Delre, Antonio

Antropogene emissioner af drivhusgasser (GHG) til atmosfæren bør begrænses på grund af deres påvirkning af klimaet. For at bremse ophobningen af drivhusgasser i atmosfæren, anbefaler FN's rammekonvention for klimaændringer at nationale antropogene drivhusgasemissioner indrapporteres. Spildevandsrensningsanlæg udleder metan (CH4) og lattergas (N2O) - to potente drivhusgasser - til atmosfæren. Der udledes også kuldioxid (CO2), som i denne sammenhæng ikke betragtes som drivhusgas på grund af dets biogene oprindelse (IPCC, 2006). I øjeblikket estimeres CH4- og N2O-emissioner fra spildevandsrensningsanlæg i henhold til nationale og internationale retningslinjer. Det er imidlertid uvist, hvor godt disse estimerede emissioner ligner faktiske anlægsspecifikke CH4- og N2O-emissioner. Derfor er der brug for metoder til at måle CH4- og N2O-emissioner fra spildevandsrensningsanlæg for at sikre pålidelig estimering og indrapportering af drivhusgasemissioner på anlægsskala. Kvantificering af drivhusgasemissioner fra rensningsanlæg på baggrund af målinger er en udfordrende opgave, da emissionen sker fra flere processer fordelt på et stort område. Disse emissioner stammer fra flere mindre kilder med forskellige emissionshøjder og fysiske udformninger. I de sidste to årtier har emissioner til luften fra rensningsanlæg og lignende anlæg været målt ved at benytte punktmålinger, hvor der måles direkte på de identificerede emitterende kilder på anlægget. Normalt bruges fluxkammerteknikker, hvor en kilde enten fuldstændigt indkapsles eller delvist dækkes for at måle GHG-koncentrationen i et kendt luftvolumen eller i en kendt luftstrøm. Fuldstændig indkapsling af en kilde bruges normalt ved måling af lækager fra procesenheder med biogas, hvorimod delvis tildækning bruges ved måling af emissioner fra overflader såsom bassiner. Inden for de seneste år er der udviklet en jordbaseret telemålemetode baseret på brug af sporgas, der kan måle den samlede gasemission fra et anlæg. Metoden, der kaldes sporgasdispersionsmetoden, har primært været brugt til at måle CH4 emission fra deponier, men har inden dette ph.d. studie været afprøvet på to spildevandsrenseanlæg. Målemetoden kombinerer en kontrolleret frigivelse af sporgas fra rensningsanlægget med atmosfæriske fane-koncentrationsmålinger. Rensningsanlæg har forskellige layout og benytter forskellige processer og teknologier til vand- og slambehandling. For at kunne måle emissioner fra rensningsanlæg med MTDM kræves der yderligere undersøgelser af målemetoden - herunder krav til udstyr, opsætning af sporgas samt udførsel af målinger for at identificere, hvordan MTDM bedst kan anvendes på anlæg til spildevandsrensning. Udover udslip af CH4 og N2O udledes der indirekte drivhusgasemissioner fra spildevandsrensning på grund af forbruget af kemikalier og energi. Brugen af CO2-fodaftryk gør det muligt at kvantificere det samlede bidrag til klimaændringerne fra et rensningsanlæg. Hovedformålet med denne ph.d.-afhandling var at udvide applikationen af MTDM til også at kunne anvendes på rensningsanlæg til at kvantificere anlægsintegrerede CH4- og N2O-emissioner. Derudover blev indflydelsen af analytiske instrumenters karakteristika samt sporgasfrigivelse undersøgt. Emissionerne af CH4- og N2O blev kvantificeret på seks spildevandrensningsanlæg ved hjælp af MTDM. På to anlæg blev anlægsintegrerede emissioner sammenlignet med on-site punktmålinger. Endelig vurderedes vigtigheden af drivhusgasemissioner i evalueringen af et rensningsanlægs CO2-fodaftryk. Måling med tre analytiske instrumenter med forskellige detektionsfrekvenser og nøjagtigheder gav sammenlignelige resultater ved samtidig måling af emissioner fra et rensningsanlæg. Emissionen varierede mellem 1 og 18% fra den gennemsnitlige emission kvantificeret af alle instrumenter. I samme kampagne blev betydningen af et højt fanesignal inden for en fane-traversering belyst, hvilket viste at give en mere pålidelig emissionskvantificering. Et estimat af MTDM-detektionsgrænsen blev introduceret ved at anvende invers Gaussisk fane modellering. Estimeringen af den laveste detekterbare emission ved brug af MTDM er særlig nyttig på anlæg, hvor emissionen er relativt lavt og sker fra et stort område, hvilket medfører at målingerne må udføres relativt langt nedvinds anlægget. Under sådanne forhold kan det grundet en høj atmosfærisk fortynding være svært at skelne fanen fra baggrundskoncentrationen. Introduktionen af et udtryk for "Underestimering på grund af sporgasfrigivelseshøjden" (UTH) blev brugt til at dokumentere, hvorvidt en potentiel vertikal fejlplacering af sporgasen kan have haft indflydelse på kvantificeringen af emissionen. UTH er relevant for anlæg hvor emissionen kan ske fra højtplacerede punktudslip, og når fanen er traverseret relativt tæt på anlægget. Her vil der kan være en risiko for at underestimere den målte CH4-emission, da sporgassen frigivet ved jordoverfladen ikke er fuldstændig opblandet med CH4, der potentielt udsendes fra toppen af en CH4 førende proces enhed. Relevansen af korrekt sporgasplacering blev demonstreret ved udførsel af CH4 emissions målinger på et udvalgt rensningsanlæg. En mindre fejlestimering af emissionen blev set