Nederlandse Organisatie voor toegepast-natuurwetenschappelijk onderzoek / Netherlands Organisation for Applied Scientific Research
Laan van Westenenk 501 Postbus 342 7300 AH Apeldoorn www.mep.tno.nl
TNO-rapport
T 055 549 34 93 F 055 549 32 01
[email protected]
R 2004/486
Methaan- en lachgasemissies uit afvalwater
Datum
november 2004
Auteurs
Ir. J. Oonk
Projectnummer
35378
Trefwoorden
broeikaseffect methaanemissies lachgasemissies afvalwaterzuivering
Bestemd voor
SenterNovem t.a.v. A. Nout Postbus 8242 3503 RE Utrecht
Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook zonder voorafgaande toestemming van TNO. Indien dit rapport in opdracht werd uitgebracht, wordt voor de rechten en verplichtingen van opdrachtgever en opdrachtnemer verwezen naar de Algemene Voorwaarden voor onderzoeksopdrachten aan TNO, dan wel de betreffende terzake tussen de partijen gesloten overeenkomst. Het ter inzage geven van het TNO-rapport aan direct belanghebbenden is toegestaan.
© 2004 TNO
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
2 van 33
Conclusies en samenvatting Afvalwaterzuivering is een bron voor zowel methaan als N2O. In dit rapport wordt een methode voorgesteld om deze methaan- en N2O-emissies te kwantificeren voor zowel communale afvalwaterzuiveringen (AWZI’s), septic tanks en industriële AWZI’s. Totale methaan- en lachgasemissies uit communale AWZI’s kunnen worden berekend als:
CH4, AWZI(in kg jr-1) = 0,0085 * CZVinfluent (in kg jr-1) N2OAWZI (in kg jr-1) = 0,01 * Nkj, influent (in kg jr-1) De methaanemissies uit septic tanks worden berekend uit het aantal personen zonder aansluiting op de riolering (nst):
CH4, st (in kg jr-1) = 7,5* nst (in kg jr-1) Voor industriële AWZI’s is gebruik gemaakt van bekende ontwerpcapaciteiten van anaërobe zuiveringen. De methaanemissies uit industriële anaërobe AWZI’s worden berekend als:
CH4ind (in kg jr-1) = 0,056 * capaciteit (in i.e.) De aldus berekende emissies voor 2002 staan weergegeven in Tabel S1. Tabel S1
Emissies uit afvalwaterzuivering in 2002. CH4 en N2O (kton)
emissies communale AWZI’s:
8,0 kton CH4 0,9 kton N2O
emissies septic tanks
2 kton CH4
emissies industriële AWZI’s
0,3 kton CH4
CO2-equivalenten (kton) 170 270 40 6 490
De methaanemissies uit waterzuivering zijn hiermee een kleine bron. Om die reden wordt voorgesteld de internationaal geaccepteerde emissiefactoren van IPCC (1996, 2001) over te nemen, alhoewel er aanwijzingen zijn dat dit leidt tot een overschatting van de werkelijke emissie. Aanbevolen wordt om deze inzichten in te brengen in het IPCC-proces, welke binnenkort van start gaat en welke mogelijk zal leiden tot vaststellen van nieuwe default-waarden.
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
3 van 33
Inhoudsopgave Conclusies en samenvatting ......................................................................................2 1.
Inleiding .....................................................................................................5
2.
Ontstaan van methaan en lachgas in afvalwaterzuivering .........................6 2.1 Beschrijving van het systeem .....................................................6 2.2 Karakterisering van Nederlandse AWZI’s .................................7 2.3 Ontstaan van methaan.................................................................8 2.4 Lachgas.......................................................................................9
3.
Emissies uit communaal afvalwater.........................................................10 3.1 Methaanemissies uit AWZI’s ...................................................10 3.1.1 IPCC-Methodiek .......................................................10 3.1.2 Stap 1: bepaal de hoeveelheid biodegradeerbare organische component en de hoeveelheid slib ..........10 3.1.3 Stap 2: bepaal de emissiefactor van methaan uit afvalwater en slibbehandeling...................................12 3.1.4 Stap 3: bepaal de emissie van methaan .....................17 3.2 Emissies uit septic tanks ...........................................................18 3.2.1 Stap 1: bepaal de hoeveelheid biodegradeerbare organische component en de slibvorming .................18 3.2.2 Stap 2: bepaal de emissiefactor van methaan uit afvalwater..................................................................18 3.2.3 Stap 3: bepaal de emissie van methaan .....................19 3.3 Lachgasemissies .......................................................................19
4.
Emissies uit industrieel afvalwater ..........................................................22 4.1 Industrieel afvalwater, beschikbare gegevens ..........................22 4.2 Bepaling van methaanemissies .................................................22 4.2.1 Stap 1: bepaal de hoeveelheid biodegradeerbare organische component in de anaërobe vergister........22 4.2.2 Stap 2: bepaal de vorming van methaan in de anaërobe vergister .....................................................23 4.2.3 Stap 3: bepaal de emissie van methaan .....................24
5.
Uitwerking methodiek..............................................................................25 5.1 Methaanemissies uit AWZI’s ...................................................25 5.2 Methaanemissies uit septic tanks..............................................27 5.3 Lachgasemissies uit AWZI’s....................................................27 5.4 Methaanemissies uit industriële AWZI ....................................28 5.5 Resultaten voor 2002 ................................................................29
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
4 van 33
6.
Referenties ...............................................................................................29
7.
Verantwoording .......................................................................................33
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
5 van 33
1.
Inleiding
Achtergrond Methaan (CH4) en lachgas (N2O) zijn broeikasgassen, waarvoor in 1997 in Kyoto afspraken zijn gemaakt voor emissiereductie. Tegelijkertijd zijn in de ‘revised IPCC-guidelines’ (IPCC, 1996) afspraken gemaakt hoe de sterktes van de bronnen kunnen worden gekwantificeerd. In de ‘good-practice guidelines’ (IPCC, 2000) zijn aanvullende aanbevelingen opgenomen, wanneer af te wijken van de in 1996 vastgestelde default-methode en hoe deze afwijking vervolgens te documenteren. Methaan en lachgas uit de waterlijn van de afvalwaterverwerking is door DHV geïdentificeerd als een mogelijk belangrijke bron (0,095 Mton CO2-equivalenten), waarvan de bronsterkte momenteel onvoldoende goed vastligt. De studie van DHV had, in tegenstelling tot wat de titel “methaanemissies uit de waterlijn van de afvalwaterverwerking” doet vermoeden, uitsluitend betrekking op methaanemissies veroorzaakt door anaërobe gistingsreactoren bij industriële bedrijven en niet door installaties waarin communaal afwater wordt behandeld. In vervolg op deze studie is daarom door CBS in het kader van werkzaamheden binnen de taakgroep MEWAT een snelle ruwe schatting gemaakt van de mogelijke methaanemissies uit communale rioolwaterzuiveringsinstallaties. Uit deze ruwe schatting blijkt dat mogelijk 11 kton methaan, overeenkomend met 0,24 Mton CO2-equivalenten, uit communale rioolwaterzuiveringsinstallaties zou kunnen vrijkomen. De resultaten van beide exercities samen (0,34 Mton) zijn niet verwaarloosbaar klein. Voor NOVEM is dit aanleiding geweest om TNO-MEP te verzoeken om een projectvoorstel te maken voor twee protocollen waarmee de emissies uit beide bovenstaande bronnen jaarlijks geschat kunnen worden in het kader van de jaarlijkse emissiejaarrapportage. Doelen 1. Methodiekontwikkeling Om emissieberekeningen te kunnen uitvoeren zullen de werkbare methodes moeten worden verkend en ontwikkeld die jaarlijks kunnen worden toegepast om de emissies te bepalen volgens de globale richtlijnen van IPCC. 2. Emissieberekeningen van 1990 t/m 2003 Op grond van de ontwikkelingen in activiteiten zullen emissieberekeningen voor de gehele reeks van jaren van 1990 t/m 2003 moeten worden uitgevoerd. Deze ontwikkeling van emissies wordt separaat gerapporteerd. 3. Beschrijving van de methodieken in protocollen De methodiek die jaarlijks zal worden toepast moet worden beschreven volgens een van te voren vastgelegd format. In de protocollen zal tevens aandacht worden besteed aan de toekomstige kwaliteitscontrole (QA/QC-procedures). Ook deze procedures worden separaat gerapporteerd.
