Entwicklung einer Methode zur direkten Messung der Lachgasbildungsrate in Nitritationsverfahren

Fontes, Tim

Entwicklung einer Methode zur direkten Messung der Lachgasbildungsrate in Nitritationsverfahren

von Tim Fontes (Autor:in)

Ingenieurwissenschaften - Bauingenieurwesen

Zusammenfassung

Inhaltsangabe:Inhaltsangabe:
Distickstoffmonoxid (N2O) ist ein geschmackloses, reaktionsträges, in kleinen Mengen ungiftiges Gas, welches eingeatmet Sinnestäuschungen und Lachlust hervorruft. Aus diesem Grund trägt Distickstoffmonoxid den Beinamen Lachgas. In der Industrie wird Lachgas als Treibgas für Lebensmittel, in der Medizin hingegen als Anästhetikum verwendet. Problematisch ist jedoch, dass N2O neben CH4, FCKW und CO2 ein sehr langlebiges Spurengas ist (Riedel, 2007). Lachgas gilt als starkes Treibhausgas, welches 310-mal folgenreicher eingeschätzt wird als CO2 (Barton, 2002). Entsprechend dieses hohen Global Warming Potential (GWP-Wertes) hat Lachgas einen großen Einfluss auf die zukünftige Klimaentwicklung.
Lachgas wird nicht nur anthropogen freigesetzt, sondern auch indirekt durch verschiedene mikrobiologische Prozesse. So trägt neben der Landwirtschaft und der natürlichen Umsetzung in Böden die Abwassertechnik zur Bildung von N2O-Emissionen bei. Hier entweicht N2O bei der weit etablierten biologischen Stickstoffeliminierung aus mikrobiellen Zellen während der Nitrifikation und Denitrifikation (Firestone, 1989). Aktuelle Untersuchungen zeigen zudem, dass bei einer unvollständigen Nitritation von erhöhten Lachgasemissionen ausgegangen werden muss. Aufgrund der zuvor genannten Gründe ist es daher zwingend erforderlich, diese Prozesse unter dem Gesichtspunkt der Emission und dem damit einhergehendem Klimaeinfluss genauer zu bewerten.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es durch den Einsatz eines zur N2O-Messung in der Flüssigphase entwickelten Mikrosensors eine Messmethode zu entwickeln, mit der die Lachgasbildung in Nitritationsverfahren bewertet werden kann.
Zu Beginn dieser Arbeit wird ein Überblick über bisher verwendete Verfahren zur Bestimmung von Gasbildungsraten und Gaszehrungsraten aus der Fachliteratur gegeben. Im Zuge dieser Betrachtung für die Messung von Gasbildungsraten im Abwasser, werden die Stickstoffumsätze auf Kläranlagen unter der besonderen Betrachtung möglicher N2O-Quellen etablierter Verfahren näher beleuchtet. Darauf aufbauend wird das gewählte Konzept zum Messvorgang der möglichen Lachgasbildungsrate in belüfteten Reaktoren mittels eines Mikrosensor für gelöste N2O-Konzentrationen vorgestellt. Ergänzend folgen die Beschreibung der Umsetzung und die Funktionsweise des Messsystems. Ebenso werden der konkrete Aufbau und die Umsetzung der benötigten und gewählten Mess- und Steuerungstechnik dargestellt. In diesem […]

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Tim Fontes

Entwicklung einer Methode zur direkten Messung der Lachgasbildungsrate in

Nitritationsverfahren

ISBN: 978-3-8428-2982-4

Herstellung: Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2012

Zugl. Leibniz Universität Hannover, Hannover, Deutschland, Diplomarbeit, 2011

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http://www.diplomica.de, Hamburg 2012

Entwicklung einer Methode zur direkten Messung der Lachgasbildungsrate in Nitritationsverfahren

Seite - I -

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis ... III

Tabellenverzeichnis ... V

Formelverzeichnis ... V

Abkürzungsverzeichnis ... V

1. Einleitung... 1

2. Grundlagen ... 3

2.1.

Messtechnische Grundlagen ... 3

2.1.1.

Labormessverfahren ... 4

2.1.2.

In-Situ Messverfahren ... 8

2.2.

Biologische Grundlagen ... 11

2.2.1.

Stickstoffeinträge ... 11

2.2.2.

Nitrifikation / Nitritation ... 13

2.2.3.

Mittel zur Unterdrückung der Nitritation ... 14

2.2.4.

Lachgas (N

O)... 16

2.2.5.

Bildungsrate ... 17

2.3.

Statistische Grundlagen ... 21

3. Material und Methoden ... 24

3.1. Aufbau der benötigten Mess- und Steuerungstechnik ... 26

3.2. Materialien und Software ... 28

3.2.1.

Verwendete Geräte ... 28

3.2.2.

