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Impact of clogging on treatment efficacy and greenhouse gas emissions in treatment wetland
Ruginia Lee Duffy
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Interdisziplinäres Masterstudium Environmental Sciences
Betreuer*in
Stephan Glatzel
DOI
10.25365/thesis.51142
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-10406.04803.962954-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Das Schottenhof pflanzenkläranlage (TW) in Wien, österreich, reinigt seit mehr als 20 Jahren das Abwasser von 115 Einwohnergleichwerten. Die Nährstoffentfernungswirksamkeit und die Treibhausgasemissionen wurden von April bis Juni 2017 für zwei nebeneinander liegende TWs aus dem System gemessen, eines verstopft und eines nicht verstopft (CTW bzw. UTW). Beide TW wiesen hohe Entfernungseffizienzen des Gesamtkohlenstoffgehalts (NPOC) auf, durchschnittlich 79.0 ± 3.84% und 86.1 ± 1.9 % für die CTW bzw. UTW, die signifikant durch einströmende NPOC Konzentrationen beeinflusst wurden. Die Gesamtwirksamkeit des Entfernens von Stickstoff (TN) war in beiden TWs niedrig und betrug im Durchschnitt 24.1% ± 3.5 und 34.4% ± 9.4 für die CTW bzw. UTW. Zwischen den TWs wurde kein signifikanter Unterschied in der Wirksamkeit der NPOC oder TN Entfernung beobachtet. Es wird angenommen, dass verschiedene Prozesse innerhalb des CTW kompensiert werden, um eine Nährstoffentfernungswirksamkeit ähnlich der des UTW zu erreichen, nämlich verstärkter anaerober Abbau von Kohlenstoff und verstärkter Prozesse innerhalb der freien Wasserzone, wie Sedimentation, Nährstoffassimilation durch Mikroorganismen und Ammoniumverflüchtigung. Eine Kombination der statischen und der Floating-Chamber-Methode wird verwendet, um die Flüsse von Methan (CH4) und Lachgas (N2O) zu messen. Die Emissionsraten von CH4 und N2O unterscheiden sich räumlich und zeitlich signifikant. Für CTW bzw. UTW, betrugen die Emissionsraten von CH4 zwischen 0,79 und 4,46 mg m-2 h-1 und zwischen 0,03 und 1,13 mg m-2 h-1, und die N2O Emissionsraten lagen im Bereich von 0,04 bis 29,24 µg m-2 h-1 und 0,59 bis 9,87 µg m-2 h-1. Die CTW hat signifikant höhere Emissionen von CH4 (durchschnittlich 2,4 ± 0,55 vs 0,43 ± 0,17 mg m-2 h-1), durchschnittlich produziert 5,4 Mal größer, und Emissionen von N2O (durchschnittlich 9,40 ± 3,88 vs 4,42 ± 1,10 µg m-2 h-1), durchschnittlich 2,1 mal größer. Die Emissionsraten von CH4 waren im Einlassbereich beider TW am höchsten und wurden signifikant durch die Menge an zufließendem NPOC und TN und durch den pH beeinflusst. Insgesamt wurden die CH4 Emissionen vor allem durch den Wasserstand beeinflusst, da der Überlauf von Abwasser anaerobe Bedingungen erzeugte, die die Produktion von CH4 förderten. Die Emissionsraten von N2O wurden am stärksten durch den Wasserstand und das Vorhandensein von angesammeltem verstopften Material auf der Medienoberfläche infolge von Verstopfung beeinflusst. In gesättigten, anaeroben Bedingungen wurde die vollständige Denitrifikation begünstigt und die Emissionsraten waren niedrig. Sobald die verstopften Abschnitte getrocknet waren und der Wasserspiegel zurückging, wurden die halbgesättigten Bedingungen des verstopften Materials weniger anaerob und begünstigten unvollständige Denitrifikationsvorgänge, was zu hohen Emissionsraten führte. Als das Trocknen der verstopften Materie voranschritt und die Bedingungen aerob wurden, wurden die Denitrifikationsvorgänge inhibiert und die Emissionsraten waren niedrig. Insgesamt waren die Emissionsraten von CH4 um 3 bis 4 Größenordnungen höher als die von N2O Emissionsraten und signifikant mehr vom Treibhauspotential (GWP) (50,41 ± 12,16 und 9,10 ± 2,99 mg CO2 eq m2 h-1). Da N2O Emissionen langfristig jedoch problematischer sind, sollten Strategien zur Minderung der N2O Emissionen Vorrang haben und werden in dieser Studie hervorgehoben. Trotz des relativ hohen Beitrags der TW zum GWP - insbesondere des CTW - im Vergleich zu konventionellen Kläranlagen ist der Beitrag um 3 bis 4 Größenordnungen geringer und hat insgesamt weniger negative Auswirkungen auf die Umwelt.