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
6 van 33
2.
Ontstaan van methaan en lachgas in afvalwaterzuivering
2.1
Beschrijving van het systeem
Figuur 1 geeft een vereenvoudigd schema van een AWZI. Afvalwater wordt aangevoerd en komt meestal terecht in een ontvangwerk. Hier komen gassen vrij (geur, CH4) die in het afvalwater opgelost zitten, of die via microbiële activiteit ontstaan. Vervolgens passeert het afvalwater nog een rooster, ter verwijdering van de grove delen (takken, stenen, pastic) en een zandvanger. In veel gevallen wordt het afvalwater daarna voorbezonken in voorbezinktanks. Op deze plek wordt het primair slib en bezinksel uit riool verwijderd. Vervolgens gaat het afvalwater de eigenlijke waterzuivering in. Deze waterzuivering bestaat uit een groot aantal stappen; de hoofdstap is de omzetting van verontreinigingen onder aërobe omstandigheden in een beluchtingstank of beluchtingsbassin. Deze aërobe behandeling kan vooraf worden gegaan door een anaërobe behandeling of een anoxische behandeling ten behoeve van de defosfatering respectievelijk denitrificering. CH4
biofilter afvalwater verzameling en transport
CH4
ontluchting
ontvangstkelder
voorbezinking
slibnabezinking
beluchtingsbassin
anaëroob/anoxisch deel
CH4
N 2O
aëroob deel
effluent
CH4
secundair slib slibvoorbehandeling
CH4
slibgisting
digestaat
primair slib/sediment andere wijze van slibverwerking
Figuur 1
eventuele reststoffen
Vereenvoudigde weergave van een AWZI en haar bronnen voor methaan en lachgas.
Tijdens de aërobe zuivering van afvalwater ontstaat zuiveringsslib (dit slib ontstaat ook tijdens het anaërobe proces). Dit zuiveringsslib wordt voor een belangrijk deel gevormd door de bacteriepopulatie, verantwoordelijk voor de aërobe afbraak van organisch materiaal (zie boven). In de nabezinking wordt slib uit het effluent verwijderd en teruggevoerd in het beluchtingsbassin. Een spui aan zuiveringsslib wordt via de slibnabezinking uit het beluchtingsbassin verwijderd, wat ontwaterd en vervolgens en in ongeveer de helft van de gevallen in Nederland anaëroob ver-
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
7 van 33
gist, samen met het primaire slib. Ook tijdens deze anaërobe vergistingsstap ontstaat methaan. In de andere helft van de waterzuiveringen wordt het slib niet vergist maar op een andere manier omgezet. In de meeste gevallen betreft dit een slibcompostering (aërobe omzetting), of wordt slib simultaan met de CZV omgezet in het beluchtingsbassin van de waterzuivering. Hierbij ontstaat geen biogas, maar alleen CO2. Na slibvoorbewerking wordt het slib gedroogd en gaat de slib tenslotte naar de eindverwerking. Deze eindverwerking kan composteren of storten zijn; in de laatste jaren wordt het grootste deel van het slib verbrand. Omdat tijdens de slibgisting en de daaropvolgende droging niet al het organisch materiaal in het gist is omgezet, kan in de stortplaats hieruit methaan ontstaan. Deze methaanemissie wordt echter meegenomen in de kwantificering van methaanemissies uit stortplaatsen.
2.2
Karakterisering van Nederlandse AWZI’s
CBS verzamelt karakteristieken en prestaties van de Nederlandse AWZI’s. Deze studie is voor een belangrijk deel gebaseerd op de bestanden van CBS. Een aantal relevante gegevens voor 2002 van de AWZI’s in Nederland uit de CBS-bestanden wordt hieronder weergegeven: Tabel 1
Gegevens AWZI’s in 2002 (CBS, 2004).
Aantal AWZI’s
380
Totale debiet afvalwater
2 miljard m3 jr-1
Totaal aangesloten populatie
15.700.000 personen
Vervuilingswaarde
26,8 miljoen inwonerequivalenten
CZVin
939 miljoen kg jr-1; 60 kg cap-1 jr-1
CZVuit
90 miljoen kg jr-1; 90% verwijderingsrendement
Nkj,in
86 miljoen kg jr-1; 5,5 kg cap-1 jr-1
Ntotaal,uit
1)
28 miljoen kg jr-1; 67% verwijderingsrendement -
1) Som van NKj en NO3
Onderscheid kan worden gemaakt tussen hoogbelaste en laagbelaste installaties. Het belangrijkste verschil tussen beide is de hoeveelheid actief slib in het bassin ten opzichte van de aanvoer van organische verontreiniging in het afvalwater. De laagbelaste installaties zijn over het algemeen wat kleiner. In veel laagbelaste installaties wordt het slib simultaan met de organische verontreinigingen gemineraliseerd in het beluchtingsbassin. Tabel 2 laat echter zien, dat dit niet het karakteristieke onderscheid is tussen hoogbelaste en laagbelaste installaties. Bij het opzetten van de methodiek is nagegaan of het zinvol is om onderscheid te maken tussen beide soorten installaties. Echter bij de methodiek die in hoofdstuk 3 wordt voorgesteld, levert dit onderscheid geen voordelen op en om die reden is hier verder vanaf gezien.
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
8 van 33
Tabel 2
Onderscheid hoogbelaste en laagbelaste AWZI’s (CBS, 2004). Laagbelast
Hoogbelast
Aantal installaties totaal debiet (m3) gem. debiet per installatie (m3)
321 1,28 miljard 4 miljoen
CZVin (kg jr-1) CZV- verwijderingsrendement NKj,in (kg jr-1) Ntot-verwijderingsrendement
590 91% 53 75%
349 89% 33 55%
38% 54%
81% 3%
hoeveelheid slib verwerkt door slibgisting1) hoeveelheid slib gemineraliseerd in het beluchtingsbassin1)
59 0,76 miljard 13 miljoen
1) Percentages hebben betrekking op de fractie van het geproduceerde slib, dat wordt gemineraliseerd in het beluchtingsbassin, resp. wordt vergist in een slibgisting.
2.3
Ontstaan van methaan
Onder aërobe omstandigheden wordt biodegradeerbaar organisch materiaal (DOC) in het afvalwater bacteriologisch omgezet naar CO2. Methaan wordt gevormd onder anaërobe omstandigheden. DOC in afvalwater in of het slib wordt hierbij in een eerste stap gehydrolyseerd en vervolgens door methanogene bacteriën omgezet in biogas: een mengsel van CO2 en methaan. CO2
DOC
CO2
aëroob
slib
anaëroob
biogas biogas
Figuur 2
Vorming van methaanhoudend biogas uit organisch materiaal.
De overall reactievergelijking van de anaërobe omzetting van DOC is
(CH2O)n Æ ½ n CH4 + ½ n CO2 Volgens deze reactievergelijking wordt per kg DOC 16/60 (≈ 0,27) kg methaan gevormd, hetgeen goed in overeenstemming is met de defaultwaarden die IPCC formuleert: 0,25 kg methaan per kg anaëroob omgezette DOC en 0,2 kg methaan per kg anaëroob omgezet slib (IPCC, 1996, GPG-background papers, 2001).
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
9 van 33
2.4
Lachgas
Lachgas kan ontstaan als nevenproduct bij nitrificatie en denitrificatie van stikstofhoudende verontreinigingen. Tijdens de nitrificatie wordt ammonium omgezet tot nitraat:
NH4+ Æ NH2OH Æ NO2- Æ NO3Wanneer onvoldoende zuurstof aanwezig is, kan NO2- als oxidant dienen, waarbij N2O ontstaat. N2O wordt ook gevormd tijdens de opvolgende denitrificatie:
NO3- Æ NO2- Æ NO Æ N2O Æ N2 Nitrificatie- en denitrificatieprocessen zijn wereldwijd de belangrijkste bron voor N2O. De bulk hiervan ontstaat uit stikstof in al dan niet bemeste bodems. N2O uit nitrificatie/denitrificatie heeft in de afgelopen 10 jaar dan ook veel aandacht gehad en de kennis van N2O-vorming in de bodem staat aan de basis van de IPCCemissiefactoren. IPCC geeft een default waarde van 0,01 kg N2O-N per kg afvalwater-N. Dit is echter zeer onzeker, gezien de range die IPCC (1996, 2001) zelf aangeeft (0,002-0,12 kg N2O-N per kg afvalwater-N).