Verwendete Materialien ... 29

Entwicklung einer Methode zur direkten Messung der Lachgasbildungsrate in Nitritationsverfahren

Seite - II -

3.2.3.

Verwendete Software ... 29

3.3. Messmethodik ... 35

3.3.1.

Randbedingungen und sicherheitsrelevante Aspekte ... 36

3.3.2.

Vorbereitende Schritte einer Messung ... 36

3.3.3.

Kalibrierung und Kontrolle der Messtechnik ... 40

3.3.4.

Beispielhafter Einsatz des entwickelten Vorgehens ... 45

3.3.5.

Analytische Methoden ... 46

3.4. Berechnung der N

O Bildungrate ... 49

4. Auswertung ... 52

4.1. Bewertung des Reaktorbetriebs ... 53

4.2. Bestimmung der Lachgasbildungsrate in Nitritationsverfahren ... 55

5. Zusammenfassung ... 67

6. Ausblick ... 69

Literaturverzeichnis ... i

Anhang ... vi

Entwicklung einer Methode zur direkten Messung der Lachgasbildungsrate in Nitritationsverfahren

Seite - III -

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 -

Aufbau der Probennahmeeinrichtung für das manuelle Sammelverfahren (VDI-

Richtlinie 2469 Blatt 1 Umweltmesstechnik

2005

... 5

Abbildung 2 -

Prinzip der Gaschromatographie (Bracher 2008

... 6

Abbildung 3 -

IR-Spektrometrie

Schwedt

2007

... 7

Abbildung 4 -

Beispiel für den Aufbau des automatischen Messverfahrens ... 8

Abbildung 5 -

Der Stickstoffkreislauf (Madigan

2003

... 12

Abbildung 6 -

Fraktionierung der nicht gasförmigen Stickstoffverbindungen ... 13

Abbildung 7 -

Dissoziationsgleichgewicht NH

und NH

Abeling

1994

... 15

Abbildung 8 -

Beispielhafte Berechnung der Gasbildungsrate ... 19

Abbildung 9 -

Schematischer Aufbau des Messsystems ... 25

Abbildung 10 -

Grundgedanke der Sauerstoffsteuerung ... 26

Abbildung 11 - Grundgedanke der Lachgasmessung ... 27

Abbildung 12 - Schaltbild in DASYLab auf Grundlage der OUR-Berechnung (Borchmann,2009

... 30

Abbildung 13 - Erstellte Messoberfläche in DASYLab zur Steuerung der Sauerstoffkonzentration ... 34

Abbildung 14 Schematischer Aufbau des Reaktors ... 35

Abbildung 15 Vorpolarisierung ... 37

Abbildung 16 - Übersicht der Sauerstoffsteuerung... 38

Abbildung 17 - Übersicht N

O-Messtechnik ... 38

Abbildung 18 - Schutzvorrichtung für den N

O-Sensor ... 39

Abbildung 19 - Befestigung des O2-Sensors ... 39

Abbildung 20 - Abgehende Stromleitung der Blackbox ... 40

Abbildung 21 - Auszug aus dem Tabellenblatt Datenvorbereitung des entwickelten Datentools ... 49

Abbildung 22 - Auszug aus dem Tabellenblatt Auswertungtool des entwickelten Datentools ... 50

Abbildung 23 - Konzentrationsverlauf des Nitritationsreaktors im zeitlichen Verlauf bei einem

mittleren oTS von 0,06 g/l. Die eingestellten O2-Konzentrationen werden durch

die Pfeile verdeutlicht. ... 53

Abbildung 24 - Frachtenverlauf des Nitritationsreaktors im zeitlichen Verlauf bei einem

mittleren oTS von 0,06 g/l. ... 54

Abbildung 25 Temperatur- und pH-Wert-Verlauf im Nitritationsreaktor ... 55

Abbildung 26 - Beispielhafte Messung der N

O/O

- Konzentrationen über die Zeit ... 56

Entwicklung einer Methode zur direkten Messung der Lachgasbildungsrate in Nitritationsverfahren

Seite - IV -

Abbildung 27 - Beispielhafte Bestimmung der Lachgaskonzentration über die Zeit bei

1,5 7,0 mg O2 /l ... 59

Abbildung 28 - Beispielhafte Bestimmung der Lachgaskonzentration über die Zeit bei

2,0 4,5 mg O2 /l ... 59

Abbildung 29 - Whisker-Box-Plot der gemessenen N2O-Bildungsraten bei einer Belüftung von

1,5-7,0 mg O2/l ... 61

Abbildung 30 - Whisker-Box-Plot der gemessenen halb maximalen N2O-Bildungsraten bei einer

Belüftung von 1,5-7,0 mg O2/l ... 62

Abbildung 31 - Whisker-Box-Plot der gemessenen N2O-Bildungsraten bei einer Belüftung von

