Mätning av de samlade emissionerna av växthusgaser från avloppsreningsverk har gjorts vid anläggningar i berg, där all ventilationsluft samlas upp. Motsvarande mätningar från verk med öppna bassänger är svårare. I refererad artikel beskrivs en mätmetod som medger bestämning av de samlade emissionerna från en öppen anläggning och resultatet av mätningar i fält.
Av: Bengt Andersson
Rening av avloppsvatten har identifierats som en viktig källa för emissioner av antropogena växthusgaser, framför allt de starka växthusgaserna metan (CH4), som bildas vid anaerob nedbrytning av organiskt material, och lustgas (N2O), som bildas som ett resultat av biologisk kväveavskiljning genom långtgående nitrifikation och denitrifikation. Lustgas betraktas för närvarande som den substans, som har störst påverkan på nedbrytningen av ozonskiktet.
Under de senaste två decennierna har mätkampanjer genomförts för att försöka bestämma tillförlitliga emissionsfaktorer från avloppsreningsverken. Det vanligaste sättet att mäta emissioner av växthusgaser från reningsverk med öppna bassänger är att placera flytande gasuppsamlingsutrustning i bassängerna och analysera uppsamlad gas i kombination med analyser av innehållet i vätskefasen. Denna typ av mätning har dock karaktären av stickprovsundersökning, som inte till fullo kan fånga variationerna i tiden.
I genomförd undersökning har använts en metod med spårämnesdispersion med utrustning anpassad för mätning av små förändringar av metan och lustgas (målgaser). Gaskoncentrationen mäts nedströms i vindriktningen med en mobil utrustning, där utspädningen bestäms genom användning av en spårgas. Metodiken har använts tidigare för andra ändamål med bra resultat.
Syftet med undersökningen var att göra samlade mätningar av emissioner av växthusgaser vid ett avloppsreningsverk med öppna bassänger utformat för kväveavskiljning och med rötning av slammet, att försöka korrelera olika driftförhållanden till emissionerna och att jämföra resultatet med tidigare utförda mätningar.
Genomförande av undersökningen
Mätningarna utfördes vid Avedöre avloppsreningsverk sydväst om Köpenhamn, ett verk som utformats för mekanisk rening följd av biologisk rening i en BioDeNitro konfiguration för långtgående kväveavskiljning samt behandling av producerat slam genom rötning och förbränning. Verket tar årligen emot drygt 25 Mm3 avloppsvatten från cirka 265000 personer.
Emissionerna av växthusgaser kvantifierades genom mobil mätning av plymer av målgas och spårgas i vindriktningen. Acetylen (C2H2) användes som spårgas. Genom att jämföra koncentrationerna av målgas och spårgas i plymerna kunde emissionerna av målgaserna bestämmas i realtid. Två mobila mätstationer utnyttjades, en för att mäta lustgas och acetylen och en för att mäta metan. Stationerna var kopplade till en GPS för geografisk lägesbestämning med en noggrannhet av 20 cm. Dessutom användes en mobil väderstation med mätutrustning för temperatur, lufttryck, vindhastighet och vindriktning.
Mätutrustningen för gasemissioner utgjordes av ett känsligt optiskt spektroskop, CRDS, som står för Cavity Ring-Down Spectroscopy. Gaserna infördes i en mätkammare (volym cirka 10 cm3) innehållande tre högreflektiva speglar. En mycket tillförlitlig laserkälla skickade in ljus i kammaren. Lasern släcktes och tiden mättes för att den exponentiellt avklingande ljusintensiteten skulle minska till 1/e av den ursprungliga intensiteten (den s.k. nedringningstiden). Resultatet användes för att beräkna koncentrationen av gasen i mätkammaren. Eftersom ljuset reflekterades fram och tillbaka tusentals gånger mellan speglarna blev gångvägen för ljuset några km, vilket medförde en mycket hög mätnoggrannhet.
Mätningar utfördes vid 9 separata tillfällen fördelade under ett års tid under 2012 och 2013. För att kunna betrakta reningsverket som en punktkälla placerades mätstationerna mellan 400 och 1200 meter från reningsverket i vindriktningen.
Resultat
Inledande försök med preparerade gasblandningar visade att mätmetoden fungerade väl med hög noggrannhet på ppb-nivå.
Emissionerna av metan varierade mellan 5 och 93 kg/h med variationer både mellan och inom olika mättillfällen. En inledande screening av emissionerna från olika processer visade att de mer betydande metanemissionerna härrörde från området runt rötkamrarna och emissionerna från luftningsbassängerna uppgick endast till cirka 1 % av den totala emissionen.