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
10 van 33
3.
Emissies uit communaal afvalwater
3.1
Methaanemissies uit AWZI’s
3.1.1
IPCC-Methodiek
Als methodiek voor het kwantificeren van methaanemissies uit AWZI’s beveelt IPCC (1996) de volgende driestappenmethode aan: Stap 1: bepaal de hoeveelheid biodegradeerbare organische component en de hoeveelheid slib. Stap 2: bepaal de emissiefactor van methaan uit afvalwater en slibbehandeling. Stap 3: bepaal de emissie van methaan. Voor al deze stappen definieert IPCC (1996, 2001) default-waarden, waarvan gemotiveerd kan worden afgeweken. Voorgesteld wordt om bij de kwantificering van methaanemissies dicht bij deze IPCC-methodiek te blijven. In de volgende paragrafen wordt de IPCC-methodiek stap voor stap doorlopen.
3.1.2
Stap 1: bepaal de hoeveelheid biodegradeerbare organische component en de hoeveelheid slib
a) bepaling hoeveelheid organische componenten in afvalwater De hoeveelheid biodegradeerbare organische component (DOC) in het afvalwater wordt niet gemeten. In plaats daarvan worden twee indicatoren bepaald, welke er veel op lijken: het biologisch zuurstofverbruik (BZV) en het chemisch zuurstofverbruik (CZV): − Het biologisch zuurstofverbruik wordt bepaald door afvalwater te enten met actief slib en gedurende een bepaalde tijd (veelal 5 dagen) aan een zuurstofrijke omstandigheden bloot te stellen en de consumptie van zuurstof en de vorming van CO2 te bepalen. Deze BZV5 is echter een onderschatting van de biodegradeerbare organische component, omdat een deel van het biodegradeerbaar materiaal in deze vijf dagen onder aërobe omstandigheden niet is omgezet. Eigenlijk zou een BZV-test oneindig lang moeten worden doorgevoerd (BZVu) om een goede indruk te krijgen van afbreekbare organische component. BZV5 is in de ordegrootte van 60-70% van BZVu (Metcalf and Eddy, 1991). − Het chemisch zuurstofverbruik wordt bepaald door afvalwater met een chemische oxidant (dichromaat) gedurende twee uur te verhitten. De CZV wordt vervolgens bepaald uit de dichromaatconsumptie. De CZV is echter een overschatting van de biodegradeerbare component, omdat ook niet biologisch afbreekbaar organisch materiaal en bepaalde metalen kunnen reageren met dichromaat.
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
11 van 33
IPCC (1996, 2000) en Doorn et al. (1997) bevelen aan om CZV te gebruiken als indicator voor BOC. IPCC geeft een default-methode om de hoeveelheid biodegradeerbare organische component in te schatten op basis van bevolkingsgrootte en een schatting voor de per capita productie van DOC. In Nederland is echter de CZV-toevoer aan en omzetting in zuiveringsinstallaties goed bekend en daarom wordt voorgesteld om de Nederlandse kwantificering hierop te baseren, in plaats van op de bevolkingsomvang. b) vaststellen hoeveelheid geproduceerd slib De hoeveelheid in het beluchtingsbassin van AWZI’s geproduceerd slib wordt in Nederland niet door CBS geregistreerd. Een aantal slibgerelateerde parameters wordt echter wel bijgehouden, zoals de biogasproductie uit slibgistingsinstallaties, de hoeveelheid droge stof en organische droge stof in het digestaat van de slibgisting. Voor 2001 zijn bovendien gegevens bekend van de omzetting van droge stof in de slibgisting. Voor 2001 kan dus een inschatting worden gemaakt van de hoeveelheid organische droge stof voor slibgisting uit de omzetting van droge stof en de hoeveelheden droge stof en organische droge stof. Wanneer de hoeveelheid organische droge stof in het slib wordt vergeleken met statistieken uit 2001 over de afname van CZV in AWZI’s en de hoeveelheid geproduceerd biogas in de gistingsinstallaties, dan lijkt 40% van de CZV in AWZI’s te zijn omgezet naar slib; omzetting van organisch materiaal in het slib produceert vervolgens 1,1 m3 biogas per kg omgezette droge stof (CBS, 2004). Tabel 3
Verwijdering van CZV en vorming van organische droge stof (o.d.s.) in slib voor AWZI’s met slibgisting: interpretatie van CBS-gegevens over 2001.
CZV, slib en biogasafbraak en vorming omzetting CZV opname o.d.s. in slib
totaal van de installaties met slibgisting 257 miljoen kg 1) 91 miljoen kg
opmerking 27% van totale Nederlandse CZV-verwijdering in 2001 35% van afname CZV
omzetting o.d.s. in slibgisting
38 miljoen kg
42% van de o.d.s. in slib
productie van biogas
44 miljoen m3
1,1 m3 per kg o.d.s. omgezet
1) N.B. deze gegevens wijken iets van de gegevens in tabel 1, welke betrekking hebben op het jaar 2002.
De kwaliteit van de inschatting van de geproduceerde hoeveelheid slib lijkt goed. Dit wordt bevestigd doordat de onafhankelijk van elkaar gemeten gasproductie en de statistieken over slibproductie goed met elkaar in overeenstemming zijn. Theoretisch wordt per kg omgezet organisch materiaal iets minder dan 1 m3 biogas geproduceerd. De biogasproductie zoals die bij de AWZI’s wordt gemeten, is gebaseerd op nat biogas en wordt niet P,T-gecorrigeerd en daarmee kan de iets verhoogde waarde van 1,1 m3 per kg omgezet organisch materiaal worden verklaard.
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
12 van 33
Voorgesteld wordt om in de Nederlandse methodiek aan te nemen dat 35% van de binnenkomende CZV als slib wordt verkregen.
3.1.3
Stap 2: bepaal de emissiefactor van methaan uit afvalwater en slibbehandeling
a) vorming in afvalwater De vorming van methaan (CH4,form) in afvalwater kan worden berekend uit de totale omzetting van DOC en de fractie hiervan die onder anaërobe omstandigheden wordt omgezet:
EFAWZI = B0 * ηDOC * MCFAWZI B0 is hierin de hoeveelheid methaan (in kg), welke wordt gevormd bij de anaërobe omzetting van 1 kg BOD. IPCC (1996) geeft een default voor B0 van 0,25 kg per ton DOC. Deze defaultwaarde is in overeenstemming met de theoretische vorming van methaan uit koolwaterstoffen.1 Er is geen aanleiding om hiervan af te wijken voor de NL situatie.
ηDOC is de mate waarin DOC wordt omgezet naar gasvormige componenten (in %). Het rendementDOC kan worden bepaald uit statistieken over het effluent in Nederlandse zuiveringsinstallaties. Het gemiddelde verwijderingsrendement van CZV in Nederlandse AWZI’s is 90%. 10% van de CZV wordt omgezet in actief slib (zie 3.1.2 onder b), dus de conversie naar gasvormige componenten is 80%. MCFAWZI is de methaan correctie factor; de fractie van de DOC welke onder anaërobe omstandigheden wordt afgebroken. Afvalwater in de verzamel- en transportleidingen van het riool en in de eerste behandelingsstappen van een AWZI kan aan anaërobe omstandigheden worden blootgesteld. Het is bekend dat hierbij methaan wordt gevormd. De bepaling van MCF levert echter problemen op, omdat goede informatie nog ontbreekt. − IPCC-default De IPCC-default waarden (IPCC, 1996), wanneer geen verdere informatie beschikbaar is, is 0. In een attachment bij de backgroundpapers bij de IPCC-Good practice guidelines (IPCC, 2001) wordt verwezen naar Doorn et al. (1997). Deze
1
Wanneer de wat beter afbreekbare koolwaterstoffen (met de bruto-formule (CH2O)n) onder anaërobe omstandigheden worden omgezet, kan de theoretische methaanvorming worden berekend uit: (CH2O)n Æ ½ n CH4 + ½ N CO2 Theoretisch wordt per mol CH2O (30 g) een halve mol (8 g) CH4 geproduceerd, hetgeen overeen komt met 0,27 g methaan per g CH2O omgezet.