ved en fejlplacering af sporgasfrigivelsen på 250 m til den ene side for kilden, mens emissionen fejlestimeredes med op til næsten 50%, når sporgasen blev fejlplaceret 150 m opvinds fra kilden. Denne fejl i emissionsestimeringen skyldtes, de forskellige afstande imellem kilde og målevej for hhv. kvantificeringsgas (CH4) og sporgas. Anlægsintegrerede CH4-emissioner blev målt til mellem 1,1 og 39,5 kg CH4 time-1, og CH4 emissionsfaktorer var mellem 1,1% og 21,3% givet som kg CH4 (kg produceret CH4)-1 og mellem 0,2% og 3,2% som kg CH4 (kg COD influent)-1. Anlægsintegrerede N2O-emissioner blev målt til mellem &lt;0,1 og 6,4 kg N2O time-1, og tilsvarende N2O-emisisonsfaktorer var mellem &lt;0,1% og 5,2% som kg N2O-N (kg TN influent)-1. En sammenligning af anlægsintegrerede emissioner og emissioner målt ved punktmålinger på anlægget viste, at anlægsintegrerede målinger generelt gav højere emissioner. Årsagen til dette er sandsynligvis, at punktmålinger ikke nødvendigvis kvantificerer alle kilder til metanemission. Anlægsintegrerede målinger kan derfor bruges til at give en bedre vurdering af det samlede CO2-fodaftryk fra et anlæg - og dermed også for indberetningen af emissioner. Direkte målinger på specifikke punktkilder identificeret på anlægget er vigtige i den daglige drift af anlægget for at optimere processerne og reducere emissionerne. CO2-fodaftrykket fra syv rensningsanlæg blev beregnet. Ingen af anlæggene kunne betragtes som værende CO2-neutrale, da de alle havde et positivt netto CO2-fodaftryk. Vurderingen viste, at drivhusgasemissioner var meget vigtige, i den samlede vurdering af spildevandsanlægs påvirkning af klimaet, da de kunne bidrage med op til 71% af den samlede påvirkning. Betydningen af nøjagtige GHG-emissionsfaktorer blev tydeliggjort af den udførte følsomheds- og scenarieanalyse. GHG-emissionsfaktorerne viste sig at være følsomme modelparametre, hvor små ændringer medførte store ændringer i CO2-fodaftrykket. GHG-emissionsfaktorerne var også i stor udstrækning ansvarlig for usikkerheden på evalueringen af netto CO2-fodaftryk. Derudover gav brugen af standard-emissionsfaktorer, angivet i vejledninger for emissionsrapportering, et netto CO2-fodaftryk op til fire gange mindre eller syv gange større sammenlignet med målte anlægsintegrerede emissioner. Endelig, viste CO2-fodaftrykket at være op til 320 gange højere, når emissionsfaktorer målt under driftsproblemer (fejl på rådnetanke) blev anvendt. Dette viser et behov for udarbejdelse af målestrategier, der inkluderer disse emissionsvariationer, således at der opnås repræsentative emissionsrater og –faktorer, der kan anvendes i den årlige emissionsindrapportering.The anthropogenic emissions of greenhouse gases (GHGs) into the atmosphere are of great concern, due to their effect on climate change. To curb the increased accumulation of GHGs in the atmosphere, the United Nations Framework Convention on Climate Change promotes the reporting of national anthropogenic GHG emissions. Wastewater treatment plants (WWTPs) emit two potent GHGs, namely methane (CH4) and nitrous oxide (N2O), but also carbon dioxide (CO2), which is not accounted as a GHG, due to its biogenic origin (IPCC, 2006). Currently, CH4 and N2O emissions from WWTPs are estimated according to national and international guidelines. However, it is unknown how well these estimated emissions resemble actual plant-specific CH4 and N2O emissions; therefore, CH4 and N2O emission quantifications are needed to assure the reliable accounting of GHG emissions on the plant scale. Quantifying GHG emissions from WWTPs is a challenging undertaking, since emissions are fugitive, and are occurring across a large area consisting of several smaller sources at different emission heights and physical shapes. In the last two decades, this challenge has been addressed mainly by using on-site point measurements, namely measuring directly on individual emitting sources identified inside the facility. Usually, a single source is either completely encapsulated or partially covered, in order to measure GHG concentration in a known air volume or through a known air flow, i.e. the flux chamber techniques. Complete encapsulation of a single emitting source usually occurs when measuring leakages from biogas bearing process units, while partial coverage usually is used when measuring emissions from surfaces such as open basins surface. In the last few years, plant-integrated measurements have also been performed at WWTPs, using the mobile tracer gas dispersion method (MTDM). This method uses a ground-based remote sensing approach combining the controlled release of tracer gas from the WWTP with atmospheric plume concentration measurements. Since facilities having different plant layouts, and using different process units and technologies could require different applications of the method, further investigations are needed to identify how MTDM can be best applied at WWTPs. In addition to fugitive emissions of CH4 and N2O, WWTPs indirectly emit GHGs, mainly CO2, due to the consumption of chemicals and energy. The carbon footprint assessment allows the quantification of the overall contribution of a WWTP to climate change. The principal aim of