Monitorering og minimering af lattergasemission fra renseanlæg Rapportering om opnåede resultater og målopfyldelse Sammenfatning ved Peter Andreasen, DHI QA af samlerapporten er udført af Ditte Krogh Bak lattergasrapport final.docx / PEA / 213-6-4 i
INDHOLDSFORTEGNELSE 1 Indledning... 1 2 Projektets formål... 2 3 Projektets udførelse og resultater... 3 3.1 Fase 1 - Målinger på fuldskala anlæg samt afprøvning af metode til estimering af emission... 3 3.1.1 Metode til kortlægning af områder med lattergasemission... 3 3.1.2 Afprøvning af metoder til måling af N 2 O i pilotskala-renseanlæg... 7 3.1.3 Udvikling af N 2 O elektroden...1 3.1.4 Målopfyldelse for fase 1...1 3.2 Fase 2 - Anvendelse af måleudstyret til bestemmelse af N 2 O emission og beregning af størrelsen...1 3.2.1 Online målinger på fuldskala-anlæg...11 3.2.2 Fuldskala-målinger af emission for bundbeluftet tank og sammenligning med modelberegninger ved brug af N 2 O elektrode...13 3.2.3 Emissionsberegning fra overfladebeluftet anlæg...17 3.2.4 N 2 O emission fra biofiltrene...18 3.3 Opgørelse af emissionsmængder fra bund- og overfladebeluftede renseanlæg...2 3.4 Sammenligning af recirkulations anlæg med alternerende anlæg og anlægs belastning...21 3.5 Opfyldelse af milepæle for fase 2...21 3.6 Fase 3 - Implementering af N 2 O reduktion ved styringsændringer, vurdering af kommercielt potentiale og publicering af resultater...22 3.6.1 Sammenligning af emission fra overfladebeluftede og bundbeluftede renseanlæg...22 3.6.2 N 2 O målinger som input til styringer...23 3.7 Opfyldelse af milepæle for fase 3...24 4 Referencer... 25 lattergasrapport final.docx / PEA / 213-6-4 ii
1 Indledning Lattergas (N 2 O) er en kraftig drivhusgas, som er omkring 3 gange stærkere end CO 2. N 2 O mindsker desuden Jordens ozonlag. Lattergas indgår i det danske CO 2 -regnskab og udgør ca. 1 % af den samlede danske udledning af drivhusgasser /1/. Biologiske renseanlæg har i stort omfang kvælstoffjernelse, som kan resultere i dannelse af N 2 O. Både nitrifikation og denitrifikation vil udvikle N 2 O i varierende omfang. Det er uden for projektets formål at gøre rede for den bakterielle dannelse af N 2 O. Viden om og målinger af danske renseanlægs produktion er begrænset. Forsyningsselskaber publicerer i nogle tilfælde CO 2 -opgørelser, men kun få medtager effekten af N 2 O, og det vil være baseret på en emission, som igen er baseret på nøgletal, f.eks. antal g N 2 O per person per år, hvilket er i overensstemmelse med brancheorganisationens forslag til opgørelse i et CO 2 -regnskab /2/. Miljøstyrelsen har i 25 angivet en dansk emission af N 2 O fra renseanlæg på omkring 7 g N/person/år, hvilket er omkring 1,4 promille af den årlige kvælstofbelastning i spildevand fra en person. Projektet er udført med støtte fra Vandsektorens Teknologiudviklingsfond (herefter VTU- Fonden), og udført af Aarhus Vand, Unisense, DHI, og med Vandcenter Syd som projektholder. Projektet er gennemført i 1/1 212 3/6 213. Rapporten er skrevet til teknikere med et godt kendskab til renseanlæg, renseprocesser og målinger. Rapporten udgør en del af den formidling, som bliver udført i forbindelse med projektet, og den skal oplyse om hovedresultaterne af projektet, og i hvilken grad målene for projektet er nået. lattergasrapport final.docx / PEA / 213-6-4 1
2 Projektets formål Formålet med projektet er at skaffe dansk viden om emission og væsentlighed af lattergas, N 2 O, fra renseanlæg og om mulighederne for at reducere emissionen. Måling af lattergas i luftfasen til kontrol af produktionen er ikke anvendelig, da det hovedsageligt er bakterier i vandfasen i aktiv slamanlæg, som producerer lattergassen. Det er ikke muligt i 212-213 at udføre en sådan kontrol, da der ikke findes kommercielle målemetoder til direkte måling af N 2 O i vandfasen. Til målingerne i vandfasen vil blive anvendt en nyudviklet dansk N 2 O-sensor til brug direkte i vandfasen, og denne skulle gerne kunne anvendes på renseanlæg til realtidsmålinger. De planlagte hovedresultater er: Kortlægningsværktøj og evt. nøgletal til bestemmelse af lattergasemissioner fra betydende anlægstrin på typiske danske renseanlæg. Målemetode til bestemmelse af lattergas i vandfasen og principper for bestemmelse af lattergasemissioner fra renseanlæg. Lattergassensor og -transmitter som kan markedsføres af kommerciel partner. Derudover er det et mål, at projektet skal give forsyningerne mulighed for at etablere troværdige CO 2 -regnskaber, og mulighed for at ændre styringen af renseanlæg med henblik på væsentlig reduktion af emission af drivhusgasser. lattergasrapport final.docx / PEA / 213-6-4 2
3 Projektets udførelse og resultater Projektet blev udført i tre faser, som hver har deres planlagte og opnåede resultater. 3.1 Fase 1 - Målinger på fuldskala anlæg samt afprøvning af metode til estimering af emission Formålet med fase 1 var at udpege de vigtigste kilder til emission af lattergas på renseanlæg og kunne foreslå metoder, som kan anvendes til bestemmelse af produktionen af N 2 O i aktiv slamanlæg. Fase 1 er gennemført på Ejby Mølle Renseanlæg, Marselisborg Renseanlæg samt på DHI s pilotrenseanlæg i Aarhus. 3.1.1 Metode til kortlægning af områder med lattergasemission Indledningsvis er der udpeget de mulige kritiske kilder ved litteraturstudier. De udpegede lokaliteter med et indhold af N 2 O kan ligeledes undersøges på andre renseanlæg. Der er opsamlet offgas fra overflader af procestanke, og der er opsamlet vandprøver fra procestanke. Begge prøvetyper er stikprøver, som kun repræsenterer et kort tidsrum. Gasprøverne er opsamlet fra overfladerne med et kammer med omrøring og med tilførsel af bæregas i form af ren nitrogen fra en trykflaske. Gassen er opsamlet på specielle gasposer. Gasprøverne er analyseret på Aarhus Universitet. Det er værd at bemærke, at ikke alle laboratorier kan foretage analysen for N 2 O. Vandprøverne er analyseret med en Unisense N 2 O-elektrode. Metoden er beskrevet nærmere i Appendix 1. I Figur 1 er afmærket de lokaliteter på Ejby Mølle Renseanlæg, hvor der er udtaget prøver. Figur 1. Oversigt over målesteder for Ejby Mølle Renseanlæg. Målestederne er angivet med rødt nummer. lattergasrapport final.docx / PEA / 213-6-4 3