2,0-4,5 mg O2/l ... 62

Abbildung 32 - Whisker-Box-Plot der gemessenen halb maximalen N2O-Bildungsraten bei

einer Belüftung von 2,0-4,5 mg O2/l ... 63

Abbildung 33 - Bilanzierung für die Nitritation mit intermittierender Belüftung

(1,5-7,0 mg O2/l) ... 65

Abbildung 34 - Bilanzierung für die Nitritation mit intermittierender Belüftung

(2,0-4,5 mg O2/l) ... 65

Entwicklung einer Methode zur direkten Messung der Lachgasbildungsrate in Nitritationsverfahren

Seite - V -

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1 - Gegenwärtiger anthropogener Treibhauseffekt der wichtigsten

langlebigen Spurengase (Riedel, 2007

... 16

Tabelle 2 - Verschiedene Belüftungsrandbedingungen ... 19

Tabelle 3 - Verwendete Geräte für das entwickelte Messverfahren ... 28

Tabelle 4 - Verwendete Materialien für das entwickelte Messverfahren ... 29

Tabelle 5 - Verwendete Software für das entwickelte Messverfahren ... 29

Tabelle 6 - Gleichgewichtskonzentration von Lachgas [mmol/l (Unisense

2010

... 43

Tabelle 7 - Interpolation der Lachgaskonzentration bei 27°C ... 43

Tabelle 8 - Übersicht der Prozessparameter während der Betriebsphase

des Nitritationsreaktors ... 57

Tabelle 9 - Übersicht der statistischen Kenngrößen für die maximalen Bildungsraten bei

verschiedenen Belüftungseinstellungen ... 64

Tabelle 10 - Übersicht der statistischen Kenngrößen für die halb maximalen Bildungsraten bei

verschiedenen Belüftungseinstellungen ... 64

Formelverzeichnis

Formel 1 - Bestimmung des spektralen Absorptionsmaßes ... 9

Formel 2 - Bestimmung der Lachgasbildungsrate bei einer Intervallbelüftung ... 18

Formel 3 - Bestimmung des Mittelwerts ... 22

Formel 4 - Bestimmung des Median ... 22

Formel 5 - Bestimmung der Standardabweichung ... 23

Formel 6 - Korrektur des CSB aufgrund störender Nitritkonzentrationen (Hippen

2001

... 48

Formel 7 - Bestimmung des organischen Trockensubstanzgehalts ... 48

Abkürzungsverzeichnis

-N

oTS

Nitrit-Stickstoff

Nitrat-Stickstoff

Ammonium-Stickstoff

Distickstoffmonoxid (Lachgas)

Organischer Trockensubstanzgehalt

Trockensubstanzgehalt

Entwicklung einer Methode zur direkten Messung der Lachgasbildungsrate in Nitritationsverfahren

Seite - 1 -

Einleitung

Distickstoffmonoxid (N

O) ist ein geschmackloses, reaktionsträges, in kleinen Mengen

ungiftiges Gas, welches eingeatmet Sinnestäuschungen und Lachlust hervorruft. Aus

diesem Grund trägt Distickstoffmonoxid den Beinamen Lachgas. In der Industrie wird

Lachgas als Treibgas für Lebensmittel, in der Medizin hingegen als Anästhetikum ver-

wendet. Problematisch ist jedoch, dass N

O neben CH

FCKW und CO

ein sehr langle-

biges Spurengas ist (Riedel, 2007). Lachgas gilt als starkes Treibhausgas, welches 310-

mal folgenreicher eingeschätzt wird als CO

(Barton, 2002)

Entsprechend dieses ho-

hen Global Warming Potential (GWP-Wertes) hat Lachgas einen großen Einfluss auf die

zukünftige Klimaentwicklung.

Lachgas wird nicht nur anthropogen freigesetzt, sondern auch indirekt durch verschie-

dene mikrobiologische Prozesse. So trägt neben der Landwirtschaft und der natürli-

chen Umsetzung in Böden die Abwassertechnik zur Bildung von N

O-Emissionen bei.

Hier entweicht N

O bei der weit etablierten biologischen Stickstoffeliminierung aus

mikrobiellen

Zellen

während

der

Nitrifikation

und

Denitrifikation

(Firestone, 1989) Aktuelle Untersuchungen zeigen zudem, dass bei einer unvollständi-

gen Nitritation von erhöhten Lachgasemissionen ausgegangen werden muss. Aufgrund

der zuvor genannten Gründe ist es daher zwingend erforderlich, diese Prozesse unter

dem Gesichtspunkt der Emission und dem damit einhergehendem Klimaeinfluss ge-

nauer zu bewerten.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es durch den Einsatz eines zur N

O-Messung in der

Flüssigphase entwickelten Mikrosensors eine Messmethode zu entwickeln, mit der die

Lachgasbildung in Nitritationsverfahren bewertet werden kann.

