Plakkerige ammoniak moeilijk te meten: Innovatieve veldmethode onthult omvang van het probleem

Rioolwaterzuiveringsinstallaties (WWTP’s) vormen een belangrijke bron van broeikasgasemissies, waaronder methaan (CH₄) en lachgas (N₂O).

Verschillende studies hebben de emissies van krachtige broeikasgassen uit zuiveringsinstallaties onderzocht; echter, er is weinig aandacht besteed aan ammoniak (NH₃). Ammoniak die in de atmosfeer terechtkomt, komt voornamelijk voort uit stikstofverliezen uit de bodem na het aanbrengen van kunstmest en uit dierlijke mest.

Ammoniakemissies van rioolwaterzuiveringsinstallaties worden vaak als verwaarloosbaar beschouwd omdat het huishoudelijke afvalwater dat naar de zuiveringsinstallaties gaat een lage ammoniakconcentratie heeft (20–50 milligram stikstof per liter afvalwater). Echter, wat er tijdens het behandelingsproces gebeurt, kan deze concentratie veranderen, en deze zuiveringsinstallaties kunnen een potentieel grote bron van ammoniakemissies zijn.

Ammoniakgas is een secundair broeikasgas. Het veroorzaakt niet direct opwarming, maar kan worden omgevormd tot een ander stikstofhoudend gas, lachgas, dat over een levensduur van 100 jaar 265 keer krachtiger is dan koolstofdioxide. Atmosferische ammoniak kan ook door planten of gewassen worden opgenomen in een proces dat “droge depositie” wordt genoemd, of het kan “afgevangen” worden door waterdruppels in de lucht (bijvoorbeeld in regen of mist) en neergeslagen worden op landschappen als fijnstof (PM2.5 en PM10).

Deze ammoniumhoudende aerosolen kunnen de menselijke gezondheid beïnvloeden (ze zijn een bekende factor bij longkanker en oogziekten) en schadelijk zijn voor ecosystemen door zure bodems te vormen, waterwegen te verontreinigen en de biodiversiteit te verminderen. Uiteindelijk kan de neergelaten ammoniak in de bodem worden omgevormd en weer aan de atmosfeer worden afgegeven als lachgas.

Slibdroogpannen (SDP’s) zijn een veelgebruikte interventie voor het ontwateren van slib, vooral in gebieden met voldoende land en gunstige klimatologische omstandigheden, en in sommige ontwikkelingslanden. Hun populariteit komt voort uit de kosteneffectiviteit, eenvoud en lage energiebehoefte. Een aantal Australische rioolwaterzuiveringsinstallaties gebruikt slibdroogpannen als de belangrijkste manier om residueel slib te ontwateren en te behandelen.

Het slib dat uit anaerobe vergisters komt, wordt overgebracht naar open lucht SDP’s. In deze ondiepe, openlucht pannen wordt het slib verspreid op een ondoorlatende basis, zodat water voornamelijk door verdamping verloren gaat. Vloeibaar water wordt van de pan afgevoerd voor verdere behandeling, wat resulteert in een semi-vast materiaal dat door de zon en de wind wordt gedroogd voor eenvoudigere opslag, hergebruik of verwijdering (deze voedingsrijke “biosoliden” zijn zeer gewild in sectoren zoals de landbouw).

Tijdens dit proces kan een deel van de stikstof in het slib worden omgevormd tot ammoniak en als gas worden vrijgegeven. Echter, de omvang van deze emissies in de loop van de tijd en hoe de werking van de droogpannen—zoals hoe vaak het slib wordt gemengd en welke andere materialen worden toegevoegd—deze emissies beïnvloedt, was onduidelijk.

Dit komt omdat ammoniak moeilijk nauwkeurig te meten is. Ammoniak is “plakkerig”—het is zeer reactief en hecht zich gemakkelijk aan elk oppervlak, en vaak zal de concentratie (als gas) veranderen tussen het verzamelen en meten. Bestaande technieken, zoals het pompen van lucht door een absorberende verzamelaar, zijn arbeidsintensief en niet praktisch in het veld gedurende langere perioden.

In onze recente studie, gepubliceerd in Nature Water, hebben we een micrometeorologische techniek ontwikkeld die een reeks eenvoudige metingen combineert, waaronder gasconcentraties van de opwaartse en neerwaartse wind van de bron, meteorologische windinformatie en een kaart van de bron en apparatuurlocaties om ammoniak uit een slibdroogpan te monitoren.

Deze samenwerking werd geleid door de Universiteit van Melbourne, de Universiteit van Queensland en Melbourne Water. Een apparaat, genaamd een open-pad Fourier-transformatie-infraroodspectrometer, zendt een straal naar een reflector aan de andere kant van de pan en gebruikt vervolgens de teruggekeerde straal om gelijktijdig een reeks sporen gassen te meten, waaronder ammoniak, lachgas, methaan, koolstofdioxide, koolmonoxide en waterdamp. Deze techniek vereist geen complexe opstellingen zoals pompen en verwarmde monsterinlaten die onpraktisch zijn in het veld.

Deze studie vond aanzienlijke ammoniakemissies tijdens het slibdroogproces. Dit is belangrijk omdat slibdroogpannen wereldwijd veel worden gebruikt vanwege hun kosteneffectiviteit en eenvoud. Hoewel de ammoniakemissies uit de droogpannen niet zo hoog zijn als die van landbouwkunstmest, waren de gemeten ammoniakemissies in de droogpannen opmerkelijk hoger dan andere bekende bronnen van ammoniak, zoals mest van vee en plantaardige emissies. Dit suggereert dat de bijdrage van rioolwaterzuiveringsinstallaties en vooral slibdroogpannen aan wereldwijde ammoniakemissies aanzienlijk en grotendeels over het hoofd gezien kan worden.

Naarmate alle delen van de economie zich inspannen om niet alleen netto nul-emissies te bereiken, maar ook onze menselijke en milieugezondheid te behouden, zouden rioolwaterzuiveringsinstallaties maatregelen moeten nemen om de ammoniakverliezen naar de atmosfeer te verminderen.

Deze maatregelen kunnen onder meer het overstappen op alternatieve slibontwateringsmethoden omvatten, zoals centrifugeren, bandfilterpersen en thermische droging. Daarnaast zouden zuiveringsinstallaties “post-aerobe behandelingsunits” kunnen installeren die de ammoniak uit het slib verwijderen. Deze units bieden ook extra voordelen, waaronder verbeterde pathogeenverwijdering, zware metalen leaching en afbraak van micropolluenten. Deze alternatieven kunnen kostbaar zijn en hebben hun eigen milieu-impact, dus proactief begrijpen van het volledige scala aan invloeden ondersteunt de voortdurende operaties, besluitvorming en ontwerp.

Het begrijpen van de omvang van deze emissies is de eerste stap—de volgende stap is het ontwikkelen van kosteneffectieve, innovatieve maatregelen om ammoniakemissies uit rioolwaterzuiveringsinstallaties te verminderen.