Fuldskala-målinger af emission for bundbeluftet tank og sammenligning med modelberegninger ved brug af N2O elektrode

Transkript

1 3.2.2 Fuldskala-målinger af emission for bundbeluftet tank og sammenligning med modelberegninger ved brug af N2O elektrode Emissionen fra en aktiv slamtank på Marselisborg Renseanlæg med bundbeluftning blev udført ved opsamling af offgas fra overfladen, og der er målt N2O i gasfasen, luftflow, temperatur samt iltudnyttelse til kla bestemmelse for beluftningssystemet. Dermed findes de data, som skal anvendes i modellen for stripning af N2O, som var brugbar i laboratorieskala (se afsnit 3.1.2), og man kan sammenligne en målt emission via offgasmålinger med en modelberegnet emission, hvilket for den mere interesserede læser er nærmere belyst i Appendix 2. Figur 13 Eksempel på målinger på Marselisborg Renseanlæg, hvor fire sensorer (tv) viser overensstemmelsen mellem fire målingerne af N2O. Kurven til højre viser effekten af filtrering af signaler samt det rå signal til PLC (i counts). Figur 13 viser, at fire elektroder måler samme niveauer og følger de cykliske procesbetingelser i reaktoren. Der kan være mindre forskelle mellem målingerne forskellige steder i tanken, hvilket kan forklares med forskellige procesforhold, f.eks. iltkoncentrationen. Det er meget tilfredsstillende, at fire elektroder kan vise så god overensstemmelse. Generelt er en sensor per tank tilstrækkeligt for procesmonitering og kontrol i denne type tanke. Kurven til højre viser, at en filtrering af signalerne giver mere stabile signaler, hvilket vil være et krav, hvis signalerne skal indgå i styringer. Det vil være meget fordelagtigt, såfremt der er en god sammenhæng mellem offgas målinger af emission af N2O og en modelberegnet emission. Fordelen er, at der ved modelberegnings metoden kan opnås en opgørelse over emissionens størrelse og målingerne i vandfase til proceskontrol, hvilket er illustreret i Figur 14, hvor N2O elektrodeløsningen er til højre og offgas metode er til venstre. Offgas metoden vil ikke give information om de mikrobielle processer, som både producerer og omsætter lattergas. lattergasrapport final.docx / PEA /

2 Figur 14: Sammenligning af modelberegning og offgas-beregning af emissionen. Elektrode-løsningen til venstre giver især den fordel at den mikrobielle dannelse af N2O kan følges uden, at det kræver, at N2O skal strippes fra vandfasen. Figur 15: Sammenstilling af offgasmålinger af N2O emission (målt luftflow og luftens koncentration af N2Omed en beregning af emissonen via model (målt luftflow, og målt N2O i vandfasen). Der ses lejlighedsvis en lav negativ modelberegnet emission. Det skyldes, at der er afbildet råsignaler, som ikke er korrigeret for nulpunktdrift. Figur 15 viser, at der er en god overenstemmelse mellem beregnet emission fra overfladen over et areal med bundbeluftning (målt luftflow og N2O indhold i luften) og en beregnet emission baseret på måling af N2O i vandfasen og en modelberegnet stripning (via iltoverførslens kla). Afbildning af målt og beregnet emisison ses i Figur 16. lattergasrapport final.docx / PEA /

