Nitrous oxide emissions at three Finnish wastewater treatment plants – Mechanisms behind nitrous oxide emissions and potential of process modelling in emission quantification
Loading...
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.
Author
Date
2023-05-15
Department
Major/Subject
Water and Environmental Engineering
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Water and Environmental Engineering (WAT)
Language
en
Pages
117
Series
Abstract
Nitrous oxide (N2O) emissions contribute typically over 50% to the carbon footprint of a wastewater treatment plant (WWTP). The N2O production occurs in biological nitrogen removal during nitrification and denitrification as a part of the metabolism of nitrogen-converting microorganisms. High variability in the emissions has been detected between treatment plants, resulting in inaccurate emission estimations with fixed emission factors. In this thesis, the N2O emissions were measured at WWTPs in Akaa, Mäntsälä (Kirkonkylä WWTP) and Tampere (Viinikanlahti WWTP) to determine plant-specific emission factors. At each plant, 1–2 to measurement campaigns of 4–19 days were conducted. The N2O emissions were measured from the off-gas released from the aerobic compartments of the biological treatment units with a gas-collecting hood and a gas analyzer. The emission factors relative to the total influent nitrogen load were 0.04% and 1.8% at Kirkonkylä WWTP in June–July 2022 and January 2023, respectively. At Viinikanlahti WWTP, the emission factors were 0.4% in September 2022 and 0.08% in November 2022. An emission factor of 0.2% was measured at Akaa WWTP in December 2022. The variability in the emissions was significant both between the plants and between two measurement campaigns conducted at the same plant. Moreover, the spatial and temporal variation was distinctive. Moderate to strong linear correlation was found between N2O and inflow, pH, dissolved oxygen, and dissolved nitrite. N2O was found to be produced mainly during nitrification, while significant contribution from denitrification was not detected. A process model of the wastewater treatment process at Viinikanlahti WWTP was built with SUMO process modelling software to study the potential of process modelling in N2O emission quantification. The results after relatively little calibration revealed that the model simulated similar off-gas N2O concentrations to the aerobic compartments and did not detect the spatial variation that was measured at Viinikanlahti WWTP. However, the model was accurate in predicting the diurnal variability in N2O.Typpioksiduulipäästöjen osuus on tyypillisesti yli 50 % jätevedenpuhdistamon kokonaishiilijalanjäljestä. Typpioksiduulia muodostuu nitrifikaation ja denitrifikaation aikana osana typpeä muuntavien mikro-organismien aineenvaihduntaa. Typpioksiduulipäästöjen tasossa on kuitenkin havaittu suurta vaihtelua puhdistamoiden välillä, minkä vuoksi tyypillisesti käytetyt vakiopäästökertoimet eivät anna luotettavaa kuvaa yksittäisen puhdistamon päästötasosta. Tässä diplomityössä typpioksiduulipäästöjä mitattiin jätevedenpuhdistamoilla Akaassa, Mäntsälässä (Kirkonkylän puhdistamo) ja Tampereella (Viinikanlahden puhdistamo) puhdistamokohtaisten päästökertoimien määrittämiseksi. Kullakin puhdistamolla suoritettiin 1–2 mittauskampanjaa, jotka olivat kestoltaan 4–19 päivää. Päästöjä mitattiin aktiivilieteyksikköjen ilmastetuista lohkoista vapautuvasta kaasusta kaasua keräävällä kuvulla ja kaasuanalysaattorilla. Tulevaan typpikuormaan suhteutetut päästökertoimet olivat Kirkonkylän puhdistamolla 0.04 % kesä-heinäkuussa 2022 ja 1.8 % tammikuussa 2023. Viinikanlahden puhdistamolla mitatut päästökertoimet olivat 0.4 % (syyskuu 2022) ja 0.08 % (marraskuu 2022). Akaan puhdistamolla mitattu päästökerroin oli 0.2 % joulukuussa 2022. Päästöissä oli selkeää vaihtelua eri puhdistamoiden ja samalla puhdistamolla suoritettujen mittauskampanjoiden välillä. Myös ajallinen ja paikallinen vaihtelu päästöissä oli selkeää. Kohtalaista tai vahvaa lineaarista korrelaatiota havaittiin typpioksiduulin ja tulovirtaaman, pH:n, happipitoisuuden sekä liuenneen nitriitin välillä. Typpioksiduulin havaittiin muodostuvan nitrifikaation aikana, eikä denitrifikaatiolla ollut merkittävää osuutta päästöjen muodostumiseen. Prosessimalli Viinikanlahden puhdistamon jätevedenpuhdistusprosessista rakennettiin SUMO-prosessisimulointiohjelmalla, jotta voitiin tutkia mallinnuksen potentiaalia typpioksiduulipäästöjen kartoittamisessa. Simulointitulokset vähäisen kalibroinnin jälkeen osoittivat, ettei malli sellaisenaan tunnistanut mittaustulosten kaltaista päästöjen paikallista vaihtelua mutta ennusti päästöjen vuorokausivaihtelun oikein.Description
Supervisor
Mikola, AnnaThesis advisor
Haimi, HenriLarsson, Timo
Keywords
nitrous oxide, wastewater treatment, emission factor, continuous off-gas measurement, process modelling
