下水処理場におけるN₂O排出量の定量化

温室効果ガスである亜酸化窒素（N₂O）は、農業、土地利用、輸送、廃水処理場など、さまざまな発生源から排出されます。N₂Oは、100年間の地球温暖化係数がCO₂の273倍です。そのため、プロセスの最適化、低窒素技術の使用、システムへの窒素投入量の削減などを通じて、廃水処理施設などの発生源からのN₂O排出量を削減することが強く求められています。

国連のネットゼロ目標は、2030年までに温室効果ガス排出量を45％削減することを目標とし、2050年までにネットゼロを達成することを目標としています。そのため、プロセスの最適化などによる削減量を正しく評価できるよう、工業事業では現在の排出量をより正確に定量化することが求められています。

廃水処理施設のような複雑な工業施設からの総排出量は、通常、継続的または定期的な測定から導き出されていません。その代わりに、活動量、処理能力、エネルギー使用量に、施設全体を構成する個別の設備や工程に起因する所定の排出係数を乗じて、排出量が見積もられます。多くの場合、そのような排出係数は、不正確で時代遅れの測定値や仮定に基づいており、サイト全体の総排出量を過小評価する一因となっています。

廃水処理施設からのN₂O排出源には、曝気システム、フィルターベッド、汚泥の処理と貯蔵、窒素を多く含む廃棄物の流れなどがあります。

N₂O排出の主な原因は硝化と脱窒の2段階の生物学的プロセスによる窒素の除去です。硝化の間、バクテリアは廃水から窒素化合物を除去するために使用され、アンモニアはまず亜硝酸塩に変換され、次に硝酸塩に変換されます。脱窒により、硝酸塩はさらに一酸化窒素（NO）、N₂O、窒素に還元されます。

イギリスのコベントリーに本社を置く水道会社のSevern TrentとLI-COR Environmentalは、フロートシステムに設置された8200-01Sスマートチャンバー付きLI-7820 N₂O/H₂Oトレースガスアナライザーを使用して、曝気脱窒チャンネルシステムからのN₂O排出を定量化する手法を共同開発しました。フロートシステムを除いた同じシステムを廃水処理プロセスの他の段階にも適用し、N₂O排出場所の全体的な把握と、変動する水処理負荷条件下での排出量の定量化を行いました。LI-COR装置による測定は、テストサイトだけでなく、同様の浄化技術を使用するすべての廃水処理サイトで適用できる改善された排出係数を導き出すために使用することが可能です。

LI-7820 N₂O/H₂Oトレースガスアナライザーは、光学フィードバック強化型キャビティー吸収分光法（OF-CEAS）をベースとしており、頑丈なポータブル設計で、10億分の1秒以下の測定精度を1秒で実現します。この精度をLI-CORスマートチャンバーと組み合わせることで、0.05nmol mol^-1 m³ s^-1の非常に低いN₂Oフラックスを2分以内に迅速に測定することができます。Severn Trentは標準的な構成であるLI-7820とスマートチャンバーを使用して、サイト全体のN₂Oフラックスを迅速に定量することができました。ケーキベッドや散水フィルターのような固形基質は、標準的な土壌フラックス測定と同じ方法でアプローチできますが、脱窒気流路にシステムを設置するには、スマートチャンバーを水面に浮かせる以外にも課題があります。

例えば湖のような通常の水域では、ガスフラックスは水面上の大気中への溶存ガスの拡散によって生じます。この状況は土壌の場合と同じであり、スマートチャンバー内で実行される標準的なフラックス計算を適用することができます。曝気脱窒水路の場合、拡散によるN₂O輸送に加え、水路の活発な曝気によってN₂Oが水中から水面へと移動します。この場合、追加的な曝気輸送を考慮してフラックス計算を修正する必要があります。

この問題を解決するため、スマートチャンバーに流量計を組み込み、チャンバーを通過する曝気流量を測定できるようにしました。そして、このパラメータを含む修正されたフラックス計算を使用して、システムからのN₂Oフラックスの正確な数値を導き出しました。この方法により、今まで行えていなかった、廃水処理事業者がN₂Oフラックスを直接かつ正確に測定し、場所ごとのフラックスをリアルタイムで比較できるようになりました。

以前は、多くの補足的なモニタリングや継続的なメンテナンスを必要とする液相センサーを用いて、N₂O生成が定量化されていました。これらのセンサーは、ヘンリーの法則を用いて推定される直接的な排出量ではなく、溶解したN₂Oを測定します。

Severn TrentとLI-COR Environmentalの共同研究は、業界全体に適用できる新しい方法論につながり、廃水処理施設からの排出量をより理解しやすくしています。より正確な情報を得ることで、事業者は、ネットゼロの公約を達成するために必要な改善を実施し、より良い体制を整えることができます。