Opsamlet offgas efter overfladerotorer i en beluftet fase. Der er målt for CO2, CH4 og N2O.

Transkript

1 Figur 4. Opsamlet offgas efter overfladerotorer i en beluftet fase. Der er målt for CO2, CH4 og N2O. Figur 3 og 4 viser koncentrationer af lattergas, som ligger i niveauet under 1 ppm til få ppm. Der er brugt samme metode for Marselisborg Renseanlæg, hvor målestederne er angivet på Figur 5. Figur 5. Målesteder på Marselisborg Renseanlæg er angivet med rød cirkel. 1 og 2 er målinger i aktiv slamanlæg, hvor der både er målt under nitrifikation og denitrifikation. 5

2 Figur 6 viser resultater for Marselisborg Renseanlæg. Figur 6. Målinger af N 2 O på gasfase til venstre og vandfase til højre. Denitrifikation er målt i en fase uden beluftning. Da der er N 2 O i efterklaringstankene må denne koncentration ligeledes forventes at blive udledt til recipienten, selvom der kan ske en vis nitrifikation og denitrifikation under den korte opholdstid i den afsluttende sandfiltrering. Denne belastning i tørvejr vil udgøre omkring 8 kg N 2 O per døgn. Den udledte mængde kan enten ende med at blive frigivet til luften og påvirke atmosfæren som CO 2 ækvivalent, eller den kan blive omsat biologisk i havet uden at påvirke atmosfæren. Dette spørgsmål kan ikke afklares i projektet. Der er ligeledes udtaget flere offgasprøver under opstart af nitrifikationsfase, hvilket er afbilledet i Figur 7. Figur 7. Gasanalyse af offgasprøver udtaget under nitrifikation. På Marselisborg Renseanlæg er der målt væsentligt højere koncentrationer både for vand- og gasprøver, Figur 6 og 7, sammenlignet med Ejby Mølle Renseanlæg, Figur 2, 3 og ppm i gasfasen svarer ca. 1 mg NO 2 -N/l i gasfasen. De målinger, som DHI efterfølgende har udført, har vist, at koncentrationerne i NO 2 -N/l i gas- og vandfase er i samme størrelsesorden. Sammenfattende er udtagning af offgasprøver med specialudstyr fra overflader samt udtagning af vandprøver metoder, som kan anvendes til kortlægning og lokalisering af de største potentielle kilder til lattergas. 6

3 Lattergas findes på de to renseanlæg i niveauer på få ppm til 2000 ppm i gasfasen, og i vandfasen fra 0,2 µm (0,0088 mg N/l) til 12 µm (0,53 mg N/l). Baggrundskoncentrationen af lattergas i luft er omkring 0,27 ppm /3/, og for vand mindre end 1 µg/l (0,001 mg/l). Dermed er de fundne resultater betydeligt højere end baggrundsniveauet Afprøvning af metoder til måling af N2O i pilotskala-renseanlæg Der blev i fase 1 opsat N2O elektroder til test af muligheden for at måle på vandfasen og udføre emissionsberegninger baseret på målingerne. Det viste sig muligt at få en type beregnet til brug i laboratorium til at fungere stabilt og længere end 3 måneder i DHI s pilotanlæg. I anlægget er der er en betydelig turbulens fra omrøring og beluftning, som minder om fuldskala-forhold. Indledende målinger viste, at det er muligt at udnytte målinger af væskefasens N2O indhold i kombination med oplysninger om luftflow til bundbeluftning, til at estimere N2O emission fra overfladen af pilotanlægget. Der blev udført mange forsøg til afprøvning af en beregningsmetode til estimering af emissionen. Beregningsmetoden er sammenlignet med en egentlig opsamling af offgas fra pilotanlæggets overflade, og luftflow og lattergasindhold blev målt. Lattergasindholdet er målt med en fotoakustisk måler af mærket Innova, som er et transportabelt laboratorieudstyr lejet hos Biologisk Institut på AAU. Beregningerne er nærmere beskrevet i Appendix 1, men gennemgås ikke i denne rapport, da det alene er vurderet at være interessant for de få. Modellen som er anvendt ses nedenfor, ligning 1: 𝑟!!! = 𝐻!!! 𝑆!!! 1 exp!"#!!!!!!!!!!!!!!! (1) Hvor: rn2o er emissionen fra den beluftede kolonne [mg N2O/L/min] kla er gasoverførselshastigheden [min-1] 𝑆!!! er koncentrationen af N2O i væskefasen 𝐻!!! er henrys konstant for lattergas Qg er luftflowet der beluftes med [L/hr] Vl er volumenet af tanken [L]. Der er udført bestemmelse af kla for hver justering af luftindblæsning og indstillet overfladebelufter-effekt (via frekvensregulering af el-motor) ved standard metode, hvor der tilsættes sulfit og kobolt til vandfase for at fjerne ilten, og kla kan beregnes ud fra geniltning. 7

