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Sewer networks are essential sanitary structures that collect wastewater produced by communities, as well as precipitation runoff from urban areas, transporting them for further treatment and/or disposal. Some major problems associated to sewers arise from the formation of the gaseous compound hydrogen sulphide (H2S), which corrodes concrete sewer structures, generates malodours in populated neighbourhoods and, last but not least, threatens public health due to its toxicity. The associated maintenance, renovation or sewer network renewal operations highly affect the operational cost of water utilities all over the world, in the order of milliards of euros. These problems are expected to be aggravated in the near future due to the global warming trend, as higher temperatures foster the production and emission of hydrogen sulphide. Therefore, H2S monitoring is a compulsory task in order to identify problematic hotspots in servicing and maintenance of sewer installations. Hydrogen sulphide is formed under anaerobic conditions in the biofilm in the liquid phase,but its severe effects become noticeable when released into the sewer atmosphere, from where it can escape into the open air. This is usually the case in gravity operated sewers transporting municipal wastewater, as they are partially filled with air. Sewers are highly dynamic systems, so there are noticeable daily, weekly or seasonal variations in the sulphide production. Until now, monitoring of the liquid phase has been a challenging task, since laboratory standard methods are time-consuming and manually complex, restraining sampling frequency and complicating data acquisition. However, the development of online sensors over the last few years for wastewater applications has notably simplified the operations in liquid phase monitoring, and as the process is automated, they provide a large number of measures, and chemical reagents are no longer required. This thesis provides insight on the application of online sensors in sewer monitoring, as well as on the H2S mass transfer processes occurring across the liquid-gas interface. In a first instance, the focus of the thesis was set on the local calibration of a UV/Vis spectrometer for monitoring the sulphide species -among other wastewater parameters-, because of their key role in odour generation and corrosion episodes in sewers. The obtained results showed that the spectrometer is a suitable device for predicting sulphide concentration trends associated to sewer networks. Second, two comparisons of H2S sensors for sewer monitoring were performed: one for the liquid phase, and another one for the gas phase. The main achieved goal was to provide an overview of the available commercial sensors, as well as to evaluate their performance and measurement accuracy under different operational conditions. In addition, the limitations, challenges, and strengths of the devices were assessed. Third, the knowledge acquired during the evaluation of the sensors was applied for continuous monitoring of both phases. As a result, an empirical determination of the mass transfer coefficient (KLa) across the liquid-gas interface was obtained. All experiments were performed in a sewer pilot plant with actual wastewater. Summing up, results obtained in this thesis highlight a) the importance of sewer monitoring with online sensors in order to identify and control corrosion and odour hotspots, and b) their role in the experimental determination of the H2S mass transfer coefficient under real conditions. This is still a challenging research topic due to the difficulties of working with the highly toxic hydrogen sulphide, both in real and in laboratory setups.
Die Kanalisation ist eine wichtige sanitäre Infrastruktur, die Abwasser und Niederschlagsabfluss aus städtischen Gebieten zur weiteren Behandlung oder Entsorgung transportiert. Die Bildung gasförmigen Schwefelwasserstoffs (H2S) führt zu Problemen in der Kanalisation. Dieses Gas wirkt sich korrosiv auf Betonstrukturen aus, führt zur Geruchsbelästigung in besiedelten Gebieten und gefährdet die öffentliche Gesundheit durch seine Toxizität. Für die Wasserbetriebe entstehen somit weltweit Kosten in der Größenordnung von mehreren Millarden Euro. Diese setzen sich unter anderem aus Instandhaltungs-, Renovierungs- oder Erneuerungsarbeiten des Kanalnetzes zusammen. Wenn die Temperaturen durch den Klimawandel steigen, führt das zu einer erhöhten Bildung und Emission von Schwefelwasserstoff und damit zu einem erhöhten Gefährdungspotenzial. Die Überwachung von H2S ist daher eine wesentliche Aufgabe, um problematische H2S-Hotspots in der Kanalisation zu identifizieren. Schwefelwasserstoff entsteht unter anaeroben Bedingungen im Abwasser, auch Flüssigphase genannt. Die negativen Auswirkungen treten auf, wenn das Gas von der Flüssig- in die Gasphase überführt wird. Bei Freispiegelleitungen, die kommunales Abwasser transportieren sind in der Regel beide Phasen vorhanden, dadurch kann das H2S aus der Flüssigphase entweichen. Die Sulfidproduktion in der Kanalisation weist eine hohe zeitliche Variabilität auf. Diese Variabilität zeigt sich auf einer jahreszeitlichen, wöchentlichen und täglichen Skala. Mit den bisherigen Methoden stellt sich die Überwachung der Sulfid-Konzentration in der Flüssigphase als schwierig dar, da die standardisierten Methoden für das Labor zeitaufwändig sind und somit weniger Proben analysiert werden können. Die Entwicklung von Online-Sensoren für Abwasseruntersuchungen hat die Messungen in der Flüssigphase in den letzten Jahren erheblich vereinfacht. Durch die Sensoren können Messungen schneller, einfacher und ohne Chemikalien durchgeführt werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Einsatz von Online-Sensoren für die Überwachung der H2S Konzentration in der Kanalisation sowie mit dem Stofftransport von der Flüssig-in die Gasphase. Da Schwefelwasserstoff im Kanal zu Geruchs- und Korrosionbildung führt, wurde im ersten Schritt eine lokale Kalibrierung eines UV/Vis-Spektrometers durchgeführt, um die Konzentration verschiedener Sulfid-Spezies (gesamt gelöstes Sulfid, HS - und H2S) im Abwasser zu bestimmen. Das Spektrometer wurde zusätzlich auf sechs weitere Abwasserparameter kalibriert, diese sind: chemischer Sauerstoffbedarf CSB (gelöst und gebunden), Nitrat, Sulfat, Ammonium und Orthophosphat. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die erstellte Kalibrierung die Konzentration der Sulfid-Spezies im Kanal bestimmen kann. Anschließend wurde ein Vergleich verschiedener auf dem Markt erhältliche Sensoren H2S-Sensoren sowohl für die Flüssig- als auch für die Gasphase durchgeführt. Dabei wurden unter verschiedenen Kanalbedingungen Funktionsweise, Messgenauigkeit sowie Vor- und Nachteile der Sensoren evaluiert. Abschließend wurden einige evaluierte Sensoren für eine kontinuierliche Überwachung beider Phasen verwendet. Dadurch konnte der Stoffübergangskoeffizient (K L a) an der Flüssig-Gas-Grenzfläche bestimmt werden. Alle Experimente wurden in einer Kanalforschungsanlage mit kommunalem Abwasser durchgeführt. Zwei wesentliche Schlussfolgerungen dieser Arbeit sind: Um Geruchs- und Korrosionsprobleme frühzeitig zu identifizieren und kontrollieren, ist eine kontinuierliche Kanalüberwachung mittels Online-Sensoren von großer Bedeutung. Zudem hat der Einsatz von Online-Sensoren im Kanal die experimentelle Bestimmung des H 2 S-Stoffübergangskoeffizienten ermöglicht. Durch den Mangel an kontinuierlichen Messungen sowie die Toxizität des Schewefelwasserstoffes stehen Experimente in diesem Forschungsbereich vor großen Herausforderungen. Die Entwicklung von Online-Sensoren ermöglicht eine minütliche Überwachung und reduziert die menschliche Exposition von H 2 S auf ein Minimum, wodurch Experimente unter realen Bedingungen realisierbar sind. |