Figur 2 viser resultater fra Ejby Mølle Renseanlæg. Figur 2. Analyseresultater for væskeprøverne på Ejby Mølle Renseanlæg. Resultater er i.1 molær svarende til,44 mg N/l. Vandprøverne fra Ejby Mølle viser niveauer fra,2 til 3 µm, som svarer til,88 mg N/l til,13 mg N/l. De højeste niveauer ses i forbindelse med aktiv slamanlæggets anaerobe tank, samt i forbindelse med biofiltre. Der er desuden målt under nitrifikation i aktiv slamtank, som ses i figur 4. Offgassen viser niveauer i ppm, se Figur 3. Figur 3. Målinger på opsamlet offgas fra overflader, hvilket er inklusiv bæregas. I en beluftet fase er der også opsamlet lattergas fra aktiv slamtank på Ejby Mølle Renseanlæg. lattergasrapport final.docx / PEA / 213-6-4 4
Figur 4. Opsamlet offgas efter overfladerotorer i en beluftet fase. Der er målt for CO 2, CH 4 og N 2 O. 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. lattergasrapport final.docx / PEA / 213-6-4 5
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 4. 1 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. lattergasrapport final.docx / PEA / 213-6-4 6
Lattergas findes på de to renseanlæg i niveauer på få ppm til 2 ppm i gasfasen, og i vandfasen fra,2 µm (,88 mg N/l) til 12 µm (,53 mg N/l). Baggrundskoncentrationen af lattergas i luft er omkring,27 ppm /3/, og for vand mindre end 1 µg/l (,1 mg/l). Dermed er de fundne resultater betydeligt højere end baggrundsniveauet. 3.1.2 Afprøvning af metoder til måling af N 2 O i pilotskala-renseanlæg Der blev i fase 1 opsat N 2 O 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 N 2 O indhold i kombination med oplysninger om luftflow til bundbeluftning, til at estimere N 2 O 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 N2 O = H N2 OS N2 O 1 exp kla N2O H N 2O Hvor: V l Q g (1) Q g V l r N2O er emissionen fra den beluftede kolonne [mg N 2 O/L/min] k La er gasoverførselshastigheden [min -1 ] S N2 O er koncentrationen af N 2 O i væskefasen H N2 O er henrys konstant for lattergas Q g er luftflowet der beluftes med [L/hr] V l er volumenet af tanken [L]. Der er udført bestemmelse af k L a 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 k L a kan beregnes ud fra geniltning. lattergasrapport final.docx / PEA / 213-6-4 7
Figur 8. Stripningsraten til fire luftflow - 1: 5 L/hr 2: 1 L/hr 3: 15 L/hr 4: 2 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. lattergasrapport final.docx / PEA / 213-6-4 8
1 25 2 mgn2o strippet fra systemet 15 1 5-5 2 4 6 tid [sek] mg N2O strippet / minut 1 8 6 4 2 2 4 6 tid [sek] 2 mgn2o strippet fra systemet 3 2 1, 5, 1, 15, -1 tid [sek] mg N2O strippet/minut 5 4 3 2 1 5 1 15 tid [sek] 325 5 mgn2o strippet fra systemet 2 15 1 5-5 5 1 15 tid [sek] mg N2O strippet/minut 4 3 2 1 5 1 15 tid [sek] Figur 9. Stripning af N 2 O med overfladebelufter. De anvendte frekvenser er: 1-15 Hz; 2 2 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 N 2 O 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 N 2 O med den anvendte model, når de bagved liggende oplysninger er til stede. lattergasrapport final.docx / PEA / 213-6-4 9
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 1. Figur 1. Udviklingen fra et større målesystem uden for målestedet (her en bioreaktor), til en enkelt elektrode (rød), som placeres direkte i renseanlægget. 3.1.4 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. lattergasrapport final.docx / PEA / 213-6-4 1
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 N 2 O kan sammenholdes med andre måledata som nitrat, ammonium og ilt for at kunne sammenstille procesbetingelser og N 2 O 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 3. 3.2.1 Online målinger på fuldskala-anlæg Der blev indledningsvis sat fire prototyper af N 2 O elektroderne op på både Ejby Mølle og Marselisborg Renseanlæg. Der blev lavet ny elektronik til sensorerne, således at de giver 4-2 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. lattergasrapport final.docx / PEA / 213-6-4 11
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 N 2 O bliver i enheden mg N- N 2 O /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. lattergasrapport final.docx / PEA / 213-6-4 12
3.2.2 Fuldskala-målinger af emission for bundbeluftet tank og sammenligning med modelberegninger ved brug af N 2 O elektrode Emissionen fra en aktiv slamtank på Marselisborg Renseanlæg med bundbeluftning blev udført ved opsamling af offgas fra overfladen, og der er målt N 2 O i gasfasen, luftflow, temperatur samt iltudnyttelse til k L a bestemmelse for beluftningssystemet. Dermed findes de data, som skal anvendes i modellen for stripning af N 2 O, 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 N 2 O. 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 N 2 O 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 N 2 O 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 / 213-6-4 13
Figur 14: Sammenligning af modelberegning og offgas-beregning af emissionen. Elektrode-løsningen til venstre giver især den fordel at den mikrobielle dannelse af N 2 O kan følges uden, at det kræver, at N 2 O skal strippes fra vandfasen. Figur 15: Sammenstilling af offgasmålinger af N 2 O emission (målt luftflow og luftens koncentration af N 2 Omed en beregning af emissonen via model (målt luftflow, og målt N 2 O 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 N 2 O indhold i luften) og en beregnet emission baseret på måling af N 2 O i vandfasen og en modelberegnet stripning (via iltoverførslens k L a). Afbildning af målt og beregnet emisison ses i Figur 16. lattergasrapport final.docx / PEA / 213-6-4 14
