N2O är en potent växthusgas och bedöms vara den största bidragsgivaren från biologisk avloppsvattenrening. Vid forskningsinstitutet EAWAG i Zürich har Hansruedi Siegrist med medarbetare försökt kartlägga N2O-bildningen och föreslå åtgärder för att motverka den.
Av: Jörgen Hanaeus
Artikeln baseras på experiment genomförda satsvis i labskala med verkligt hushållsavloppsvatten, uttaget från en pilotanläggning med aktivt slam vid EAWAG. Doseringar av kvävesubstrat har genomförts för att följa nitrifikations- och denitrifikationsprocessernas reaktion i form av N2O-emission. Olika, låga syrehalter har provats. Emissionen har även relaterats till ammonium-, nitrit- och nitrathalter samt till halten organiskt material. Nitrifierarna har visat sig kunna producera kväveoxid och –dioxid under oxiska förhållanden.
Bakgrund
Kvävedioxid, N2O, är en viktig växthusgas, ungefär 300 ggr effektivare än koldioxid. 2/3 av N2O-emissionen kommer från mikrobiella processer, framför allt i jordbruket, men även från biologisk avloppsvattenrening där den är det dominerande tillskottet av växthusgas.
N2O-produktionen vid biologisk avloppsvattenrening är kopplad till autotrof nitrifikation och heterotrof denitrifikation. Man tror att där finns tre huvudmekanismer för N2O-bildning:
1.Oxidation av hydroxylamin. N2O-bildning från reaktionsprodukter vid biologisk eller kemisk oxidation av hydroxylamin, NH2OH.
2. Nitrifiers denitrification. Reduktion av nitrit av ammoniumoxiderande bakterier med ammonium som elektrondonator.
3. Heterotrof denitrifikation. Produktion av N2O av heterotrofa denitrifierare beroende på en obalanserad aktivitet av kvävereducerande enzym till följd av syrebegränsning, nitritackumulering eller begränsad tillgång på nedbrytbart kol.
Mekanism 2 anses vara den största bidragsgivaren under aeroba förhållanden, men interaktionen mellan mekanismerna är oklar.
Försök
Därför startades ett mätprojekt med verkligt avloppsvatten från en pilotanläggning (60 studenter belastar) med aktivslamdrift med SS-halten 4 g/l och med tre veckors slamålder; hälften aerob. Fördenitrifikation användes och där var alltså nitrifikation i slutet av luftningsbassängen.
Försöken utfördes i en omrörarförsedd satsreaktor om 6,9 l plus 1,2 l instängd gasvolym ovanför vattnet. Ett rengasflöde av 1 l/min tillfördes för att driva av ev N2O och NO och avgående gas analyserades kontinuerligt. pH mättes och justerades till 7,1 via tillsats av CO2.
Slam togs ut från nitrifikationsbassängen för nitrifikationsexperiment. För denitrifikationsexperiment lagrades detta slam under anoxiska förhållanden över natten. Substrat vid nitrifikation tillsattes: 25mg NH4-N/l, 15 mg NO2-N/l eller 10 mg NH2OH/l. Vid denitrifikation: Organiskt kol; Na-acetat till COD> 100 mg/l och NO3-N: 10 eller 20 mg/l.
En syresvag gas; 5% O2 95% N2 användes för att precisionsjustera syrgashalten i vattnet (0,5-3 mgO2/l provades). Experimenten drevs tills N2O halterna nått sin peak efter substrattillsats och börjat falla.
Resultat
Artikelns resultatdiskussion är omfattande och kan inte återges här. Slutsatser blev:
- N2O produceras i såväl nitrifierande (aeroba) som denitrifierande(anoxisk) miljö.
- Ammoniumoxiderande bakterier är de största producenterna av N2O under aeroba förhållanden och låga syrehalter.
- N2O-produktionen via heterotrofa denitrifierare är liten under anoxiska förhållanden. Om syrehalten ökade eller nitrit ackumulerades ökade N2O- (och även NO)-produktionen signifikant. Syretillförsel till anoxiska zoner ska undvikas.
- Vid samtidig nitrifikation och denitrifikation domineras N2O-produktionen av heterotrof reduktion av nitrit och är starkt beroende av nitrithalt, organisk belastning och halten löst syre. Samtidig nitrifikation och denitrifikation vid höga syrehalter (>2 mgO2/l) och vid höga koncentrationer av lättnedbrytbart organiskt material (COD>100mg/l) ska undvikas.
- De tre N2O-mekanismer som angivits i artikeln var samtliga relevanta.
Slutsatser
Artikeln har på ett kvalificerat sätt verifierat de viktigaste emissionsbetingelserna för växthusgasen dikväveoxid och visat på riskabla driftförhållanden som är riskabla och bör undvikas. Försöksuppställningen är av hög kvalitet och arbetar med verkligt hushållsavloppsvatten som grund, vilket ger trovärdighet.
Resonemangen om dynamiken kring nitrifikations- och denitrifikationsstegen som leder till gasemissioner är nyttiga för förståelsen av dessa processer. Det är säkert främst de stora avloppsverken i Sverige som använder processerna och i sådan skala att N2O-emissionerna blir angelägna att hålla efter.
Källa: Wunderlin, Pascal; Mohn, Joachim ; Joss, Adriano; Emmenegger, Lukas; Siegrist, Hansruedi: Mechanisms of N2O production in biological wastewater treatment under nitrifying and denitrifying conditions. Water Research 46 (2012) 1027-1037.
Hela artikeln i Water Resarch kan köpas här.
Författarna: EAWAG: Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology.
Korrespondens: pascal.wunderlin@eawag.ch
