Därför behöver minskade utsläpp av dikväveoxid prioriteras av reningsverk

Dikväveoxid (N₂O) kan vara en stor bidragande orsak till avloppsreningsverkens utsläpp av växthusgaser. Det återstår dock mycket att göra för vattensektorn innan man har lösningarna för att kontrollera, styra och rapportera dessa utsläpp på plats. Vad kan reningsverk göra i dag för att börja minska sina utsläpp av N₂O och vilka lösningar kan de vänta sig i framtiden? Xylem-experten dr Oliver Puckering förklarar.

Enligt en enkätundersökning som Xylem genomförde bland 100 reningsverk under 2023 planerar 75 % av dem att minska sina utsläpp av växthusgaser till år 2040. Många arbetar redan med att minska sina utsläpp genom att installera energieffektivare teknik och använda digitala lösningar för en optimerad drift. Trots den betydande påverkan som avloppsindustrins processutsläpp av gaser som metan och dikväveoxid har på miljön var detta dock något som hamnade väldigt långt ned på prioriteringslistan. 

För att ta reda på varför det är viktigt att prioritera minskade utsläpp av dikväveoxid från avloppsindustrin och vilka åtgärder som krävs för detta ställde Making Waves några frågor till dr Oliver Puckering, som leder Partnership Accelerator-programmet på Xylem Innovation Labs.

Varför är det viktigt att avloppsreningsverk vidtar åtgärder för att minska utsläppen av dikväveoxid?

Dikväveoxid har en faktor för global uppvärmningspotential som är 300 gånger större än för koldioxid. Eftersom många reningsverk förbundit sig till målen om nettonollutsläpp är det nödvändigt att minska dikväveoxidutsläppen om målen ska kunna uppnås.

Dikväveoxid bildas under nitrifikations- och denitrifikationsprocesserna som reningsverk använder för att avlägsna ammoniak och skydda recipienter (vattendrag) mot skadlig kvävebelastning. Suboptimala processteg kan producera högre halter av dikväveoxid som sedan avlägsnas från vätskan och släpps ut i atmosfären när ytterligare luft tillförs med blåsmaskiner. 

Xylems forskning visar att N₂O-utsläpp kan utgöra 25–75 % av ett reningsverks totala utsläpp beroende på process och elmix, medan andra studier om N₂O-utsläpp visat att N₂O-utsläpp kan uppgå till hela 60–80 % av de totala utsläppen. N₂O-utsläppen varierar hela tiden beroende på årstid och faktorer som temperatur, kvävebelastning och reningsverkens luftningsmönster.

Det behövs en ökad förståelse av dikväveoxidutsläpp från reningsprocesserna för att reningsverk ska kunna nå sina mål för utsläpp av växthusgaser och att ett referensvärde för de totala utsläppen från vattensektorn ska kunna fastställas.

Vilken teknik finns det i dag för att kunna mäta N₂O-utsläpp?

Om man jämför med den teknik som finns för att mäta standardprocessvariabler som ammoniak, löst syre och uppslammade fasta partiklar, finns det få färdiga mätlösningar i dag som är tillförlitliga när det gäller dikväveoxid. Men i och med att reglerna stramas åt väntar vi oss att få se en betydande teknisk utveckling. Det har redan kommit ett antal lösningar för kontroll av N₂O-utsläpp. Några av dem använder direkta mätmetoder medan andra bygger på modellering för att uppskatta bildning och utsläpp av N₂O.

Det finns givare som kan mäta N₂O direkt i vätska eller gas, eller både och. Även om de här givarna ger tillförlitliga mätresultat inom sina respektive områden behöver de vidareutvecklas innan de kan implementeras i stor skala i flera reningsverk. Men de fyller ändå en bra uppgift vid årliga kontroller av N₂O på specifika platser inom ett reningsverk, till exempel i bassänger för aktivt slam.

Hur skiljer sig modellering från direkt mätning av N₂O-utsläpp?