3 Figur 16: Modelberegnet emission y-akse - afbildet mod emission baseret på offgas målt N2O koncentration og luftflow. Figur 16 viser, at der kan opnås en god lineær overensstemmelse med en hældningskvotient tæt på 1 mellem offgas beregnet emission og modelberegnet emission baseret på modellen fra fase 1. Der vil altid være variationer og spredning på sådanne data, som i dette tilfælde blandt andet skyldes omregning mellem luftflow og stripningsfaktor via kla beregning, samt målinger af N2O i både offgas og i vandfasen. Anvendelsen af en model er interessant, da målingerne i vandfasen er langt billigere i udstyr end måling på luftens indhold. I dette tilfælde vil offgasmålinger til måling af N2O koste mere end , og udstyret er ikke tilpasset kontinuerte målinger i det aggressive miljø, som der findes på renseanlæg. Det skal fremhæves, at modelberegningerne har krævet samtidig måling af iltoverførslen, hvilket er udført med offgasmålinger. Herefter kan disse målinger i en periode indgå i beregningerne. Iltoverførslen varierer med tilførslen af spildevand, indhold af slam i reaktoren, alderen og tilstanden af diffusorerne. Derfor skal der udføres kampagnemålinger af kla, eller der skal installeres en egentlig offgasmåler af iltoverførslen. En sådan måling kan direkte indgå i beregningerne. I disse tilfælde vil det måske være en fordel at have et IT system til at varetage korrektioner og beregninger. kla er desuden en funktion af luftmængden, som tilføres diffusorerne, og en simpel antagelse af at iltoverførsler uden målinger vil kunne forårsage en usikkerhed på bestemmelserne med mellem 100 % og 300 %. En opgørelse over emissionens specifikke størrelse udtrykt per PE og baseret på offgasmålinger er foretaget for en kampagneperiode fra den 30.5 kl til 2.6 kl , se Tabel 1. Det skal pointeres, at eksemplet er for en kort periode, som med fordel kunne være fulgt op af en nøjere massebalance. Eksemplet vil efterfølgende blive fulgt op af en nærmere emissionsberegning udført over en længere periode, som vil blive rapporteret i artikel form. lattergasrapport final.docx / PEA /

4 Tabel 1. Offgas målinger til beregning af specifik emission af lattergas og CO 2 ækvivalenter. Der er anvendt en omregning fra kg N-N 2 O til kg N 2 O ved at gange med 44/28 (baseret på molvægt). Parameter Måletid Målt N 2 O mængde i gas Gennemsnitlig N 2 O emission Udledning fra fire tanke med i alt m 2 Udledning per år ved samme daglige emission, 4 tanke CO 2 ækvivalenter ved 300 g CO 2 / g N 2 O N 2 O-N/PE/år ved PE Størrelse 3510 min 0.25 mg N/l 322 mg N/m2/time 3860 g N/tank/d kg N/år 2660 ton CO 2 /år 28 g N/PE/år Såfremt man anvender en årlig gennemsnitsbelastning på PE for Marselisborg Renseanlæg bliver udledningen på 28 g N- N 2 O per PE per år. I forhold til en anbefalet værdi på 7 g N- N 2 O per PE per år for det samlede anlæg, er dette en faktor fire højere. Det skal pointeres, at der i en artikel vil blive udført en mere detaljeret vurdering baseret på flere måneders modeldata. Eksemplet er anvendt for at vise opgørelsesmetoden baseret på offgasmålinger. Såfremt den i efterklaringstanken målte koncentration fra fase 1 kontinuert var udledt med et tørvejrsflow, ville denne belastning muligvis øge emissionsbidraget med yderligere 12 g N/PE/år. Det er dog uvist om den med spildevandet udledte lattergas vil blive strippet til atmosfæren eller blive optaget af bakterier i havet. Den udledte lattergas skæbne er uvis. lattergasrapport final.docx / PEA /

5 3.2.3 Emissionsberegning fra overfladebeluftet anlæg Ejby Mølle Renseanlæg har generelt en lav koncentration af N2O i aktiv slamtank 1. 0,25 [mg/l/min] 0,2 0,15 0,1 0,05 0 9/30/ /3/ /6/ /9/ /12/ Tid Ejby.N2O.væske minus baggrund [mg/l] Figur 17. Ejby.Emission [mg/l*min] N2O-N koncentration og emission målt i aktiv slamtank1 på Ejbymølle Renseanlæg. Niveauerne er lave i perioden. Der ses to kortvarige spidser mellem den 2.10 og den 4.10, hvor koncentrationen øges til omkring 0,15 og 0,2 mg/l. Der ses flere korterevarende enkelte episoder med højere N2O niveauer som ovenstående i aktiv slamtank 1. Et bud på hyppigheden er en til to gange per måned med en varighed på op til et halvt døgn. 3 Modellen er anvendt på lattergaskoncentrationer i tank 1 (8400 m ) fra Figur 6, som dækker 10 hele døgn. Modellen anvender lattergaskoncentrationen i væskefasen sammen med den stripningseffekt, der ligger i beluftningen med mammutrotorerne. lattergasrapport final.docx / PEA /