4 Figur 8. Stripningsraten til fire luftflow - 1: 500 L/hr 2: 1000 L/hr 3: 1500 L/hr 4: 2000 L/hr. Blå kurve er den modelberegnede emission, rød er baseret på måling med N 2 O elektrode, og grøn er baseret på beregning med gasfasemåling med Innova måler. Det er vurderet, på baggrund af forsøgsresultater som ovenstående, at det er muligt at anvende modellen til beregning af emissionen baseret på en væskekoncentration og kendskab til iltoverførslen (k L a) og luftflowet. Det er afgørende, at målingerne med N 2 O elektroden er optimale, hvilket naturligvis gælder for alle beregninger baseret på målinger. Der blev konstrueret en overfladebelufter til DHI s pilotanlæg, og indledende test antydede, at der ligeledes for overfladebeluftning bør kunne foretages en lignende modelberegning af emissionen baseret på måling af væskens N 2 O koncentration og overfladebeluftningens iltoverførsel og luftflow. Elmotorens effekt kan styres med en frekvensregulering. 8

5 mg N2O strippet / minut mgn2o strippet fra systemet mgn2o strippet fra systemet , ,0 1000,0 1500, mg N2O strippet/minut 20 mgn2o strippet fra systemet mg N2O strippet/minut Figur Stripning af N2O med overfladebelufter. De anvendte frekvenser er: 1-15 Hz; 2 20 Hz; 3 25 Hz. Til venstre ses antal mg, som strippes som en sum, og til højre ses beregningen af emissionens raten. Blå kurve er den modelberegnede emission, rød er baseret på måling med N2O elektrode, og grøn er baseret på beregning med gasfasemåling med Innova måler. Det blev igen vurderet, at der er en rimelig overensstemmelse mellem den modelberegnede stripning og den målte stripning. Det er teknisk vanskeligere at måle ændringen for gasfasen (Innova) end det er for væskefasen i den anvendte opstilling. Baseret på resultaterne for pilotanlægget blev det vurderet, at det er muligt at beregne stripningen og dermed emissionen af N2O med den anvendte model, når de bagved liggende oplysninger er til stede. 9

6 3.1.3 Udvikling af N 2 O elektroden Emissionsberegningerne er baseret på måling med laboratorieudgaven af elektroden, som virkede fint og efter hensigten. Det skal nævnes, at det på ansøgningstidspunktet var partnernes forventning, at der skulle konstrueres et større eksternt målesystem baseret på laboratorieudgaven af Unisenses N 2 O elektrode, og spildevand skulle pumpes hertil. Der skulle opstilles en dataopsamling og kommunikation til renseanlæggets PLC og derfra gøre det muligt at anvende målingerne til monitering, styring og regulering via renseanlæggets SRO. Systemet var forventet at skulle være termostateret og være beskyttet for at kunne fungere i det barske miljø, som findes i aktivt slamanlæg. Unisense præsenterer i fase 1 den første prototype på en elektrode, som er konstrueret til at kunne anvendes i fuldskala-renseanlæg. Unisense foretog en lang række forbedringer, som er uden for dette projekt med hensyn til robusthed, elektronik og installation direkte i renseanlæg. Dermed blev der udviklet et målesystem rettet mod en elektrode til installation direkte i den zone, der ønskes monitereret og med direkte opkobling til renseanlæggets styring og overvågningssystem. Udviklingen er illustreret i Figur 10. Figur 10. Udviklingen fra et større målesystem uden for målestedet (her en bioreaktor), til en enkelt elektrode (rød), som placeres direkte i renseanlægget Målopfyldelse for fase 1 De opstillede mål for fase 1 er med ovenstående resultater opfyldt. 3.2 Fase 2 - Anvendelse af måleudstyret til bestemmelse af N 2 O emission og beregning af størrelsen Formålet med fase 2 var, at metoderne, som blev afprøvet i fase 1 i pilotrenseanlæg, skulle anvendes på fuldskala-renseanlæg, og emissionen fra et fuldskala-anlæg med overfladebeluftning samt bundbeluftning skulle bestemmes. 10

