Greenhouse gas emissions from wastewater treatment processes: identifying triggering factors at laboratory and full-scale systems

Abstract

This thesis focuses on the study of the global green house gas (GHG) emissions from wastewater systems. Nitrous oxide (N2O) and methane (CH4) are the main GHG directly emitted from wastewater treatment plants (WWTP). In this thesis, different studies were performed in order to determine the N2O production when using different combination of electron acceptors during denitrification. Firstly, three different external carbon sources where used in a mixed denitrifying culture. Secondly, a denitrifying polyphosphate accumulating organism (dPAO) and a denitrifying glycogen accumulating organism (dGAO) enriched cultures were used to assess the effect of using an internal carbon source (polyhydroxyalkanoates, PHA) for denitrification on the N2O production. Results indicated that electron competition during the reduction of different nitrogen oxides is a significant factor in ordinary heterotrophic denitrification processes using external carbon sources as the electron donor, but not in PHA-driven denitrification processes conducted by dPAO or dGAO. Results also showed that generally, higher N2O accumulation was detected in the tests conducted with dGAO than those conducted with dPAO, especially when nitrite was used as electron acceptor. Later, the effect of DO at a constant pH level and the effect of pH at a constant DO level on N2O and NO production in a partial nitrification sequencing batch reactor (SBR) were explored. Also, the relationship between NO production and the ammonia oxidation rate (AOR) as well as the N2O production rate and the AOR were studied. Results showed that these relationships were linear and exponential, respectively. This investigation highlighted the importance of also monitoring NO emissions since they may lead to N2O emissions. The last investigation of this thesis was a long-term full-scale study in the WWTP of Girona in order to assess the N2O and CH4 emission dynamics of the plug-flow reactors. Results showed seasonal and spatial variations on N2O emissions but only spatial variations on CH4 emissions. Finally, the overall carbon footprint of the plug-flow reactor was assessed.

Aquesta tesi està centrada en l'estudi de les emissions dels gasos d'efecte hivernacle (GEH) dels sistemes de tractament d'aigua residual. L'òxid nitrós (N2O) i el metà (CH4) són els principals GEH emesos directament en les estacions depuradores d'aigües residuals (EDAR). En aquesta tesi s'han realitzat diferents estudis per a identificar la producció de N2O usant diferents combinacions d'acceptors d'electrons durant la desnitrificació. En primer lloc es varen utilitzar tres fonts de carboni externes en un cultiu mix desnitrificant. En segon lloc es va utilitzar un cultiu enriquit amb organismes desnitrificants acumuladors de fòsfor (dPAO) i un cultiu enriquit amb organismes desnitrificants acumuladors de glicogen (dGAO) per tal d'avaluar l'efecte d'utilitzar una font de carboni interna (polihidroxialcanoats, PHA) per la desnitrificació en la producció de N2O. Els resultats van indicar que la competició d'electrons durant la reducció dels diferents òxids de nitrogen és un factor significatiu en els processos de desnitrificació heterotròfica ordinària utilitzant fonts de carboni externes com a donador d'electrons però no en els processos de desnitrificació utilitzant PHA com a font de carboni interna com en els dPAO i dGAO. Els resultats també varen demostrar que generalment en els experiments realitzats amb els dGAOs es detectava una acumulació major de N2O que en els experiments amb dPAOs, especialment quan s'utilitzava nitrit com a acceptor d'electrons. Més endavant es va explorar l'efecte del oxigen dissolt (DO) a un nivell constant de pH i l'efecte del pH a un nivell constant de DO en la producció de N2O i NO en la nitrificació parcial en un reactor discontinu seqüencial (SBR). També es va estudiar la relació entre la producció de NO i la velocitat d'oxidació d'amoni (AOR) així com la producció de N2O i la AOR. Els resultats van mostrar que les relacions eren lineal i exponencial, respectivament. Aquesta investigació va destacar la importància de supervisar també les emissions de NO, ja que poden conduir a emissions de N2O. L'última investigació d'aquesta tesi va ser un estudi a l'EDAR de Girona per a avaluar les dinàmiques d'emissions de N2O i CH4 en els reactors de flux pistó. Els resultats van mostrar variacions estacionals i espacials en les emissions de N2O en el reactor de flux pistó però només variacions espacials en les emissions de CH4. Finalment, es va avaluar la petjada de carboni global del reactor flux pistó.