6). Die Übereinstimmung zwischen der DFM-Methode und der Abluftmessung war auf der ARA Hofen höher als auf der ARA Werdhölzli. Die gute Übereinstimmung auf der ARA Hofen lässt sich auf die hohe Haubenbelegung und die entsprechende Beprobung aller Belebtschlammstrassen mit der Abluftmessung zurückführen (vgl. Tab. 2). Dies war am Probenahmetag relevant, da sich die Emissionen der verschiedenen Strassen auf der ARA Hofen stark unterschieden (Strasse 1 > Strasse 3 > Strasse 2), was sich sowohl in der DFM-Methode (Fig. 4) als auch der Abluftmessung deutlich zeigte (Fig. 7). Dementsprechend ist eine gute Abdeckung der biologischen Reinigung mit Hauben essenziell im Falle der Abluftmessung.

Einfluss der Art der Luftmengenbestimmung

Der Vergleich der Varianten der Luftmengenbestimmung bei der Abluftmessung ergab in beiden Messkampagnen, dass Luftdurchflussmessungen auf den Hauben am besten mit der DFM-Methode übereinstimmen (Fig. 6). Dies hängt wahrscheinlich mit der teilweise ausgeprägten Variabilität der Luftmengen und der Abluftkonzentrationen innerhalb von Belüftungsfeldern zusammen. Die Luftmenge und die Lachgaskonzentration sind aufgrund von Verdünnungseffekten negativ korreliert. Entsprechend ist es essenziell, beide Grössen für den Probe­nahmestandort genau zu bestimmen. Mit der Alterung der Belüftermembranen nimmt die Inhomogenität der Luftmengen in den Belüftungsfeldern zu. Im Falle von Belüftungssystemen mit Kollektoren kann sich der Effekt bei verschiedenen Schieberstellungen und zwischen verschiedenen Strassen weiter verstärken. Insgesamt führt dies zu grösserer Messunsicherheit bei der Bestimmung der Luftmengen pro Haube anhand von Gesamtluftmengen. Daher sollten bei Abluftmengenmessung pro Zone Luftmengenmessungen auf den Hauben eingesetzt werden.

Einfluss von unbelüfteten Zonen

Insgesamt waren die Emissionen aus der Abluftmessung in allen Szenarien tiefer als die mithilfe der DFM-Methode ermittelten. Ursächlich hierfür könnten auch Emissionen aus unbelüfteten Anlagenteilen wie anoxische Zonen oder Nachklärbecken sein, die mit den Haubenmessungen nicht erfasst wurden. Dies stimmt gut mit Studien überein, die von bis zu 20% Emissionen aus unbelüfteten Zonen ausgehen [9]. Prinzipiell wäre eine Erhebung der Emissionen mit der Abluftmessung auch für unbelüftete Zonen möglich. Hierzu müsste jedoch das Messkonzept etwas angepasst werden. Um die Emissionen aus unbelüfteten Prozessen zu bestimmen, könnte eine definierte Menge Spülgas (Druckluft) in die Hauben gegeben werden. Allerdings zeigt der Vergleich deutlich, dass der Grossteil der Emissionen mit der Abluftmessung in der verwendeten Konfiguration erfasst werden kann.

Zeitliche Variabilität

Die zeitliche Variabilität der Emissionen auf den beiden ARA war unterschiedlich gut reproduzierbar mit den beiden Messmethoden. Auf der ARA Hofen konnte eine sehr gute Übereinstimmung der Messresultate beobachtet werden. Die Emissionen im Szenario «Abluft: Haube» lagen mit Ausnahme eines Flugs im Bereich der Unsicherheit der DFM-Methode (Fig. 8).

Bei der ARA Werdhölzli gab es grössere Differenzen. Während der Flüge 1 bis 4 wurden die Emissionen mit der Abluftmessung unterschätzt. Mit der DFM-­Methode wurden die höchsten Emissionen im Westen der biologischen Reinigung beobachtet (Fig. 5). Möglicherweise stammte ein Grossteil dieser Emissionen aus den südlicheren Strassen, die mit der Abluftmessung nicht beprobt wurden. Bei den Flügen 5 und 6 wurden die Emissionen mit der DFM-Methode tiefer eingeschätzt, was teilweise mit der ungünstigen Flugroute zusammenhängen könnte.

