Nutzung von reinem Sauerstoff aus der Wasserelektrolyse kombiniert mit Mikro- und Nanoblasenbelüftungstechnologien in der Abwasserreinigung
Prof. Dr.-Ing. M. Engelhart
Technische Universität Darmstadt, Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwesen, Institut IWAR, Lehrstuhl für Abwassertechnik
Technische Universität Darmstadt, Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwesen, Institut IWAR, Lehrstuhl für Abwassertechnik
Mit dem Vorschlag der so genannten „Wasserstoffstrategie“ der Europäischen Kommission sehen sich Industrie und Gesellschaft mit einem hohen Bedarf an grünem Wasserstoff konfrontiert. Infolgedessen wird erwartet, dass die Elektrolysekapazität in den nächsten Jahren rasch ansteigen wird, um den Wasserstoffbedarf zu decken. Als Nebenprodukt der Wasserelektrolyse wird reiner Sauerstoff erzeugt. Um die Wirtschaftlichkeit der Wasserelektrolyse zu verbessern, untersuchen Forscher potenzielle Einsatzmöglichkeiten des Elektrolyse-Sauerstoffs, einschließlich Anwendungen in der Abwasserbehandlung und insbesondere bei der Belüftung von Belebtschlammverfahren.
Reiner Sauerstoff muss auf möglichst effiziente Weise genutzt werden. Moderne feinblasige Belüftungssysteme erreichen in der Regel nur eine Sauerstoffübertragungseffizienz (kg gelöstes O2 pro kg belüftetes O2 ) im Bereich von 20-25 % (abhängig von der Eintauchtiefe der Diffusoren, der Luftstromrate und der Diffusordichte). Neuartige Belüftungskonzepte, die in den Bereich der Mikro- und Nanoblasen vordringen (siehe Abbildung 1 für einen Größenvergleich), versprechen aufgrund der größeren Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche eine wesentlich höhere Sauerstoffübertragungseffizienz und eignen sich daher möglicherweise zur Kombination mit der reinen Sauerstoffbelüftung.
Reiner Sauerstoff muss auf möglichst effiziente Weise genutzt werden. Moderne feinblasige Belüftungssysteme erreichen in der Regel nur eine Sauerstoffübertragungseffizienz (kg gelöstes O2 pro kg belüftetes O2 ) im Bereich von 20-25 % (abhängig von der Eintauchtiefe der Diffusoren, der Luftstromrate und der Diffusordichte). Neuartige Belüftungskonzepte, die in den Bereich der Mikro- und Nanoblasen vordringen (siehe Abbildung 1 für einen Größenvergleich), versprechen aufgrund der größeren Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche eine wesentlich höhere Sauerstoffübertragungseffizienz und eignen sich daher möglicherweise zur Kombination mit der reinen Sauerstoffbelüftung.
Für die Umsetzung der Mikro- und Nanoblasenbelüftung fehlt es noch an grundlegenden Erkenntnissen zum Sauerstofftransfer, da die Grundlagenforschung bisher auf den Labormaßstab beschränkt ist. Im Gegensatz zu anderen bekannten Studien sollen daher in diesem Projekt Mikro- und Nanoblasen hinsichtlich ihrer grundlegenden Blasendynamik in Wasser und des Sauerstofftransfers im technischen Maßstab an einem Wassertestbecken mit 3,5 – 4,0 m Wassertiefe experimentell untersucht werden. Zusätzlich werden Mischungen aus Luft und reinem Sauerstoff als Speisegas sowie das Verhalten in Reinwasser und Abwassersurrogaten untersucht. Die Ergebnisse werden genutzt, um die Eignung dieser sehr kleinen Blasen in Kombination mit reinem Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Speiseluft für eine effiziente Belüftung in Abwasserbehandlungsprozessen zu erörtern und Richtungen für die weitere Forschung in diesem Bereich vorzugeben.
Daher zielt das Projekt auf drei Hauptthemen ab:
1. Der Sauerstoff-Stofftransport wird mit Hilfe von Mikro- und Nanoblasen im technischen Maßstab in einer relevanten Wassertiefe von 3,5 – 4 m systematisch untersucht. Die Blasengeneratoren werden hinsichtlich ihrer Methodik und Randbedingungen grundlegend untersucht. Die erzeugten Blasen werden hinsichtlich ihrer Größenverteilung vermessen, um ein umfassendes Verständnis des Sauerstofftransfers und der Blasendynamik zu ermöglichen.
2. Um die Auswirkungen der Sauerstoffbeimischung auf den Gasmassentransfer zu beurteilen, werden Sauerstoff-Luft-Gemische von 20 – 100%O2 untersucht. Damit soll die Vermischung von PO aus der Elektrolyse in der Belüftung simuliert werden.
3. Zur Klärung der Auswirkungen von Verunreinigungen auf die Blasenkoaleszenz im Mikro- und Nanoblasenbereich und den daraus resultierenden Konsequenzen werden Abwasser-Surrogate mit Tensiden, hohem Salzgehalt und beidem getestet.