6 Tabel 2. Parameter Måletid Beregnet specifik emission af lattergas og CO 2 ækvivalenter for Ejby Mølle Renseanlæg.. Der er anvendt en omregning fra kg N-N 2 O til kg N 2 O ved at gange med 44/28 (baseret på molvægt). Størrelse 10 d Målt N 2 O koncentration i væske Gennemsnitlig N 2 O emission per tank Udledning fra fire tanke med i alt m 3 Udledning per år ved samme daglige emission, 4 tanke CO 2 ækvivalenter ved 300 g CO 2 / g N 2 O N 2 O-N/PE/år ved PE 0,007 mg N/l 0,175 mg N/l/d 5,7 kg N/d 2080 kg N/år 624 ton CO 2 /år 9 g N/PE/år Generelt var koncentrationerne lave i aktiv slamtank 1, og de fundne niveauer var repræsentative for tanken og anlæggets aktiv-slamdel N 2 O emission fra biofiltrene Der er på Ejby Mølle Renseanlæg målt lattergas i det vand, som løber til mellemklaringstankene, og som er en blanding af renset råspildevand og recirkuleret vand fra biotrin 2, se Figur 18. Figur 18. Målinger af N 2 O i mellemklaring mellem biofilter sektion 1 og biofilm sektion 2. lattergasrapport final.docx / PEA /

7 Der findes ikke gængse metoder eller modeller til at opgøre emissionen af den lattergas, som måtte strippe fra biofilterne. Det er ikke udviklet i dette projekt, da det ikke var forventet, og derfor er uden for opgaven. Filtrene er 2 m dybe, hvilket er en relativ begrænset dybde. Filtrene bliver beluftet passivt. Den temperaturgradient, som findes mellem temperaturen inde i biofiltrene og omgivelserne, vil drive luft igennem filteret. Luften inde i filteret kan være varmere end omgivelserne, og luften trækkes ind i bunden, som det sker om vinteren. I varmere perioder er luften koldere, og luften kommer ind i toppen og forlader bunden af filterne, hvilket procesmæssigt nok er mest fordelagtigt, da spildevandet bliver udledt i toppen. Der kan opstå forhold som kan øge N 2 O udviklingen, idet luften i perioder ikke udskiftes i stor grad, og dermed kan man forestille sig, at nitrifikationen hæmmes. Dette kan øge N 2 O produktionen. Luftmængden i forhold til spildevandsmængden er en vigtig parameter for at vurdere, om der sker en høj grad af stripning. En to graders køling vil resultere i et betydeligt luftflow på omkring m 3 i timen. I forhold til en råspildevandsmængde på måske 100 m 3 /time i tørvejr er der tale om et højt luft/vand forhold, som bør give en høj grad af stripning fra et filter, såfremt der er N 2 O i filtervandet. I biofiltrene kan der både blive produceret og strippet N 2 O. I Biofilter 1, som modtager nitrificeret vand fra biotrin 2, kan der ske denitrifikation og derved også N 2 O. Da der er et iltindhold på 9.4 mg/l i afløbet fra filteret, og det ikke er dybt, vil iltindholdet kunne hæmme denitrifikationsprocessen. Der er lavet en lang række vurderinger og beregninger af mulige k L a værdier for stripning af N 2 O, men de forskellige vurderinger kan dårligt dokumenteres eller bare tilnærmelsesvis kunne verificeres. Derfor er følgende antaget: I trin 1, som der måles i afløbet til mellemklaringstanken, er der sket både en produktion og en stripning af N 2 O. Det antages at afløbet udgør 75 % af den mængde, som ellers ville være blevet målt, hvis der ikke var sket en stripning. I trin 2 antages strippet 50 % af den N 2 O som løber til mellemklaring og derfra til trin 2. Tabel 3. Vurdering af stripning fra biofilter Trin 1, Mellemklaring Trin 2 Strippet i alt Indløbsflow Gennemsnitskoncentration 1160 m 3 /h 1160 m 3 /h heraf 100 råspildevand 0, 037 mg/l (g/ m 3 ) Strippet mængde: 1160 m 3 /h*0,037 *g/ m 3 *25% Fortsat mængde til trin 2: 1160m3/h*0,037 g/ m 3 Strippet mængde: 50%*1160 m 3 /h*0.037 g/ m m3/h*0,037g/ m 3 *(25%+50%)= 32 g/h lattergasrapport final.docx / PEA /

