Der Abwassersektor emittiert fast doppelt so viel Methan wie bisher angenommen

Laut einer neuen Studie der Princeton University stoßen kommunale Kläranlagen fast doppelt so viel Methan in die Atmosphäre aus, wie Wissenschaftler bisher angenommen hatten. Und da Methan den Planeten über 20 Jahre über 80-mal stärker erwärmt als Kohlendioxid, könnte das ein großes Problem werden.

„Der Abfallsektor ist eine der größten anthropogenen Methanquellen der Welt“, sagte Mark Zondlo, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen und assoziierte Fakultät am Andlinger Center for Energy and the Environment. „Während die Städte weiter urbanisieren und Netto-Null-Pläne entwickeln, können sie den Sektor der Behandlung von flüssigem Abwasser nicht ignorieren.“

Zondlo leitete eine von zwei neuen Studien zu diesem Thema, über die beide in Artikeln berichtet wurden, die in veröffentlicht wurden Umweltwissenschaft und -technologie. Eine Studie führte Messungen der Methanemissionen vor Ort in 63 Kläranlagen in den Vereinigten Staaten durch; das andere verwendete Methoden des maschinellen Lernens, um veröffentlichte Literaturdaten aus Methanüberwachungsstudien verschiedener Abwassersammlungs- und -behandlungsprozesse auf der ganzen Welt zu analysieren.

„Nicht viele Menschen haben die mit der Abwasserinfrastruktur verbundenen Methanemissionen untersucht, obwohl wir wissen, dass dies ein Hotspot für die Methanproduktion ist“, sagte Z. Jason Ren, der die zweite Studie leitete. Ren ist Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen und am Andlinger Center for Energy and the Environment.

Der Zwischenstaatliche Ausschuss für Klimaänderungen (IPCC) hat Richtlinien aufgestellt, die es Forschern und Institutionen wie der US-Umweltschutzbehörde (EPA) ermöglichen, die Methanemissionen von Kläranlagen auf der Grundlage ihrer spezifischen Behandlungsverfahren abzuschätzen. Diese Richtlinien wurden jedoch aus begrenzten Messungen an einer relativ kleinen Anzahl von Kläranlagen entwickelt.

Als die Forscher das Princeton Atmospheric Chemistry Experiment (PACE) Mobile Laboratory nutzten, um anlagenweite Emissionen zu quantifizieren, indem sie die Schwaden von 63 Kläranlagen an der Ostküste und in Kalifornien maßen, stellten sie fest, dass die IPCC-Richtlinien Kläranlagen aller Größen und Größen konsequent unterschätzten Behandlungsprozesse.

Wenn die Ergebnisse dieser 63 Anlagen repräsentativ sind, wären die tatsächlichen Methanemissionen aus Kläranlagen in den USA etwa 1,9-mal höher als die Emissionsschätzungen, die die bestehenden IPCC- und EPA-Richtlinien verwenden, was bedeutet, dass diese Richtlinien die Methanemissionen von 5,3 Millionen Tonnen unterschätzen von Kohlendioxid.

Interessanterweise kam das Forschungsteam, das die zweite unabhängige Studie zur Analyse von Literaturdaten zu Methanemissionen durchführte, zu einem ähnlichen Ergebnis: Die geschätzten Methanemissionen aus der kommunalen Abwasserbehandlung in den USA waren etwa doppelt so hoch wie die bestehenden Richtlinien vorhersagen.

„Wir konnten mit zwei verschiedenen Ansätzen zeigen, dass Methanemissionen ein viel größeres Problem für den Abwassersektor sind als bisher angenommen“, sagte Ren.

Die üblichen Verdächtigen im Abwasser Methanemissionen

Die Forscher glauben, dass die IPCC-Richtlinien, da sie aus begrenzten Messungen an einer kleinen Anzahl von Kläranlagen entwickelt wurden, die zwischen den Anlagen bestehenden Schwankungen der Emissionen möglicherweise nicht genau wiedergeben.

„Die Richtlinien gehen von einem bestimmten Effizienzniveau in diesen Abwasserbehandlungssystemen aus, das möglicherweise nicht von Anlage zu Anlage vorhanden ist“, sagte Daniel Moore, Erstautor der Studie zur direkten Messung und Doktorand in Bau- und Umweltingenieurwesen. Er wies auf Lecks und ineffiziente Ausrüstung hin, die in Kläranlagen möglicherweise unentdeckt bleiben, aber zu erheblichen Treibhausgasemissionen führen könnten.

Cuihong Song, Erstautor der kritischen Überprüfung und Postdoktorand für Bau- und Umweltingenieurwesen in Princeton, sagte, dass mit anaeroben Fermentern ausgestattete Kläranlagen zu den größten Methanlecks gehörten.

Anaerobe Fermenter sind luftdichte Gefäße mit anaeroben Mikroben, die ohne Sauerstoff arbeiten, um Klärschlamm oder feste Abfälle abzubauen und dabei methanreiches Biogas zu erzeugen. Dieses Methan kann zur Erzeugung von Wärme oder Strom verwendet werden, um andere Aspekte des Behandlungsprozesses anzutreiben.

