Greenhouse Gas Emissions from Blackwater Septic Systems

• DOI: 10.1021/acs.est.0c03418
• Publication Date: 2021-01-07T06:30:17Z
• Authors: Loi Tan Huynh; Hidenori Harada; Shigeo Fujii; Lien Pham Hong Ng...; Thu-Huong Thi Hoang; Hai Trung Huynh
• Keywords: Greenhouse Effect; Carbon Dioxide Capture and Storage Technologies; 0208 environmental biotechnology; Nitrous Oxide; FOS: Mechanical engineering; Environmental engineering; Organic chemistry; 02 engineering and technology; Greenhouse gas; 7. Clean energy; Environmental science; Greenhouse Gases; Engineering; Blackwater; 11. Sustainability; Nitrous Oxide Emission; Biology; Nitrous oxide; Ecology; Mechanical Engineering; FOS: Environmental engineering; Microbial Nitrogen Cycling in Wastewater Treatment Systems; Building and Construction; Carbon Dioxide; Pollution; 6. Clean water; Chemistry; Vietnam; CO2 Separation; Carbon dioxide; Septic tank; 13. Climate action; FOS: Biological sciences; Environmental Science; Physical Sciences; Environmental chemistry; Anaerobic Digestion and Biogas Production; Methane

Septic systems are potentially a significant source of greenhouse gases (GHGs). The present study investigated GHGs from the blackwater septic systems that are widely used especially in low- and middle-income countries. Ten blackwater septic tanks in Hanoi, Vietnam, were investigated using the floating chamber method. The average methane and carbon dioxide emission rates measured at the first compartment (65% of total capacity) of the septic tanks were 11.92 and 20.24 g/cap/day, respectively, whereas nitrous oxide emission was negligible. Methane emission rate was significantly correlated with septage oxidation–reduction potential (ORP) (R = −0.67, p = 0.034), chemical oxygen demand mass (R = 0.78, p = 0.007), and biochemical oxygen demand mass (R = 0.78, p = 0.008), whereas it was not significantly correlated with water temperature (R = 0.26, p = 0.47) and dissolved oxygen (R = −0.59, p = 0.075) within the limited range: 30.6–31.7 °C and 0.03–0.34 mg-O2/L. The methane emission rates from septic tanks accumulating septage for >5 years were significantly higher than those at 0–5 years (p = 0.016). These results suggest that lower ORP and higher biodegradable carbon mass, in association with longer septage storage periods are key conditions for methane emissions. To the best of our knowledge, this is the first study to characterize GHG emissions from septic systems.<br/>من المحتمل أن تكون أنظمة الصرف الصحي مصدرًا مهمًا لغازات الدفيئة (GHGs). بحثت هذه الدراسة في غازات الدفيئة من أنظمة تعفين المياه السوداء التي تستخدم على نطاق واسع خاصة في البلدان منخفضة ومتوسطة الدخل. تم التحقيق في عشرة خزانات صرف صحي للمياه السوداء في هانوي، فيتنام، باستخدام طريقة الغرفة العائمة. بلغ متوسط معدلات انبعاث الميثان وثاني أكسيد الكربون المقاسة في الحجرة الأولى (65 ٪ من السعة الإجمالية) لخزانات الصرف الصحي 11.92 و 20.24 جم/غطاء/يوم، على التوالي، في حين كان انبعاث أكسيد النيتروز ضئيلًا. كان معدل انبعاث الميثان مرتبطًا بشكل كبير بجهد تقليل أكسدة الصرف الصحي (ORP) (R = −0.67، p = 0.034)، وكتلة الطلب على الأكسجين الكيميائي (R = 0.78، p = 0.007)، وكتلة الطلب على الأكسجين الكيميائي الحيوي (R = 0.78، p = 0.008)، في حين لم يكن مرتبطًا بشكل كبير بدرجة حرارة الماء (R = 0.26، p = 0.47) والأكسجين المذاب (R = −0.59، p = 0.075) ضمن النطاق المحدود: 30.6-31.7 درجة مئوية و 0.03-0.34 ملغ - O2/لتر. كانت معدلات انبعاث الميثان من خزانات الصرف الصحي المتراكمة للصرف الصحي لأكثر من 5 سنوات أعلى بكثير من تلك الموجودة في 0–5 سنوات (p = 0.016). تشير هذه النتائج إلى أن انخفاض ORP وارتفاع كتلة الكربون القابلة للتحلل الحيوي، بالاقتران مع فترات تخزين أطول للفصل هي شروط رئيسية لانبعاثات الميثان. على حد علمنا، هذه هي الدراسة الأولى التي تميز انبعاثات غازات الدفيئة من أنظمة الصرف الصحي.