8 Såfremt disse mængder antages at være repræsentative for et års produktion og stripning, fås en årlig strippet mængde på: 32g/h*24h/d*365d= 280 kg/år, hvilket vil bidrage med 1,1 g/pe/år i den samlede udledning fra Ejby Mølle Renseanlæg. 3.3 Opgørelse af emissionsmængder fra bund- og overfladebeluftede renseanlæg De udførte spotmålinger har udpeget de største emissionssteder på renseanlæg. Overfladeemissionen fra ikke beluftede tanke er langt mindre end for beluftede tanke, og den bidrager ikke i væsentlig grad til emissionen fra renseanlæg. Højere koncentrationer af N 2 O i afløbet fra efterklaringstanke kan muligvis bidrage væsentligt til emission, men N 2 O s skæbne i recipienten er uvis. Bundbeluftede anlæg kan via kendskab til iltoverførslen og måling af vandfasens N 2 O koncentration få beregnet størrelsesordenen af anlæggets emission. Alternativt hertil kan egentlige offgasmålinger udføres, hvor luftflow og luftkoncentration af lattergas bruges i emissionsberegningen. Den samme strategi gælder for overfladebeluftede anlæg, hvor iltoverførslen ligeledes skal være bestemt sammen med vandfasens koncentration af N 2 O for at beregne emissionen. Følgende fremgangsmåde foreslås til opgørelse af N 2 O emission fra bundbeluftede anlæg: Trin 1 Trin 2 Foretag screening af vandfasens indhold af N2O Vurder om der er behov for offgas måling fra ikke beluqede overflader Foretag offgas måling eller lignende for bestemmelse af K L a for beluqnignsudstyret Foretag konunuerte eller kampagne målinger af vandfasens N2O koncentrauon Trin 3 Anvend en modelberegning af N2O emissionen på repræsentauve Udsserier Beregn emissionen, nøgletal for g N/PE/år og CO2 ækvivalenter Følgende fremgangsmåde foreslås til opgørelse af N 2 O emission fra overfladebeluftede anlæg: lattergasrapport final.docx / PEA /

9 Trin 1 Trin 2 Trin 3 Foretag screening af vandfasens indhold af N2O Vurder om der er behov for offgas måling fra ikke beluqede overflader Foretag bestemmelse af k L a for beluqnignsudstyret Foretag konunuerte eller kampagne målinger af vandfasens N2O koncentrauon Anvend en modelberegning af N2O emissionen på repræsentauve Udsserier Beregn emissionen, nøgletal for g N/PE/år og CO2 ækvivalenter 3.4 Sammenligning af recirkulations anlæg med alternerende anlæg og anlægs belastning Det var oprindeligt planen at udføre målinger på recirkulationsanlæg. Der skulle være målt på Egå Renseanlæg, som havde en recirkulationsproces. Da anlægget skulle have skiftet overfladebeluftere og styringen blev lagt om, blev testsitet for AV flyttet til Aarhus største renseanlæg Marselisborg Renseanlæg, som har kvælstoffjernelse med en alternerende proces. Da måleudstyret blev til permanent installationer fremfor et flytbart måleudstyr, var der hverken tid eller ressourcer til at måle på et tredje renseanlæg. Anlæg med de samme procesvolumener, hvor anoxisk tank volumen svarer til samlet volumen gange med % af tiden med DN, vil ikke nødvendigvis have samme emission. Der er ikke data fra projektet, som kan indgå i en vurdering af de to anlægstyper. Anlæg, som er højt belastede, vil have vanskeligere ved at opnå den ønskede iltkoncentration, hvilket kan resultere i N 2 O produktion. Marselisborg er ca. dobbelt så hårdt belastet per volumen reaktor, som Ejby Mølle, og emissionen er højere. Anlæg med lav COD/N belastning vil skulle denitrificere med mangel på COD, som ligeledes er kendt for at kunne resultere i emission af N 2 O. 3.5 Opfyldelse af milepæle for fase 2 I fase 2 skulle der udvikle måleudstyr, som sammen med data fra et renseanlægs drift kunne bruges til at opgøre emissionsbidraget fra et fuldskalaanlæg. lattergasrapport final.docx / PEA /