Zu Beginn dieser Arbeit wird ein Überblick über bisher verwendete Verfahren zur Be-

stimmung von Gasbildungsraten und Gaszehrungsraten aus der Fachliteratur gegeben.

Im Zuge dieser Betrachtung für die Messung von Gasbildungsraten im Abwasser, wer-

den die Stickstoffumsätze auf Kläranlagen unter der besonderen Betrachtung mögli-

cher N

O-Quellen etablierter Verfahren näher beleuchtet. Darauf aufbauend wird das

Entwicklung einer Methode zur direkten Messung der Lachgasbildungsrate in Nitritationsverfahren

Seite - 2 -

gewählte Konzept zum Messvorgang der möglichen Lachgasbildungsrate in belüfteten

Reaktoren mittels eines Mikrosensor für gelöste N

O-Konzentrationen vorgestellt. Er-

gänzend folgen die Beschreibung der Umsetzung und die Funktionsweise des Messsys-

tems. Ebenso werden der konkrete Aufbau und die Umsetzung der benötigten und

gewählten Mess- und Steuerungstechnik dargestellt. In diesem Zusammenhang wer-

den zudem die Kalibrierung und der beispielhafte Einsatz der Messtechnik beschrie-

ben.

Abschließend werden die erhobenen Messdaten anhand der berechneten N

O-

Bildungsraten bewertet und der Einsatz wird anhand zweier verschiedener Betriebs-

einstellungen verglichen.

Entwicklung einer Methode zur direkten Messung der Lachgasbildungsrate in Nitritationsverfahren

- Seite 3 -

Grundlagen

Um die Gasproduktion in einem biologischen Prozess korrekt erfassen zu können und

so den Gesamteinfluss dieses Prozesses weitergehend zu bewerten, ist ein speziell auf

den jeweiligen Prozess angepasstes Messverfahren notwendig. In der Fachliteratur

sind hierzu meist spezielle Verfahrensbeispiele beschrieben. Daher wird hier ein Über-

blick über mögliche und bisher verwendete Messverfahren aufgestellt, mit denen die

Möglichkeit zur Gaskonzentrationsbestimmung und somit die Bewertung der Lachgas-

bildungsraten besteht.

2.1.

Messtechnische Grundlagen

Zur Bestimmung einer Lachgasbildungsrate ist es erforderlich, den durch die Versuchs-

anlage entstehenden Gasvolumenstrom komplett zu erfassen, um daraufhin Rück-

schlüsse auf die Produktion in einer gewissen Zeitspanne schließen zu können. Zur Be-

stimmung, des durch die Anlage entstehenden Gasvolumenstroms gibt es verschiede-

ne messtechnische Möglichkeiten. Allgemein sind die messtechnischen Verfahren in

sogenannte In-Situ / Echtzeitmessverfahren und Labormessverfahren / zeitverzögerte

Messverfahren zu unterteilen. Das bedeutet, dass entweder direkt im Prozess also

kontinuierlich je nach erwünschten Erfassungsgrad, oder aber im Labor, dementspre-

chend stichprobenartig analysiert wird. Anzumerken ist, dass die Labormessverfahren

meist exaktere Messergebnisse liefern, welche jedoch aufgrund der geringeren Mess-

dichte den tatsächlichen Verlauf zwischen verschiedenen Messungen nur vermuten

lassen. Daher ist theoretisch eine Echtzeiterfassung mit regelmäßiger Datenkontrolle

mittels Labormessverfahren für möglichst genaue Messergebisse wünschenswert. Im

Folgenden werden für beide Analysemöglichkeiten verschiedene Messverfahren in den

jeweiligen Unterkapiteln vorgestellt.

Entwicklung einer Methode zur direkten Messung der Lachgasbildungsrate in Nitritationsverfahren

- Seite 4 -

2.1.1.

Labormessverfahren

Die einfachste Form der Gasermittlung stellt die Erfassung über eine Gasuhr der Probe

dar; dabei wird die Gasuhr komplett mit dem entstehenden Abluftstrom durchströmt.

Für die Auswertung werden zudem ein Manometer und ein Thermometer benötigt,

um mittels Druck und Temperatur auf die Emissionen schließen zu können. Problema-

tisch ist bei dieser Untersuchungsmethode jedoch die mögliche Inhomogenität im ent-

stehenden Abgasstrom, da sich dieser neben N

O auch noch aus O

und weiteren mög-

lichen Substanzen zusammensetzen kann. Ebenso wenig ermöglicht diese Messme-

thode eine Erfassung der minimalen und maximalen Bildungsraten sowie die Erfassung

schneller Konzentrationsänderungen bei wechselnden Sauerstoffkonzentrationen im

Reaktor, da durch das durchflossene Gasvolumen lediglich die Errechnung des Mittel-

wertes ermöglicht wird. Ein weiteres Problem dieses Messverfahrens stellt die Unter-

brechung des Reaktorbetriebes durch die Probenahme sowie durch weitere Arbeiten

am Reaktor dar. Diese für die Messung notwendigen Tätigkeiten führen dazu, dass

jedes Mal erneut die Dichtigkeit des Systems überprüft werden muss. Eine derartige

Untersuchungsmethode stellt somit einen enormen Aufwand dar.

Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Gaskonzentrationen besteht in den Pro-

bennahmen aus dem entstehenden Abluftstrom des zu überwachenden Prozesses mit

einem Gasbeutel oder anderen Behältern. Deren Inhalt muss anschließend

chromatographisch analysiert werden. Dafür wird eine Teilprobe aus dem Gassammel-

beutel entnommen und anschließend gaschromatographisch aufgetrennt und auf die

enthaltenen Konzentrationen bestimmt. Dieses Verfahren ermöglicht so eine einfache,

gezielte Probennahme mit einer geringen Probennahmedauer. Durch die volumenbe-

grenzte Entnahme der Probe aus dem Prozess hat die Bestimmung der Gaskonzentra-

tion nach diesem Verfahren jedoch eher einen Stichprobencharakter (Baumbach,

1990). Weiterhin ergibt sich die Problematik, dass Anteile der gesammelten Probe auf-

grund von Kondensation und Adsorption an den Wänden des Probennahmegefäßes

verloren gehen und somit das Probenergebnis verfälschen können (VDI-Richtlinie 2457

Blatt 1 Umweltmesstechnik,1997).

Die Probennahme mittels Gasmäusen stellt neben der Entnahme mit Gasbeuteln eine

weitere Möglichkeit für die Gasentnahme mit einem geringen Probevolumen dar. Da-

Entwicklung einer Methode zur direkten Messung der Lachgasbildungsrate in Nitritationsverfahren

- Seite 5 -

bei besteht durch kurzzeitiges Öffnen der Ventile einer Maus ebenfalls die Möglichkeit

einer stichprobenartigen Probennahme. Alternativ können die Ventile der Gasmaus,

welche während der Messung im Prozess verbleibt, auch dauerhaft geöffnet werden

umso mit dem entstehenden Gas durchspült zu werden.

Weiter werden in der Richtlinie VDI Merkblatt 2469 zwei verschiedene Messmöglich-

keiten zur Distickstoffmonoxiderfassung empfohlen. Blatt 1 der Richtlinie beschreibt

das Messen von Distickstoffmonoxid über ein manuelles gaschromatographisches Ver-

fahren und die Richtlinie VDI 2469 Blatt 2 erläutert ein automatisches infrarotspektro-

metrisches Messverfahren.

Das manuelle Verfahren hat aufgrund der diskontinuierlichen Bestimmung des Distick-

stoffmonoxdis ebenfalls einen Stichprobencharakter und kann so nur für vereinzelte

Messungen oder zur Kalibrierung von automatischen Messgeräten eingesetzt werden

(VDI-Richtlinie 2469 Blatt 1 Umweltmesstechnik 2005 . Dieses Messverfahren nutzt

ebenfalls die Gaserfassung aus dem System über einen Gassammelbeutel. Allerdings

wird das entstehende Gas zur Entfernung der Störkomponenten SO

und Wasser zu-

nächst über Sorptionsmedien geleitet. Der Aufbau dieses Messsystems ist in Abbildung

1 dargestellt.

beheizte Sonde

Frittenwaschflasche

Kondensatabscheider

Trockenpatrone

Membranpumpe

Durchflussmesser mit Nadelventil

PTFE-Leitung

Gassammelbeutel

Abbildung 1 - Aufbau der Probennahmeeinrichtung für das manuelle Sammelverfahren (VDI-Richtlinie

2469 Blatt 1 Umweltmesstechnik

2005

Nach dieser allgemeinen Form der Beschreibung zur möglichen Gaserfassung, folgt in

der weiteren Ausführung dieses Kapitels die detaillierte Betrachtung möglicher Verfah-

Entwicklung einer Methode zur direkten Messung der Lachgasbildungsrate in Nitritationsverfahren

- Seite 6 -

ren zur Konzentrationsbestimmung der genommenen Proben. Mittels der Kenntnis

über die Konzentrationen in den vorhandenen Proben, können dann die gesuchten

Größen der Gasbildungsrate bestimmt werden.

Gaschromatographie

Abbildung 2 - Prinzip der Gaschromatographie (Bracher 2008

Die Gaschromatographie ist ein Labormessverfahren, welches zur Ermittlung der Kon-

zentration von Lachgas in Gasgemischen eingesetzt wird. Bei der Gaschromatographie

wird ein definiertes flüssiges oder auch gasförmiges Probevolumen mit einer Spritze

durch ein Septum im Injektor in eine Trennsäule gegeben. Bei flüssigen Proben ist zu-

sätzlich ein Säulenofen angebracht, der das Probevolumen in die Gasphase überführt.