Eignung der verschiedenen Methoden

Der Methodenvergleich zeigt, dass die DFM-Methode sehr gut geeignet ist, um die Ergebnisse von Punktmessverfahren zu validieren. Für Langzeitmessungen ist die DFM-Methode jedoch ungeeignet, da gute Windbedingungen und die Präsenz von geschultem Personal erforderlich sind. Ausserdem sind die täglichen und jährlichen Fluktuationen der Lachgasemissionen zu gross, um sie mit einer diskontinuierlichen Messmethode repräsentativ zu erfassen.

Bei den Punktmessverfahren sollte nach Möglichkeit jede Strasse beprobt werden, da teilweise grosse Unterschiede zwischen den Strassen bestehen (Fig. 7). Daher ist die Abluftmessung auf mittleren bis grösseren ARA vorteilhaft, da der Wartungsaufwand von Hauben deutlich geringer ist als bei Flüssigsensoren. Da Abluftmesskampagnen tendenziell mit grösseren Investitionskosten als Flüssigmessungen verbunden sind, kann es bei kleineren ARA sinnvoll sein, Flüssigmessungen zu priorisieren. In jedem Fall ist jedoch eine gute Quantifizierung der lokalen Luftmengen essenziell, um eine genaue Abschätzung der Emissionen zu erzielen.

Schlussfolgerung

Die DFM-Methode ermöglicht eine genaue Bestimmung der momentanen Gesamtemissionen einer ARA. Die damit bestimmten Emissionen liegen in der gleichen Grössenordnung wie diejenigen, die bei der Abluftmessung gefunden werden. Bei optimaler Abdeckung der Biologie einer ARA mit Hauben für die Abluftmessung (wie im Falle der ARA Hofen: Abdeckung aller Strassen und Luftmengenmessung auf der Haube) lagen die Unterschiede der berechneten Emissionen innerhalb der Messunsicherheiten der Methoden. Zudem konnte mit beiden Methoden die gleiche Emissionsdynamik im Tagesverlauf beobachtet werden. Dieser Methodenvergleich belegt die Robustheit der einzelnen Methoden.

Aufgrund der starken Variabilität der Emissionen im Jahresverlauf sind kontinuierliche Punktmessverfahren jedoch unumgänglich, um Emissionen repräsentativ zu bestimmen. Bei Punktmessverfahren ist die Beprobung aller Strassen erforderlich, falls Unterschiede zwischen Strassen erwartet werden. Zudem ist eine genaue Bestimmung der Luftmengen an den Probenahmestellen notwendig. Im Idealfall geschieht die Luftmengenmessung direkt am Probenahmepunkt, da die Luftmenge einen direkten Einfluss auf die gemessene N₂O-Konzentration hat. Die DFM-Methode eignet sich gut für die Überprüfung von Abluftmesskonzepten auf biologischen Reinigungsstufen.

Bibliographie

[1] Probst, M.; Bützer, S. (2024): Treibhausgas-Emissionen auf ARA. Aqua & Gas 2/24: 54-61

[2] Gruber, W. et al. (2021): Elaboration of a data basis on greenhouse gas emissions from wastewater management – Final report N2OklimARA. Eawag, Dübendorf

[3] Gruber, W. et al. (2022): Lachgasemissionen aus ARA. Aqua & Gas 1/22: 14–22

[4] Marques, R.; Oehmen, A.; Pijuan, M. (2014): Novel microelectrode-based online system for monitoring N2O gas emissions during wastewater treatment. Environmental Science & Technology 48(21): 12816-12823

[5] Gruber, W. et al. (2022): Abluftmessungen in der biologischen Abwasserreinigung. Aqua & Gas 1/22: 24–25

[6] Gruber, W. et al. (2020): N₂O emission in full-scale wastewater treatment: Proposing a refined monitoring strategy. Science of The Total Environment 699: 134157

[7] Ledermann, L. (2022): Quantification of N₂O emissions from wastewater treatment plants. Department of Environmental Engineering, Technical University of Denmark

[8] Braun, D. et al. (2022): Dynamische Regelung der ARA Hofen. Infrawatt-Innovationspreis für mehr Leistung und weniger Emissionen. Aqua & Gas 1/2022: 26–31

[9] Chen, X. et al. (2019): Assessment of Full-Scale N2O Emission Characteristics and Testing of Control Concepts in an Activated Sludge Wastewater Treatment Plant with Alternating Aerobic and Anoxic Phases. Environmental Science & Technology 53(21): 12485–12494