Spårgasen släpptes vid rötkamrarna, vilket gav en bra anpassning av plymerna för spårgas och för metan. Högre metankoncentration erhölls vid mätning 100 meter nedströms rötkamrarna än vid mätning i omedelbar anslutning till kamrarna, vilket indikerade att emissionerna inte kom från källor belägna på marknivån utan från toppen av rötkamrarna.
Emissionerna av metan från reningsverket uppgick vid normala driftförhållanden till mellan 2,1 och 4,4 % av den genererade mängden metan i rötgasen. Skumningsproblem uppstod i rötkamrarna under våren 2013 och ett ökat gastryck i kamrarna medförde ökade utsläpp av metan genom kamrarnas säkerhetssystem. Metanförlusterna vid denna störning ökade till drygt 30 % av genererad metanmängd.
En inledande screening visade att luftningsbassängerna var den enda signifikanta källan för emissioner av lustgas. Emissionerna varierade mellan under detektionsgränsen (0,37 kg/h) och 10,5 kg/h med stora variationer både mellan och inom mättillfällena. Mätstationerna placerades mellan 400 och 600 meter från luftningsbassängerna. Eventuella samband mellan lustgasemissioner och driftcykler i biologin var inte möjliga att uppskatta eftersom de fyra parallella linjerna för biologisk rening inte var synkroniserade.
Produktionen av lustgas kan påverkas av många faktorer, där vissa utgörs av dimensioneringsparametrar och andra av driftparametrar. Ökade emissioner har rapporterats vid låga avloppsvattentemperaturer och de högsta emissionerna i genomförd undersökning inträffade då avloppsvattnet hade lägst temperatur. Vid samma tillfälle uppkom högre nitrathalter än vanligt beroende på en minskad denitrifikationsaktivitet vid överluftning och de ökade emissionerna av lustgas skulle även kunna förklaras med att det endast är denitrifierarna som kan reducera lustgas till kvävgas.
Emissionerna av lustgas från reningsverket uppgick till mellan 0,15 och 4,27 % av inkommande kvävebelastning. Ett brett område för emissioner av lustgas har rapporterats av andra, där mellan 0,001 och 2,59 % av inkommande kvävemängder har emitterats vid anläggningar för en långtgående kväveavskiljning och där emissioner mellan cirka 5 till 6 % av inkommande kväve har uppmätts vid SBR-anläggningar och vid anläggningar med partiell nitrifikation och anammox.
För att sätta emissionsmätningarna i ett bredare perspektiv gjordes en LCA för Avedöre avloppsreningsverk, där bidragen från elanvändning och reningskemikalier även inkluderades. Alla emissioner av växthusgaser normaliserades till CO2-ekvivalenter enligt IPCC 2007. Tillhandahållande av elenergi gav det största bidraget till den globala uppvärmningen från verket men emissionerna av lustgas och metan var påtagliga och de stod för 24 respektive 7 % av uppvärmningspotentialen vid normal drift. Emissionerna av lustgas ensamma innebar att minskningen av uppvärmningspotentialen genom produktion av elenergi av biogas nollställdes. För att kunna minska emissionerna av växthusgaser från ett avloppsreningsverk erfordras en bättre förståelse av sambanden mellan emissioner och driftparametrar, vilket kräver genomförandet av mätningar på enhetsprocessnivå.
Slutsatser
Studien visade
- att tillämpningen av en ny teknik med CRDS för att mäta de samlade emissionerna av växthusgaser från ett avloppsreningsverk med öppna bassänger fungerade väl
- att metodiken var användbar för en övergripande rapportering av emissioner av växthusgaser, för att bestämma grundläggande nivåer så att åtgärder för minskade emissioner kan värderas och för att peka på driftproblem genom återkommande mätningskampanjer
- att en stor variation i emissionerna av växthusgaser förekom både mellan och inom olika mätningstillfällen
- att driftproblem som skumning i rötkamrarna och icke-optimala driftbetingelser för den biologiska kväveavskiljningsprocessen ökade emissionerna kraftigt samt
- att fler utvecklingsinsatser krävs för att identifiera orsaken till emissionerna så att åtgärdsplaner kan utvecklas för att minimera klimatavtrycket.
Källa: H. Yoshida, J. Mönster, C. Scheutz. Plant-integrated measurement of greenhouse gas emissions from a municipal wastewater treatment plant. Water Research 61 (2014) pp 108 – 118.
Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.