Figur 16: Modelberegnet emission y-akse - afbildet mod emission baseret på offgas målt N 2 O 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 k L a beregning, samt målinger af N 2 O 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 N 2 O koste mere end 3., 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 k L a, 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. k L a 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 1 % og 3 %. En opgørelse over emissionens specifikke størrelse udtrykt per PE og baseret på offgasmålinger er foretaget for en kampagneperiode fra den 3.5 kl. 16. til 2.6 kl. 8., 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 / 213-6-4 15
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 2. m 2 Udledning per år ved samme daglige emission, 4 tanke CO 2 ækvivalenter ved 3 g CO 2 / g N 2 O N 2 O-N/PE/år ved 2. PE Størrelse 351 min.25 mg N/l 322 mg N/m2/time 386 g N/tank/d 5.64 kg N/år 266 ton CO 2 /år 28 g N/PE/år Såfremt man anvender en årlig gennemsnitsbelastning på 2. 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 / 213-6-4 16
3.2.3 Emissionsberegning fra overfladebeluftet anlæg,25 Ejby Mølle Renseanlæg har generelt en lav koncentration af N 2 O i aktiv slamtank 1.,2 [mg/l/min],15,1,5 3-9-212 : 3-1-212 : 6-1-212 : 9-1-212 : 12-1-212 : Tid Ejby.N2O.væske minus baggrund [mg/l] Ejby.Emission [mg/l*min] Figur 17. N 2 O-N koncentration og emission målt i aktiv slamtank1 på Ejbymølle Renseanlæg. Niveauerne er lave i perioden. Der ses to kortvarige spidser mellem den 2.1 og den 4.1, hvor koncentrationen øges til omkring,15 og,2 mg/l. Der ses flere korterevarende enkelte episoder med højere N 2 O 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. Modellen er anvendt på lattergaskoncentrationer i tank 1 (84 m 3 ) fra Figur 6, som dækker 1 hele døgn. Modellen anvender lattergaskoncentrationen i væskefasen sammen med den stripningseffekt, der ligger i beluftningen med mammutrotorerne. lattergasrapport final.docx / PEA / 213-6-4 17
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 1 d Målt N 2 O koncentration i væske Gennemsnitlig N 2 O emission per tank Udledning fra fire tanke med i alt 32.5 m 3 Udledning per år ved samme daglige emission, 4 tanke CO 2 ækvivalenter ved 3 g CO 2 / g N 2 O N 2 O-N/PE/år ved 23. PE,7 mg N/l,175 mg N/l/d 5,7 kg N/d 28 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. 3.2.4 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 / 213-6-4 18
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 3. m 3 i timen. I forhold til en råspildevandsmængde på måske 1 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 5 % 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 116 m 3 /h 116 m 3 /h heraf 1 råspildevand, 37 mg/l (g/ m 3 ) Strippet mængde: 116 m 3 /h*,37 *g/ m 3 *25% Fortsat mængde til trin 2: 116m3/h*,37 g/ m 3 Strippet mængde: 5%*116 m 3 /h*.37 g/ m 3 116 m3/h*,37g/ m 3 *(25%+5%)= 32 g/h lattergasrapport final.docx / PEA / 213-6-4 19
Såfremt disse mængder antages at være repræsentative for et års produktion og stripning, fås en årlig strippet mængde på: 32g/h*24h/d*365d= 28 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 beluftede overflader Foretag offgas måling eller lignende for bestemmelse af K L a for beluftnignsudstyret Foretag kontinuerte eller kampagne målinger af vandfasens N2O koncentration Trin 3 Anvend en modelberegning af N2O emissionen på repræsentative tidsserier 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 / 213-6-4 2
Trin 1 Trin 2 Trin 3 Foretag screening af vandfasens indhold af N2O Vurder om der er behov for offgas måling fra ikke beluftede overflader Foretag bestemmelse af k L a for beluftnignsudstyret Foretag kontinuerte eller kampagne målinger af vandfasens N2O koncentration Anvend en modelberegning af N2O emissionen på repræsentative tidsserier 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 / 213-6-4 21
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 3.6.2. 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. 3.6.1 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 / 213-6-4 22
3.6.2 N 2 O målinger som input til styringer N 2 O elektroden giver stabile målinger, som er af en kvalitet, som for andre elektroder. Figur 19 viser et eksempel på en måleserie af N 2 O 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. 6 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 N 2 O målingerne er lige så stabile, og systematiske som for de øvrige målinger. N 2 O koncentrationerne er lavere end for de øvrige målinger, og typisk for Marselisborg renseanlæg mellem, og 1 mg N/l (her dog til,8 mg N/l). Emissionen, som er modelberegnet fra k L a og N 2 O koncentrationen er under,1 mg/l/min, og beregnes kun under beluftningsfaserne. N 2 O 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 N 2 O 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 N 2 O koncentrationen ved at halvere cyklustiden, hvilket også fremgår af figur 19 efter 6 minutter, hvor emissionen falder. Dette kan automatiseret ved at lade N 2 O 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 k L a 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 / 213-6-4 23
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 / 213-6-4 24
4 Referencer /1/ http://www.dmu.dk/foralle/luft/co2_ven_eller_fjende/co2_udslippet_i_danmark_og_ rest-en_af_verden/ /2/ CO2-regnskab for forsyninger - en guide. DANVA VEJLEDNING NR. 88 DANVA. 212. /3/ http://cdiac.ornl.gov/pns/current_ghg.html. /4/ Emission of CH4 and N2O from Wastewater Treatment Plants (6B). NERI Technical Note No. 28. 25. lattergasrapport final.docx / PEA / 213-6-4 25
lattergasrapport final.docx / PEA / 213-6-4 APPENDIX 1
