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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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© Diplomica Verlag GmbH
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
2
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
2
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
4
und NH
3
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
2
O-Messtechnik ... 38
Abbildung 18 - Schutzvorrichtung für den N
2
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
2
O/O
2
- 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
NO
2
-N
NO
3
-N
NH
4
-N
N
2
O
oTS
TS
Nitrit-Stickstoff
Nitrat-Stickstoff
Ammonium-Stickstoff
Distickstoffmonoxid (Lachgas)
Organischer Trockensubstanzgehalt
Trockensubstanzgehalt
Entwicklung einer Methode zur direkten Messung der Lachgasbildungsrate in Nitritationsverfahren
Seite - 1 -
1.
Einleitung
Distickstoffmonoxid (N
2
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
2
O neben CH
4,
FCKW und CO
2
ein sehr langle-
biges Spurengas ist (Riedel, 2007). Lachgas gilt als starkes Treibhausgas, welches 310-
mal folgenreicher eingeschätzt wird als CO
2
(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
2
O-Emissionen bei.
Hier entweicht N
2
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
2
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
2
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
2
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
2
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 -
2.
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
2
O auch noch aus O
2
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
2
und Wasser zu-
nächst über Sorptionsmedien geleitet. Der Aufbau dieses Messsystems ist in Abbildung
1 dargestellt.
1
beheizte Sonde
2
Frittenwaschflasche
3
Kondensatabscheider
4
Trockenpatrone
5
Membranpumpe
6
Durchflussmesser mit Nadelventil
7
PTFE-Leitung
8
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
2
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
2
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
2
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
2
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.
1
Entnahmesonde mit beheizbarem
Filter
2
Anschlussstelle zur Aufgabe von
Prüfgas zur Überprüfung der ge-
samten Messeinrichtung
3
Beheizte Leitung
4
Messgaskühler mit Kondensa-
tablass
5
Feinstaubfilter
6
Membranpumpe
7
Volumenstrommessgerät mit
Nadelventil
8
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
4
-N), Ammoniak- (NH
3
-N), Nitrit- (NO
2
-N) und Nitratstick-
stoff (NO
3
-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
- Seite 12 -
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
2
). 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
4
) 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
Ende der Leseprobe aus 84 Seiten
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Details
- Arbeit zitieren
- , 2011, Entwicklung einer Methode zur direkten Messung der Lachgasbildungsrate in Nitritationsverfahren, Hamburg, Bedey Media GmbH, https://www.diplom.de/document/229196
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