In der Trennsäule wird die eingespritzte Substanz mittels des sogenannten Trägergases

durch die beheizte Trennsäule befördert. Als Trägergas werden hier in der Regel Was-

serstoff, Stickstoff, Helium oder Argon verwendet. Bei der Trennsäule wird üblicher-

weise zwischen einer gepackten Säule und einer Kapillarsäule unterschieden, wodurch

die Trennstufengenauigkeit aufgrund der Säulenlänge differenziert werden kann. Wäh-

rend des Trennprozesses wird die zu analysierende Probe bei einer definierten Tempe-

ratur chromotographisch getrennt. Anschließend können die so aufgetrennten Sub-

stanzen der Probe, welche unterschiedlich lang an einer stationären Phase verweilen,

Entwicklung einer Methode zur direkten Messung der Lachgasbildungsrate in Nitritationsverfahren

- Seite 7 -

beim Verlassen zu verschiedenen Zeitpunkten über unterschiedliche Detektoren ermit-

telt werden. Die Auftrennung der Substanzen erfolgt aufgrund unterschiedlicher Ver-

teilungsvorgänge und aufgrund ihres Dampfdruckes (Bracher, 2007). Dadurch können

die festgestellten Bestandteile der Probe über den Schreiber angezeigt werden. Unter-

schieden wird hier zwischen dem WLD (Wärmeleitfähigkeitsdetektor), dem FID (Flam-

menionisationsdetektor), dem MS (Massenspektrometer) und dem ECD (Electron cap-

ture Detektor). N

O kann sowohl mit einem Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD) als

auch mit einem Massenspektrometer (MS) und einem Elektroneneinfangdetektor

(ECD) erkannt und bewertet werden. Die Nachweisgrenze liegt für Distickstoffmonoxid

bei der Ermittlung über den ECD und das MS bei 1 N

O (Derikxet, 1996;Poliet,

1999). Die Gaszufuhr der Trennsäule als auch für den Detektor werden über Druckreg-

ler, Manometer, Strömungsregler und Strömungsmesser gesteuert.

IR-Spektrometrie

Die Lichtquelle für die IR-Spektrometrie besteht aus einem elektrisch erhitzten Infra-

rotstrahl, der alle Wellenlängen im mittleren IR-Bereich enthält. Zur Messung wird der

Infrarotlichtstrahl an einem halb-durchlässigen Strahlteiler in zwei Lichtbündel mit

gleicher Intensität aufgeteilt. Somit ist das IR-Verfahren in der Lage, den Mess- und

Vergleichsstrahl, mit unterschiedlichen Konzentrationen, abwechselnd an ein optisches

Gerät zur spektralen Isolierung einer bestimmten Wellenlänge weiterzugeben und so

die infrarot aktiv einfallende Menge des Gases gleichzeitig zu messen. Lachgas

absorbiert infrarotes Licht und ermöglicht nach dem Lambert-Beer'schen Gesetz die

Bestimmung der Konzentration von N

O in der genommenen Probe.

Abbildung 3 - IR-Spektrometrie

Schwedt

2007

Entwicklung einer Methode zur direkten Messung der Lachgasbildungsrate in Nitritationsverfahren

- Seite 8 -

2.1.2.

In-Situ Messverfahren

NDIR-Spektrometrie

VDI Richtlinie 2469 Blatt 2 beschreibt ein automatisch infrarotspektrometrisches

Messverfahren, wonach die N

O-Emissionen im System kontinuierlich wie auch stich-

probenartig bestimmt werden können. Dabei wird zur Bestimmung der Konzentration

ein NDIR-Messgerät verwendet. Dieses Gerät nutzt für die Bestimmung der Gaskon-

zentrationen Infrarotstrahlung mit verschiedenen Wellenlängen. Allerdings findet im

Gegensatz zur IR-Spektrometrie keine spektrale Zerlegung der Strahlung statt (nicht-

dispersives Verfahren). Die notwendige Selektivität dieser Messung wird durch den

Strahlungsdetektor erreicht, der mit der zu messenden Komponente gefüllt ist (VDI-

Richtlinie 2469 Blatt 2, 2005). Ebenfalls werden für dieses Verfahren der Einsatz von

optischen Filtern oder Filterküvetten zur Beseitigung von Störgasen und der Einsatz

eines Messgaskühlers zur Kondensation von störendem Wasserdampf gefordert. Aller-

dings werden dabei besondere Anforderungen an die Kühlung gestellt, um eine Neu-

bildung von Lachgas aus dem Kondensat zu verhindern.

