L’importanza della riduzione delle emissioni di ossido di azoto per le utility
L’ossido di azoto (N₂O) può contribuire in modo significativo alle emissioni di gas serra legate al trattamento delle acque reflue, ma il settore idrico è ancora lontano dall’implementazione di soluzioni specifiche per il monitoraggio, il controllo e il reporting di queste emissioni. Quali azioni potrebbero intraprendere le utility per iniziare a gestire le emissioni di N₂O e quali soluzioni possono aspettarsi in futuro? Xylem ha intervistato l’esperto Oliver Puckering.
Un sondaggio di Xylem tra 100 utility del 2023 ha evidenziato che il 75% di esse si è posta l’obiettivo di ridurre le emissioni di gas serra entro il 2040 e molte hanno già iniziato a ridurle con tecnologie ad alta efficienza energetica e soluzioni digitali per ottimizzare le proprie attività. Nonostante il loro impatto significativo, molte utility hanno classificato le emissioni di processo, come quelle di metano e ossido di azoto, in fondo alla lista delle priorità di intervento.
Per capire perché le utility dovrebbero dare priorità alla riduzione delle emissioni di ossido di azoto e le possibili soluzioni, Making Waves ha intervistato il Dott. Oliver Puckering, direttore del programma Partnership Accelerator di Xylem Innovation Labs.
D. Perché è importante che gli impianti di depurazione delle acque reflue adottino soluzioni specifiche per ridurre le emissioni di ossido di azoto?
L’ossido di azoto ha un potenziale di riscaldamento globale 300 volte maggiore rispetto a quello dei biossido di carbonio. Poichè molte utility si sono impegnate e conseguire gli obietivi di Net Zero, la riduzione delle emissioni di ossido di azoto svolgerà un ruolo fondamentale nel raggiungimento di questi obiettivi.
L’ossido di azoto viene generato negli impianti di trattamento delle acque reflue durante i processi di nitrificazione e denitrificazione, che servono a rimuovere l'ammoniaca e a proteggere le acque riceventi dai carichi nocivi di azoto. Operazioni di processo non ottimali possono produrre livelli maggiori di ossido di azoto, che viene poi rimosso dal liquido e rilasciato nell'atmosfera alla successiva aggiunta d’aria da parte dei soffianti.
Le ricerche condotte da Xylem evidenziano che le emissioni di N₂O possono costituire il 25–75% di quelle totali di un impianto di depurazione, a seconda del processo e del mix di elettricità, mentre altri studi sulle emissioni di N₂O hanno evidenziato che le emissioni di N₂O possono raggiungere il 60–80% di quelle complessive. Le emissioni di N₂O oscillano in modo costante e dipendono soprattutto da cicli e fattori stagionali come temperatura, carichi di azoto e fabbisogno di aerazione negli impianti di depurazione.
Analizzare nel dettaglio le emissioni di ossido di azoto negli impianti per il trattamento delle acque reflue sarà fondamentale per aiutare le utility a raggiungere i loro obiettivi di emissione di gas serra e per definire le linee guida per l’intero settore idrico.
D: Quali sono le tecnologie attualmente disponibili per la misurazione delle emissioni di N₂O?
A differenza delle tecnologie per la misurazione delle variabili di processo standard come ammonio, ossigeno dissolto e solidi in sospensione, non sono ancora disponibili soluzioni affidabili per la misurazione dell’ossido di azoto. Tuttavia, con l'inasprirsi delle normative, ci aspettiamo di assistere a un significativo sviluppo tecnologico. È già emersa una serie di soluzioni per il monitoraggio delle emissioni di N₂O, alcune basate sulla misurazione diretta e altre sulla modellazione per stimare la produzione e il rilascio di N₂O.
Sono disponibili anche sensori in grado di misurare direttamente la quantità di N₂O in fase liquida, gassosa oppure in entrambe le fasi. Sebbene questi sensori offrano misurazioni affidabili all’interno del range specificato, la loro implementazione su larga scala in più impianti di depurazione rimane una sfida. Tuttavia, si rivelano utili per condurre campagne annuali di misurazione di N₂O in punti specifici degli impianti di depurazione, come i bacini di fanghi attivi.
D: Qual è la differenza tra modellazione e misurazione diretta delle emissioni di N₂O?
