Assessment, modelling and mitigation of greenhouse gas emissions from water resource recovery facilities

Abstract

Davant la creixent demanda d’aigua per a diferents usos, les aigües residuals han cobrat impuls com a font alternativa i fiable d’aigua, canviant el paradigma de la gestió de les aigües residuals, que ha passat de ser tractament i eliminació a ser reutilització, reciclatge i recuperació de recursos. En aquest sentit, les plantes de tractament d’aigües residuals (EDAR) s’estan transformant en estacions de recuperació de recursos de l’aigua (ERRA). L’objectiu principal de les ERRA no és només aconseguir una bona qualitat de l’efluent, sinó també recuperar recursos, aigua i energia de forma sostenible. A més, en els últims anys ha augmentat la preocupació per la sostenibilitat de les actuals EDAR, amb especial atenció a la petjada de carboni a causa de l’impacte de les emissions de gasos d’efecte hivernacle (GEH) en el canvi climàtic. Per això, moltes empreses d’aigua han pres consciència de les possibles emissions de GEH i hi ha una creixent necessitat de reduir aquestes emissions i d’identificar els factors que controlen les emissions de GEH de les EDAR. L’N2O es produeix i s’emet durant l’eliminació biològica de nitrogen (EBN) a les EDAR. A causa del seu alt potencial d’escalfament global, la petjada de C de les EDAR és molt sensible a les emissions de N2O. La modelització matemàtica dels processos de EBN ha guanyat una major atenció amb vista a una millor comprensió de la producció, acumulació i emissió de N2O. L’objectiu d’aquesta tesi és avançar en el desenvolupament, coneixement i aplicació de noves estratègies operatives i de control per a mitigar les emissions de N2O durant el tractament de les aigües residuals. A la primera part, es va utilitzar el model cinètic ASM2d-N2O, que té en compte la producció de N2O a les EDAR amb eliminació de C/N/P, per estudiar les emissions associades d’una EDAR a escala real amb dues línies independents. El model ASM2d-N2O es va calibrar amb dades experimentals obtinguts en condicions dinàmiques. Es va obtenir un bon ajust del model durant el calibratge dinàmic, donant una bona descripció dels nutrients i les emissions de N2O. A la segona part de la tesi, es va monitoritzar i avaluar el rendiment i les emissions de N2O i CH4 durant el funcionament a llarg termini d’una nova configuració d’ERRA, la mainstream SCEPPHAR. Els factors d’emissió de N2O i CH4 a llarg termini calculats estaven en el rang baix de la literatura. Es van aplicar diferents estratègies d’aireació per estudiar l’impacte en les emissions de N2O en el reactor de nitrificació. L’aireació intermitent va ser l’estratègia d’aireació que més va mitigar les emissions de N2O en el reactor de nitrificació. Finalment, es va implementar un model per a tota la planta que descriu l’eliminació de la demanda química d’oxigen (DQO) i els compostos de C, N i P, actualitzat per tenir en compte les emissions de GEH, dins el Model de Simulació de Benchmarking número 2 (BSM2). El model proposat incloïa les principals vies de producció biològica de N2O i descrivia mecànicament les emissions de CO2 en els reactors de fangs activats, així com la producció de biogas del digestor anaeròbic. Es van proposar noves estratègies de control per obtenir un alt rendiment de la planta, així com la recuperació de nutrients i la mitigació de les emissions de GEH en el context de tota la planta. Les estratègies de control aplicades van conduir a un rendiment global més sostenible i eficient de la planta en termes de millor qualitat de l’efluent, reducció dels costos operatius i menors emissions de GEH.