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
13 van 33
stelt een waarde van 5% voor Amerikaanse AWZI’s en een waarde van 3,5% voor Europese installaties. − Uit verblijftijden in anaërobe deel en vormingssnelheden van methaan Op basis van statistieken van het aanwezige leidingensysteem en het volume aan afvalwater verzameld, getransporteerd en behandeld (CBS, 2004) kan een inschatting worden gemaakt van de gemiddelde verblijftijd van afvalwater onder deze anaërobe omstandigheden. Tabel 4 geeft een overzicht van de gemiddelde verblijftijd in de diverse anaërobe zones. Tabel 4
Gemiddelde verblijftijd in rioolsysteem en anaërobe en anoxische zones in de AWZI. Gemiddelde verblijftijd (indien aanwezig)
gemeentelijk rioolstelsel transportstelsel
% AWZI’s met anaërobe of anoxische voorfase
n.b.1) 5 uur
anaërobe voorfase
1¼ uur
24%
anoxische voorfase
1¼ uur
22%
1) n.b. is niet bekend
Tabel 4 geeft de gemiddelde verblijftijd. Afvalwater, zoals dat in het riool terecht komt is echter niet homogeen. Een belangrijk deel van het organisch materiaal is echter vast en dit rioolsediment heeft een langere verblijftijd en kan dagen in het riool blijven. Hierbij speelt mee dat Nederland vlak is en het rioolwaterstelsel niet onder een al te groot afschot kan worden ontworpen, waardoor vooral in tijden met weinig neerslag de verblijftijd van het rioolsediment lang is (Korving, 2004). Figuur 2 geeft de afbraak van DOC weer in afvalwater onder anaërobe omstandigheden bij 35 °C. Uit deze figuur blijkt dat onder deze omstandigheden en bij een verblijftijd van enkele dagen, enkele procenten van organisch materiaal kunnen worden omgezet. De omzetting van DOC is echter sterk temperatuurafhankelijk en bij lagere temperaturen neemt de snelheid van methaanvorming snel af. Echter zelfs bij temperaturen rond 10 °C kan methanogenese nog optreden (Burton en Watson-Craik, 1997).
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
14 van 33
Figuur 3
Omzetting van COD (chemical oxygen demand, CZV) in afvalwater onder anaërobe omstandigheden (Valentini et al., 1997).
De daadwerkelijke vorming is afhankelijk van onder meer verblijftijd in de anaërobe zones en de temperatuur in het riool. Hiermee zal de mate van anaërobe omzetting sterk seizoensgecorreleerd zijn: in de winter zijn de temperaturen laag en is ook de verblijftijd kort als gevolg van de verhoogde regenval en zal de methanogenese minder zijn, dan in de zomermaanden. Als anaërobe afbraak van organisch materiaal daadwerkelijk optreedt in het rioleringsstelsel, dan komt dit mogelijk tot uitdrukking in een seizoensfluctuatie van het CZV-aanbod aan de AWZI’s. Figuur 3 geeft de seizoensfluctuatie weer van het CZV aanbod, zoals in 2003 is waargenomen op de AWZI’s van het waterschap Vallei en Eem (van Doorn, 2004). Voor de maanden juli, augustus en september wordt een lichte daling waargenomen. Dit hoeft echter niet geheel door omzetting in het rioleringsstelsel te worden veroorzaakt, maar kan ook deels een andere oorzaak hebben.1 Uit figuur 3 kan echter wel een bovenschatting voor de afbraak in het riool worden vastgesteld. Als wordt aangenomen dat het aanbod van CZV gedurende het jaar constant is, fluctuaties in CZV geheel verklaard kunnen worden door afbraak van CZV in het rioleringsstelsel en als de afbraak in het rioleringsstelsel in de koude, natte wintermaanden verwaarloosbaar wordt verondersteld, dan wordt voor de maanden juli, augustus en september een gemiddelde afbraak van 13% berekend, oftewel een jaargemiddelde afbraak van 3,5%.
1
Een reden kan ook worden gevonden in de vakantieperiode, tijdens welke minder mensen in de omgeving verblijven. Dit vakantie-effect wordt deels gecompenseerd door de AWZI’s te Bennekom en Woudenberg, waar veel campings op zijn aangesloten. N.B. er wordt ook een lichte daling waargenomen in maart. Dit kan in ieder geval deels worden verklaard uit de vogelpestepidemie, welke in die maanden heeft geleid tot de ruiming en tijdelijke sluiting van veel kippenhouderijen en slachterijen in de regio.
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
15 van 33
2,5
CZV aanbod t.o.v. gemiddeld
Renkum Amersfoort
2
Ede Soest
1,5
Veenendaal Nijkerk
1
Bennekom Bunschoten
0,5
Woudenberg gemiddelde
0 dec-02
mrt-03
jun-03
okt-03
jan-04
maand
Figuur 4
Fluctuatie van het aanbod van CZV ten opzichte van het jaargemiddelde aanbod in 2003 voor AWZI’s.
De methaan die in het riool wordt gevormd, komt waarschijnlijk voor een belangrijk deel vrij in de ontvangstkelder. Om geuroverlast te voorkomen wordt lucht uit de opvangkelder vaak behandeld in een biofilter. In dit biofilter wordt ook een deel (in de ordegrootte van 50%: Gebert et al, 2001; Scharff et al, 2003) van de methaan afgebroken. Strikt genomen zou een correctie voor afbraak in dit biofilter in stap 3 niet in de MCFAWZI moeten worden meegenomen. Echter om de methodiek voor inschatten van methaanemissies uit AWZI’s in overeenstemming met de IPCCmethodiek te houden, definiëren we hier MCFAWZI = vorming in riool* (1-fractie afgebroken in het biofilter). Conclusie In het rioleringsstelsel kan methaan ontstaan, met name in de zomermaanden als gevolg van een combinatie van hoge temperaturen en lange verblijftijden. Op basis van de interpretatie van de seizoensfluctuatie van het CZV-aanbod aan AWZI’s, lijkt deze anaërobe afbraak van organisch materiaal in het riool beperkt te blijven tot maximaal 3,5%. De helft hiervan zal worden omgezet in het biofilter van de ontvangstkelder, zodat MCF maximaal 2% zal bedragen. − Interpretatie emissiemetingen Er zijn enkele emissiemetingen beschikbaar van methaan uit AWZI’s. Czepiel (1993) heeft in de zomermaanden via een groot aantal metingen aan allerlei onderdelen van één AWZI de verdeling van methaanemissies vastgesteld. Doorn et al. (1997) schatten op basis hiervan dat de methaanemissies op 1,7.10-3 g CH4 per g BZV5 verwijderd. Onder aanname van een verhouding CZV/BZV in het influent van 2,6 (samenstelling van Nederlands influent in 2002), wordt een methaanemissie berekend van 0,6.10-3 g CH4 per g CVZ verwijderd. Per g CZV dat onder anaë-
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
16 van 33
robe omstandigheden wordt omgezet ontstaan 0,25 g CH4 (B0 = 0,25), dus de geschatte MCF uit deze meting is 0,24%. Hensen (2001) meet in de periode april-juni 2002 de totale methaanemissies aan vier AWZI’s in Noord-Holland: in Heiloo wordt een emissie van 12-18 kton per jaar gemeten; in Alkmaar kunnen geen emissies worden vastgesteld; in Beverwijk wordt een emissie van 10-30 kton gemeten en bij Geestmerambacht wordt wel een methaanpluim waargenomen, maar deze wordt niet geïnterpreteerd. Al deze emissies zijn op grotere afstand van de bron gemeten en zijn dus inclusief eventuele emissies van de slibgisting. Deze waarden zijn dus maximale waarden voor emissies uit de waterlijn. In tabel 5 worden de emissies vergeleken met de specifieke CZV-afbraak in de desbetreffende installaties en is de CH4-productie uitgezet als percentage van de CZV-omzetting. Tabel 5
Interpretatie van resultaten emissiemetingen methaan uit AWZI’s.