Lattergas-målinger på Marselisborg og Ejby Mølle Renseanlæg Teknisk Notat November 212
Lattergas-målinger på Marselisborg og Ejby Mølle Renseanlæg November 212 INCUBA Science Park Gustav Wieds Vej 1 8 Århus C Tlf: 862 51 Fax: 8619 7511 dhi@dhigroup.com www.dhigroup.com Klient VTUF Klientens repræsentant Projekt Lattergas-målinger på Marselisborg og Ejby Mølle Renseanlæg Projekt nr. 118195 Forfattere Rasmus Nissen Dato November 212 Godkendt af PEA Teknisk Notat Revision Beskrivelse Udført Kontrolleret Godkendt Dato Nøgleord Klassifikation Åben Intern Tilhører klienten Distribution Antal kopier DHI:
INDHOLDSFORTEGNELSE 1 INDLEDNING... 1 2 METODER... 1 2.1 Gasfase-analyse... 2 2.2 Væskefase-analyse... 2 3 RESULTATER: MARSELISBORG RENSEANLÆG... 3 4 RESULTATER: EJBY MØLLE RENSEANLÆG... 6 5 DISKUSSION... 9 6 BILAG... 1 lattergasmålinger_på_marselisborg_og_ejby_mølle_renseanlæg_16_4 i DHI
1 INDLEDNING Formålet med dette notat er på baggrund af de foretagne gasfasemålinger at fastslå under hvilke procestrin i spildevandsrensning problemer med lattergas-emissioner kan opstå. Der er blevet foretaget målinger på gas-emissionen fra spildevandsprocesser på hhv. Marselisborg og Ejby Mølle Renseanlæg. Målingerne blev foretaget den 14-15. februar 212 på Marselisborg Renseanlæg og den 21-22. februar 212 på Ejby Mølle Renseanlæg. Herudover blev der udtaget prøver fra væskefasen for at indkredse, hvor eventuel produktion af lattergas opstod. Marselisborg Renseanlæg køres som alternerende driftanlæg med bundbeluftning og en stor organisk belastning fra industri. Ejby Mølle Renseanlæg køres ligeledes som et alternerende driftsanlæg, men med overfladebeluftning og en mindre belastning. 2 MATERIALER OG METODER 2.1 Opsamlingsenheden Opsamlingsenheden blev bygget med udgangspunkt i K. Chandran 211 [1] og ses på billedet nedenfor. Figur 1: Til venstre ses opsamlingsenheden, der er fastspændt til en luftfyldt ring, som tillader et headspace inden i opsamlingsenheden på 2L. Ligeledes ses ind- og udløb til gassen samt batteriboksen i midten. Til højre ses opsamlingsenheden indefra med blæseren i midten. Opsamlingsenheden havde et inlet og outlet til bæregassen, hvor nitrogen blev anvendt. Desuden blev hatten udstyret med en indvendig blæser til opblanding af gasserne. Denne blev drevet af et 12V batteri monteret i en vandtæt boks på oversiden. Opsamlingsenheden havde et areal på,2 m 2 og i nedsænket tilstand havde den et headspace på 2L. Til at styre gasflowet ind i opsamlingsenheden blev der anvendt en slangepumpe, som sugede fra et overtrykskammer med nitrogen. lattergasmålinger_på_marselisborg_og_ejby_mølle_renseanlæg_16_4 1 DHI
2.2 Indledende forsøg for prøve udtagning I laboratoriet blev der udført et indledende forsøg til undersøgelse af omsætningen af lattergas i rent vand og slam udtaget fra DHI s pilotanlæg. Målingerne for de to forsøg blev foretaget med Unisenses lattergaselektrode i 2 ml bægerglas. Kalibreringen foregik i henhold til manualen med en mættet opløsning af lattergas [2]. Dette forsøg skulle klarlægge, hvordan væskefase-prøverne udtaget fra fuldskalaanlæg skulle håndteres, inden de blev analyseret i laboratoriet. 2.3 Gasfase-analyse Formålet med gasfasemålingerne var at indkredse de procestrin, hvor der opstod lattergasemission. Samtidigt skulle de også anvendes til at estimere koncentrationsranget af lattergas i offgassen. Der blev tilført nitrogen som bæregas med et flow gennem opsamlingsenheden på 1 L/min. Inden opsamling af gasprøven blev headspacet gennemskyllet med nitrogen i 3 minutter. Offgassen blev opsamlet i 1L Tedlar gasposer, og en 1 ml gasprøve blev overført fra posen til exetainers. Prøverne blev efterfølgende analyseret på gaskromatograf af Jordbrugsvidensskabelig Fakultet, Foulum. Alle prøverne blev analyseret for lattergas, kuldioxid og methan. Under beluftning blev der foretaget en tidsserie-måling over beluftningen. 2.4 Væskefase-analyse Formålet med væskefase-målingerne var at supplere gasfase-målingerne for at undersøge, om der var sammenhæng mellem målingerne i gas og væskefase. Desuden var det muligt at opsamle prøver fra anlæggene, da det ikke var muligt at komme til med opsamlingsenheden. Væskefaseprøverne blev opsamlet fra anlægget og blev sedimenteret i 15 minutter før prøven blev overført til 1 ml bluecap flasker. Flaskerne blev fyldt helt op til kanten for at undgå at lattergassen ville blive overført til gassen i headspacet. Prøverne blev analyseret samme dag som de var blevet udtaget. Dette foregik med Unisenses lattergaselektrode i laboratoriet på DHI, Aarhus. lattergasmålinger_på_marselisborg_og_ejby_mølle_renseanlæg_16_4 2 DHI
N2O [um] 3 RESULTATER 3.1 Indledende forsøg 1 9 8 7 6 5 4 3 PVE DVE 2 1 2 4 6 8 1 12 14 tid [min] Figur 2: Faldet i lattergaskoncentrationen i PVE: N2O koncentration i procesvand, DVE: N2O koncentration i demineraliseret vand Som det ses af ovenforstående figur antager forsøg med lattergas-omsætningen samme forløb for både procesvand (PVE) udtaget fra pilotanlægget og demineraliseret vand (DVE). Dette betyder at der ikke er nogen væsentlig mikrobiel omsætning af lattergassen. Lattergas er en stabil forbindelse, og det antages derfor at lattergassen fra væskefasen emitteres til atmosfæren uden at blive omdannet. Faldet i lattergaskoncentrationen er derfor et estimat for lattergas-emissionsraten. Som det ses af figuren foregår emissionen meget langsomt, specielt for de lave koncentrationer, hvor det tager ca. 6 minutter for 1 um at blive emitteret. På baggrund af dette forsøg forventes det derfor at metoden for udtagelse af væskeprøver er valid. 3.2 Resultater: Marselisborg Renseanlæg På Marselisborg renseanlæg blev der foretaget spotmålinger på de steder, hvor det var muligt at tilgå tankene, dvs. sandfang, mellemklaring, denitrifikation og efterklaring. Disse målinger ses på figur 1. Målinger under nitrifikation er foretaget som en tidsseriemåling, hvor der blev opsamlet 4 prøver fra beluftningsstart til -slut. Målingen blev foretaget over et beluftningsfelt, hvor flowet maksimalt var 1,6 m 3 /hr. På figuren nedenfor ses driftforholdene for Marselisborg Renseanlæg på de tidspunkter, hvor de kontinuerte målinger blev foretaget. Det første skraverede område angiver tidspunktet, hvor tidsserien for væskefasemålingen og det andet skraverede område angiver tidsseriemålingen for gasemissionen. lattergasmålinger_på_marselisborg_og_ejby_mølle_renseanlæg_16_4 3 DHI
