By: ALVARO OROZCO JARAMILLO CONSULTANT ENGINEER 

Professor (retired) Universidad  de los Andes aorozcos1@une.net.co

CONTENIDO: 

1.  INTRODUCTION 2.  GLOBAL WARMING AND GREENHOUSE GASES (GHG) 3. WASTEWATER TREATMENT PLANT EMISSION FACTORS 4.  IMPACT OF WWTP ON GLOBAL WARMING 5.  CONCLUSIONS 6.  BIBLIOGRAPHY

1. INTRODUCTION 

�  Global warming is the increase in the average temperature of the Earth's near‐ surface  air  and  oceans  since  the  mid‐20th  century  and  its  projected continuation. 

�  Global warming  is very  likely due  to  the observed  increase  in anthropogenic GHG concentrations (mostly CO 2 )  generated by fossil fuels burning (carbon, oil, natural gas, etc.).  Other GHG (CH4, N2O, SF 6 ) emissions also contributes to global warming.  Water vapor is also a GHG but its concentration depends on  Earth’s  temperature  and  is  considered  in  mathematically‐based  Global Climate  Models  (GCM)  as  the  water  vapor  feedback.  The  major  non‐gas contributor  to  the  Earth's  greenhouse  effect,  clouds,  also  absorb  and  emit infrared  radiation  and  thus  have  an  effect  on  radiative  properties  of  the greenhouse gases. 

�  Earth's  most  abundant  greenhouse  gases  are:  (i)  water  vapor,  which contributes  36–70%;  (ii)  carbon  dioxide,  which  contributes  9–26%;  (iii) methane, which contributes 4–9%; and (iv) ozone, which contributes 3–7%.

…1. INTRODUCTION 

�  The  Intergovernmental  Panel  on  Climate  Change  (IPCC)  is  a  scientific intergovernmental body tasked to evaluate the risk of climate change caused by  human  activity.  The  panel  was  established  in  1988  by  the  World Meteorological Organization(WMO)  and  the United Nations Environmental Programme  (UNEP),  two  organizations  of  the  United  Nations.  The  IPCC shared the 2007 Nobel Peace Prize with Al Gore. 

�  The  Kyoto  Protocol  is  a  protocol  to  the  United  Nations  Framework Convention on Climate Change (UNFCCC or FCCC) produced at  the United Nations  Conference  on  Environment  and  Development  (UNCED),  (also known as the Earth Summit), held in Rio de Janeiro (Brazil) in June 1992. The treaty  is  intended  to  achieve  "stabilization  of  green  house  gas  (GHG) concentrations  in  the  atmosphere  at  a  level  that  would  prevent  dangerous anthropogenic interference  with the climate system”

…1. INTRODUCTION 

�  Wastewater  Treatment  Plant  (WWTP)  practice  only  considers  as  GHG  the CH 4  (produced  by  sludge  and  wastewater  anaerobic  treatment)  and  N 2 O (produced  by  nitrification,  denitrification    and,  in  a  minor  scale,  activated sludge treatment). 

�  The 100 years global warming potential (GWP) of CH4 is 23 times higher than that  of  CO 2  (1  t  CH4  =  23t‐equivalent  CO 2  or  CO 2 e)  and  is  the  GHG more important in WWTP. 

�  The  100  years  global  warming  potential  (GWP)  of  N 2 O  is  320  times  higher than  that  of  CO 2  (1  t  N 2 O  =  296  t  CO 2 e).  Nitrous  oxide  (N 2 O)  may  be generated  by  nitrification  and  denitrification  processes  during  biological treatment  of  the  wastewater.    Direct  discharges  of  wastewater  into  water masses  will  produce  N2O    anyway    and  should  be  account  for  as  indirect emissions. 

�  CO 2  emission  in wastewater  treatment processes was  found to be neutral in terms of global warming due to its biogenic origin, and is not considered by IPCC as a global warming contributor by WWTP. 

�  WWTP accounts for less than 0.5% of the total GHG emissions worldwide. �  In any case, WWTP practices should incorporate methods to control GHG.