Czepiel et al. (1993) Hensen (2001)
CH4-emissie (% omgezet CZV)
MCF (%)
0,06
0,24
0,3-0,4
1,2-1,6
0
0
0,1-0,2
0,4-0,8
opmerking sommatie van meetresultaten voor afzonderlijke delen AWZI, excl. slibgisting Heiloo, incl. slibgisting Alkmaar, inclusief slibgisting Beverwijk, incl. slibgisting
Conclusie MCFAWZI IPCC geeft een default-MCFAWZI van 0. Dit is niet helemaal reëel, aangezien wel degelijk methaan ontstaat in het rioleringsstelsel en in de anaërobe delen van de zuivering. In de backgroundpapers van de good practice guidelines (IPCC, 2001) wordt verwezen naar Doorn et al. (1997), welke de MCFAWZI voor Europese landen schatten op 3,5%. Emissiemetingen en een analyse van fluctuaties van CZVaanbod aan AWZI’s lijken aan te geven dat ook deze 3,5% een overschatting kan zijn. De methaanemissies uit waterzuivering zijn echter een kleine bron (zie hoofdstuk 5.5) en dragen ook niet belangrijk bij aan de emissiereductie van broeikasgassen. Om die reden wordt voorgesteld qua emissiefactoren dicht bij de IPCC-methodiek te blijven en de MCFAWZI van 3,5% te handhaven. Aanbevolen wordt om bovenbeschreven inzichten in te brengen in het IPCC-proces, welke binnenkort van start gaat en welke mogelijk zal leiden tot nieuwe default-waarden voor MCFAWZI. b) vorming in slibgisting De methaan, welke wordt gevormd in de slibgisting kan worden berekend uit:
EFslib = B0, slib * rendementslib * MCFslib B0, slib is hierin de hoeveelheid methaan (in kg), welke wordt gevormd bij de anaërobe omzetting van 1 kg BOD. IPCC (1996) geeft een default voor B0 van 0,2 kg
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
17 van 33
per ton DOC. Deze defaultwaarde is in overeenstemming met de theoretische vorming van methaan uit koolwaterstoffen.1 Rendementslib is de omzetting van slib in de anaërobe vergister. In een anaërobe vergister wordt gemiddeld 42% van het organisch materiaal omgezet (zie tabel 3). MCFslib is de methaan correctie factor; de fractie van de het organisch materiaal in het slib welke onder anaërobe omstandigheden afbreekt. Ongeveer 54% van de DOC in Nederland wordt afgebroken in een installatie met slibgisting (gewogen gemiddelde laag- en hoogbelaste installaties, zie ook tabel 2), dus de MCFslib is 0,54.
3.1.4
Stap 3: bepaal de emissie van methaan
a) emissie in afvalwater De emissie in afvalwater kan vervolgens worden bepaald uit
CH4, AWZI = DOCAWZI * EFAWZI b) emissie in de slibgisting
CH4, slib = slib * EFslib * (1-MRslib) MRslib is de fractie van de methaan die wordt afgevangen en verbrand in ketels, gasmotoren of fakkels. IPCC (2001) stelt de emissiefactoren voor van Hobson en Palfrey (1996), welke de methaanverliezen als gevolg van lekkage uit anaërobe slibvergisting schatten op 6-11% (zie tabel 6). In Nederland zijn alle slibvergisters uitgerust met vaste daken, dus het methaanverlies zal beperkt zijn en waarschijnlijk nog minder zijn dan deze 6% aan de onderkant van de range (Luning, 2004). De MRslib is voor Nederland dus minimaal 94%.
1
Wanneer de wat beter afbreekbare koolwaterstoffen (met de bruto-formule (CH2O)n) onder anaërobe omstandigheden worden kan de theoretische methaanvorming worden berekend uit: (CH2O)n Æ ½ n CH4 + ½ N CO2 Theoretisch wordt per mol CH2O (30 g) wordt een halve mol (8 g) CH4 geproduceerd, hetgeen overeen komt met 0,27 g methaan per g CH2O omgezet.
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
18 van 33
Tabel 6
Lekken uit anaërobe slibgisting (Hobson en Palfrey, 1996; IPCC, 2001).
Diffuse emissies
5%
Verliezen via annulaire ruimte drijvende daken
0-5%
Venting en onvolledige verbranding in fakkels/gasmotoren Totaal
3.2
Watt (1994) 0% voor vaste daken; 5% voor drijvende daken
1% 6-11%
Emissies uit septic tanks
De emissies uit septic tanks kan volgens dezelfde drie-stappen methodiek worden vastgesteld als emissies uit communaal afvalwater:
3.2.1
Stap 1: bepaal de hoeveelheid biodegradeerbare organische component en de slibvorming
De hoeveelheid organische component verwerkt in septic tanks (DOCst) kan worden berekend uit het per capita DOC-aanbod (DOCcap) en het aantal personen aangesloten op septic tanks
DOCst = nst * DOCcap Volgens opgave van RioNed (2004) zijn in Nederland in totaal 260.000 inwoners niet aangesloten op de riolering. Aangenomen wordt dat de afvalwaterproductie van deze groep even groot is als de afvalwaterproductie van de aangesloten Nederlanders en dus is het per capita vorming van BOD is deze groep 60 kg per capita (zie tabel 1). Aangenomen wordt dat de slibvorming verwaarloosbaar is, aangezien de verblijftijd in een septic tank voldoende lang is om slib vrijwel volledig te mineraliseren.
3.2.2
Stap 2: bepaal de emissiefactor van methaan uit afvalwater
De emissiefactor wordt berekend uit
EFst = B0,st * ηst * MCFst B0,st is hierin de hoeveelheid methaan is (in kg), welke wordt gevormd bij de anaërobe omzetting van 1 kg BOD. IPCC (1996) geeft een default voor B0 van 0,25 kg
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
19 van 33
per ton DOC. Deze defaultwaarde is in overeenstemming met de theoretische vorming van methaan uit koolwaterstoffen.1
ηst is de mate waarin DOC wordt omgezet. Aangenomen wordt dat de verblijftijd in een septic tank zo lang is dat alle organische componenten volledig worden omgezet. Doorn en Liles (1999) schatten dat 50% van het organisch materiaal in een septic tank anaëroob wordt afgebroken en dus methaan genereert. De MCFst voor septic tanks wordt dus vastgesteld op 0,5.
3.2.3
Stap 3: bepaal de emissie van methaan
De methaanemissie uit septic tanks (CH4,st) kan worden berekend uit:
CH4, st = DOCst * EFst 3.3
Lachgasemissies
IPCC-methodiek N2O ontstaat tijdens nitrificatie/denitrificatieprocessen in de AWZI. De emissie van N2O (N2OAWZI) kan worden berekend uit het stikstofgehalte in het influent NKj,influent en het omzettingsrendement van stikstof in de AWZI (ηNkj)
N2OAWZI = EFN2O * NKj, influent * ηNkj IPCC geeft een default waarde voor EFN2O van 0,01 kg N2O-N per kg NKj, welke in de AWZI wordt omgezet. De waarde van deze default-waarde is gebaseerd op inzichten in vorming van N2O tijdens nitrificatie/denitrificatie processen in landbouwgronden. De waarde is echter zeer onzeker, gezien de range die IPCC zelf aangeeft (0,002-0,12 kg N2O-N per kg afvalwater-N).
1
Wanneer de wat beter afbreekbare koolwaterstoffen (met de bruto-formule (CH2O)n) onder anaërobe omstandigheden worden omgezet kan de theoretische methaanvorming worden berekend uit: (CH2O)n Æ ½ n CH4 + ½ N CO2 Theoretisch wordt per mol CH2O (30 g) een halve mol (8 g) CH4 geproduceerd, hetgeen overeen komt met 0,27 g methaan per g CH2O omgezet.