Aber wenn anaerobe Fermenter ineffizient arbeiten, können Lecks und Druckaufbau dazu führen, dass Methan als flüchtige Emissionen entweicht. „Wenn der Fermenter nicht gasdicht ist, kann es zu hohen Methanemissionen kommen“, sagte Song. Die Forscher fanden heraus, dass Anlagen mit anaeroben Fermentern mehr als dreimal so viel Methan ausstoßen wie Anlagen ohne Fermenter.

Höhere Emissionen aus anaeroben Fermentern könnten ein ernsthaftes Problem darstellen: Während mit anaeroben Fermentern ausgestattete Kläranlagen weniger als 10 % aller Kläranlagen in den USA ausmachen, handelt es sich bei den meisten dieser Anlagen um große Anlagen, die zusammen etwa 55 % der Abwasser im Land.

„Eine Menge Geld fließt in die Verringerung der Emissionen durch die Implementierung dieser Faulbehälter, da es sich theoretisch um geschlossene Systeme handelt. Wenn sie richtig funktionieren, können Sie das Methan an einem Ort zentralisieren“, fügte Moore hinzu. „Es sind die Ineffizienzen und Lecks, die viele der Probleme verursachen.“

Zusammen mit anaeroben Fermentern ergab die kritische Überprüfung, dass Methanemissionen aus Kanalsystemen erheblich zu den landesweiten Methanemissionen beitragen. Die aktuellen Richtlinien berücksichtigen jedoch größtenteils keine flüchtigen Methanemissionen aus Abwasserkanälen, die den Forschern zufolge in zukünftigen Treibhausgasinventaren berücksichtigt werden müssen.

„Wir haben in den USA mehr als eine Million Kilometer Abwasserkanäle, die mit reichhaltigen organischen Stoffen gefüllt sind, die möglicherweise Methanemissionen verursachen, aber wir haben nur sehr wenig Verständnis für deren Umfang“, sagte Ren.

Bessere Überwachung, bessere Richtlinien

Die Forscher arbeiten nun mit Partnern zusammen, um ein Inventar und eine Methodik zu erstellen, die es Managern ermöglichen würden, ihre Methanemissionen einfach zu überwachen. Durch die Identifizierung der Quellen im Abwasserbehandlungsprozess, die die meisten Methanemissionen freisetzen, kann ihre Arbeit auch die Bemühungen zur Minderung flüchtiger Emissionen beeinflussen.

„Methan hat eine kurze Lebensdauer in der Atmosphäre. Wenn wir also in der Lage sind, den Ausstoß von Emissionen im ganzen Land zu unterbinden, wird der Beitrag von Methan zur Erwärmung schnell abnehmen“, sagte Moore. „In zehn Jahren müssten wir uns um Methan nicht mehr so ​​viele Sorgen machen.“

Ren fügte hinzu, dass das durch Prozesse wie die anaerobe Vergärung erzeugte Methan auch als wertvolle Energiequelle dient. „Durch die Identifizierung und Minderung flüchtiger Methanemissionen würden wir doppelte Vorteile sehen“, sagte er. „Wir würden die Treibhausgasemissionen kurzfristig reduzieren und die Menge an Methan maximieren, die wir aus dem Abwasserbehandlungsprozess zurückgewinnen können.“

Es ist jedoch noch mehr Arbeit erforderlich, um die Methanemissionen in verschiedenen Zeitskalen aus Kläranlagen und Kanalnetzen unterschiedlicher Größe und Behandlungsverfahren zu überwachen.

Beispielsweise haben nur wenige Studien eine langfristige, kontinuierliche Überwachung der Methanemissionen aus Kläranlagen durchgeführt, obwohl die Emissionsrate täglich oder sogar saisonal variieren kann und im Frühling und Sommer im Allgemeinen höher ist als im Winter. „Letztendlich brauchen wir eine vollständige Bilanzierung der Emissionen von Anlagen über viele Zeiträume hinweg“, sagte Zondlo. Er fügte hinzu, dass vorläufige Analysen nachfolgender Messungen von zusätzlichen Anlagen zu verschiedenen Jahreszeiten die Bedeutung des Verständnisses der saisonalen Schwankungen der Emissionen hervorgehoben haben.

Gleichzeitig müssen Forscher bessere Probenahmemethoden entwickeln, um Emissionen aus schwer zugänglichen Bereichen wie Abwasserkanälen zu verstehen, da die diffuse Natur von Kanalnetzen zusammen mit ihrer hohen Luftfeuchtigkeit es schwierig macht, ein genaues Bild der Emissionen zu erfassen bestehende Methoden.

Durch die Überwindung dieser Hürden und die Fortsetzung ihrer Überwachungsbemühungen könnten die Forscher zu umfassenderen Bemühungen beitragen, aktualisierte Richtlinien zu erstellen, die die Methanemissionen aus dem Abwassersektor besser abschätzen.

„Viele Behörden erkennen an, dass es wichtig ist, Methanemissionen aus dem Abwassersektor zu untersuchen“, sagte Ren. „Diese Forschung berichtet nicht nur über unsere eigenen Ergebnisse. Wir spiegeln wider, was die breitere Forschungsgemeinschaft beobachtet und als erhebliche Wissenslücke identifiziert hat.“