2.  GLOBAL WARMING 

�  Sun  is  the Earth’s main  source of energy.   There are others  (e.g.  geothermic sources) but they are minute in comparison with solar radiation. 

�  Earth’s temperature is the resultant of: 

(i)  incoming  solar  radiation  (S) mostly  irradiated  in  the  range  of  visible light of the electromagnetic spectrum,  minus the fraction (α) which is reflected by polar caps and clouds.  This fraction is called the terrestrial albedo; 

(ii)  the  emission  of  ‘terrestrial’  radiation,  which  depend  on  mean  Earth’s temperature.    GHG  are  transparent  to  short  wave  radiation  (99% emitted  by  the  Sun)  and  opaque  to  long  wave  radiation  (99% emitted  by Earth)

…2. GLOBAL WARMING ¿How much is the solar incoming radiation?: 

�  On  the  average  the  solar  incoming  radiation  is  1370  W/m 2 .  This  radiation coming through the Earth’s projected  circle is distributed on the whole area of Earth’s   sphere   which is  four times greater  .    In other words,  the average radiation arriving to Earth’ surface is 1370/4 =  342 W/m 2 . 

�  However, of the total solar incoming radiation   30% is reflected by the polar caps,  clouds,  etc.  This  percentage  in  decimal  form  (0.3)  is  the  terrestrial albedo (α).

…2.  GLOBAL WARMING ¿How much heat is re‐radiated by Earth?: 

�  Assuming  that  Earth  is  in  thermal  equilibrium,  then  the  incoming  Sun radiation (heat) should be equal to Earth’s radiation as a black body (Stefan‐ Boltzmann’s Law). 

�  Solving    the   equilibrium equation  for a  terrestrial albedo α = 0.3 obtain   an Earth’s    average  temperature  of  ‐18 o  C.  ¡It  seems  a  bit  cold!    (real  Average surface temperature is 15° C).  Is the physics wrong? No, it’s just incomplete. 

�  To obtain the right answer it is necessary to have into account the Greenhouse Effect.

…2.  GLOBAL WARMING ¿What happens then ? 

�  Because of its temperature, the Earth’s surface emits radiation in the 4.0 to 100.0 μm region. Most of this is absorbed by greenhouse gases (GHG). But the atmosphere is at a similar temperature, so these gases will re‐emit much of this radiation, some to space, but more back to the surface, making the surface warmer.  This is known as the Greenhouse Effect. 

�  Taking into account the Greenhouse Effect, the GHG reflection from the atmosphere back to Earth is 155 W/m 2 and  solving again the thermal balance equation we found that the mean temperature is 15ºC, in agreement with reality. 

�  ¡The Greenhouse Effect is a natural phenomenon and without it life on Earth would be inexistent!  The GHG have existed for millions years.

…2.  GLOBAL WARMING

…2.  GLOBAL WARMING In the long range, solar radiation is also affected by Milankovitch cycles, due to position changes of the planet respect to the Sun.

…2.  GLOBAL WARMING

…2.  GLOBAL WARMING �  There are two ways of measuring the greenhouse effect: 

(i)  The first is the 33 ° C difference between the effective temp (‐18°C) and the  actual (average) surface temp (15°C). 

(ii)  The second is the difference between the 390 Wm ‐2 surface emission and  the 237 Wm ‐2 emission to space: 153 Wm ‐2 

(iii)  Of this 153 Wm ‐2 , H 2 O vapor accounts for about 95, CO 2 for about 50,  and N 2 O, CH 4 , O 3 and CFCs about 2 each. 

�  The interesting question which now confronts us is: How are these numbers changing, as a result of our actions?

…2.  GLOBAL WARMING

3.  WASTEWATER TREATMENT PLANT EMISSION FACTORS 

�  Wastewater    is  a  source  of  methane  (CH 4 )  when  treated  or  disposed  of anaerobically. It can also be a source of nitrous oxide (N 2 O) emissions. Carbon dioxide  (CO 2 )  emissions  from  wastewater  are  not  considered  in  the  IPCC Guidelines  because  these  are  of  biogenic  origin  and  should  not  be included in inventories of emissions. 