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
20 van 33
Emissiemetingen Deze emissiefactor lijkt aan de hoge kant, wanneer ze worden vergeleken met resultaten van gepubliceerde metingen (overzicht in tabel 7): − Körner (1993) meet N2O-concentraties in het afvalwater van vier installaties en meten een N2O-emissie van 0,01% tot 0,33% van de Nkj-aanvoer. Onder aanname van een N-rendement van 80% komt dit neer op 0,01-0,4% van de omgezette hoeveelheid Nkj. − Doorn en Scheehle (2003) refereren aan Schön (1993), welke een emissie van 7 g N2O per persoon per jaar rapporteert voor installatie met denitrificatie/denitrificatie. Uitgaande van een opname van proteïne-N per persoon in Duitsland van 5,4 kg per jaar, van een omzettingsrendement van Nkj in de waterzuivering van 80%, komt dit neer op 0,2% van de hoeveelheid Nkj die door nitrificatie/denitrificatie wordt verwijderd.1 − Veltkamp en Oenema (1994) hebben metingen uitgevoerd aan twee Nederlandse AWZI’s. In één geval bleken de emissies ongeveer 0,005% van de hoeveelheid Nkj die door nitrificatie/denitrificatie werd verwijderd. In het tweede geval bleek de emissie 0,07% te zijn. − DeBruijn et al. (1994) nemen monsters uit waterzuiveringen van drie AWZIs en bepaling daarin de N2O-vorming onder laboratoriumcondities. Op basis daarvan schatten ze de N2O-vorming in afvalwater op 0,8 mg N2O per g gesuspendeerde stof. ‘Bij een CZV/Nkj-verhouding van 10:1 komt dit neer op ongeveer 0,5% omzetting van Nkj in het effluent. − v. Schultess et al. (1994 en 1995) modelleren N2O-vorming in AWZI’s op basis van laboratoriumexperimenten en valideren dit model aan de hand van metingen aan één Zwitserse installatie (v. Schultess en Gujer, 1996). Zij komen tot de conclusie dat zelfs bij ongunstige omstandigheden de N2O-vorming beperkt blijft tot 0,07% van de stikstof in het influent van de AWZI. − Wicht et al (1995) meten lachgasconcentraties in de waterfase bij 25 communale en 12 industriële installaties in Duitsland. In de helft van de communale installaties werd geen N2O gemeten. Dit waren meestal laagbelaste installaties met een hoge stikstofomzetting. Op basis van de resultaten werd de N2O-Nvorming uit Nkj geschat op gemiddeld 0,6%. − Op basis van emissiemetingen aan één installatie schatten Czepiel et al. (1995) de Amerikaanse N2O- emissie op 3,2 g N2O (2 g N2O-N) per persoon per jaar. Uitgaand van een gemiddelde Nkj-productie van gemiddeld 9,4 kg per persoon per jaar (Scheehle en Doorn, 2003) en een verwijderingsrendement van in de AWZI van 80%, komt dit neer op een N2O-vorming van 0,03% van de hoeveelheid Nkj. − Scheehle en Doorn (2003) stellen deze emissiefactor nog enigszins naar boven bij door het stikstofaanbod te corrigeren voor het Nkj-aanbod van kleinere bedrijven aan deze communale waterzuivering.
1
Proteïne consumptie in Duitsland in 1993 was 92,2 gram per dag, oftewel 34 kg per jaar. 16% hiervan is stikstof (Doorn et al., 1997), dus de stikstofopname is 5,4 kg per jaar.
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
21 van 33
−
Hensen (2001) meet methaan en lachgasemissies aan vier AWZI’s in NoordHolland en meet alleen bij de installatie van Alkmaar (hoogbelast) een lachgasemissie in ordegrootte van 2,5% van de hoeveelheid stikstof die daar wordt omgezet. Bij drie andere RWZI’s (twee laagbelast, één hoogbelast) wordt geen N2O waargenomen.
Tabel 7
Emissies van lachgas uit AWZI’s.
Referentie
N2O-emissie opmerkingen (% van Nkj omgezet)
IPCC (1996)
1 (met een onzekerheidsmarge van 0,2 – 12)
Körner et al. (1993)
0,01-0,4
Extrapolatie van inzichten m.b.t. N2Ovorming in bemeste bodems vier metingen aan AWZI’s
Schön (1993)
0,2
metingen aan één installatie
DeBruijn et al. (1994)
0,5
Vorming van N2O in het laboratorium uit monsters uit 3 AWZI’s
Veltman en Oenema (1994)
0,07-0,005
twee metingen aan AWZI’s
v. Schultess et al. (1994, 1995, 1996)
< 0,07
Op basis van model, gevalideerd door metingen aan één AWZI
Wicht et al. (1995)
0,6
gemiddelde van metingen aan 25 communale AWZI’s
Czepiel (1995)
0,03
meting aan één installatie
Hensen (2001)
0-2,5
drie metingen aan AWZI’s
Scheehle (2003)
0,05
interpretatie resultaat Czepiel (1995)
Voorstel Nederlandse methodiek De lachgasemissies uit waterzuivering blijken echter een kleine bron (zie hoofdstuk 5.5) en dragen ook niet belangrijk bij aan de emissiereductie van broeikasgassen. Om die reden wordt voorgesteld qua emissiefactoren dicht bij de IPCC-methodiek te blijven en de emissiefactor van 1% te handhaven. Aanbevolen wordt om bovenbeschreven inzichten in te brengen in het IPCC-proces, welke binnenkort van start gaat en welke mogelijk zal leiden tot nieuwe default-waarden voor deze emissiefactor.
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
22 van 33
4.
Emissies uit industrieel afvalwater
4.1
Industrieel afvalwater, beschikbare gegevens
Industrieel afvalwater wordt in veel gevallen behandeld in een anaërobe zuiveringsinstallatie. In de meeste gevallen betreft dit een anaërobe eerste stap voor een aërobe nazuivering. Voor deze anaërobe industriële installaties is niet zoveel informatie beschikbaar dan voor de communale zuiveringen. Informatie is alleen beschikbaar m.b.t. het aantal installaties en de ontwerpcapaciteit in inwonersequivalenten (i.e., zie tabel 8). Tabel 8
Aantal anaërobe zuiveringsinstallaties in de industrie (CBS, 2004).
Bedrijfstak Voedingsmiddelenindustrie w.o. - aardappelverwerking - (zet)meelindustrie - bierbouwerijen - overige drankenindustrie - overige voedingsmiddelenindustrie
aantal awzi's Ontwerpcapaciteit CZV/BZV-ratio (1000 i.e.) 38
4663
14 5 6 2 13
1789 945 731 99 853
Papier-/karton(waren)industrie Chemische industrie
2 6
255 567
2 2
Overige zakelijke dienstverlening Milieudienstverlening Overige bedrijven
2 2 2
455 264 118
2 2 2
54
6076
Totaal
4.2
1,5 1,5 2 2 2
Bepaling van methaanemissies
De methaanemissie uit anaërobe zuiveringen kan in de IPCC-driestappenmethodiek worden bepaald:
4.2.1
Stap 1: bepaal de hoeveelheid biodegradeerbare organische component in de anaërobe vergister
IPCC-methodiek IPCC (1996, 2001), en Doorn et al. (1997, 2003) beschrijven methoden voor kwantificering van methaanemissies uit industriële bronnen, waarmee op basis van productiegegevens de hoeveelheid afvalwater en kwaliteit afvalwater kan worden ingeschat. Hiervoor worden voor een groot aantal sectoren binnen de voedingsmid-
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
23 van 33
delenindustrie default waarden voorgesteld voor afvalwaterproductie en BZV/CZV-gehaltes in dit afvalwater. Er zijn een aantal problemen bij toepassing van de IPCC-methodiek: − Voor een aantal niet-voedingsmiddelen sectoren zijn geen default waarden beschikbaar. − Voor de groep ‘overige voedingsmiddelen’ is daarentegen weer zulke gedetailleerde default-informatie aanwezig, dat de bijbehorende activiteiten moeilijk te achterhalen zijn. − De default-waarden zijn onnauwkeurig, getuige de range die wordt aangegeven bij zowel de hoeveelheid afvalwater per eenheid product als de samenstelling van dit afvalwater. Bijvoorbeeld voor bier geeft IPCC (1996) een afvalwatervorming van 5-9 m3 per m3 bier en CZV-waarden in dit afvalwater van 1-17 kg CZV per m3 afvalwater. De hoeveelheid CZV per m3 bier wordt dan 5-150 kg CZV per m3 bier. Voorstel voor Nederlandse methode Om deze reden wordt voorgesteld de schatting voor de hoeveelheid DOC in anaërobe vergisters te baseren op de geïnstalleerde capaciteit. De gemiddelde belastingsgraad van Nederlandse anaërobe vergisters is 80% (Habets, 2004). De hoeveelheid DOC in het industrieel afvalwater kan dan worden berekend als:
DOCind = belastingsgraad * capaciteit (in i.e.) * BZV/i.e. * CZV/BZV Hierin is 54 g BZV per dag per i.e. Doorn et al. (1997) geven waarden voor CZV/BZV-ratio’s in industrieel afvalwater. Deze zijn opgenomen in Tabel 8.
4.2.2
Stap 2: bepaal de vorming van methaan in de anaërobe vergister
De vorming van methaan kan worden berekend uit de omzetting van DOC in een anaërobe waterzuivering en de vorming van methaan per kg omgezette DOC.
