A new generation of integrated fixed-film activated sludge (IFAS) systems, merging the biofilm of the root zone from aquatic plants into the activated sludgeprocess, has increasingly gained attention in recent years as a potential alternative to conventional wastewater treatment systems. However, there is a lack of understanding of the broader environmental impact of this emerging technology and how it compares to traditional concepts of wastewater treatment. In this research, we address this gap by conducting a comparative Life Cycle Assessment (LCA) with three reference scenarios, based on design simulations in seven midpoint impact categories. The entire novel wastewater treatment system at a small to medium-sized brewery in the Netherlands, including sludge disposal, resulted in net values of 29.2 MJ, 1.9 kg CO2-eq., 3.4 g  OX-eq., 0.1 mg CFC11- eq., 4.0 g SO2-eq., 0.3 g P-eq., and 1.9 N-eq. per m3 wastewater treated, under categories CED, GWP, POFP, ODP, TAP, FEP, and MEP, respectively. Compared to aerated SBR systems, the new system demonstrated higher environmental burdens in CED (120%), GWP (122%), POFP (125%), ODP (123%), and TAP (133%). This study provides evidence that these impacts on the environment mainly depend on the technology’s current electricity demand, while additional improvements can also be achieved by lowering the chemical and nutrient demand of the system. The comparison to a potential anaerobic treatment opportunity for the brewery wastewater with an EGSB reactor, exacerbated the previously identified shortcomings of the new technology, since the crediting of biogas allowed a complete offset of the total environmental impact measured by the GWP, CED, and ODP. Our findings suggest that additional water recovery concepts with subsequent nanofiltration systems, aimed at preserving natural water resources, may offer no competitive advantage for the GWP, CED, POFP, OPD, and TAP, if the electricity demand (1.17 kWh per provided m3 reused water) surpasses the benefit of water reuse. However, it is important to note that the new technologies provide their own set of benefits, such as a reduced impact on freshwater and marine eutrophication, due to the high  nutrient uptake capability. Our research provides implications for practitioners and researchers seeking to understand the environmental impact associated with plant root equipped IFAS, while implicit design assumptions may limit the ability to generalise findings on real-world scenarios.

Durch eine mehrstufige Behandlung von Biomasse unter Luftabschluss, kommt es in Biogasanlagen zur Produktion von Biogas. Als Nebenprodukt entstehen dabei ebenso Biogasgärreste, welche durch die stoffliche Zusammensetzung hochwertiges Düngemittel darstellen. Eine verbesserte Gärrestenutzung kann zur Steigerung des Nährstoffmanagements führen. Der wichtigste Nährstoff für Nutzpflanzen ist Stickstoff. Deshalb macht es Sinn Ammoniumstickstoff aus Abwässern, Gülle und anderen Gärresten zurückzugewinnen. Eine Möglichkeit ist die sogenannte AmmoniakStrippung. In der Nachbehandlung wird Ammoniumstickstoff in einem Gaswäscher erneut aufkonzentriert und somit das Ammoniak in wieder verwertbarer Form zurückgewonnen. Um die Inbetriebnahme eines Gaswäschers zu realisieren, wurde ein Messprogramm erstellt. Durch sieben Versuchsreihen und einer Variation von Stellparametern wurden zunächst die Eliminationsraten in einer Stripp-Kolonne betrachtet. Des Weiteren wurde die Anreicherung im Gegenstromverfahren durch absorptive Prozesse von Ammoniumstickstoff und Kohlenstoffdioxid in einem Gaswäscher bilanziert und durch Gegenüberstellung der Verfahren Auswertungen hinsichtlich der quantitativen Rückgewinnung erzielt. Außerdem wurde als Optimierungsoption eine theoretische Kolonnenauslegung betrachtet. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Bestimmung der Füllkörperhöhe und des nassen Druckverlusts. Weiterhin wurden auf Basis dieser Ergebnisse Untersuchungen zu unterschiedlichen Füllkörpermaterialien durchgeführt.

Um die Trennleistung einer Vakuumentgasungsanlage zu optimieren, wurde mit dem Einsatz von Füllkörpern der Ammoniumstickstoffanteil von separiertem Gärrest im Gegenstromverfahren mit Strippluft abgereichert. Drei Füllkörperarten unterschiedlicher Hersteller wurden bei gleichen Betriebsbedingungen untersucht. Die Effizienz konnte so bei einer stabilen Prozessführung gesteigert werden. Außerdem wurde eine theoretische Kolonnenauslegung durchgeführt, die die Bestimmung der Füllkörperhöhe und des nassen Druckverlusts umfasste. Aus diesen Ergebnissen lassen sich Vorhersagen hinsichtlich der Ausgangskonzentrationen von Ammoniumstickstoff prognostizieren. Aus den Experimenten und der theoretischen Kolonnenauslegung konnte eine optimierte Anlagenkonfiguration abgeleitet werden.

Technical nitrogen (N) recovery from biogas digestate via vacuum degasification (VD) of ammonia is an important task with regards to environmental issues and economic reasons. There has not yet been much research on VD, but compared to conventional stripping methods energy costs might be reduced. In the frame of the EU project ”Circular Agronomics” a VD pilot plant for N recovery from biogas digestate was built. This study aims on optimizing the pilot plant with special regards to the scrubber, where the N fertilizer is formed. The plant was operated at 310 mbar absolute pressure, 150 L · h−1 recirculation rate and 35 kg total water mass. Two different conditions were examined: condition 1) 70◦C, gas to liquid ratio (G/L) 20:1, pH 9 and condition 2) 50◦C, G/L 33:1, pH 10. A total ammonium nitrogen (TAN) elimination of 93% for condition 1 and 73% for condition 2 was achieved. Conducting the experiments a high amount of water was evaporated (25% for condition 1 and 5% for condition 2). The high water evaporation leads to a low TAN/water ratio in the gas stream of 0.4−1.2 (condition 1) and 1.6−2.8 mol · L−1 (condition 2) respectively. A low TAN/water ratio is disadvantageous, as it results in a dilution of the N fertilizer, that is being formed in the subsequent scrubber. Besides, it was found, that the plant loses high amounts of energy in form of latent heat due to water evaporation and requires more favorable energy recovery.

Ziel dieser Arbeit war es, am Beispiel des Klärwerks Schönerlinde, Szenarien, in denen Biomethan oder Wasserstoff, als Alternative zu einem Referenzszenario ohne „grüne“ Gase, erzeugt werden, zu modellieren und jene Szenarien auf technische Realisierbarkeit, Potential zur Einsparung von CO2-Äquivalenten und wirtschaftliche Durchführbarkeit zu untersuchen. So sollte überprüft werden, wie eine optimale Energienutzung/-versorgung des Klärwerks Schönerlinde in naher Zukunft aussehen könnte. Dafür wurde zunächst ein Basisszenario für das Klärwerk Schönerlinde entworfen, welches zukünftige Energie- und Wärmeverbräuche sowie Faulgasproduktion des Klärwerks widerspiegelt und eine komplette Verstromung des Faulgases in den BHKWs vor Ort sowie eine Einspeisung von überschüssigem Strom aus Windkraft vorsieht. Basierend darauf wurden alternative „Grünes Gas“-Szenarien betrachtet. Dabei wurden Aminwäscheszenarien, mit unterschiedlicher Betriebsweise der BHKWs, Elektrolyseszenarien, mit unter-schiedlicher Auslastung des Elektrolyseurs sowie Methanisierungsszenarien, in denen Aminwäsche, Elekt-rolyseur und biologische Methanisierung zum Einsatz kommen, modelliert. Für die Modellierung und somit Darstellung der Szenarien wurde ein dynamisches Modell in Microsoft Excel zusammengestellt. In dem Modell wurden Daten zu Energie- und Wärmeverbräuchen eingetragen und Energie- sowie Jahresbilanzen hinsichtlich der Lastgänge für jeden Zeitschritt (1h) einzeln berechnet, um eine realistische Einschätzung der zeitlichen Dynamik und der Speicherstände zu gewährleisten. Im Hinblick auf technische Aspekte ist bei den Aminwäscheszenarien eine strom- oder wärmegeführte Betriebsweise der BHKWs möglich. Dies hat entsprechenden Einfluss auf die Auslastung der Aminwäsche sowie der erzeugten Biomethanmenge. Im Hinblick auf die Treibhausgasbilanz wurde festgestellt, dass die Aminwäscheszenarien, mit Herstellung von Biomethan, ökologisch sinnvoll sind. Mit steigendem Anteil von Grünstrom aus erneuerbaren Energiequellen im Netz sind darüber hinaus noch weitere Einsparungen möglich. Wirtschaftlich betrachtet sind die Aminwäscheszenarien gegenwärtig unwirtschaftlicher als das Referenzszenario. Bei den Elektrolyseszenarien ist eine, nach einem Lastgang geschaltete, Elektrolyse am sinnvollsten, da auf diese Weise der Elektrolyseur konstant betrieben wird. Die Elektrolyseszenarien sind, hinsichtlich ihrer Treibhausgasbilanz und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung, ungünstiger als das Referenzszenario und nur vor-teilhaft, wenn günstiger EE-Strom für die Elektrolyse bezogen wird. Selbst bei Nutzung des Sauerstoffs, aus der Elektrolyse, in der Ozonung kann keine positive Wirtschaftlichkeit erzielt werden. Die Szenarien mit biologischer Methanisierung und BHKWs erzeugen 12% zusätzliches Biomethan. Hinsichtlich ihrer Treibhausgasbilanz und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung sind sie jedoch, genauso wie die Elektrolyseszenarien, nur vorteilhaft, wenn günstiger EE-Strom für die Elektrolyse bezogen wird, da mit Wirkungsgradverlusten von knapp 25% bei der Wasserstoffherstellung gerechnet werden muss. Haupteinflusspunkte auf den zukünftigen Erfolg, in Hinblick auf umwelttechnische und wirtschaftliche Aspekte der „Grünes-Gas“-Szenarien, sind die Entwicklung der Kosten und Emissionsfaktoren von Netzstrom sowie Erlösen aus Biomethan und Wasserstoff, welche gegenwärtig noch keinen Wettbewerb zur kompletten Verstromung des Faulgases in BHKWs darstellen.