�  Wastewater originates from a variety of domestic, commercial and industrial sources  and  may  be  treated:  (i)    on  site  (uncollected),  (ii)  sewered  to  a centralized  plant  (collected)  or  (iii)  disposed  untreated  nearby  or  via  an outfall. 

�  Domestic  wastewater  is  defined  as  wastewater  from  household  water  use, while industrial wastewater is from industrial practices only. 

�  The most common wastewater treatment methods in developed countries are centralized  aerobic  wastewater  treatment  plants  and  lagoons  for  both domestic and industrial wastewater. 

�  The  degree  of  wastewater  treatment  varies  in  most  developing  countries. Domestic  wastewater  is  treated  in  centralized  plants,  pit  latrines,  septic systems  or  disposed  of  in  unmanaged  lagoons  or  waterways,  via  open  or closed sewers.  Presently, anaerobic treatment in warm climate is increasingly used .

… 3.  WASTEWATER TREATMENT PLANT EMISSION FACTORS 

�  Centralized  wastewater  treatment  methods  can  be  classified  as  primary, secondary,  and  tertiary  treatment.  In  primary  treatment,  physical  barriers remove  larger  solids  from  the  wastewater.  Remaining  particulates  are  then allowed to settle. 

�  Secondary  treatment  consists  of  a  combination  of  biological  processes  that promote  biodegradation  by  microorganisms.  These  may  include  aerobic stabilization ponds, trickling filters, and activated sludge processes, as well as anaerobic reactors and lagoons. 

�  Tertiary  treatment  processes  are  used  to  further  purify    the  wastewater  of pathogens,  contaminants,  and  remaining  nutrients  such  as  nitrogen  and phosphorus compounds

… 3.  WASTEWATER TREATMENT PLANT EMISSION FACTORS

… 3.  WASTEWATER TREATMENT PLANT EMISSION FACTORS 3.1 N 2 O EMISSION FACTOR (EF) 

�  Nitrous  oxide  (N 2 O)  is  associated  with  the  degradation  of  nitrogen components  in  the  wastewater,  e.g.,  urea,  nitrate  and  protein.  Direct emissions  of  N 2 O  may  be  generated  during  both  nitrification  and denitrification of the nitrogen present. Both processes can occur in the plant and in the effluent receiving water body. 

�  Nitrification  is  an  aerobic  process  converting  ammonia  and  other  nitrogen compounds into nitrate (NO 3 ‐) 

�  Denitrification  occurs  under  anoxic  conditions  (without  free  oxygen),  and involves  the  biological  conversion  of  nitrate  into  nitrogen  gas  (N 2 ).  Nitrous oxide  can  be  an  intermediate  product  of  both  processes,  but  is  more  often associated with denitrification. 

�  N 2 O  emissions  should  be  converted  into  CO 2  equivalent.  (1  t  N 2 O  =  296  t CO 2 e)

… 3.  WASTEWATER TREATMENT PLANT EMISSION FACTORS

… 3.  WASTEWATER TREATMENT PLANT EMISSION FACTORS 

3.1.2  Emissions  from  advanced  centralized  wastewater  treatment  plants are  typically  much  smaller  than  those  from  effluent  and  may  only  be  of interest  for  centralized  wastewater  treatment  plants  with  controlled nitrification  and  denitrification  steps.  The  overall  emission  factor    (EF)  to estimate N 2 O emissions from such plants is 3.2 g N 2 O/person/year. If there are commercial and industrial discharges  a default  factor (F ind/com ) of 1,25, should be applied: 

(kg N 2 O /yr) WWTP =P x 3,2 kg N 2 O /person.yr x F ind/com = P x 4 kg N 2 O /person.yr 

where P is the population equivalent treated at the WWTP

… 3.  WASTEWATER TREATMENT PLANT EMISSION FACTORS

… 3.  WASTEWATER TREATMENT PLANT EMISSION FACTORS 3.2 CH 4 EMISSION FACTOR (EF) 

�  Wastewater as well as  its sludge components can produce CH 4  if  it degrades anaerobically.  The  extent  of  CH 4  production  depends  primarily  on  the quantity of degradable organic material (DOM) in the wastewater. 

