Emissió de gasos d'efecte hivernacle en aiguamolls construïts: adaptació del mètode de la cambra estàtica i mesura en funció del règim hidràulic i de l’existència de plantes

Abstract

Català: Els aiguamolls construïts són sistemes de tractament d’aigua que, simulant els aiguamolls existents a la natura, estan considerats com un dels sistemes de depuració més eficients. En tant que alternativa als sistemes de depuració convencionals, la utilització d’aiguamolls per al tractament d’aigües municipals, agrícoles i fins i tot industrials s’està estenent per tot Europa. Durant el procés d’eliminació de la matèria orgànica, dut a terme per processos físics químics i biològics dins l’aiguamoll, s’emeten, però, gasos d’efecte hivernacle tals com el metà (CH4) i l’òxid nitrós (N2O), ambdós amb un elevat potencial d’escalfament global. D’aquesta manera és com els aiguamolls participen del canvi climàtic i és per això que cal estudiar-ne les emissions i valorar quin impacte global poden tenir. En aquesta tesina es quantifiquen les emissions de metà i d’òxid nitrós provinents d’una planta pilot construïda de 4 tipus d’aiguamolls i dues rèpliques de cada tipus. El que diferència els aiguamolls entre sí són el règim hidràulic i l’existència de plantes, d’aquesta manera els quatre tipus són: aiguamoll en règim continu i plantat, aiguamoll en règim discontinu i plantat, aiguamoll en règim continu i no plantat i aiguamoll en règim discontinu i no plantat. Per a la quantificació s’ha utilitzat el mètode de la cambra tancada, i s’ha construït una cambra cilíndrica de 19 cm de diàmetre i 15 cm d’alçada que consta d’un termòmetre, un tub de connexió amb l’atmosfera i un punt d’extracció de les mostres. Els resultats obtinguts, però, mostren unes taxes d’emissió molt baixes i molt variables que fan pensar en una possible manca d’homogeneïtzació de la concentració de metà dins la cambra. En concret, els fluxos de metà en els aiguamoll estudiats oscil•len entre -34 CH4/m2.dia i 5 mg CH4/m2.dia, mentre que els fluxos d’òxid nitrós oscil•len entre -3 mg N2O/m2.dia i 8 mg N2O /m2.dia. Com a conseqüència, també s’han s’ha estudiat les condicions de no homogeneïtzació dins d’aquesta mitjançant 4 experiments. Amb aquesta finalitat, s’ha construït una segona cambra, aquest cop de 20 cm d’alçada i amb tres punts d’extracció que permeten extreure mostres de tres alçades diferents per tal de poder quantificar la variabilitat vertical de la concentració. La homogeneïtzació del gas s’ha estudiat, doncs, en funció de la localització de l’agent homogeneïtzador (ventilador) (es compara la posició superior i lateral), el temps d’homogeneïtzació abans de l’extracció de la mostra (5, 10, 15 i 20 minuts) i el flux d’aire del ventilador (647 i 2240 l/min). Finalment, s’ha quantificat el biaix en la estimació de les emissions de metà també degut a la manca d’homogeneïtzació del gas dins la cambra. Els resultats mostren, no només que els grau d’homogeneïtzació es molt baix (diferències d’entre el 40 i el 60% entre les mostres extretes pel nivell superior i les extretes pel nivell inferior), sinó que ni la posició, ni el flux d’aire, ni el temps, tot i ser factors que influeixen en els resultats, no potencien la homogeneïtzació de la concentració de metà dins la cambra. Els resultats per a densitats de flux simulades de 200, 400, 800 i 1600 mg de CH4/m2 i dia mostren errors en l’estimació que varien d’entre el -50% (subestimació de la densitat de flux real) al 16% (sobrestimació).

Anglès: Constructed wetlands are wastewater treatment systems that, simulating natural wetlands, are considered one of the most efficient purification systems. As an alternative technology for conventional treatment systems, the constructed wetlands are spreading throughout Europe to purify municipal, agricultural and even industrial wastewater. While the elimination of the organic matter is being carried out within the wetland by physical, chemical and biological processes, greenhouse gases such as methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) are being emitted, both of them with a high global warming potential. This is the way how constructed wetlands play a role in the climatic change and thus, the emissions must be studied to assess the extent of its influence on global climate change. In this study we quantify the methane and nitrous oxide emissions coming from an experimental plant based on constructed wetlands. Differences among surveyed wetlands are the hydraulic regime and the presence of macrophytes. Therefore, 4 types experimental wetlands (in duplicate) were considered: planted wetlands operated under continuous hydraulic regime; un-planted wetlands operated under continuous hydraulic regime; planted wetlands operated under discontinuous hydraulic regime and, finally, un-planted wetlands operated under discontinuous hydraulic regime. The closed chamber method was used for emissions quantification. To this aim, a cylindrical chamber of 19 cm diameter and 15 cm height was constructed. The chamber contained a thermometer, a tube to connect the internal part with the atmosphere (vent tube) and a sample port. Results obtained, however, showed a very low and variable emission rates, suggesting that the gas concentration within the chamber could be under non-homogeneous conditions. Specifically, the methane flux emitted by the constructed wetlands range between -34 CH4/m2.dia and 5 mg CH4/m2.dia while the nitrous oxide flux emitted range between -3 mg N2O/m2.dia and 8 mg N2O /m2.dia. As a consequence, the non-homogenous conditions in the chamber were also studied under laboratory conditions. To this regard, a second chamber was built to specifically study the distribution of gas concentration within the chamber. This second chamber was 20 cm height and three sampling points were set up along the height of the chamber so to permit the vertical sampling of the chamber. Homogenous conditions were studied as function of the homogenization agent position (a fan is located on the top or on one lateral wall of the chamber), to the homogenization time before sample withdrawal (5, 10, 15 and 20 minutes) and to the fan air flow (647 and 2240 l/min). Finally the bias in the flux densities estimation, also due to non-homogenous concentration in the chamber, was quantified. Results showed that, methane within the closed chamber was not only under severe non-homogenous conditions (there are differences from 40% to 60% between the bottom samples and the upper samples), but also that neither the fan position, nor air flow, have any significant effect on the homogenisation of gas within the chamber. Results showed that non-homogeneous distribution of gas within the chamber biased the flux density estimation. Accordingly, biases ranged from -50% (underestimation to the real flux density) to 16% (overestimation) within the range of tested flux densities (200, 400, 800 and 1600 mg de CH4/m2).