Anläggningar för partiell nitrifikation av rejektvatten blir allt vanligare vid avloppsreningsverk med rötning av slammet. Denna typ av anläggningar förorsakar emissioner av N2O och NO, vilket måste ses som ett stort problem. Olika driftstrategier kan införas för att minimera emissionerna och det är viktigt att beakta både N2O och NO vid utvärdering av sådana strategier.
Av: Bengt Andersson
Avskiljning av kväve i rejektvatten har blivit en vanlig process i avloppsreningsverk där slammet rötas. Kväveavskiljningen kan uppnås genom nitrifikation – denitrifikation över nitrit eller genom nitritation kombinerad med anammox. AOB (ammoniumoxiderande bakterier) är huvudgruppen av bakterier i system där oxidation av ammonium till nitrit ökas. Enligt rådande kunskaper tillskrivs denna bakteriegrupp större delen av emissionerna av N2O och NO från avloppsreningsverk. N2O är en växthusgas omkring 300 gånger kraftigare än CO2 och med en lång uppehållstid i atmosfären. NO är starkt toxisk och en viktig komponent vid de kemiska reaktioner som bryter ner ozonskiktet.
Flera undersökningar har utförts på senare tid för bestämning av emissioner av N2O och NO från anläggningar med partiell nitrifikation för behandling av rejektvatten. Många av dessa undersökningar har emellertid enbart avsett frigivning av N2O och endast i några fall har frigivning av NO beaktats. Refererad undersökning syftar till att uppskatta emissionerna av både N2O och NO från en SBR-anläggning för partiell nitrifikation, berikad med AOB, och att utforska dynamik, källor och mekanismer för att begränsa emissionerna.
Genomförande av undersökningen
Undersökningen genomfördes i en SBR i laboratorieskala med en volym av 8 l. Reaktorn ympades med slam från det kommunala avloppsreningsverket i Girona i Spanien. Anläggningen drevs i 6-timmarscykler med en grundcykel bestående av beskickning 2 minuter, luftning 120 minuter, beskickning 2 minuter, luftning 120 minuter, sedimentering 101 minuter och dekantering 15 minuter. Reaktorn beskickades med ett syntetiskt rejektvatten med en ammoniumkoncentration av 1 g NH4-N/l. Den hydrauliska uppehållstiden var 24 timmar och slamåldern uppgick till 20 dygn. Temperaturen i reaktorn hölls konstant 30 oC.
Tre alternativa cykler testades för att bestämma effekten på emissionerna av N2O och NO. Cykeltiden och beskickningen var de samma. Den första modifikationen innebar att en anoxisk fas på 20 minuter infördes i början av cykeln före den första beskickningen och sedimenteringstiden minskades till 81 minuter. Den andra modifikationen innebar att två anoxiska faser på 20 minuter vardera infördes efter respektive luftning och sedimenteringstiden minskades till 61 minuter. Den tredje modifikationen innebar att en luftad fas på 20 minuter infördes före den första beskickningen och att sedimenteringstiden minskades till 81 minuter.
N2O och NO i emitterad gas bestämdes kontinuerligt med online instrument och N2O-mönstret i vattenfasen bestämdes med hjälp av en mikrosensor. FISH användes för att karakterisera bakteriepopulationen i slammet särskilt vad avser grupperna AOB och NOB. Olika kvävefraktioner bestämdes i uttagna prov från de olika faserna i en cykel.
Resultat
SBR-anläggningen uppnådde en stabil drift 4 månader efter uppstart med 98 % oxidation av ammonium till nitrit, inget nitrat i utgående vatten och en stabil biomassa med en koncentration av drygt 1,2 g MLVSS/l. Karakterisering av biomassan med FISH visade att drygt 80 % av den totala bakteriemängden utgjordes av AOB och inga NOB (nitritoxiderande bakterier) identifierades i anläggningen.