�  The  temperature,  and  the  type  of  treatment  system.  With  increases  in temperature,  the  rate  of  CH 4  production  increases.  This  is  especially important  in  uncontrolled  systems  and  in  warm  climates.  Below  15°C, significant  CH 4 production  is  unlikely  because methanogens    are  not  active and the lagoon will serve principally as a sedimentation tank. 

�  The BOD concentration indicates only the amount of carbon that is aerobically biodegradable. The standard measurement for BOD is a 5‐day test, denoted as BOD5. 

�  CH 4  production should be converted into CO 2 e (1 t CH 4  = 23 t CO 2 e)

… 3.  WASTEWATER TREATMENT PLANT EMISSION FACTORS 3.2.1  The IPCC general equation to estimate CH 4  emissions  from domestic wastewater is as follows: 

CH 4 Emissions =[∑ (U i T i,j EF j )] (TOW ‐ S ) ‐ R 

�  CH 4  Emissions = CH 4  emissions in inventory year, kg CH 4 /yr �  TOW= total organics in wastewater in inventory year, kg BOD/yr �  S = organic component removed as sludge in inventory year, kg BOD/yr �  U i = fraction of population in income group i in inventory year. �  degree  of  utilization  of  treatment/discharge  pathway  or  system,  j,  for  each income  group 

�  T i,j = fraction i in inventory year. �  i= income group: rural, urban high income and urban low income �  j= each treatment/discharge pathway or system �  R = amount of CH 4 recovered in inventory year, kg CH4/yr �  EF j = emission factor, kg CH 4 / kg BOD

… 3.  WASTEWATER TREATMENT PLANT EMISSION FACTORS 3.2.2  The IPCC proposes the following equation for calculating the CH 4 Emission Factor  of anaerobic WWTP: 

�  kg CH 4 = P * DOM * (1 ‐ % DOM disposed of as sludge) * (CH 4 ) max * MCF  ‐  kg (CH 4 ) burned 

To calculate the EF from sludge treatment, the IPCC proposed the following equation: 

�  kg CH 4 = P * DOM* % DOM disposed of as sludge * (CH 4 ) max * MCF  ‐  kg (CH 4 ) burned 

�  In  both  equations,  DOM  is  the  degradable  organic  matter  per  capita  (as BOD). A default value of DOM= 0.05 kg DBO5/person.d,  is suggested unless the  country  real  value  is  known.    The  good  practice  IPCC guide  proposes  a maximum  production  of  0.6  kg  CH4/kgDBO.    The  correction  factor  for methane  production  depends  on  treatment  type  and  affect  the  proposed maximum production (see table below)

… 3.  WASTEWATER TREATMENT PLANT EMISSION FACTORS

… 3.  WASTEWATER TREATMENT PLANT EMISSION FACTORS 

3.3  INDIRECT EMISSIONS �  For the fully aerobic process, up to 1.4 kg CO 2 /kg COD removed  originates from power generation needed for aeration. 

�  This  means  that  considerably  more  CO 2  is  produced  in  power  generation needed  for  aeration  than  in  the  actual  treatment  process,  and  all  of  this  is typically from fossil fuels, whereas the energy from the wastewater pollutants comes primarily from renewable energy sources (food, i.e. biogenic origin ). 

�  A change from anaerobic to aerobic sludge treatment processes (for the same aerobic main process) has a massive impact on the CO 2 production from fossil fuels:  an  additional  0.8  kg  CO 2 /kg  COD removed  is  produced  by  changing  to aerobic sludge digestion. 

�  In  terms  of  GHG  production,  the  total  output  (in  CO 2  equivalents)  can  be reduced from 2.4 kg CO 2 /kg COD removed  for  fully aerobic  treatment  to  1.0 kg CO 2 /kg COD removed for primarily anaerobic processes. 

�  Major advantages can be gained by using primarily anaerobic processes as it is possible  to  largely  eliminate  any  net  energy  input  to  the  process,  and therefore the production of GHG from fossil fuels.