NH4, NO3 og DO [mg/l] Q [L/hr] 9 8 7 6 5 4 3 2 1 8:24 9:36 1:48 12: Tid NH4 NO3 DO Q 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 Figur 3: Koncentrationerne af ammonium (NH4), nitrat (NO3) og oxygen (DO) samt beluftningsmængden (Q) i procestanken, hvorfra gas- og væskefaseprøverne blev udtaget Belastningen af anlægget til de to måletidspunkter forventes at være høj, idet koncentrationen af opløst oxygen først begynder at stige efter 15-2 minutters beluftning. lattergasmålinger_på_marselisborg_og_ejby_mølle_renseanlæg_16_4 4 DHI
CO2 [ppm] N2O [um] N2O [ppm] CH4 [ppm] A 6 5 4 3 2 1 B 7 6 5 4 3 2 1 C 14 12 1 8 6 4 2 D 14, 12, 1, 8, 6, 4, 2,, Figur 4: For A-C: Koncentrationer af lattergas (N 2O), kuldioxid (CO 2) og methan (CH 4) normaliseret til 1 atm og 25 C. For D ses de tilsvarende N 2O -koncentrationer i væskefasen, der blev udtaget på samme tidspunkt som gasfasemålingen. Det ses af figur 4 (A og D) at det primært er under denitrifikationen og efterklaringen at der måles lattergas. I væskefasen er koncentrationen omkring 13 um i begge tanke men i offgassen er koncentrationen noget lavere i efterklaringstanken. Dette kan hænge samme med at vandet er i bevægelse i procestanken, hvilket kan give anledning til en højere emission idet at vand overfladen er i bevægelse. Figur 4 viser koncentrationen af lattergas, kuldioxid og methan under beluftning i procestank 1. lattergasmålinger_på_marselisborg_og_ejby_mølle_renseanlæg_16_4 5 DHI
N2O [um] N2O, CH4 [ppm] CO2 [ppm] Marselisborg nitrifikation d. 14/2 212 25 194 192 2 19 15 188 186 1 184 182 5 18 178 176 12: 12:7 12:14 12:21 12:28 min N2O CH4 CO2 Figur 5: Koncentrationsændringen af N 2O, CH 4 og CO 2 i gasfasen. N 2O og CH 4 aflæses på venstreaksen og CO 2 på højre. Marselisborg Væskefase d. 14/2 212,7,6,5,4,3,2,1 9:5 9:57 1:4 1:12 N2O min Figur 6: Koncentrationen af N2O i væskefasen Det ses af figur 5 og 6 at der bliver observeret en stor mængde lattergas i offgassen men næsten ingenting i væskefasen. 3.3 Resultater: Ejby Mølle Renseanlæg På Ejby Mølle Renseanlæg blev der foretaget væskefasemålinger på sandfang, forklaring, anaerob tank, mellemklaring, biofiltre og efterklaring samt klaringsfiltret. Disse resultater ses i figur 3. Der blev også lavet en tidsseriemåling under nitrifikation fra beluftningsstart til -slut. Da Ejby Mølle Renseanlæg har overfladebeluftere, var det ikke muligt at placere opsamlingsenheden på en sådan måde, at offgassen direkte kunne opsamles. Opsamlingsenheden blev derfor placeret så tæt på rotorerne som muligt for at forsøge at opsamle boblerne der blev pisket ned i vandet. På figur 7 ses driftsforholdene for renseanlægget på det tidspunkt, hvor målingerne under beluftning blev foretaget. lattergasmålinger_på_marselisborg_og_ejby_mølle_renseanlæg_16_4 6 DHI
N2O [um] NH4 og DO [mg/l] Redox potentiale [mv] 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1,5 9:36 1:4 1:33 11:2 11:31 12: 12:28 12:57 Tid NH4 O2 Redox 1-1 -2-3 -4-5 Figur 7: Driftsforholdene for Ejby Mølle rensningsanlæg. Målingerne under beluftning for både gasog væskefase blev startet kl 12:4 og sluttede kl 12:2. Figuren nedenfor viser at alle væskefase målinger foretaget på Ejby Mølle. Den anerobe tank angiver tanken hvori fosfor fjernes. Tidspunkter og data for hver enkelt måling ses i billaget tabel 2. 3,5 3 2,5 2 1,5 1,5 Figur 8: Analyseresultater for væskeprøverne på Ejby Mølle Renseanlæg På figur 9 ses resultaterne for de offgas målinger der blev opsamlet på Ejby Mølle. lattergasmålinger_på_marselisborg_og_ejby_mølle_renseanlæg_16_4 7 DHI
N2O, CH4 [ppm] CO2 [ppm] CO2 [ppm] N2O [um] N2O [ppm] CH4[ppm] A 5 4 B 1 8 3 6 2 1 4 2 2,23 22.93 1,91 2,99 1,49,77 C 35 3 25 2 15 1 5 D 2 1,5 1,5 Figur 9: For A-C ses koncentrationer af lattergas (N 2O), kuldioxid (CO 2) og metan (CH 4) normaliseret til 1 atm og 25 C. Det skal noteres at koncentrationen af metan på graf B er 2 ppm (2%). På D ses de tilsvarende koncentrationer i væskefasen udtaget til samme tidspunkt. På figur 1 ses målingerne for gasfaseprøverne opsamlet under beluftning og det ses at der ikke emitteres lattergas til gasfasen. 12 4 1 35 3 8 25 6 2 4 15 1 2 5 12: 12:7 12:14 12:21 min N2O CH4 CO2 Figur 1: Gasfasemålingerne for udviklingen af N 2O, CH 4 og CO 2. N 2O og CH 4 aflæses på venstreaksen og CO 2 på højre. På figur 11 ses det, at der er en produktion af lattergas i væskefasen under beluftningen. lattergasmålinger_på_marselisborg_og_ejby_mølle_renseanlæg_16_4 8 DHI
