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Mitigation strategies for odour and corrosion in sewer systems caused by hydrogen sulphide

Despot, Daneish Bisaal

Sewer systems are an essential underground infrastructure that serves our society by safely collecting and transporting wastewater to a point where it can be treated or discharged without incurring environmental harm. As a result of sulphur transformations initiated by sulphate-reducing bacteria found in biofilm and sediments in the anaerobic sewer sections, hydrogen sulphide formation and release in sewer systems are inevitable. The occurrence of H2S is notoriously known for its effects on odour and corrosion. Consequently, these effects cause a financial burden to water utilities worldwide as sewer rehabilitation and strategies to mitigate hydrogen sulphide are often required. Numerous mitigation strategies have been suggested and are already applied in practice. However, most solutions include the continuous dosing of chemicals leading to high chemical consumption and costs. Moreover, most new mitigation strategies are mainly carried out in laboratory-scale reactors—there is a general lack of knowledge on how these new measures work under realistic sewer conditions. With that notion, this work investigates alternative mitigation strategies for sulphide control in sewer systems. Regarding the chemical technologies used for sulphide control in Germany, no reports have been using Free Nitrous Acid (FNA). So far, laboratory and field studies in Australia and the USA have successfully proven and applied this control technology, exhibiting its strong biocidal effects during intermittent addition. Intermittent FNA-dosing was tested on a full-technical scale using the research sewer pilot plant of BWB in Berlin to evaluate this sulphide control technology as a possible alternative to conventional salts such as calcium nitrate. The findings revealed that FNA dosing was only effective during the chemical dosing periods. The sulphate-reducing activity recovery was immediate for FNA concentrations of < 10 mg-HNO2 L−1, with exposure times ranging from 6-24 hours. Given that calcium nitrate is widely used in Germany and stands out as an inexpensive and simple solution, investigations were made to optimise the use of nitrate dosing. Considering the location of the dosing point as an approach to optimising nitrate dosing, an assessment of using a limited-downstream nitrate dosing strategy was also made in this thesis. The limited downstream nitrate dosing strategy was implemented in a 9 km long pressure sewer main in Ueckermünde, which is used to transport wastewater from the suburban villages to the treatment plant. Long-pressure sewers connecting rural villages to centralised systems are common in Europe, and most systems require solutions for odour control. The limited-downstream nitrate dosing strategy presented in this thesis provides a cost-effective sulphide control solution for these types of systems. In sewer systems, the water quality matrix and gas composition are dynamic and continuously changing due to an exchange of substances across several interfaces in a multiphase system and rapid changes in flow patterns (both liquid and gas). To accurately account for H2S detection in sewers, several online liquid-phase and gas sensors were evaluated under different sewer conditions. Both liquid and gas-phase sensors are critical for assessing the extent of the odour and corrosion problems in sewers. A comparative study was performed regarding the liquid phase online H2S sensors to understand the limitations, challenges, and suitability for developing real-time H2S control systems. For gas-phase sensors, a management scheme for ensuring continuous collection of reliable H2S gas measurements was developed. These studies constitute the development of reliable H2S monitoring for sewers, providing valuable practical details on the sensor’s performance under different conditions and sewer applications.