EFst = B0,ind * ηind * MCFind B0,ind is de hoeveelheid methaan, welke wordt gevormd per kg omgezette DOC. Paques en Heineken (beide in Doorn, 1997) geven een methaanvorming van gemiddeld 0,22 kg per kg omgezette DOC (zie ook tabel 9). ηind is het verwijderingsrendement van DOC in de vergister: ongeveer 80% (tabel 9)
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
24 van 33
MCFind is de mate waarin de afbraak onder anaërobe omstandigheden plaatsvindt. Dit is voor de groep van anaërobe vergisters gelijk aan 1. Tabel 9
Vorming van methaan in een anaërobe vergister.
Sector
CZVinfluent
BZVinfluent
CZV-verwijderingsrendement
Methaanproductie (kg/kg DOC)
Brouwerijen
1,5-7
1-4,5
75-90
0,25
Aardappelverwerking
4-16
2,4-7
70-80
0,16
Meelproductie
1,5-42
1-25
65-85
0,21
Papierproductie
1,5-8
0,8-4
75-85
0,24
4.2.3
Stap 3: bepaal de emissie van methaan
De methaanemissie uit industriële anaërobe vergisters (CH4, ind) kan worden berekend als
CH4,ind = DOCind * EFind * (1-MRind) MRind is de fractie van de methaan, die wordt afgevangen in de anaërobe zuivering en wordt verbrand in ketels, gasmotoren of fakkels. Lekverliezen van methaan uit anaërobe zuiveringen zijn volgens opgave van Paques in de regel zeer gering. Bij ontwerp en beheer van zuiveringen bestaat hier veel aandacht voor, omdat methaanemissie gepaard gaat met geuroverlast en dat laatste wil men vermijden. De benutting van het gas vindt voornamelijk plaats in ketels en soms in fakkels, waarvan het rendement van methaanvernietiging groot is (>> 99%). Slechts een klein deel van de methaan wordt benut in gasmotoren, welke een methaanslip kunnen hebben van 1 à 2% (Polman et al., 2001). Volgens Paques is de emissie van methaan uit vergisters maximaal 1% en waarschijnlijk in de praktijk nog aanzienlijk minder (Habets, 2004). Voorgesteld wordt om 1% aan te houden als waarde voor MRind.
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
25 van 33
5.
Uitwerking methodiek
5.1
Methaanemissies uit AWZI’s
De methodiek die in hoofdstuk 4.1 is voorgesteld sluit aan bij de IPCC-methodiek (1996). Er zijn een aantal afwijkingen, welke de nauwkeurigheid van de schatting bevorderen en welke gebaseerd zijn op de bij CBS beschikbare statistieken: − COD-productie. IPCC stelt voor deze te baseren op bevolkingsgrootte. Omdat in Nederland goede statistieken bestaan van CZV in het influent en effluent, wordt de analyse gebaseerd op deze gegevens. − Slibproductie. Op basis van bestaande Nederlandse statistieken wordt de slibproductie (in feite een combinatie van primair, secundair slib en bezinksel uit het riool) vastgesteld op 35% van de CZV in het influent. − MCFAWZI. IPCC stelt 0 voor. Er zijn goede argumenten om aan te geven dat dit geen 0 is, en daarom wordt voorgesteld de waarde van Doorn et al. (1997) te hanteren van 3,5%. − MCFslib is gebaseerd op statistieken van de fractie van het slib dat in anaërobe vergisters wordt verwerkt. Dit getal is gebaseerd op bestaande Nederlandse statistieken. De methaanmissies uit de waterlijn worden berekend in de volgende drie stappen: stap 1)
DOCAWZI
= CZVinfluent
stap 2)
EFAWZI
= B0,DOC * ηDOC * MCFAWZI
stap 3)
CH4,AWZI
= DOCAWZI * EFAWZI
De methaanemissies uit de slibverwerking worden berekend als: stap 1)
DOCslib
= 0,37 * CZVinfluent
stap 2)
EFSlib
= B0,slib * ηslib * MCFslib
stap 3)
CH4,slib
= DOCslib * EFslib * (1-MRind)
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
26 van 33
Hierbij worden de volgende waarden worden voorgesteld: Tabel 10
Parameters bij vaststellen van methaanemissies uit communale afvalwaterzuivering.
parameter
voorgestelde waarde
toelichting
verwijzing in dit rapport
CZVinfluent
939 mln kg jr-1 (in 2002)
Hoeveelheid CZV in influent Nederlandse AWZI’s
2.2
B0,AWZI
0,25 (g CH4 per g DOC)
vorming van methaan bij anaërobe omzetting DOC
3.1.3 onder a)
ηDOC
0,8 (g/g)
omzetting CZV naar CO2 in de AWZI (het CZV-verwijderingsrendement - 10% opname van CZV in slib).
3.1.3 onder a)
MCFAWZI
0,035 (g/g)
fractie omzetting DOC in anaërobe delen van het riool en de AWZI
3.1.3 onder a)
slib
0,35 (g slib /g CZV)
vorming van slib (primair en secundair)
3.1.3 onder b)
B0, slib
0,25 (g CH4 per g slib)
vorming van methaan bij anaërobe omzetting slib
3.1.3 onder b)
ηslib
0,42 (-/-)
omzetting slib naar gasvormige componenten in de slibgisting
3.1.3 onder b)
MCFslib
0,54 (-/-)
fractie van de slib verwerkt in de vergister
3.1.3 onder b)
MRslib
0,94 (-/-)
Winnings- en verbrandingsrendement van methaan in de slibvergisting
3.1.4 onder b)
Invullen van deze waarde in de bovenstaande formules levert de volgende methode op voor methaanemissies uit AWZI’s: Samenvatting methaanemissies communale AWZI’s Emissie uit de waterlijn:
CH4 (in kg jr-1) = 0,007 * CZVinfluent (in kg jr-1) Emissies slibvergisting
CH4 (in kg jr-1) = 0,0015 * CZVinfluent (in kg jr-1) Totale emissies AWZI
CH4 (in kg jr-1) = 0,0085 * CZVinfluent (in kg jr-1)
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
27 van 33
5.2
Methaanemissies uit septic tanks
De methaanemissies uit septic tanks worden conform IPCC-methodiek berekend als: stap 1)
DOCst = nst * DOCcap waarin DOCcap = CZVinfluent/nAWZI
stap 2)
EFst = B0,st * ηst * MCFst
stap 3)
CH4, st = DOCst * EFst
Hierbij worden de volgende waarden worden voorgesteld: Tabel 11
Parameters bij vaststellen van methaanemissies uit septic tanks.
parameter
voorgestelde waarde
toelichting
verwijzing in dit rapport
nst
260.000
aantal personen niet aangesloten 3.2.1 op het riool
DOCcap
60 (kg/jaar)
Hoeveelheid biodegradeerbaar organisch materiaal per persoon
3.2.1
CZVinfluent
939 mln kg jr-1 (in 2002)
Toevoer van CZV aan Nederlandse AWZI’s
2.2
nAWZI
15.700.000
Aantal personen wel aangesloten 2.2 op het riool
B0,st
0,25 (g/g)
Vorming van methaan bij anaërobe omzetting DOC
ηst
100%
Omzetting DOC naar gasvormige 3.2.2 componenten in de AWZI
MCFst
0,5 (-)
Fractie omzetting DOC in anaërobe delen van de septic tank
3.2.2
3.2.2
Samenvatting methaanemissies septic tanks
CH4 (in kg jr-1) = 7,5* nst (in kg jr-1)
5.3
Lachgasemissies uit AWZI’s
De emissies worden conform IPCC-methodiek gecorreleerd aan de NKj afbraak in AWZI’s
N2O-NAWZI = EFN2O * Nkj, influent * ηNkj
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
28 van 33
Oftewel
N2OAWZI = 1,6 * EFN2O * Nkj, influent* ηNkj Hierbij worden de volgende waarden worden voorgesteld: Tabel 12
Parameters bij vaststellen van lachgasemissies uit AWZI’s.
parameter
voorgestelde waarde
toelichting
verwijzing in dit rapport
EFN2O
0,01
Fractie NKj omgezet naar N2O
3.3
Toevoer van Nkj aan Nederlandse AWZI’s
2.2
verwijderingsrendement Nkj naar gasvormige componenten in de AWZI
2.2
Nkj, influent
86 mln kg jr (in 2002)
ηNkj
67%
-1
Samenvatting lachgasemissies AWZI’s
N2OAWZI (in kg jr-1) = 0,01 * Nkj, influent (in kg jr-1)
5.4
Methaanemissies uit industriële AWZI
De methaanemissies uit septic tanks worden conform IPCC-methodiek berekend als: stap 1: DOCind = belastingsgraad * capaciteit (in i.e.) * BZV/i.e. * CZV/BZV stap 2: EFst = B0,ind * ηind * MCFind stap 3: CH4,ind = DOCind * EFind * (1-MRind)
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
29 van 33
Hierbij worden de volgende waarden voorgesteld: Tabel 13
Parameters bij vaststellen van methaanemissies uit industriële afvalwaterzuivering.
parameter
voorgestelde waarde
toelichting
verwijzing in dit rapport
belastingsgraad
80%
gemiddelde belastingsgraad 4.2.1 Nederlandse anaërobe vergisters
capaciteit
6.067.000 i.e. (in 2002)
totale capaciteit van de Nederlandse anaërobe vergisters
4.1
BZV/i.e
20 kg jr-1 i.e.-1
BZV per i.e.