N2O [um] um N2O 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1,8,6,4,2 12:2 12:5 12:8 12:11 12:14 12:17 12:2 12:23 min N2O Figur 11: Udviklingen af N 2O i væskefasen under beluftningsfasen på Ejby Mølle renseanlæg. På figur 1 og 11 ses det, at der er en maksimum koncentration for lattergas i væskefasen er 1,9 um. Til samme tidspunkt bliver der imidlertid ikke observeret nogen koncentrationsstigning i gasfasen. Dette kan indikere at boblerne i væskefasen genereret af overfladerotorene ikke er blevet fanget af opsamlingsenheden. 4 DISKUSSION De angivne koncentrationer i væskefasen kan være behæftet med en fejlkilde under prøvetagningen. Under det indledende forsøg med omsætning af lattergas i rent vand og spildevandsslam, blev det vist at lattergassen forsvandt ud af systemet med omtrent samme hastighed for de to prøver. Det blev derfor antaget at lattergassen ikke blev mikrobielt omdannet. Under efterfølgende laboratorieforsøg med tilsvarende omstændigheder, blev der observeret mikrobiel omsætning af opløst lattergas, dette ses på figuren nedenfor, hvor 1 um lattergas bliver omsat indenfor 1 minut. 12 1 8 6 4 2 5 1 15 2 tid [sek] N2O Figur 12 Omsætning af lattergas med tilstedeværelse af mikroorganismer. For det indledende forsøg tog det omkring 6 minutter for 1 um lattergas. Der er derfor en mulighed for at lattergassen under visse omstændigheder kan blive omsat mikrobielt. Hvis dette er tilfældet kan det forklare, hvorfor der på Marselisborg Renseanlæg blev målt høje koncentrationer i gasfasen men ikke i væskefasen. lattergasmålinger_på_marselisborg_og_ejby_mølle_renseanlæg_16_4 9 DHI
På Marselisbog Renseanlæg ses en tydelig effekt af beluftningen, hvor lattergaskoncentrationen i gasfasen falder fra 2 ppm til 12 ppm i løbet af beluftningscyklen. Denne effekt er ikke tydelig på baggrund af resultaterne fra Ejby Mølle Renseanlæg. Dette henføres til at Ejby Mølle Renseanlæg anvender overfladebeluftere, hvor det ikke var muligt at placere opsamlingsenheden, så offgassen direkte kunne opsamles. De højeste koncentrationer, der blev målt på Marselisborg, er høje og i den høje ende af, hvad der er forventet fra litteraturen. Den høje koncentration formodes at skyldes den høje belastning af anlægget. En potentiel lattergaskilde på Ejby Mølle Renseanlæg er biofiltrene, hvor den største koncentration blev målt på udløbet fra det første biofilter. Koncentrationen var under 1 ug/l, men på grund af den store interaktion mellem luft og væske, er det en mulighed at lattergassen kan emitteres direkte til atmosfæren. I forklaringstanken blev der målt høje koncentrationer af metan i offgassen, der lå i størrelsesordenen 2%. 5 REFERENCER 1. Kartik Chandran 211: Protocol for the measurement of nitrous oxide fluxes from biological wastewater treatment plants. Metodes in enzymology, volume 486, issn: 76-6879 2. Nitrous Oxide Sensor User Manual, Unisense A/S, version oktober 21 6 BILAG Tabel 1: Data for væskefase-målinger på Marselisborg Renseanløg. Tallene i parentes angiver hvor på rensningsanlægget prøverne er taget, hvilket er angivet på figur 1. Væskefase Sted dato tidspunkt N2O (ug/l) Indløb (5) 15/2 212 11:45 38,7 Sandfang (5) 15/2 212 11:57 29, Mellemklaring (4) 15/2 212 1:45 3,2 Denitrifikation (2) 14/2 212 11:47 575,4 Efterklaring (3) 15/2 212 9:8 544, lattergasmålinger_på_marselisborg_og_ejby_mølle_renseanlæg_16_4 1 DHI
Figur 1: Punktangivelser for prøveudtagning på Marselisborg Renseanlæg. Punkt 1 målestedet for tidsseriemålingen under beluftning. Tabel 2: Væskefase data fra Ejby Mølle Renseanlæg. Tallene i parentes angiver hvor prøverne er udtaget og ses på figur 2. Sted umn2o dato tidspunkt Indløb (1),274725 22/2 212 12:55 Sandfang (2),164835 22/2 212 12:2 Forklaring (3),32967 22/2 212 14:1 Bio-P Tank (4) 1,648352 21/2 212 12: Biofilter1 ind (6),274725 22/2 212 13:7 Biofilter1 ud (6) 2,96733 22/2 212 13:1 Mellemklaring (7),93466 22/2 212 11:22 Biofilter2 ind (8) 1,318681 22/2 212 13:22 Biofilter2 ud (8),549451 22/2 212 12:3 Efterklaring (9),32967 22/2 212 12:13 Efterklaring ind (9),21978 22/2 212 12:13 Klaringsfilter ind (1),43956 22/2 212 14:5 Klaringsfilter ud (1),384615 22/2 212 14:5 lattergasmålinger_på_marselisborg_og_ejby_mølle_renseanlæg_16_4 11 DHI
Figur 2: Oversigt over spotmålinger for Ejby Mølle Renseanlæg. Den blå line angiver den anerobe tank med indløb længst til højre. Tidsseriemålingen for beluftningen er foretaget ved punkt 5 Indblæsning af inert gas over opsamlingsenhed for anlæg uden beluftning. Q ind = 1 L/min C N2O = ppm C CO2 = ppm C CH4 = ppm Q ud =? C N2O = a ppm C CO2 = b ppm C CH4 = c ppm Figur 3: Skematisk repræsentation af opsamlingsenheden. Q ind er tilnærmelsesvis lig Q ud, da der alene strippes meget små mængder. lattergasmålinger_på_marselisborg_og_ejby_mølle_renseanlæg_16_4 12 DHI
appendix 2-1side.docx / PEA / 213-6-4 APPENDIX 2
Unisense lattergassensor - model til estimering af emission Teknisk Notat November 212
Unisense lattergassensor - model til estimering af emission November 212 INCUBA Science Park Gustav Wieds Vej 1 8 Århus C Tlf: 862 51 Fax: 8619 7511 dhi@dhigroup.com www.dhigroup.com Klient VTUF Klientens repræsentant Projekt Unisense lattergassensor - model til estimering af emission Forfattere Jens Munk Poulsen Projekt nr. 118195 Dato November 212 Godkendt af PEA Teknisk Notat Revision Beskrivelse Udført Kontrolleret Godkendt Dato Nøgleord Klassifikation Åben Intern Tilhører klienten Distribution Antal kopier DHI:
INDHOLDSFORTEGNELSE 1 FORMÅL... 2 2 BAGGRUND... 2 3 MODELBESKRIVELSE... 2 4 MÅLEFORSØG... 4 4.1 Bundbeluftning... 4 4.2 Overfladerotorer... 5 5 RESULTATER... 6 5.1 Bundbeluftning... 6 5.2 Overfladerotorer... 7 6 IMPLEMENTERING PÅ MARSELISBORG OG EJBY MØLLE RENSEANLÆG... 9 6.1 Forsøg med modellen på Marselisborg og Ejby Mølle Renseanlæg... 9 7 KONKLUSIONER... 11 i DHI