this PhD thesis was to implement the MTDM application at WWTPs, in order to quantify plant-integrated CH4 and N2O emissions. Additionally, the influence of analytical instrument characteristics and tracer gas release on MTDM results was investigated. GHG emissions were quantified at six WWTPs, using the MTDM. At two facilities, plant-integrated and on-site point measurement approaches were compared. Finally, the PhD thesis assesses the importance of fugitive GHG emissions in the carbon footprint evaluation of WWTPs. Fair agreement of the plant-integrated CH4 emission rates was obtained when three analytical instruments, with different detection frequencies and precisions, were used in a simultaneous MTDM application at a WWTP. Emission rates differed between 1 and 18% from the mean emission rate quantified by all instruments. In the same campaign, the importance of a high plume signal within a plume traverse was shown, as this resulted in more reliable plant-integrated emission quantifications. An estimation of the MTDM detection limit was introduced by using inverse Gaussian plume modelling. Estimating the lowest detectable emission rate by MTDM was useful when little GHG was emitted from a large area, forcing measurements at a distance so far away that the analytical instrument, due to high atmospheric dilution, could not distinguish the plume from background concentrations within the plume traverse. The introduction of an indicator called “Underestimation due to Tracer Height release” (UTH) was useful in documenting that a potential vertical misplacement of the tracer gas had little influence on the final emission rate quantification. Information provided by UTH is relevant when the plume is traversed relatively close to a facility with emissions occurring from elevated heights, which incurs risk of underestimating the CH4 emission, because tracer gas released from the ground does not mix completely with CH4 potentially emitted from the top of a CH4-bearing process unit. The relevance of correct target gas simulation using proper tracer gas placement was demonstrated by applying MTDM for plant-integrated CH4 quantification. A minor emission rate overestimation was caused by a sideward misplacement of 250 m, whereas the emission rate overestimation increased by up to almost 50% when the tracer gas was misplaced 150 m upwind of the correct position. This large error in emission rate quantification was caused by the different travel distances of the target and the tracer gases. Plant-integrated CH4 emission rates were between 1.1 and 39.5 kg CH4 h-1, and corresponding CH4 emission factors were between 1.1% and 21.3% as kg CH4 (kg CH4 production)-1 and between 0.2% and 3.2% as kg CH4 (kg COD influent)-1. Plant-integrated N2O emission rates were between &lt; 0.1 and 6.4 kg N2O h-1, and corresponding N2O emission factors were between &lt; 0.1% and 5.2% as kg N2O-N (kg TN influent)-1. A comparison of plant-integrated and on-site measurements at two facilities showed that plant-integrated measurements generally provided more comprehensive emission quantifications – most likely because on-site methods may not quantify all emission sources. Plant-integrated methods are thus useful for carbon footprint evaluations of an entire facility – and thus for emission reporting. On-site approaches provided information about emissions occurring from specific sources identified inside the facility, which is important in the daily operation of the plant in optimising treatment technologies and reducing emissions. The carbon footprint was assessed at seven WWTPs. None of the utilities could be considered carbon-neutral, due to their positive net carbon footprint. The assessment revealed that fugitive GHG emissions were very important when evaluating the impact of wastewater utilities on climate change, because they could contribute up to 71% of the total burden. The importance of accurate GHG emission factors was highlighted by the performed sensitivity and scenario analysis. GHG emission factors were found to be sensitive model parameters, small changes to which led to large changes in carbon footprint results. GHG emission factors were also largely responsible for the uncertainty of the net carbon footprint evaluation. Additionally, using default values provided in emission reporting guidelines gave a net carbon footprint up to four times smaller or seven times larger compared to when measured plant-integrated GHG emission rates were used. Finally, when the carbon footprint was evaluated by comparing fugitive CH4 emissions measured during normal operational conditions and digester malfunctioning, the results were up to 320 times higher when problems at digesters occurred, suggesting a careful monitoring strategy that includes emission variations in the inventory year

Online Research Database In Technology

Greenhouse gas emissions from wastewater treatment plants: measurements and carbon footprint assessment

http://orbit.dtu.dk/ws/files/143188417/Thesis_online_version_Antonio_Delre.pdf

Greenhouse gas emissions from wastewater treatment plants: measurements and carbon footprint assessment

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology