Nitous oxide emissions during nitrogen removal in wastemater treatment plant - The parisian conurbation
Emissions d'oxyde nitreux lors du traitement de l'azote en station d'épuration - Agglomération parisienne
Résumé
Biological nitrogen removal systems (nitrification and denitrification), could emitted a greenhouse gas, the nitrous oxide (N2O). The aim of this study was to estimate and identify processes and factors at the origin of N2O emissions during nitrogen removal from wastewater treatment plants of the Parisian conurbation, and to estimate their impact on global N2O emissions at the Seine basin scale. Laboratory-scale experiments allowed us to simulate nitrogen removal processes used by the Parisian conurbation - secondary activated sludge and tertiary treatment on fixed culture - and to measure N2O emissions, under controlled conditions. We have shown that N2O emissions represent 0.1 to 0.8 % of the treated nitrogen load, depending on oxygenation and methanol supply. Optimal conditions for N2O emissions were around 1 mgO2 L-1 during nitrification; around 0.3 mgO2 L-1 and a methanol supply which permit only 60 % of the total nitrate reduction, during denitrification. Experiments with specific inhibitors allowed us to identify the two major processes responsible for N2O emissions: autotrophic nitrifier denitrification and heterotrophic denitrification. Our estimates lead to present N2O emissions from WWTPs of the Parisian conurbation of 60-120 kg N-N2O d-1, which will increase to 320-480 kg N-N2O d-1 in 2005-2008 and will reach 370-750 kg N-N2O d-1 in 2012 - 2015. The emission levels could reached the lower range if the nitrification of nitrogen is realised at an oxygenation higher than 2 mgO2/L and denitrification in total anoxic conditions and a methanol addition allowing 100 % of nitrate load reduction. According to our results, N2O emissions, currently emitted in the lower Seine river which receive the effluents not treated for nitrogen, will be increased by moving them from natural environments to WWTPs. However, at the scale of the Seine basin, nitrous oxide emissions issued from nitrogen treatments in WWTPs of the Parisian conurbation (at present or in the future), will continue to represent a low ratio, 1 to 10 %, in comparison with the emissions from agricultural lands.
Les systèmes de traitement biologique de l'azote, qui utilisent les processus de nitrification et de dénitrification, sont susceptibles d'émettre un gaz à effet de serre, l'oxyde nitreux (N2O). Le but de notre étude était d'estimer et d'identifier les processus et les facteurs responsables de ces émissions, provenant du traitement de l'azote sur les stations d'épuration de l'agglomération parisienne et d'en estimer l'impact sur les émissions globales de N2O au niveau du bassin de la Seine. Des expériences en laboratoire ont permis la simulation des différents traitements utilisés sur l'agglomération parisienne - boues activées secondaires et cultures fixées en traitement tertiaire - et la mesure, en conditions contrôlées, des émissions de N2O. Nous avons montré que les flux de N2O représentent entre 0.1 à 0.8 % de la charge en azote traitée suivant l'oxygénation et les doses de méthanol ajoutées. Les flux de N2O les plus importants sont observés pour une oxygénation autour de 1 mgO2 L-1 lors de la nitrification; autour de 0.3 mgO2 L-1 et pour un ajout de méthanol en traitement tertiaire, ne permettant que 60 % de la réduction totale des nitrates, lors de la dénitrification. Des essais expérimentaux utilisant différents inhibiteurs spécifiques, ont permis d'identifier les deux processus majeurs responsables de ces émissions: la nitrification-dénitrifiante autotrophe et la dénitrification hétérotrophe. Le traitement de l'azote, sur les stations de l'agglomération parisienne représenterait actuellement des émissions de N2O de l'ordre de 60-120 kgN-N2O j-1 qui augmenteront avec la mise en place des nouveaux traitements de l'azote pour l'horizon 2005-2008 à 320-480 kgN j-1, et pour l'horizon 2012-2015 à 370-750 kgN j-1. Les niveaux les plus bas de ces émissions pourront être atteints si le traitement de l'azote se fait en nitrification avec une oxygénation supérieure à 2 mgO2 L-1 et en dénitrification avec des conditions d'anoxie totales et un ajout de méthanol permettant 100 % de la réduction de la charge en nitrate. Nos résultats montrent également que les émissions de N2O, se produisant actuellement dans la basse Seine recevant les rejets azotés de l'agglomération parisienne augmenteront notablement en étant transférées vers les STEPs. Cependant, les émissions de N2O en STEPs ne représenteraient que 1 à 10 % des émissions provenant des sols agricoles.