Med matte mot lystgass

Ny formel hjelper til med å bekjempe klimagasser i avløpsrensing

Nitrogenholdig gjødsel i landbruket er en av hovedårsakene til klimagassen lystgass (lystgass). © André Künzelmann / UFZ
lese høyt

Kostnadene for rengjøring av nitrogenforurenset avløpsvann kan bli betydelig redusert i fremtiden. Jordforskere har utviklet en ny matematisk modell som er avgjørende for å finne de optimale forholdene for mikrobiologisk rensing.

Ved hjelp av den stabile naturlige nitrogenisotopen 15N er denne hittil mest nøyaktige matematiske modellen for første gang i stand til å nøyaktig fordele mengdene dinitrogen (N2) fra de komplekse biokjemiske renseprosessene anammox og denitrifisering samt den atmosfæriske bakgrunnen, skriver forskerne i tidsskriftet Rapid Communications i massespektrometri. Som et resultat kan effektiviteten til slike renseanlegg forbedres betydelig i fremtiden, og frigjøring av klimagassen N2O - et biprodukt fra denitrifikasjon - unngås.

Klimaskadelig lystgass

I tillegg til mye omtalt klimagass karbondioksid (CO2), spiller det mindre kjente lystgasset (N2O) en sentral rolle i klimaendringene. I likhet med CO2 har lystgass også vist en sterk økning i atmosfærisk konsentrasjon siden begynnelsen av industrialiseringen. Selv om konsentrasjonen av karbondioksid i atmosfæren er omtrent en faktor som er høyere enn lystgasskonsentrasjonen, er lystgass 300 ganger sterkere i sin drivhuseffekt enn karbondioksid.

Økningen i N2O-konsentrasjonen i atmosfæren, i motsetning til CO2, skyldes i mindre grad forbrenningen av fossilt brensel. Den klart største delen av menneskeskapt N2O-frigjøring kan tilskrives overflødig nitrogeninnganger som nitrat (NO3-), som omdannes til klimagassen N2O ved naturlige mikrobielle prosesser (nitrifikasjon og denitrifisering).

En av de sentrale bekymringene i det europeiske vannrammedirektivet (WFD) fra 2000 er reduksjon av nitrogenholdige næringsstoffer i vannmasser. En måte er å unngå eller optimalisere bruken av nitrogenholdig gjødsel i landbruket. En annen er forbedring av avløpsrenseteknologier. utstilling

Vannbeskyttelse kontra klimabeskyttelse

Nåværende biologiske renseprosesser er avhengige av mikrobielle prosesser med nitrifikasjon og denitrifikasjon. Selv om disse tillater en biologisk ufarlig rengjøring av avløpsvann med høye nitrogenbelastninger, men de har også en avgjørende ulempe: nitrogenet som skal fjernes frigjøres hovedsakelig i form av klimagassen N2O i atmosfæren. Et dilemma, for så langt var vannbeskyttelse og klimabeskyttelse gjensidig utelukkende.

I løpet av eksperimentelle tester på avløpsbehandlingen av nitrogenforurenset avløpsvann ble en tidligere ukjent mikrobiell prosess oppdaget på begynnelsen av nittitallet som var i stand til å redusere hovedkomponentene i nitrogenforurensning (ammonium og nitrat) i avløpsvannet i mangel av atmosfærisk oksygen (anaerobt). sluttproduktet er utelukkende miljønøytralt molekylært nitrogen (N2). Bruken av denne såkalte anammox-prosessen for rensing av nitrogenforurensede avløp kan i fremtiden muliggjøre en fullstendig klimanøytral rengjøring av kommunalt avløpsvann.

I tillegg, i motsetning til de mikrobielle prosessene som hittil er brukt, er anammox-prosessen ikke avhengig av organiske næringsstoffer, slik at tilsetningen av næringsstoffer som tidligere var nødvendig under rengjøringsprosessen, i fremtiden blir avvist kan. Dette reduserer kostnadene for rensing av avløpsvann i tillegg.

N2 "usynlig"

Spesielt når det gjelder utvikling av effektive renseanlegg, utgjør undersøkelsen av anammox-prosessen likevel store vanskeligheter mer enn 15 år etter oppdagelsen. Hovedårsaken til dette er at sluttproduktet av anammox-prosessen (N2) som skal undersøkes, også kan genereres under den allerede nevnte denitrifiseringen, slik at en klar kvantifisering av salgsytelsen var nesten umulig.

I tillegg, på grunn av den høye bakgrunnskonsentrasjonen av N2 i jordens atmosfære (ca. 79 volum%), er det mikrobiologisk produserte molekylære nitrogen (N2) i prinsippet "usynlig", siden de frigjorte mengder N2 i atmosfæren Sammenlignet med tilgjengelig atmosfærisk nitrogen er ekstremt lave.

N2 mengder tildeles

Kvantifisering av N2 fra en blanding av anammox, denitrifikasjon og atmosfære. Florian Stange og Oliver Spott / UFZ

De to jordforskerne Oliver Spott og Florian Stange fra Helmholtz Center for Environmental Research (UFZ) har nå lyktes for første gang med å utvikle en ny matematisk modell som analyserer mengdene av N2 fra en anammox, denitrifisering og atmosfæreblanding kan tilordne og kvantifisere nøyaktig. Det er basert på studier med stabile isotoper. Dermed kan de optimale forholdene for en mikrobiologisk rensing av nitrogenforurenset avløpsvann ved anammox-prosessen bli bedre undersøkt i fremtiden, hvorved kostnadene for avløpsrensing på lang sikt senkes, effektiviteten økes og frigjøring av N2O kan unngås.

Ideen for utviklingen av den nye matematiske tilnærmingen med den stabile nitrogenisotop 15N resulterte fra samarbeidet med UFZ-kollegene Peter Kuschk og Diego Paredes, som har jobbet med mulighetene for mikrobiell rensing av nitrogenforurenset avfall i ganske lang tid. Bruk vann ved hjelp av Anammox. Men ikke minst for sitt eget arbeid har de nyutviklede likningene stor betydning.

Kode nitrifikasjon av stor betydning?

I 1992 beskrev japanske forskere for første gang en metabolske prosess av jord sopp (Fusarium oxysporum), som er veldig lik prosessen med anaerob oksidasjon av ammoniakk og ble referert til som kodenitrifisering, etter den velkjente prosessen med denitrifisering. Ikke desto mindre, selv 15 år etter oppdagelsen av kodenitrififisering, antas det fortsatt at avnitrifisering er ansvarlig for frigjøring av nitrogen fra jorda (N2).

Gjennom bruk av 15N-isotopteknikken og den nyutviklede matematiske tilnærmingen, kan nå N2-frigjøring av jord bestemmes nøyaktig i løpet av de to prosessene denitrifisering og kodenitrifisering. En innledende, men nylig, studie av to britiske forskere har allerede kommet til den overraskende konklusjonen at opptil 92 prosent av mikrobielt frigjort N2 skyldes prosessen med kode nitrifikasjon.

Hvis disse første funnene blir bekreftet og i tillegg at de kan overføres til andre jordsmonn over hele verden, vil dette endre den nåværende forståelsen av N2-frigjøring fra jorda fullstendig. Ved hjelp av de nyutviklede likningene, vil latteren og stangen være dedikert til dette spørsmålet i samarbeid med internasjonale forskere.

(idw - Helmholtz Center for Environmental Research - UFZ, 03.04.2008 - DLO)