Entnahmesonde mit beheizbarem

Filter

Anschlussstelle zur Aufgabe von

Prüfgas zur Überprüfung der ge-

samten Messeinrichtung

Beheizte Leitung

Messgaskühler mit Kondensa-

tablass

Feinstaubfilter

Membranpumpe

Volumenstrommessgerät mit

Nadelventil

NDIR-Messgerät

Abbildung 4 - Beispiel für den Aufbau des automatischen Messverfahrens (VDI-Richtlinie 2469 Blatt 2,

2005

Entwicklung einer Methode zur direkten Messung der Lachgasbildungsrate in Nitritationsverfahren

- Seite 9 -

Amperometrische Sensoren

Amperometrische Sensoren messen den Stromfluss, der durch elektrochemische Re-

duktion oder Oxidation des zu untersuchenden Analyten an der Elektrode entsteht.

Dafür liegt an der Elektrode eine konstante Spannung an und der variable Stromfluss

wird gemessen. Die Selektivität dieses Messverfahrens hängt dabei von der semiper-

meablen Membran ab, die vor der jeweiligen Messelektrode angebracht ist. Dadurch

erfasst die Elektrode lediglich den Stromfluss, der proportional zur Konzentration der

zu messenden Substanz ist. Bei der Messung von Lachgas tritt zusätzlich das Problem

auf, dass Sauerstoff und Lachgas an der gleichen Kathode reduziert werden. Um diese

Querempfindlichkeit zu vermeiden, ist ein zusätzlicher Bereich um die Kathode

(Sensorspitze) mit alkalischer Ascorbatlösung gefüllt. Dadurch werden die durch die

Membran eintretenden Gase zunächst durch die Ascorbatlösung geführt, wodurch der

Sauerstoff reduziert wird. Somit diffundiert nur noch das Lachgas bis an die Kathode,

wo es reduziert und somit gemessen werden. Anzumerken ist, dass dieses Verfahren

jedoch sehr empfindlich auf äußere Störgrößen wie elektrische Felder oder Erschütte-

rungen reagiert.

Photometrie

Die photometrische Messung beruht auf der Messung der Absorption von Strahlung

durch die zu messenden Stoffe in Abhängigkeit vom Wellenlängenbereich, in dem ge-

messen wird. Dabei ist jedem zu analysierendem Gas ein bestimmter Wellenlängen-

bereich zugeschrieben. Dieses Verfahren beruht auf dem Lambert-Beer`schen Gesetz,

welches die Schwächung der Strahlungsintensität über die Weglänge beim Durchgang

durch eine absorbierende Substanz beschreibt. Demnach ist die Extinktion definiert

als:

Extinktion / spektrales Absorptionsmaß nach DIN 1349

Intensität

des

transmittierenden

Lichtes

Intensität

des

eingestrahlten

Lichtes

spektraler

Extinktionskoeffizient

Schichtdicke

des

durchstrahlten Körpers

Konzentration der absorbierenden Messkomponente in der Flüssigkeit

Formel 1 - Bestimmung des spektralen Absorptionsmaßes

Entwicklung einer Methode zur direkten Messung der Lachgasbildungsrate in Nitritationsverfahren

- Seite 10 -

Die Lichtintensität beim Durchqueren einer Probelösung mit der Konzentration c kann

demnach auch durch folgende Gleichung beschrieben werden:

Ein Detektor erfasst die Strahlung und misst die auftretende Intensität des einfallen-

den Lichtes. Dieses Signal wird anschließend über die Elektronik weiterverarbeitet,

wodurch die Konzentration der einfallenden Lichtintensität ermittelt wird. Da der

technische Aufwand der Photometrie viel geringer ist als bei der Spektrometrie, wird

dieses Verfahren für die Echtzeitmessungen eingesetzt.

Halbleitersensoren

Ein Halbleiter nutzt die spezifische Eigenschaft seines kristallinen Materials zur Wand-

lung einer nichtelektrischen Größe in eine elektrische Größe. Dabei liegt die Leitfähig-

keit der Halbleiter, zwischen der Leitfähigkeit eines Leiters und eines Isolators und ist

in der Regel als robuste und langlebige Messtechnik einsetzbar. Halbleitersensoren

sind ein fortschrittliches Messverfahren, welche generell zur Konzentrationsbestim-

mung oxidierend oder reduzierend wirkender Gase verwendet werden können. Dabei

nutzt dieses Verfahren die gassensitiven Halbleitereigenschaften von Metalloxiden. So

werden beispielsweise Zinndioxoxid, Titandioxid oder Wolframoxid als Halbleiter-

schicht für die Analyse reduzierender Gase verwendet (Schwedt, 2008). Für den Nach-

weis von Lachgas kann ein Halbleiter aus Zinndioxid und Strontiumoxid verwendet

werden. Bei der Messung erfolgt die Anlagerung der Gasmolekühle auf dem halblei-

tenden Gassensoren, wodurch eine Änderung des Leitwertes bestimmt werden kann.