4.2.1
CZV/BZV
1,5 - 2
CZV/BZV-verhouding in industrieel afvalwater
4.2.1
B0,ind
0,22 (g /g)
vorming van methaan bij anaërobe omzetting DOC
4.2.2
ηind
80%
omzettingsrendement CZV
4.2.2
MCFind
1 (-/-)
fractie omzetting DOC in de anaërobe delen van de vergister
4.2.2
MRind
99%
winnings- en verbrandingsren4.2.3 dement van methaan in de installatie
Samenvatting methaanemissies industriële AWZI’s
CH4ind (in kg jr-1) = 0,056 * capaciteit (in i.e.)
5.5
Resultaten voor 2002
De Nederlandse emissies in 2002 kunnen worden ingeschat als: Tabel 13
Emissies uit afvalwaterzuivering in 2002. CH4 en N2O (kton)
emissies communale AWZI’s:
8,0 kton CH4 0,86 kton N2O
emissies septic tanks
2 kton CH4
emissies industriële AWZI’s
0,3 kton CH4
CO2-equivalenten (kton) 170 270 40 6 490
Informatie over de ontwikkeling van hoeveelheid en kwaliteit afvalwater in Nederland over de periode 1990-2003 worden beheerd door CBS. Afgesproken is dat CBS de ontwikkeling van de methaan- en lachgasemissies uit afvalwater zal vaststellen en rapporteren.
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
30 van 33
6.
Referenties
CBS (2004), Statistieken over afvalwaterverwerking in Nederland, verkregen van CBS, Den Haag. Czepiel P.M., Crill P.M., Harriss R.C. (1993): Methane emissions from municipal wastewater treatment processes, Environ. Sci. Technol., 1993, 27, pp. 2472-2477. Czepiel P.M., Crill P.M., Harriss R.C. (1995): Nitrous oxide emissions from municipal wastewater treatment, Environ. Sci. Technol., 1995, 29, pp. 2352-2356. DeBruijn W., Lissens G., van Rensbergen J., Wevers M. (1994): Nitrous oxide emissions from wastewater, Environmental Monitoring and assessment, 31: pp. 151-165. DHV, Overzicht en toelichting resultaten project “Identificatie onbekende bronnen van overige broeikasgassen” DHV-dossier R 0745-68-001, DHV, Amersfoort. Doorn, M.R.J., Strait R.P., Barnard W.R. (1997): Estimates of global greenhouse gas emissions from industrial and domestic wastewater treatment, EPA-600/R97091, US-EPA, Washington, USA. Van Doorn (2004): Mondelinge mededeling van R. van Doorn, Waterschap Vallei en Eem, Leusden. Draaijer H. (1997). Mondelinge mededeling H. Draaijer Grontmij, in Doorn et al. (1997). Gebert J., Groengroeft H., Miehlich G. (2001), Microbial reduction of methane and trace gases in a biofilter system – first results on landfill gas emission dynamics, Sardinia 2001, 8th International Waste Management and Landfill Symposium, 1-5 oktober 2001, S. Marg`herita di Pula, Italy. Hensen A (2000), op zoek naar onbekende bronnen van broeikasgassen, ECN-C-00-112, ECN, Petten. Habets (2004): Mondelinge mededeling van L. Habets, Paques, Balk. Hobson an Palfrey (1996), Control measures to limit methane emissions from sewage and sludge treatment and disposal, WRc report DoE 4118, October 1996, Available via the UK DEFDRA (DETR), relevante informatie samengevat in IPCC (2001). IPCC (1996), Revised Guidelines, IPCC-TSU, Hayama, Japan.
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
31 van 33
IPCC (2001): Background papers: IPCC Expert Meetings on Good Practice Guidance and Uncertainty Management in national Greenhouse Gas Inventories. IPCC-TSU, Hayama, Japan. Körner R., Benckiser G., Ottow J.C.G. (1993): Quantifizierung der Lachgas (N2O)Freisetzung uas Kläranlagen unterschiedlicher Verfahrensführung, Korrespondenz Abwasser, 4/93 (40. jahrgang), pp. 514-525. Korving (2004): Mondelinge mededeling van H. Korving, technische Universiteit Delft. Luning (2004): Mondelinge mededeling van L. Luning, Grontmij, de Bilt. Metcalf & Eddy, inc. (1991), Wastewater engineering: treatment, disposal and reuse, 3rd edition. McGraw-Hill Book Company, New York, p. 109. Aangehaald in Doorn et al. (1997). Polman E.A., De Laat H., Hondeman H., Bouwman W. (2001), Kwaliteit gasmotoren in Nederland, gastech rapport nr. GL/010476/Pln, Gastech, Apeldoorn. Scharff H., Oonk H., Vroon R., Hensen A., van der Sloot H., van Zomeren A. (2003), Methaanemissiereductie door luchtinjectie in de toplaag van stortplaatsen, Demonstratie van het Smell-Well systeem op stortplaats Braambergen, Afvalzorg, Haarlem. Scheehle E.A., Doorn M.R.J. (2003), Improvements to the U.S. wastewater methane and nitrous oxide emissions estimates, US-EPA, www.epa.gov/ttn/chief/conference/ ei12/green/scheehle.pdf. Schön G. et al., Bildung van lachgas (N2O) in belebtem Schlamm aus Klärinlagen, Wasser Abwasser, 125 (6), pp. 293-301. v. Schultess R., Wild D., Gujer W. (1994), Nitric and nitrous oxides from denitrifying activated sludge at low oxygen concentration, Wat. Res., vol 30 (6), pp. 123-132. v. Schultess R., Kühni M., Gujer W. (1995), Release of nitric and nitrous oxides from denitrifying activated sludge, Wat. Res., vol 29 (1), pp. 215-226. v. Schultess R. en Gujer W. (1996): Release of nitrous oxide (N2O) from denitrifying activated sludge: verification and application of a mathematical model, Wat Res., vol 30 (3), pp. 521-530.
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
32 van 33
Valentino A., Gilberto G., Rozzi A., Tilche A. (1997): Anaerobic degradation kinetics of particulate organic matter: a new approach, Wat. Sci. Tech., vol. 36, no. 6-7, pp. 239-246. Veltkamp T. en Oenema O. (1994): N2O-emissiemetingen aan twee AWZI’s, rapportage verkregen van T. Veltkamp, Universiteit Wageningen. Burton S.A.Q., Watson-Craik I.A. (1997), Ammonia production and turnover in landfill refuse, Sardinia ’97, 6th International landfill symposium, 13-17 oktober 1997, S. Margherita di Pula, Sardinië, Italië. Wicht H., Beier M. (1995), N2O-emissionen aus nitrifizierenden und denitrifizierenden Kläranlagen, Abwasserreinigung, 3/95, pp. 404-413. Zeeman (2004) Mondelinge mededeling van G. Zeeman, Universiteit Wageningen.
TNO-rapport
TNO-MEP − R 2004/486
33 van 33
7.
Verantwoording
Naam en adres van de opdrachtgever:
SenterNovem t.a.v. A. Nout Postbus 8242 3503 RE Utrecht
Namen en functies van de projectmedewerkers:
Hans Oonk
Namen van instellingen waaraan een deel van het onderzoek is uitbesteed:
CBS, Den Haag
Datum waarop, of tijdsbestek waarin, het onderzoek heeft plaatsgehad:
maart – april 2004
Ondertekening:
Goedgekeurd door:
J. Oonk projectleider
H.S. Buijtenhek sectorhoofd