<br/>Los sistemas sépticos son potencialmente una fuente importante de gases de efecto invernadero (GEI). El presente estudio investigó los GEI de los sistemas sépticos de aguas negras que se utilizan ampliamente, especialmente en los países de ingresos bajos y medios. Se investigaron diez tanques sépticos de aguas negras en Hanoi, Vietnam, utilizando el método de cámara flotante. Las tasas medias de emisión de metano y dióxido de carbono medidas en el primer compartimento (65% de la capacidad total) de las fosas sépticas fueron de 11,92 y 20,24 g/tapa/día, respectivamente, mientras que la emisión de óxido nitroso fue insignificante. La tasa de emisión de metano se correlacionó significativamente con el potencial de oxidación-reducción (ORP) del septage (R = -0,67, p = 0,034), la masa de demanda química de oxígeno (R = 0,78, p = 0,007) y la masa de demanda bioquímica de oxígeno (R = 0,78, p = 0,008), mientras que no se correlacionó significativamente con la temperatura del agua (R = 0,26, p = 0,47) y el oxígeno disuelto (R = -0,59, p = 0,075) dentro del rango limitado: 30,6-31,7 °C y 0,03-0,34 mg-O2/L. Las tasas de emisión de metano de los tanques sépticos que acumulan septage durante >5 años fueron significativamente más altas que las de 0–5 años (p = 0,016). Estos resultados sugieren que un ORP más bajo y una mayor masa de carbono biodegradable, en asociación con períodos de almacenamiento de septage más largos, son condiciones clave para las emisiones de metano. Hasta donde sabemos, este es el primer estudio que caracteriza las emisiones de GEI de los sistemas sépticos.<br/>Les systèmes septiques sont potentiellement une source importante de gaz à effet de serre (GES). La présente étude a étudié les GES provenant des systèmes septiques d'eaux noires qui sont largement utilisés, en particulier dans les pays à revenu faible et intermédiaire. Dix fosses septiques à eaux noires à Hanoi, au Vietnam, ont été étudiées en utilisant la méthode de la chambre flottante. Les taux moyens d'émission de méthane et de dioxyde de carbone mesurés au premier compartiment (65% de la capacité totale) des fosses septiques étaient de 11,92 et 20,24 g/cap/jour, respectivement, alors que les émissions d'oxyde nitreux étaient négligeables. Le taux d'émission de méthane était significativement corrélé avec le potentiel d'oxydo-réduction du septage (ORP) (R = −0,67, p = 0,034), la masse de la demande chimique en oxygène (R = 0,78, p = 0,007) et la masse de la demande biochimique en oxygène (R = 0,78, p = 0,008), alors qu'il n'était pas significativement corrélé avec la température de l'eau (R = 0,26, p = 0,47) et l'oxygène dissous (R = −0,59, p = 0,075) dans la plage limitée : 30,6-31,7 °C et 0,03-0,34 mg-O2/L. Les taux d'émission de méthane des fosses septiques accumulant le septage pendant >5 ans étaient significativement plus élevés que ceux à 0–5 ans (p = 0,016). Ces résultats suggèrent que des ORP plus faibles et une masse de carbone biodégradable plus élevée, en association avec des périodes de stockage plus longues, sont des conditions clés pour les émissions de méthane. À notre connaissance, il s'agit de la première étude à caractériser les émissions de GES des fosses septiques.<br/>