Abstract
(Englisch)
The Schottenhof treatment wetland (TW) system in Vienna, Austria, has been treating the wastewater of 115 Population Equivalents for over 20 years. The nutrient removal efficacy and greenhouse gas emissions were measured for two side-by-side TWs from the system, one clogged and one not significantly affected by clogging (CTW and UTW, respectively), from April to June 2017. Both TWs experienced high total carbon (NPOC) removal efficacies, averaging 79.0 ± 3.84% and 86.1 ± 1.9% for the CTW and UTW, respectively, which were significantly influenced by influent NPOC concentrations. Total nitrogen (TN) removal efficacy was low in both TWs, averaging 24.1% ± 3.5 and 34.4% ± 9.4 for the CTW and UTW, respectively. No significant differences in NPOC or TN removal efficacy was observed between the TWs. It is thought that various processes within the CTW compensated to achieve a nutrient removal efficacy similar to that of the UTW, namely increased anaerobic degradation of carbon and enhanced processes within the free water zone, such as sedimentation, nutrient assimilation by microorganisms, and ammonium volatilisation. A combination of the static and floating chamber method was used to measure fluxes of methane (CH4) and nitrous oxide N2O). Emission rates of CH4 and N2O varied significantly on both a spatial and temporal scale. For the CTW and UTW, respectively, CH4 emission rates ranged from 0.79 to 4.46 mg m-2 h-1 and 0.03 to 1.13 mg m-2 h-1, and N2O emission rates ranged from 0.04 to 29.24 µg m-2 h-1 and 0.59 to 9.87 µg m-2 h-1. The CTW produced significantly greater emissions of CH4 (average 2.4 ± 0.55 vs 0.43 ± 0.17 mg m-1 h-1), averaging 5.4 times greater, and emissions of N2O (average 9.40 ± 3.88 vs 4.42 ± 1.10 µg m-2 h-1), averaging 2.1 time greater. CH4 emission rates were highest in the inlet section of both TWs and were significantly positively influenced by the amount of influent NPOC and TN and by pH. Overall, CH4 emissions were most significantly influenced by water level, as overland flow of wastewater created anaerobic conditions that favoured CH4 production. N2O emission rates were most significantly influenced by water level and the presence of accumulated clog matter on the media surface as a result of clogging. In saturated, anaerobic conditions, complete denitrification was favoured and N2O emission rates were low. Once drying of clogged sections occurred and the water level receded, the semi-saturated conditions of the clog matter became less anaerobic and favoured incomplete denitrification processes, resulting in high N2O emission rates. As drying of the clog matter progressed and conditions became aerobic, denitrification processes were inhibited and N2O emission rates were low. Overall, the emission rates of CH4 were 3 to 4 magnitudes higher than N2O emission rates and contributed significantly more to the global warming potential (GWP) (50.41 ± 12.16 and 9.10 ± 2.99 mg CO2 eq m2 h-1, respectively). However, as N2O emissions are more problematic long-term, strategies to mitigate N2O emissions should take precedence and are outlined in this study. Despite the relatively high contribution of the TWs to GWP - especially the CTW - when compared with conventional wastewater treatment plants, the contribution is 3 to 4 magnitudes less and has less overall negative impact on the environment.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
horizontal subsurface flow treatment wetland clogging clog matter nutrient removal efficacy greenhouse gas emissions
Schlagwörter
(Deutsch)
horizontale Pflanzenkläranlage Verstopfung Verstopfungsmaterial Nährstoffentfernungswirksamkeit Treibhausgasemissionen
Autor*innen
Ruginia Lee Duffy
Haupttitel (Englisch)
Impact of clogging on treatment efficacy and greenhouse gas emissions in treatment wetland
Publikationsjahr
2018
Umfangsangabe
v, 48 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Stephan Glatzel
AC Nummer
AC14561244
Utheses ID
45171
Studienkennzahl
UA | 066 | 299 | |