Nitrous oxide emissions at the Viikinmäki wastewater treatment plant - results and process correlations found in a long-term on-line monitoring campaign

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Authors

Date

2013

Department

Yhdyskunta- ja ympäristötekniikan laitos

Major/Subject

Vesihuoltotekniikka

Mcode

Yhd-73

Degree programme

Language

en

Pages

80

Series

Abstract

In this Master's Thesis study, the nitrous oxide production (N<sub>2</sub>O) at the Viikinmäki wastewater treatment plant (Viikinmäki WWTP) was examined in detail by two simultaneous measurement campaigns. During the 9-month research period, the total N<sub>2</sub>O emissions were continuously measured by a FT-IR gas analyser, which was installed in the exhaust air channel of the fully covered WWTP. In addition, the local N<sub>2</sub>O emissions from the denitrifying post-filtration unit were gauged by a mobile FT-IR gas analyser. All unit processes of the Viikinmäki WWTP were covered in these measurements. The annual nitrous oxide production at the Viikinmäki WWTP was estimated on the basis of the 9-month on-line measurement data. According to this estimation, the total N<sub>2</sub>O emission from the Viikinmäki WWTP is approximately 134.ot/a, which is significantly higher than the values presented in prior emission estimates. Furthermore, the N<sub>2</sub>O emission factor of 27.5g N<sub>2</sub>O -N*(kg influent N)<sup>-l</sup> introduced in this study is almost 80 times higher than the factor proposed by IPCC. The total nitrous oxide production did not exhibit a remarkable seasonal dynamic; however, a strong diurnal variability was observed. Moreover, the hourly changes in the total nitrous oxide emissions were discovered to have a strong positive correlation with the dynamic of the influent organic load to the activated sludge process. In addition to the nutrient load dynamic, the total N<sub>2</sub>O production at the Viikinmäki WWTP was also observed to respond to the alkalinity changes in the activated sludge process: the research results revealed a clear negative correlation between the total nitrous oxide production and the alkalinity level in the activated sludge process. The local measurements implemented in the denitrifying post-filtration unit showed that the nitrous oxide production in this type of nitrogen removal process is moderate in normal process conditions. However, the production was observed to increase considerably in carbon-limiting conditions during methanol feed cessations. On the whole, the results of the on-line monitoring campaign showed that the total N<sub>2</sub>O emissions of an advanced full-scale WWTP are easily underestimated if calculated on the basis of directive emission factors, e.g. IPCC factor, or short on-line measurement periods. The results of this study implied also that the nitrous oxide emissions from a full-scale WWTP could be diminished by improved influent flow equalization in the inlet tunnel system or by increasing the alkalinity in the activated sludge tank. However, further experimental investigations are needed to estimate the general effects of these process operational adjustments on the total N<sub>2</sub>O emissions at the Viikinmäki WWTP.

Tässä diplomityössä tarkasteltiin Viikinmäen jätevedenpuhdistamon kokonaistyppioksiduulipäästöjä ja tutkittiin prosessiolosuhteiden vaikutusta päästöjen syntyyn. Kokonaistyppioksiduulipaastoja mitattiin laitoksen poistoilmapiipusta jatkuvatoimisella FT-IR -kaasuanalysaattorilla yhdeksän kuukauden ajan. Jatkuvatoimisen mittauksen lisäksi denitrifioivalla jälkisuodattimella syntyviä kaasupäästöjä mitattiin siirrettävällä FT-IR -kaasuanalysaattorilla. Vuosittaiseksi typpioksiduulipäästöksi arvioitiin yhdeksän kuukauden online-mittausdatan perusteella noin 134 tonnia. Arvio on huomattavasti suurempi kuin aiempien tutkimusten yhteydessä esitetyt vuosipäästöarviot. Myös tutkimuksessa esitetty päästökerroin 27,5g N2O-N*(kg tuleva N)<sup>-1</sup> on lähes 80-kertainen IPCC:n typpioksiduulipaastokertoimeen verrattuna. Kokonaistyppioksiduulituotannossa ei näiden mittaustulosten perusteella havaittu vuodenaikaisvaihtelua. Tutkimustulokset osoittivat typpioksiduulituotannon kuitenkin vaihtelevan vahvasti vuorokaudenajan mukaan. Vahvin korrelaatio havaittiin typpioksiduulituotannon ja aktiivilieteprosessiin tulevan orgaanisen kuorman vaihteluiden välillä: mitä korkeampi tuleva BOD<sub>7</sub>-kuorma oli, sitä suuremmat kokonaistyppioksiduulipaastot laitokselta mitattiin. Orgaanisen kuormituksen lisäksi kokonaistyppioksiduulituotannon huomattiin reagoivan vahvasti aktiivilieteprosessin alkaliteettitason muutoksiin: mitä korkeampi aktiivilieteprosessin alkaliteetti oli, sitä vähemmän typpioksiduulia jätevedenpuhdistusprosessista kokonaisuudessaan vapautui. Paikalliset mittaukset denitrifioivalla jälkisuodattimella osoittivat suodattimelta vapautuvien typpioksiduulipäästöjen olevan normaaliolosuhteissa alhaisia. Päästöjen havaittiin kuitenkin nousevan huomattavasti, kun suodattimelle tulevan metanolin syöttöä rajoitettiin. Tämän diplomityön tulosten perusteella voidaan todeta jatkuvatoimisen ilmapäästömittauksen olevan ohjeellisia päästökertoimia (esim. IPCC) tai lyhytaikaisia mittausjaksoja luotettavampi keino arvioida täysmittaisten kokonaistypenpoistolla tehostettujen jätevedenpuhdistamojen typpioksiduulipäästöjä. Tutkimuksen perusteella tehokkaimmiksi typpioksiduulipaastojen vähennyskeinoiksi osoittautuivat aktiivilieteprosessin alkaliteetin nosto sekä laitokselle tulevan orgaanisen kuormituksen vuorokausittaisen vaihtelun tasaaminen. Näiden prosessiohjauksellisten muutosten vaikutuksia jätevedenpuhdistusprosessissa syntyviin kokonaistyppioksiduulipäästöihin tulee selvittää tarkemmin jatkotutkimuksin.

Description

Supervisor

Vahala, Riku

Thesis advisor

Heinonen, Mari

Keywords

nitrous oxide, typpioksiduuli, full-scale, täyden mittakaavan jätevedenpuhdistamo, wastewater treatment plant, jatkuvatoiminen, continuous, FT-IR kaasuanalyysi, FT-IR analysing, typpioksiduulin syntyyn vaikuttavat prosessiparametrit, process parameters affecting N2O production

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020122859580

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG