Nitrous oxide and gas transfer in full-scale activated sludge basins
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2019-12-16
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Water and Environmental Engineering (WAT)
Language
en
Pages
53 + 13
Series
Abstract
Nitrous oxide is a significant greenhouse gas that is a common byproduct of wastewater treatment. Better understanding of nitrous oxide stripping would allow for better models and operational strategies in order to reduce greenhouse gas production from wastewater treatment. To gain insight, simultaneous dissolved and off-gas nitrous oxide and oxygen measurements were taken at the Viikinmäki wastewater treatment plant in Helsinki, Finland during late spring of 2019. During this period, Viikinmäki was experiencing unprecedented high production and emission of nitrous oxide. In this study, oxygen and nitrous oxide gas transfer kinetics from a full-scale activated sludge basin were compared using a novel measurement setup that shows great potential for further use in gas transfer studies. Oxygen and FTIR analyzers were used simultaneously alongside dissolved gas probes to measure oxygen and nitrous oxide. Oxygen and nitrous oxide relied heavily on aeration to promote mass transfer. However, gas transfer kinetics also depended on dissolved gas concentrations and, in the case of nitrous oxide, production within wastewater. Due to aeration control, oxygen transfer often behaved similarly to steady-state conditions. Nitrous oxide transfer did not reach steady-state conditions in this study to allow for similar mass transfer assumptions. Three different model approaches were tested to calculate emitted nitrous oxide based on dissolved concentrations. The findings revealed that, while trends in nitrous oxide emission could be reliably modeled, nitrous oxide emissions could not be predicted accurately without a correction factor taking into account changes in wastewater characteristics. Models using a mass transfer coefficient based on diffusivity and experimentally determined oxygen mass transfer coefficients over-estimated nitrous oxide emissions, while a coefficient based on aeration superficial velocity under-estimated off-gas. Therefore, an additional correction factor applied in order to provide good fit between calculated and measured nitrous oxide off-gas varied depending on the model used. Additional variation was caused by wastewater conditions, but no single water quality parameter could be decisively linked to impacts on oxygen or nitrous oxide transfer. Mass transfer assumptions for this study included constant dissolved gas concentration with depth. In the case of nitrous oxide, this was tested to a depth of 5 meters with a variation of less than 8 %. However, the basins at Viikinmäki are 12 meters deep and additional concentration differences could be undetected at the bottom of the basin. A sensitivity analysis of uncertainties indicated that dissolved nitrous oxide concentrations have a significant impact on calculated off-gas, but the maximum estimated nitrous oxide variation would not substantially undermine calculation accuracy. Further research is recommended to better understand depth profiles in deep basins and water quality conditions that must be accounted for to more accurately model nitrous oxide emissions.Typpioksiduuli on merkittävä kasvihuonekaasu ja tavallinen sivutuote jätevedenpuhdistuksessa. Syvällisempi ymmärrys typpioksiduulin strippaantumisesta mahdollistaisi paremmat mallit ja parannetut toimintastrategiat jätevedenpuhdistamojen kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiseksi. Ymmärryksen parantamiseksi liuenneen ja kaasumaisen hapen ja typpioksiduulin määrää mitattiin samanaikaisesti Helsingin Viikinmäen jätevedenpuhdistamolla loppukeväällä 2019. Mittausjakson aikana Viikinmäessä oli ennätyskorkeat typpioksiduulipäästöt. Tässä tutkimuksessa verrattiin hapen ja typpioksiduulin kaasunsiirtokinetiikoita täysimittaisissa aktiivilietealtaissa käyttämällä uutta tutkimusmenetelmää, jolla osoitettiin olevan suurta potentiaalia myös tulevalle tutkimukselle. Happi- ja FTIR-kaasuanalysaattoreita sekä nestefaasiantureita käytettiin samanaikaisesti hapen ja typpioksiduulin mittaamiseen. Ilmastus vaikutti voimakkaasti hapen ja typpioksiduulin massansiirtoon. Kaasunsiirtokinetiikkaan kuitenkin vaikuttivat lisäksi liuenneiden kaasujen konsentraatiot ja typpioksiduulin tapauksessa myös sen tuotanto jätevedessä. Ilmastusohjauksen takia hapen siirto käyttäytyi usein samalla tavoin kuin tasapainotilassa. Typpioksiduulin siirto ei saavuttanut tasapainotilaa tässä tutkimuksessa eikä siten mahdollistanut samanlaisia massansiirto-oletuksia. Kolmea erilaista mallinnuksen lähestymistapaa testattiin laskettaessa typpioksiduulipäästöjä liuenneiden pitoisuuksien perusteella. Tulokset paljastivat, että vaikka typpioksiduulipäästöjen kehityssuuntauksia voitiin luotettavasti mallintaa, typpioksiduulipäästöjä ei voitu ennustaa tarkasti ilman korjauskerrointa, joka ottaa huomioon jäteveden ominaisuuksien muutokset. Mallit, joissa käytetään diffusiivisuuteen perustuvaa massansiirtokerrointa ja kokeellisesti määritettyä hapen massansiirtokerrointa, yliarvioivat typpioksiduulinpoistoa. Toisaalta kerroin, joka perustuu ilmastuksen pintanopeuteen, aliarvioi siirtoa. Siksi lasketun ja mitatun typpioksiduulin poistokaasun hyvän yhteensopivuuden aikaansaamiseksi käytetty lisäkorjauskerroin vaihteli käytetyn mallin mukaan. Lisävaihteluita aiheuttivat jäteveden ominaisuudet, mutta yhtäkään vedenlaatuparametria ei voitu liittää ratkaisevasti hapen tai typpioksiduulin siirron vaikutuksiin. Tämän tutkimuksen massansiirto-oletuksiin sisältyi liuenneen kaasun konsentraation vakio tietyllä syvyydellä. Typpioksiduulin tapauksessa vakiota testattiin 5 metrin syvyyteen saakka. Vaihtelu oli alle 8 %. Viikinmäen altaat ovat kuitenkin 12 metriä syviä ja mahdollisia lisäeroja voitaisiin havaita altaan pohjassa. Epävarmuustekijöiden herkkyysanalyysi osoitti, että liuenneilla typpioksiduulipitoisuuksilla on merkittävä vaikutus laskettuun poistokaasuun, mutta suurin arvioitu typpioksiduulin pitoisuudenmuutos ei heikennä olennaisesti laskentatarkkuutta. Jatkotutkimuksia suositellaan syvien altaiden syvyysprofiilien ja veden laatuolosuhteiden ymmärtämiseksi paremmin, jotta typpioksiduulipäästöjen voidaan mallintaa tarkemmin.Description
Supervisor
Mikola, AnnaThesis advisor
Rosso, DiegoBlomberg, Kati
Keywords
nitrous oxide, gas transfer, gas stripping, activated sludge, full-scale wastewater treatment plant