7 Elektroderne i fase 1 var beregnet til laboratoriemålinger. Sensorerne til fuldskala test er en nyudviklet robust prototype, som er designet for det udsatte miljø i et renseanlæg. Målingerne af N2O kan sammenholdes med andre måledata som nitrat, ammonium og ilt for at kunne sammenstille procesbetingelser og N2O produktion og stripning/emission. Fase 2 var teknologisk mere vanskelig end forventet. Der var forskellige vanskeligheder med at holde kalibreringerne og have en tilstrækkelig levetid på elektroderne. Det er en større udfordring at gå fra laboratorieanvendelse til industriel anvendelse. Opsamling af data og udvikling af online emissionsberegninger udviklet fra fase 1 var ligeledes en betydelig udfordring at få i drift i IT systemet. Disse problemer blev løst, selvom det tog mere tid end forventet. Fase 2 trak derfor ud. VTU-Fonden blev underrettet, og der blev opnået en forlængelse, som bevirkede at fase 2 gled over i det planlagte udførselstidspunkt for fase Online målinger på fuldskala-anlæg Der blev indledningsvis sat fire prototyper af N2O elektroderne op på både Ejby Mølle og Marselisborg Renseanlæg. Der blev lavet ny elektronik til sensorerne, således at de giver 4-20 ma (mod laboratorieudgavens spændingssignal), som opsamles i renseanlæggenes SRO via PLC er. Signalerne er herefter opsamlet af IT værktøjet DIMS, som er opkoblet via OPC kommunikation til renseanlæggenes SRO anlæg. Placeringen af sensorerne på Ejby Mølle Renseanlæg ses på Figur 11, og på Figur 12 for Marselisborg Renseanlæg. Figur 11. Placering af sensorer (gul plet) i ringkanal på Ejby Mølle Renseanlæg. Pilene viser omløbsretning og udveksling af aktiv slam mellem tankene. Derudover blev der senere flyttet en sensor til biofiltrene, som er vist i figur 1. 11

8 Figur 12. Placering af sensorer (blå) på Marselisborg Renseanlæg. Vandet i venstre del af ringkanalen løber nedad. DIMS foretager kalibrering, omregninger, filtrering og temperaturkorrektion, således at målingerne af N2O bliver i enheden mg N- N2O /l. De funktioner, som er foretaget med DIMS vil i en salgsklar elektrode blive udført af elektronik indbygget i elektroden. Kommunikation, programmering af kalibreringer og temperaturkompensering af sensoren er væsentlige opgaver i projektet, men fylder ikke meget i rapporteringen. Prototypen af elektroden vil således skulle udvides med ny funktionalitet, hvilket først vil ske, hvis andre undersøgelser viser, at det er økonomisk forsvarligt at lave en ny investering i den nødvendige nye elektronik. Der blev foretaget målinger med to sæt elektroder på begge anlæg, da levetiden af første prototype ikke var tilfredsstillende. Der er brugt en del tid på at følge elektrodernes sensitivitet og nulpunkt, og sikre at målekvaliteten var høj, hvilket lykkedes for Unisense. 12