Die Kanalisation ist eine wichtige unterirdische Infrastruktur für unsere Gesellschaft. Sie sammelt und transportiert das anfallende Abwasser sicher zu einem Punkt, an dem es ohne Umweltschäden behandelt oder beseitigt werden kann. Während des Transports finden Umwandlungsprozesse von Schwefelverbindungen durch sulfatreduzierende Bakterien statt, die in Biofilmen und Sedimenten in den anaeroben Kanalisationsabschnitten vorkommen. Dadurch ist die Bildung und Freisetzung von Schwefelwasserstoff in Abwassersystemen unvermeidlich. Schwefelwasserstoff (H2S) ist bekannt für seine Geruchs- und Korrosionswirkung. Diese Auswirkungen verursachen eine finanzielle Mehrbelastung für die Wasserversorgungsunternehmen weltweit, da häufig Kanalsanierungen und Maßnahmen zur Minderung der Schwefelwasserstoffemissionen erforderlich werden. Zahlreiche Strategien zur Vermeidung von Schwefelwasserstoffemissionen wurden vorgeschlagen oder werden bereits in der Praxis angewandt. Die meisten Lösungen beinhalten die kontinuierliche Dosierung von Chemikalien, was zu einem hohen Chemikalienverbrauch und damit einhergehend hohen Kosten führt. Darüber hinaus wurden die meisten neueren Maßnahmen hauptsächlich in Reaktoren im Labormaßstab erprobt, wodurch die Frage offen bleibt, wie diese neuen Alternativen unter realistischen Kanalisationsbedingungen wirken. Vor diesem Hintergrund werden in dieser Arbeit alternative Strategien zur Vermeidung der Sulfidbildung in der Kanalisation untersucht. Was die in Deutschland zur Sulfidbekämpfung eingesetzten chemischen Dosierstrategien betrifft, so gibt es keine Studien über den Einsatz von Freier Salpetriger Säure (FNA). Bisher haben Labor- und Feldstudien in Australien und den USA den Einsatz dieser Methode erfolgreich bewiesen und angewandt, wobei sich die starke biozide Wirkung von FNA bei intermittierender Dosierung gezeigt hat. Die intermittierende FNA-Dosierung wurde in der Kanalforschungsanlage der Berliner Wasserbetriebe (BWB) in Berlin im großtechnischen Maßstab getestet, um diese Dosierstrategie im Vergleich zu herkömmlichen Salzen wie Kalziumnitrat zu bewerten. Die Ergebnisse zeigten, dass die FNA-Dosierung nur während der Zeiträume wirksam war, in denen dosiert wurde, und dass sich die sulfatreduzierende Aktivität bei FNA-Konzentrationen von < 10 mg-HNO2 L−1 mit Expositionszeiten von 6-24 Stunden sofort nach Ausbleiben der Chemikalienzugabe erholte. In Anbetracht der Tatsache, dass Kalziumnitrat in Deutschland weit verbreitet ist und sich derzeit als kostengünstige und einfache Lösung anbietet, wurden Untersuchungen zur Optimierung des Einsatzes der Nitratdosierung durchgeführt. Unter Berücksichtigung des Standortes der Dosierstelle als Ansatz zur Optimierung der Nitratdosierung wurde in dieser Arbeit eine Bewertung der Verwendung einer limitierten Nitratdosierungsstrategie gegen Ende der sulfidbildenden Druckleitung vorgenommen. Die Strategie der nachgeschalteten Nitratdosierung (Thiox-Verfahren) wurde in einer 9 km langen Druckleitung in Ueckermünde umgesetzt, über die das Abwasser aus den Dörfern der Umgebung zur Kläranlage transportiert wird. Lange Druckleitungen, die ländliche Dörfer mit zentralen Systemen verbinden, sind in Europa weit verbreitet, und die meisten Systeme erfordern Lösungen zur Geruchs- und Korriosionsbekämpfung. Die in dieser Arbeit vorgestellte Methode der begrenzten nachgeschalteten Nitratdosierung bietet eine kosteneffiziente Lösung zur Sulfidkontrolle für diese Art von Systemen. In Abwassersystemen sind die Wasserqualität und die Gaszusammensetzung dynamisch und ändern sich ständig aufgrund des Stoffaustauschs über mehrere Grenzflächen in einem Mehrphasensystem und aufgrund schneller Änderungen der Strömungsmuster (sowohl in der Wasser- als auch in der Gasphase). Um die H2S-Entstehung in Abwasserkanälen genau zu erfassen, wurden mehrere Online-Flüssigphasen- und Gassensoren unter verschiedenen Kanalisationsbedingungen bewertet. Sowohl Flüssig- als auch Gassensoren sind entscheidend für die Beurteilung des Ausmaßes von Geruchs- und Korrosionsproblemen in Abwasserkanälen. Es wurde eine vergleichende Studie zu den Online-H2S-Sensoren in der Flüssigphase durchgeführt, um die Grenzen, Herausforderungen und die Eignung für die Entwicklung von H2S-Kontrollsystemen in Echtzeit zu untersuchen. Für Gasphasensensoren wurde ein Managementsystem entwickelt, das die kontinuierliche Erfassung zuverlässiger H2S-Messwerte gewährleistet. Diese Studien liefern Beiträge für die Entwicklung einer zuverlässigen H2S-Überwachung für Abwasserkanäle und liefern wertvolle praktische Details über die Leistung der Sensoren unter verschiedenen Bedingungen und Anwendungen in der Kanalisation.