1 FORMÅL I forbindelse med at Unisense A/S har udviklet nye fuldskala-lattergassensorer til spildevandsindustrien er det en nødvendighed at kunne estimere emissionen, da det er denne forsyningsselskaberne er interresseret i til brug for grønt regnskab. Derfor har DHI i forbindelse med et VTUF støttet projekt udviklet en model til at beskrive emissionen. 2 BAGGRUND Ved udarbejdelsen af CO2-regnskab for rensningsanlæg tages der på nuværende tidspunkt ikke højde for andre emissionsgasser end CO2. Ved denne regnemetode er eventuelle lattergasemissioner altså ikke medtaget. Dette fører sandsynligvis til fejlagtig estimering af CO2-ækvivalenter, hvor lattergas specielt har interesse. Det estimeres af Ahn et al. at 7% af vandigt kvælstof der behandles, kan udledes på gasform som lattergas [1]. Dette er problematisk, idet lattergassens effekt som drivhusgas er 296 gange større end CO2[2]. Da der på nuværende tidspunkt ikke foreligger data for lattergasemissionen fra rensningsanlæg i Danmark, er formålet med dette projekt at kvantificere denne emission. Udenlandske undersøgelser viser, at lattergasemissionen hovedsageligt sker fra aktiv-slam-processer, som foretager den biologiske rensning af spildevand, og renser for organisk stof samt kvælstof [1]. Mere en 5% af de danske rensningsanlæg har overfladebeluftning, de øvrige har bundbeluftning. Et af problemerne ved overfladebeluftning er, at det ikke er muligt at lave gasopsamling, og det derfor er svært at estimere den mængde lattergas, der emitteres. Det er derfor relevant at undersøges, om det er en muligt at estimere lattergasemissionen ud fra viden om indeholdet af lattergas i væskefasen og udnytte sammenhængen mellem iltning og stripning til at beregne emissonen af lattergas under nitrifikation. Til undersøgelse af lattergasudviklingen i laboratoriet har Unisense A/S udviklet en lattergaselektrode til måling af vandopløst lattergas. I projektet vil vi undersøge, om der bliver dannet lattergas, samt under hvilke processer dette foregår. 3 MODELBESKRIVELSE Schultless et al 1995 har udviklet en generel model til at bestemme stripningsraten i en beluftningskolonne (1). Stripningsraten er et udtryk for hvor meget lattergas der bliver strippet i en beluftet tank pr L volumen pr. min. Modellen ses nedenfor, ligning 1: Hvor: [ ( )] (1) 2 DHI
r N2O er emissionen fra den beluftede kolonne [mg N 2 O/L/min] k La er gasoverførselshastigheden [min -1 ] HN2O er henrys konstant for lattergas Qg er luftflowet der beluftes med [L/hr] VL er Volumenet af tanken [L] Da k L a for lattergas er ukendt, er det ikke muligt direkte at bruge modellen til bestemmelse af stripningsraten for lattergas. Ved at opstille en sammenhæng mellem k L a og diffusionskonstanten for ilt og lattergas (jf. Roberts et al. 1982) kan modellen gøres anvendeligt til at bestemme stripningsraten af lattergas i en beluftningskolonne. Sammenhængen ses i ligning 2: ( ) (2) Hvor: kla er gasoverførselshastigheden for henholdsvis ilt(o 2 ) og lattergas (N 2 O) Ved at erstatte kla i ligning 1 med sammenhængen beskrevet ved ligning 2 fås ligning 3: (( ) ) [ ( )] (3) Ligning 3 er blevet anvendt til at undersøge, om modellen, som er opstillet til en beluftningskolonne, også egner sig til at beskrive stripningsraten af lattergas for et bundbeluftningssystem. Forsøgene er udført ved 2 C, og diffusionskoefficienterne er fundet for 2 C (R.V. Schultless 1994). Konstanter ses i tabellen nedenfor: kla i forsøgene er bestemt eksperimentelt vha. ASCE standard til bestemmelse af ilt optag i vand til de beluftningsflows og VLT-indstillinger hvorved der køres forsøg. 3 DHI
Tabel: Konstanter brugt til modelberegning (R.V. Schultless 1994) DN2O [cm2/s] ved 2 C 1,77*1-5 DO2 [cm2/s] ved 2 C 2,12*1-5 HN2O [-]ved 2 C,6 4 MÅLEFORSØG 4.1 Bundbeluftning Til bestemmelse af stripningsraterne ved bundbeluftning monteres der en bundbelufter i form af en cirkeldiffuser i en 2 L tank. Desuden installeres udstyr til måling af lattergas i væskefasen og i offgassen til online målinger heraf. Tanken fyldes med postevand, og der tilsættes lattergas som flaskegas via bundbelufteren. Når lattergassen er tilsat, skiftes til beluftning med atmosfærisk luft Der beluftes mens der måles på lattergassen både i væskefasen og i offgassen. Der er gennemført forsøg med Innova til offgas måling og Unisense-lattergaselektrode til væskefase-målinger, hvor beluftningen har været indstillet til hhv.: forsøg 1: 5 L/hr forsøg 2: 1 L/hr forsøg 3: 15 L/hr forsøg 4: 2 L/hr Stripningen målt med væskefase-sensoren antages at det der forlader væsken er strippet, idet forsøgene er lavet i rent vand for at forhindre at der sker biologisk omsættelse. 4 DHI
4.2 Overfladerotorer Til bestemmelse af stripning ved overfladerotorer skiftes føromtalte bundbelufter ud med en overfladerotor på,375 kw, og forsøgene replikeres som under bundbeluftningsforsøgene. Overfladerotorens hastighed var indstillet til hhv: 15 Hz 2 Hz 25 Hz Rotorens neddykning var 23 cm. 5 DHI
N2O [mg/l/min] N2O [mg/l/min] N2O [mg/l/min] N2O [mg/l/min] 5 RESULTATER 5.1 Bundbeluftning På graferne nedenfor ses stripningsraterne bestemt på baggrund af målingerne med Innova og Unisense lattergaselektrode (kaldet målte stripningsrater ). På graferne ses desuden resultaterne for anvendelse af ligning 3 til bestemmelse af stripningsraten for bundbeluftning (kaldet beregnede stripningsrater ). 1 4 2 3,5 3 2,5 2 1,5 1,5 2 4 6 tid [sek] 5 4 3 2 1 1 2 3 4 tid [sek] 3 7 6 5 4 3 2 1-1 1 2 3 4 tid [sek] 4 14 12 1 8 6 4 2 1 2 3 4 tid [sek] Figur 1: Stripning til de 4 luftflow - 1: 5 L/hr 2: 1 L/hr 3: 15 L/hr 4: 2 L/hr. Det ses at der ved de lavere luftflow er en god sammenhæng mellem det målte i væskefasen og modellen, hvorimod offgas målingerne ligger lidt lavere, hvilket kan skyldes at når der kommer mindre luft i gennemkolonnen, vil der også være større usikkerhed forbundet med målingerne, hvorimod ved de højere luftflow sker der en hurtigere udskiftning og dermed også større homogenitet af gassen i beholderen. 6 DHI