Problematisch für die Bestimmung der Konzentration ist allerdings die Grundvoraus-

setzung für dieses Messverfahren, wonach die elektrische Leitfähigkeit eines Halblei-

ters mit steigender Temperatur zunimmt. Für eine erfolgreiche Messung bedarf es je-

doch Temperaturen von 200 °C bis 600 °C, damit eine gute Leitfähigkeit vorhanden ist.

Aus diesem Grund werden Halbleitersensoren zur Messung direkt in der Abluft auf

Kläranlagen bisher nicht eingesetzt.

Entwicklung einer Methode zur direkten Messung der Lachgasbildungsrate in Nitritationsverfahren

- Seite 11 -

2.2.

Biologische Grundlagen

Zur Bestimmung der Lachgasbildungsrate im Nitritationsverfahren und deren Auswer-

tung, ist es erforderlich die biologischen Prozesse der Nitrifikation beziehungsweise

der Nitritation komplett zu erfassen. Nur durch mögliche Gesamtbetrachtungen

können daraufhin Rückschlüsse auf die Produktion vom Lachgas gezogen werden. Da-

her werden in diesem Kapitel zunächst die bekannten Grundlagen der Nitrifikation und

Nitritation näher beschrieben sowie die zugrunde liegende Strategie zur Unterdrü-

ckung gewisser Teilprozesse erläutert. Anschließend wird für die durchgeführten Un-

tersuchungen der Begriff der Bildungsrate definiert. Als Grundlage zur Untersuchung

der Gasbildungsrate beziehungsweise der maximalen Lachgasproduktion sind dazu aus

der Fachliteratur verschiedene mögliche Belüftungsrandbedingungen gegenüber-

gestellt.

2.2.1.

Stickstoffeinträge

Stickstoffverbindungen stellen neben Kohlenstoffverbindungen den wichtigsten Be-

standteil des Abwassers dar. Stickstoff gelangt über häusliche und industrielle Einleiter

sowie über Fremdwasser in den Abwasserstrom. Der Hauptbestandteil der häuslich

eingeleiteten Stickstoffverbindungen im Abwasser besteht dabei aus Harnstoff. Die

täglich im kommunalen Abwasser anfallende Stickstoffmenge liegt zwischen

10 bis 13 g N pro Einwohner und Tag (Rosenwinkel,2010).

Der im Abwasser enthaltene, gebundene Stickstoff setzt sich aus organischem Stick-

stoff (N

org.

), Ammonium- (NH

-N), Ammoniak- (NH

-N), Nitrit- (NO

-N) und Nitratstick-

stoff (NO

-N) zusammen. Zwischen diesen verschiedenen Stickstoffverbindungen be-

stehen mikrobielle Zusammenhänge, die in Abbildung 5 dargestellt sind.

Entwicklung einer Methode zur direkten Messung der Lachgasbildungsrate in Nitritationsverfahren

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Abbildung 5 - Der Stickstoffkreislauf (Madigan

2003

Die grundlegenden Mechanismen zur Stickstoffelimination auf Kläranlagen bestehen

aus der Sedimentation von partikulären Stoffen, der Adsorption durch Schlamm in der

Belebung sowie in der Überführung in elementaren Stickstoff (N

). Diese gasförmige

Umwandlung entsteht durch mikrobielle Prozesse wie der Nitrifikation, der Denitrifika-

tion, der Ammonifikation und der Deammonifikation.

Der organisch gebundene Stickstoff (N

org.

) besteht zum größten Teil aus Proteinen,

welche als Harnstoff im Abwasser enthalten sind und die zum größten Teil bereits im

Kanalnetz hydrolisiert und ammonifiziert werden. Zusätzlich wird der organisch parti-

kulär gebundene Stickstoff im Abwasser weitestgehend im Vorklärbecken über die

Sedimentation der Kläranlage entfernt.

Ammonium (NH

) macht den größten Teil der gelösten Stickstoffverbindungen im Zu-

lauf einer Kläranlage aus. Diese gelösten Stoffe werden entweder in der biologischen

Stufe in der Biomasse gebunden, und so über den Überschussschlamm abgezogen,

oder bis auf den inerten Anteil in der biologischen Behandlung über Nitrit und Nitrat zu

elementarem Stickstoff oxidiert. Für die natürlichen Gewässer stellt Ammonium eine

Details

Seiten
Erscheinungsform: Originalausgabe
Jahr: 2011
ISBN (eBook): 9783842829824
DOI: 10.3239/9783842829824
Dateigröße: 2.7 MB
Sprache: Deutsch
Institution / Hochschule: Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover – Bauingenieur- und Vermessungswesen, Institut für Siedlungswasserwirtschaft
Erscheinungsdatum: 2012 (März)
Note: 1,3
Schlagworte: distickstoffmonoxid stickstoffelimination lachgasbildungsrate treibhausgas emission

Autor

Tim Fontes (Autor:in)