4.  IMPACT OF WWTP ON GLOBAL WARMING

… 4.  IMPACT OF WWTP ON GLOBAL WARMING

… 4.  IMPACT OF WWTP ON GLOBAL WARMING

4.  CONCLUSIONS 

�  Wastewater Treatment Plants  (WWTP) contributes    21% of  total CO 2 e  from sector Waste,  which  is  the  2.3  %  of  total  CO 2 e  USA  GHG  emissions.    This account for less than 0.5% of USA greenhouse gas emissions. 

�  Wastewater as well as  its sludge components can produce CH 4  if  it degrades anaerobically. 

�  Nitrous  oxide  (N 2 O)  is  associated  with  the  degradation  of  nitrogen components  in  the  wastewater,  e.g.,  urea,  nitrate  and  protein.  Direct emissions  of  N 2 O  may  be  generated  during  both  nitrification  and denitrification of the nitrogen present. Both processes can occur in the plant and in the water body that is receiving the effluent. 

�  Carbon  dioxide  (CO 2 )  emissions  from wastewater  are  not  considered  in  the IPCC  Guidelines  because  these  are  of  biogenic  origin  and  should  not  be included in inventories of emissions.

4.  CONCLUSIONS 

�  More CO 2  is  produced  in  power  generation needed  for  aeration  than  in  the actual treatment process, and all of this is typically from fossil fuels, whereas the  energy  from  the wastewater  pollutants  comes  primarily  from  renewable energy sources (food, i.e. biogenic origin ). 

�  Major advantages can be gained by using primarily anaerobic processes as it is possible  to  largely  eliminate  any  net  energy  input  to  the  process,  and therefore the production of GHG from fossil fuels. 

�  Burning produced CH 4  in WWTP additionally reduces de CO 2 e emissions due that the Potential Global Warming of 1 t CH 4 = 23 t CO 2 e.

7. BIBLIOGRAFÍA �  Orozco, A. (2007) “La lucha contra el calentamiento global: un conflicto de intereses”,  Corporación Otraparte, 

Medellín. �  Orozco, Álvaro (2005), “Bioingeniería de aguas residuales: teoría y diseño”, ACODAL, Bogotá, Colombia. �  METCALF & EDDY (2003), “Wastewater engineering: treatment and reuse”, 4th Edition, McGraw Hill Co. �  http://unfccc.int/files/meetings/cop_13/application/pdf/cp_bali_action.pdf �  http://themes.eea.europa.eu/Sectors_and_activities/energy/indicators/EN01,2007.04/Fig1.gif/view �  Yochanan Kushnir, “The Green House Effect and the two dimensional pattern of Earth’s Radiation Budget”, 

Greehouse pdf �  http://en.wikipedia.org/wiki/Milankovich_Effect �  http://www.abelard.org/briefings/global_warming_atmospheric_chemistry_physics.php. �  Thomsen Marianne y Erik Lyck (2005). “Emission of CH 4 and N 2 O from Wastewater Treatment Plants (6B)”. �  IPCC, WMO, UNEP (2006), “2006 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories, Volume 5”. �  Dautremont‐Smith, J (2002); en “Guidelines for College‐Level Greenhouse Gas Emissions Inventories” �  UNFCCC/CCNUCC (1996), “Approved baseline and monitoring methodology AM0039: Methane emissions reduction 

from organic waste water and bioorganic solid waste using composting”. �  FAO (2006), “Food Security Statistics – Colombia” �  Keller J.  and Hartley K. (2002), “Greenhouse gas production in wastewater treatment: process selection is the major 

factor”, Water science and technology  ISSN 0273‐1223  CODEN WSTED4, London, UK. �  EPA (2008), “Inventory of U.S. Greenhouse Gas Emissions and Sinks: 1990 – 2006”, USA. �  Daiger, G, R. Peterson,  J. Whiterspoon and E. Allen (2000), “ Impact of global warming concerns on wastewater 

treatment plant design and operation”, ASCE, USA.