I modelli empirici e basati sui rischi incorporano parametri come l'ossigeno disciolto, i nitriti, i nitrati e la fluidodinamica computazionale. Questi modelli offrono una comprensione completa delle emissioni di N₂O e sono molto interessanti sia per la loro facilità di implementazione che per la loro scalabilità. Nonostante le problematiche in termini di convalida e verifica, molte utility di tutto il mondo hanno iniziato ad adottare questi modelli in progetti dimostrativi per velocizzare la procedura di convalida.
A prescindere che sia effettuato mediante misurazione diretta o modellazione, il monitoraggio in tempo reale delle emissioni di N₂O, è fondamentale per adottare strategie di mitigazione basate su dati concreti.
Ad esempio, i sitemi di supporto decisionale con apprendimento automatico possono sfruttare i dati relativi al monitoraggio di N₂O per ottimizzare le condizioni operative come il controllo dell’ossigeno e il ritorno dei fanghi attivi. In tal modo è possibile ridurre al minimo la generazione di N₂O e di conseguenza il rischio di emissioni mediante strippaggio durante i processi di nitrificazione e denitrificazione, pur soddisfacendo i requisiti di trattamento.
D: Quali nuove metodologie possono essere utilizzate per prevenire la produzione di N₂O?
È importante comprendere che mentre le soluzioni di mitigazione possono ridurre le emissioni di N₂O, potrebbero non eliminare completamente la formazione di N₂O, che è intrinseca ai processi di trattamento biologico. L'identificazione di tecnologie e metodologie di trattamento alternative è fondamentale per le utility per iniziare un graduale passaggio dai processi a fanghi attivi al recupero delle risorse.
Diverse utility hanno già adottato questi processi di recupero alternativi di tipo fisico, chimico o naturale potenziato (come il trattamento con alghe) per eliminare le cause alla base della produzione di N₂O. Tuttavia, per realizzare la catena di trattamento più efficiente ed efficace possibile, dovranno valutare tutte le alternative a disposizione per le loro esigenze specifiche e non adottare un approccio di tipo “universale”.
D: Quali sono le linee guida a disposizione per aiutare le utility a stimare le proprie emissioni di N₂O?
Nel 2019, l’Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) ha introdotto delle linee guida con un approccio di suddivisione in categorie per stimare le emissioni di N₂O. Queste linee guida possono essere un buon punto di partenza per aumentare la consapevolezza sulle emissioni di N₂O, tuttavia spesso sottostimano le emissioni effettive, rendendo difficile pianificare con precisione gli sforzi di mitigazione.
Già oggi le utility possono intraprendere diverse azioni per iniziare a valutare e ridurre le emissioni effettive di ossido di azoto.
Tuttavia, dovrebbero adottare un approccio strategico, concentrandosi prima sugli impianti di depurazione più grandi e con i sistemi di aerazione più complessi, insieme a valutazioni di consumo energetico ed emissioni. Ciò consentirà loro di iniziare a implementare azioni mirate, che costituiranno poi la base per piani di miglioramento più ampi in tutte le tipologie di impianti.
D. Qual è l’approccio degli Xylem Innovation Labs allo sviluppo di soluzioni specifiche per il monitoraggio e il controllo dell’ossido di azoto?
Gli Xylem Innovation Labs collaborano con start-up nell’ambito del nostro programma Partnership Accelerator, per lanciare le soluzioni idriche più innovative il più velocemente possibile sul mercato. Questo programma annuale ci aiuta a individuare, approfondire e valutare le tecnologie di un ampio spettro di clienti e sfide legate all’acqua nel mondo, con l'obiettivo del Net Zero e della sostenibilità come focus principale.
La riduzione delle emissioni di protossido di azoto è un pilastro fondamentale di questo lavoro, che si concentra sul monitoraggio precoce e diretto, sulla modellazione e sui gemelli digitali, oltre a nuove alternative di trattamento per il recupero dei nutrienti.
Dal lancio di Accelerator nel 2022, al programma hanno aderito 35 aziende. Ecco un esempio di partecipanti al programma legati a diversi aspetti della riduzione delle emissioni:
- Gross Wen Technologies, che ha sviluppato un processo di trattamento con alghe per la cattura e il recupero dei nutrienti.
- Aquamonitrix, che ha ideato un sensore di nitriti e nitrati per il monitoraggio precoce.
- Cobalt Water Global, che ha sviluppato un software che valuta il rischio di generazione ed emissioni di ossido di azoto nei processi.
Scopri di più su come Xylem aiuta le aziende idriche a conseguire i propri obiettivi di zero emissioni nette.