Empiriska och riskbaserade modeller bygger på parametrar som löst syre, nitrit, nitrat och beräkningsströmningsdynamik. Dessa modeller ger en omfattande förståelse av N₂O-utsläpp och är attraktiva lösningar eftersom de är skalbara och enkla att implementera. Även om det finns en del utmaningar beträffande validering och verifiering används dessa modeller i allt större utsträckning av reningsverk världen över i demonstrationsprojekt, vilket påskyndar valideringsprocessen.

Kontroller av N₂O-utsläpp i realtid, oavsett om det sker genom direkta mätmetoder eller modellering, är viktiga för att man ska kunna ta fram faktagrundade reduktionsstrategier.

Till exempel kan data från N₂O-kontroller användas i beslutsstödsystem med maskininlärning för att optimera driftförhållanden, till exempel avseende syrestyrning och återföring av aktivt slam. Detta minimerar bildandet av N₂O och därmed risken för utsläpp genom gasstrippning under nitrifikations- och denitrifikationsprocesserna, samtidigt som reningskraven uppfylls.

Vilka nya metoder kan användas för att förhindra att det bildas N₂O?

Det är viktigt att förstå att även om reduktionslösningar kan minska utsläppen av N₂O kan de inte helt eliminera risken att N₂O bildas eftersom det är en naturlig del av biologiska reningsprocesser. Att hitta alternativa reningstekniker och -metoder är därför viktigt för att reningsverk ska kunna börja övergå till resursåtervinning från dagens processer med aktiverat slam. 

Flera reningsverk har infört de här alternativa återvinningsprocesser – fysiska, kemiska eller förbättrade naturliga processer (till exempel behandling med alger) – för att undvika de processteg som bildar N₂O. För att få en så effektiv behandlingslinje som möjligt bör reningsverk utvärdera de olika alternativen baserat på anläggningsspecifika behov och inte välja samma lösning till varje anläggning.

Vad finns det för riktlinjer som reningsverk kan följa när de ska uppskatta sina N₂O-utsläpp?

2019 införde FN:s klimatpanel (IPCC) riktlinjer med en trappstegsmodell för uppskattning av N₂O-utsläpp. De kan vara till stor hjälp för att öka medvetenheten om N₂O-utsläpp. Däremot underskattas ofta de faktiska utsläppen, vilket gör det svårt att planera träffsäkra reduktionssinsatser.

Det finns dock flera saker som reningsverk kan göra i dag för att börja bedöma och minska de faktiska dikväveoxidutsläppen.

Reningsverk bör gå strategiskt fram och fokusera på sina största anläggningar med de mest komplexa luftningsmönstren och genomföra kombinerade energi- och utsläppsrevisioner. Då blir det möjligt att sätta in riktade åtgärder som senare kan utgöra grunden för ett bredare förbättringsprogram för ett reningsverks alla anläggningar.

Hur arbetar Xylem Innovation Labs med att ta fram lösningar för kontroll och styrning av dikväveoxidutsläpp? 

Xylem Innovation Labs samarbetar med uppstartsföretag genom Partnership Accelerator-programmet för att våra innovativa vattenlösningar snabbare ska nå ut på marknaden. Detta årliga program hjälper oss att identifiera, utvärdera och anta tekniska lösningar för olika vattenutmaningar, för såväl kunder som på global nivå, med huvudfokus på nettonollutsläpp och hållbarhet.

Centralt i detta arbete är att minska utsläppen av dikväveoxid, vilket kan inbegripa kontroll av prekursorer och direkt dikväveoxid, modellering och digitala tvillingar samt nya behandlingsmetoder för att återvinna näringsämnen.

Sedan programmet lanserades 2022 har 35 olika företag deltagit i det. Exempel på tre sådana företag med koppling till utsläppsminskning på ett eller annat sätt är: 

• Gross Wen Technologies, som utvecklat en behandlingsprocess med alger som tar upp och återvinner näringsämnen.
  
  
• Aquamonitrix, som tagit fram en nitrit- och nitratsensor som känner av uppbyggnad av prekursorer.
  
  
• Cobalt Water Global, som gör programvara som bedömer risken för att processer bildar och släpper ut dikväveoxid.

Läs mer om hur Xylem hjälper reningsverk att nå nettonollutsläpp.