10 Denne milepæl er opfyldt for både bund- og overfladebeluftede renseanlæg, idet det er bestemt for begge typer renseanlæg. Derudover skulle data fra driften af et fuldskalaanlæg, eventuelt suppleret med nogle tvungne styringer, kunne vise om der mulighed for at styre eller drive processerne anderledes og dermed påvirke emissionen. Det var ikke på forhånd sikkert, om der kom målbare data eller der var en systematik i disse data således, at man ved at ændre på procesbetingelserne kunne ændre emissionen. Måledata for N 2 O elektroderne var endog meget tilfredsstillende, og de viste en sammenhæng til nitrifikations- og denitrifikationsprocesserne, se afsnit Dermed er denne målepæl opfyldt. Da der ikke blev målt på recirkulationsanlæg er der ikke foretaget en sammenligning af recirkulationsanlæg og alternerende anlæg. 3.6 Fase 3 - Implementering af N 2 O reduktion ved styringsændringer, vurdering af kommercielt potentiale og publicering af resultater Formålet med fasen er at afgøre om det er muligt, at de udviklede måleteknikker, og styringsmetoder kan give en kontrolleret reduktionen af emissionen. Det bliver ligeledes vurderet, hvorvidt beluftningsmetoden har indflydelse på kontrollen med N 2 O emissionen Sammenligning af emission fra overfladebeluftede og bundbeluftede renseanlæg Modelberegningerne viser, at det er vandfasens N 2 O koncentration sammen k L a for N 2 O, som bestemmer emissionen. Overordnet bestemmes beluftningen af iltbehovet, som ved samme proces, belastning og driftsbetingelser er ens for bund- og overflade beluftede renseanlæg. Stripningen beregnes som tidligere vist ud fra k L a for N 2 O og koncentrationen af N 2 O. k L a for lattergas er beregnet, som en faktor ganget k L a for ilt. Overført ilt = k L a*(cs-c)*vol* tid, iltindholdet er C mg/l i vandfasen, Cs er iltmætningskoncentration. Da iltmætningskoncentrationen er højere ved bundbeluftning på grund af det højere tryk som følge af neddykningen af belufterne, vil k L a skulle være højere for overfladebeluftere. Da stripningen er proportional med k L a vil stripningen ved samme iltoverførsel være større for overfladebeluftning. Stripning ved overfladebeluftning vil være i størrelsesorden 16 % større end ved fire meter dybe tanke med bundbeluftning. Formlen viser også at stripningen vil være større ved højere iltkoncentrationer, da iltningen (k L a) skal være kraftigere for at opretholde en højere iltkoncentration. Milepælene om bestemmelse af emissionsstørrelse er opfyldt for begge typer beluftede anlæg. N 2 O bidrag til CO 2 -regnskabet er således teknisk muligt at opgøre enten ved kampagne-målinger eller egentlige online emssionsberegninger, som kan være i normal drift som for andet teknisk måleudstyr. lattergasrapport final.docx / PEA /