5.2 Overfladerotorer Til bestemmelse af stripning ved overfladerotorer benyttes samme model som til bundbeluftning, dog er luftflowet nød til at bestemmes eksperimentalt. Et estimat for luftflow fra gas til væskefasen, som er iltkapaciteten delt med iltoverførselshastigheden og boblernes hastighed: Qg = OC/(OTRE*,3kgO2/m3 luft) Qg er luftflowet i L/min, altså den mængde luft rotorerne leverer til vandet. OC =Iltkapaciteten er et udtryk for hvor mange kg ilt en rotor overfører til væsken pr. time. OTRE= iltningseffektiviteten og er hvor mange % af den ilt der bliver tilført vandet der bliver optaget i vandet. Iltoverførselshastigheden iltningseffektiviteten er begge tal der bliver målt Hastigheden hvormed gasboblerne stiger op igennem vandfasen er bestemt fra litteraturen til,3 m/s (reference), og iltningseffektiviteten (% overført ilt) er fittet. Fittet laves på en summering af stripningen, hvor ilteffektiviteten er fittet til stripningskurven fra lattergaselektroden, under forudsætning af, at vi efter en opiltning af vandet ikke har biologisk aktivitet, idet der ikke er organisk stof tilstede og iltniveauet er så højt at vi er sikre på at der ikke er denitrifikation. Kurverne til venstre i nedenstående grad er denne summering af stripning og estimering af luftflowet fra gas til væskefase ved overfladerotorer, og kurverne til højre viser stripningen målt med væskefase og gasfase sensor samt den modellerede stripning. 7 DHI
m g N 2 O s mgn2o strippet fra systemet mg N2O strippet/minut mgn2o strippet fra systemet mg N2O strippet/minut mgn2o strippet fra systemet mg N2O strippet / minut 1 25 2 15 1 5-5 2 4 6 tid [sek] 1 8 6 4 2 2 4 6 tid [sek] 2 3 2 1, 5, 1, 15, -1 tid [sek] 5 4 3 2 1 5 1 15 tid [sek] 3 25 2 5 4 15 1 5-5 5 1 15 tid [sek] 3 2 1 5 1 15 tid [sek] Figur 2: -5 Innova Unisense model, 5, 1, 15, Stripningsrater for overfladebelufteren, til venstre de summerede stripninger og til højre stripningen pr. tid. Frekvenser: 1-15 Hz, 2-2Hz. 3-25Hz. Som det ses af graferne til venstre er der en utrolig god sammenhæng mellem Innova, Unisense og modellen. På alle graferne ligger Innova målingerne på et lavere niveau end Unisense sensoren og modellen pga. manglende isolering af beholderen så luft kunne komme ind og udvaske lattergassen i det lille volumen hvor offgassen måles. 8 DHI
6 IMPLEMENTERING PÅ MARSELISBORG OG EJBY MØLLE RENSEANLÆG 6.1 Forsøg med modellen på Marselisborg og Ejby Mølle Renseanlæg Til bestemmelse af emissionen på Marselisborg RA benyttes modellen, og for at teste modellen på et fuldskala anlæg er der lavet målinger med Innova gasmåler, samt Unisense lattergassensor, målt online med målekuffert. Innova en angiver gasinholdet i ppm, og disse data er omregnet til en stripning ved: (4) I de udførte forsøg er kla for ilt bestemt ved følgende ligning: OC[g/L] = OTRE*luftflow(l/min)*,3kgO 2 /m 3 luft. (5) kla kan herfra bestemmes ved følgende udtryk: kla = OC/(VL*1*Cs ) og angiver giver iltoverførsels hastigheden som min -1 Luftflowet omregnes til Normal-L/hr, således der er korregeret for temperaturen, og modeldata fra afsnit 2.1.1. bruges her da temperaturen, i de udførte målinger på Marselisborg RA også er 2 *C. Modellen er således forsøgt implementeret på et fuldskalaanlæg og sammenlignet med en offgasmåling, illustreret på kurveforløbet herunder. 1,E-2 5,E-3 Series1 Series2,E+ 3-5-212 16:48 31-5-212 1:12 31-5-212 9:36 31-5-212 18: Det ses heraf at der er en rigtig god sammenhæng mellem det modellerede emissionsestimat og den emission vi målte på Marselisborg RA med gasmåler. Dette er med til at validere antagelsen om at, ved online væskefasemåling er det muligt at bestemme emissionen fra procestankene og via styringer minimere lattergasemissionen. Ved summering af arealet underkurverne set på døgnbasis, af de illustrede data er der en emission på 3,36 kg N2O/ døgn ved de målte data, og 3,42 kg N2O / døgn ved at benyt- 9 DHI
[mg/l], [mg/l*min] mg N2O/L*min te modellen. Det giver således en samlet N2O emission på ca. 124 kg N2O /år hvilket er 37 ton CO2/år, som bidrag fra N2O fra 1 procestank grundet den faktor 3 som N2O er i CO2 ækvivalenter. På samme måde som i de overstående forsøg med overflade rotorer udføres der test på Ejbymølle renseanlæg for at bestemme luftflowet, via et fit. kla haves fra tidligere udførte forsøg af DHI på Ejby Mølle Renseanlæg. Der er usikkerheder forbundet med plottet idet dataene varierede meget pga. dårlig opblanding af lattergassen i det store procesvolumen. 4 3 Summerende funktion 2 1,2,4,6,8,1,12,14 Tid [hr] Målt modelleret Ved at fitte Qg til de måltedata med modellen fås et luftflow på: NL/hr og når denne Qg benyttes i modellen fås et stripningsestimat fra ejbymølle, ilustreret i nedenstående graf.,5,4,3,2,1 1-1-212 2-1-212 3-1-212 4-1-212 5-1-212 7-1-212 8-1-212 9-1-212 -,1 Tid Lattergas koncentration [mg/l] Lattergas emission [mg/l*min] Der ses stadig en meget lav emission som er afhængig af den meget lave lattergas koncentration i vandet. 1 DHI
6.2 Onlineberegning af N2O emissioner For at kunne lave en online beregning af emissionen, er de benyttede Henry s konstant, kla, N2O koncentration nød til at følge procestemperaturen. Unisense har lavet en temperatur kompensering for N2O signalet i deres sensorer, og kla kan temperatur kompenseres via en standard temperatur afvigelse som benyttes sig af standard: kla = kla (2C) *θ T-2 hvor T er den aktuelle temperatur i Celsius, kla (2C) er kla ved 2 grader C og theta er en standard værdi på 1,24 (kilde Unisense artikel). Henrys konstant er defineret som, denne konstant har enheden [M/atm]. I modellen bruges en anden kh nemlig en enhedsløs Henry s konstant som. For at kunne temperatur kompensere benytter vi Henrys konstant i [M/atm] og efter kompenseringen omregner vi konstanten om til enhedsløs Henrys konstant, så temperatur kompenseringen bliver: ( ( )) θ k H = Henrys konstant ved 25 C er opløsningens entalphi T er den aktuelle temperatur og T θ er standard temperaturen 25 C. Omregningen af k H kan gøres ved: Hvor kh er den temperaturkompenserede Henry s konstant og T er temperaturen i Kelvin. Nedenfor er der vist både eksempel på en døgncyklus og en uges cyklus for online emissions model på Marselisborg RA. 11 DHI
Eksempel på data fra 1 døgn. Her er valgt 29. november 212 Eksempel data fra den 1/12-212 til den 7/12-212. 12 DHI