Försöken med olika konfigurationer gjordes efter att en stabil drift uppnåtts. I samtliga driftfall oxiderades ammonium till nitrit med ungefär lika hastighet. I grundcykeln uppmättes koncentrationstoppar av N2O och NO under den första beskickningsperioden och koncentrationen minskade därefter mycket snabbt till låga nivåer för både N2O och NO. I det andra driftfallet med en inledande anoxisk fas erhölls även koncentrationstoppar av både N2O och NO direkt i likhet med grundcykeln och även här minskade emissionerna snabbt. Däremot erhölls en andra koncentrationstopp av NO under den anoxiska fasen och därefter låga koncentrationer då beskickning och luftning startades.
I det tredje driftfallet med anoxiska faser efter varje luftning erhölls även koncentrationstoppar av både N2O och NO direkt i början av cykeln följda av snabbt minskade emissioner. Påtagliga koncentrationstoppar av NO erhölls under båda de anoxiska faserna. Toppar av N2O uppmättes även under anoxfaserna men av betydligt mindre storlek. I det fjärde driftfallet med en aerob fas innan beskickningen var förloppet i det närmaste samma som för grundcykeln vad avser emissionerna av N2O och NO.
Beräknad emissionsfaktor vad gäller N2O var 0,83 % i relation till oxiderat ammonium under grundcykeln. Faktorn minskade till 0,70 % med en inledande anoxisk fas och till 0,60 % med anoxiska faser efter varje luftning. I fallet med en inledande aerob fas var emissionsfaktorn 0,80 %. Beräknad emissionsfaktor vad gäller NO var 0,049 % i relation till oxiderat ammonium under grundcykeln. Faktorn ökade till 0,101 % med en inledande anoxisk fas och till 0,301 % med anoxiska faser efter varje luftning. I det sista driftfallet var faktorn 0,042 %. Minskningen av emissionen av N2O kan kopplas till en ökning av emissionen av NO och den sammanlagda emissionen blev i stort sett lika omkring 0,8 á 0,9 % oavsett driftkonfiguration. Införandet av korta anoxiska faser var således inte någon bra minimeringsstrategi för emissionen av N2O eftersom av en samtidig ökning av emissionen av NO erhölls.
Gasanalyser kunde inte genomföras under sedimenterings- och dekanteringsfaserna och därför gjordes en uppföljning av dynamiken avseende N2O-halten i vätskefasen under en cykel. Under sedimenteringsfasen fluktuerade halten omkring 0,5 mg N/l i samtliga driftfall. En initial topp på mellan 1 och 2 mg N/l uppmättes under de första minuterna av varje cykel.
För att undersöka vilka faktorer som kan bidra till N2O-bildningen under sedimentering gjordes en serie olika försök, där man fann att N2O-produktionen främst var av biologiskt ursprung och att större delen av N2O-produktionen i ett system med partiell nitrifikation sker under sedimenteringsfasen. Närvaron av nitrit och hydroxylamin påverkade klart N2O -produktionen under sedimenteringsfasen. En annan slutsats var att längre luftningstid för att uppnå en fullständig ammoniumoxidation kan minska emissionen av N2O men detta erfordrar en grundlig eftertanke eftersom den ökade energianvändningen motväger fördelarna av en minskning av N2O-emissionen.
Slutsatser
Följande slutsatser kunde dras av undersökningen:
- Mätning av NO-emissioner är viktig då driftstrategier för att minska N2O-emissioner utvärderas.
- Införandet av korta anoxiska faser i en SBR-anläggning för partiell nitrifikation minskade N2O-emissionen från 0,83 till 0,60 %. Samtidigt ökade NO-emissionen från 0,04 till 0,3 %, vilket medför att den sammantagna emissionen var densamma oavsett driftsätt.
- 60 – 80 % av N2O-produktionen i en SBR-anläggning för partiell nitrifikation sker genom biologisk aktivitet under sedimenteringsfasen, vilket innebär att SBR-teknik för partiell nitrifikation inte är självklar utan behöver utvärderas ytterligare.
- Närvaron av nitrit och hydroxylamin påverkade klart produktionen av N2O under sedimenteringsfasen.
Källa: A. Rodriguez-Caballero, M. Pijuan. N2O and NO emissions from a partial nitrification sequencing batch reactor: Exploring dynamics, sources and minimization mechanisms. Water Research 47 (2013) pp 3131 – 3140.
Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.