11 3.6.2 N2O målinger som input til styringer N2O elektroden giver stabile målinger, som er af en kvalitet, som for andre elektroder. Figur 19 viser et eksempel på en måleserie af N2O sammen med ammonium, nitrat og stripning/emission fra Marselisborg Renseanlægs IT system. Figur 19. Eksempel på data fra Marselisborg Renseanlæg, hvor der sker et skift i styringen efter ca. 600 minutter, således at cyklustiden halveres. Der er separate kurver for ammonium og nitrat, to N2O sensorer og to emissionsberegninger. Nederst venstre kurve viser fasenummeret. Figur 19 viser, at N2O målingerne er lige så stabile, og systematiske som for de øvrige målinger. N2O koncentrationerne er lavere end for de øvrige målinger, og typisk for Marselisborg renseanlæg mellem 0,00 og 1 mg N/l (her dog til 0,8 mg N/l). Emissionen, som er modelberegnet fra kla og N2O koncentrationen er under 0,1 mg/l/min, og beregnes kun under beluftningsfaserne. N2O koncentrations målingerne er af en kvalitet, og en nøjagtighed, som vil gøre målingen tilsvarende anvendelig, som for nitrat og ammonium. Det er væsentligt at lægge mærke til at stripningen/emissionen af N2O kun sker i nitrifikationsperioder med beluftning. Marselisborg Renseanlæg benytter ikke iltmåling i deres styring, og der er ikke kalibrerede iltmålinger til rådighed. Der er lavet en test, hvor ønsket har været at sænke størrelsen af N2O koncentrationen ved at halvere cyklustiden, hvilket også fremgår af figur 19 efter 600 minutter, hvor emissionen falder. Dette kan automatiseret ved at lade N2O indgå i en beregning af cyklustiden som et nyt set-punkt i styringen af varigheden af en cyklus. Kurverne og kvaliteten af data viser, at det er muligt at anvende lattergaselektroden sammen med kla til at beskrive den mikrobielle udvikling af lattergas og dens emission. Det er samtidigt muligt, at signalerne kan anvendes i en styring, når sammenhænge mellem de øvrige procesbetingelser er belyst. lattergasrapport final.docx / PEA /

12 3.7 Opfyldelse af milepæle for fase 3 I fase 3 er det testet, at N 2 O elektroden sammen med modelberegning af emission/stripning kan give størrelser og værdier, som kan anvendes til en anbefaling af reduktion af N 2 O. Signalerne kan bruges til en beregning af størrelsen af den årlige emission, og derudover kan begge værdier indgå i styringsstrategier. Disse er ikke nået at blive afprøvet i projektet. Projektet skulle give en metode til beregning af emissionen og et estimat af størrelsen af N 2 O emission fra typiske danske renseanlæg med kvælstof og fosforfjernelse. Såfremt Ejbymølle Renseanlæg repræsenterer lavere belastede renseanlæg og Marselisborg højt belastede renseanlæg, vil emissionen være et sted mellem 9 og 28 g N/PE/år. 9 g/pe/år er tæt på det officielle tal for renseanlæg på 7 g/pe/år. Der er alene testet en styringsbeskrivelse, som har haft til formål at mindske N 2 O amplituden i en cyklus. Der er måske en positiv effekt, men ændringen blev ikke sat i normal drift. De meget korte cyklustider ville slide for meget på kipmotorer mm. Det er et krav fra bevillingsgiver, at projektets resultater skal formidles. Partnerne har besluttet at publicere følgende: Artikel til danskvand om projektet Artikel til praktikere i internationalt tidsskrift - Nordic forum - abstract indsendt Opsummerende artikel til Spildevandsteknisk Tidsskrift om projektets resultater Unisense artikel om lattergaselektroden Disse vil afslutningsvis blive skrevet og tilsendt VTU-Fonden, som de sidste opgaver i dette VTU-Fonden støttede projekt. lattergasrapport final.docx / PEA /

13 4 Referencer /1/ rest-en_af_verden/ /2/ CO2-regnskab for forsyninger - en guide. DANVA VEJLEDNING NR. 88 DANVA /3/ /4/ Emission of CH4 and N2O from Wastewater Treatment Plants (6B). NERI Technical Note No lattergasrapport final.docx / PEA /

14 APPENDIX 1 og 2 Se efterfølgende bilag lattergasrapport final.docx / PEA /