Ante la creciente demanda de agua para diferentes usos, las aguas residuales han cobrado impulso como fuente alternativa y fiable de agua, cambiando el paradigma de la gestión de las aguas residuales, que ha pasado de ser un tratamiento y una eliminación a ser una reutilización, un reciclaje y una recuperación de recursos. En este sentido, las plantas de tratamiento de aguas residuales (EDAR) se están transformando en estaciones de recuperación de recursos del agua (ERRA). El objetivo principal de las ERRA no es sólo conseguir una buena calidad del efluente, sino también recuperar recursos, agua y energía de forma sostenible. Además, en los últimos años ha aumentado la preocupación por la sostenibilidad de las actuales EDAR, con especial atención a la huella de carbono debido al impacto de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) en el cambio climático. Por ello, muchas empresas de agua han tomado conciencia de las posibles emisiones de GEI y existe una creciente necesidad de reducir estas emisiones y de identificar los factores que controlan las emisiones de GEI de las EDAR. El N2O se produce y se emite durante la eliminación biológica de nitrógeno (EBN) en las EDAR. Debido a su alto potencial de calentamiento global, la huella de C de las EDAR es muy sensible a las emisiones de N2O. La modelización matemática de los procesos de EBN ha ganado una mayor atención con vistas a una mejor comprensión de la producción, acumulación y emisión de N2O. El objetivo de esta tesis es avanzar en el desarrollo, conocimiento y aplicación de nuevas estrategias operativas y de control para mitigar las emisiones de N2O durante el tratamiento de las aguas residuales. En la primera parte, se utilizó el modelo cinético ASM2d-N2O, que tiene en cuenta la producción de N2O en las EDAR con eliminación de C/N/P, para estudiar las emisiones asociadas de una EDAR a escala real con dos líneas independientes. El modelo ASM2d-N2O se calibró con datos experimentales obtenidos en condiciones dinámicas. Se obtuvo un buen ajuste del modelo durante la calibración dinámica, dando una buena descripción de los nutrientes y las emisiones de N2O. En la segunda parte de la tesis, se monitorizó y evaluó el rendimiento y las emisiones de N2O y CH4 durante el funcionamiento a largo plazo de una nueva configuración de ERRA, la mainstream SCEPPHAR. Los factores de emisión de N2O y CH4 a largo plazo calculados estaban en el rango bajo de la literatura. Se aplicaron diferentes estrategias de aireación para estudiar el impacto en las emisiones de N2O en el reactor de nitrificación. La aireación intermitente fue la estrategia de aireación que más mitigó las emisiones de N2O en el reactor de nitrificación. Por último, se implementó un modelo para toda la planta que describe la eliminación de la demanda química de oxígeno (DQO) y los compuestos de C, N y P, actualizado para tener en cuenta las emisiones de GEI, dentro del Modelo de Simulación de Benchmarking nº 2 (BSM2). El enfoque propuesto incluía las principales vías de producción biológica de N2O y describía mecánicamente las emisiones de CO2 en los reactores de lodos activados, así como la producción de biogás del digestor anaeróbico. Se propusieron estrategias de control novedosas para obtener un alto rendimiento de la planta, así como la recuperación de nutrientes y la mitigación de las emisiones de GEI en el contexto de toda la planta. Las estrategias de control aplicadas condujeron a un rendimiento global más sostenible y eficiente de la planta en términos de mejor calidad del efluente, reducción de los costes operativos y menores emisiones de GEI.

In the face of ever-growing demand for water for different uses, wastewater has gained momentum as an alternative and reliable source of water, shifting the paradigm of wastewater management from treatment and disposal to reuse, recycle and resource recovery. In this sense, wastewater treatment plants (WWTPs) are being transformed into water resource recovery facilities (WRRFs). The main objective of WRRF is not only to achieve a good effluent quality, but also to recover resources, water and energy in a sustainable way. In addition, over the past years, concerns regarding the sustainability of current WWTPs have increased, with a particular focus on the C footprint due to the impact of greenhouse gases (GHG) emissions on climate change. Therefore, many water utilities have become aware of the potential GHG emissions and there is a growing need to reduce these emissions and to identify the factors that control GHG emissions from WWTPs. N2O is produced and emitted during the biological nitrogen removal (BNR) in WWTPs. Due to their high global warming potential, the C footprint of WWTPs is highly sensitive to N2O emissions. Mathematical modelling of BNR processes has gained increased attention in view of a better understanding of N2O production, accumulation and emission. This thesis aimed to advance the development, knowledge and application of novel operational and control strategies to mitigate N2O emissions during wastewater treatment. In the first part, the ASM2d-N2O kinetic model, which accounts for the N2O production in C/N/P removal WWTPs, was used to study the associated emissions from a full-scale WWTP with two independent lines. The ASM2d-N2O model was calibrated using experimental data obtained under dynamic conditions. A good model fit was obtained during the dynamic calibration, giving a good description of nutrients and N2O emissions. In the second part of the thesis, the performance and N2O and CH4 emissions during long-term operation of a novel WRRF configuration, the mainstream SCEPPHAR, were monitored and assessed. The long-term N2O and CH4 emission factors calculated were in the low range of the literature. Different aeration strategies were implemented to study the impact on N2O emissions in the nitrifying reactor. The intermittent aeration was the aeration strategy that most mitigated the N2O emissions in the nitrifying reactor. Finally, a plant-wide model describing the fate of chemical oxygen demand (COD), C, N and P compounds, upgraded to account for GHG emissions, was implemented within the Benchmarking Simulation Model No. 2 (BSM2). The proposed approach included the main biological N2O production pathways and describes mechanistically the CO2 emissions in the activated sludge reactors as well as the biogas production from the anaerobic digester. Novel control strategies were proposed to obtain high plant performance as well as nutrient recovery and mitigation of GHG emissions in a plant-wide context. The implemented control strategies led to an overall more sustainable and efficient plant performance in terms of better effluent quality, reduced operational cost and lower GHG emissions.