Kväveretention i svenska sjöar och vattendrag – betydelse för utsläpp från reningsverk

• Main Authors: Arheimer, Berit, Pers, Charlotta
• Format: Report
• Language: Swedish
• Published: Sveriges meteorologiska och hydrologiska institut, SMHI 2007
• Subjects: HBV-NP; retention; övergödning; reningsverk; kväveutsläpp; Environmental Sciences; Miljövetenskap; Sommaren; Northern Sweden
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:naturvardsverket:diva-6932

Den här rapporten har tagits fram på uppdrag av Naturvårdsverket för att underlätta diskussionen med EU-kommissionen, som har annonserat att den tänker stämma Sverige inför EU-domstolen för otillräckligt genomförande av avloppsdirektivet. Vid bedömningen av vilka reningsverk som omfattas av krav på kväverening tas i Sverige hänsyn till den naturliga avskiljning (retention) som sker i vattendrag under transporten från utsläppskälla till havet. Kväveretention är ett vedertaget begrepp som inkluderar ett flertal naturliga biogeokemiska processer som permanent reducerar kväve från vattenfasen i sjöar och vattendrag. Speciellt stor är effekten i sjörika områden. Sverige har totalt 92 000 sjöar som är större än 1 ha. Det är inte ovanligt med 30-70% kväveavskiljning i svenska vattendrag och sjöar. Den process som dominerar avskiljningen i naturen är denitrifikation, vilket är samma process som utnyttjas för att avlägsna kväve ur avloppsvatten vid reningsverken. Naturlig retention är dock svår att mäta och måste uppskattas med hjälp av antaganden, som så många andra flöden i naturen. I Sverige har man utvecklat ett modellsystem för storskalig beräkning av närsalttransport, inklusive retention, från land till hav med relativt hög geografisk upplösning. Systemet kopplar fältskalemodeller med avrinningsmodeller, är vetenskapligt dokumenterat och granskat och har tillämpats storskaligt sedan 1997 för internationell rapportering till HELCOM. Avrinningsområdesmodellen (HBV-NP) justeras och utvärderas mot mätningar där sådana finns. Den kväveretention som beräknas med hjälp av HBV-NP modellen utgörs av kväve som permanent avskiljs till atmosfär och sediment och som därför inte vidare bidrar till övergödningen av vattensystemen. Både beräkningar och mätningar visar att kväveretentionen är störst på sommaren, speciellt i sjörika områden med hög belastning. Det är stor skillnad i sjöars retentionskapacitet; i norra delarna av landet är den låg medan sjöarna i de södra delarna av landet är betydligt effektivare som kvävesänkor. I södra Sverige är medelreduktionen 30-40 kg ha-1 sjö år-1. Totalt reduceras ca 30 000 ton kväve per år i sjöar och vattendrag, varav 70% i södra Sverige. För enskilda utsläpp som sker i inlandet reduceras bidraget till havet kraftigt under transporten genom vattendrag och sjöar, speciellt för sydcentrala Sverige där retentionen i sjöarna är hög. Den ackumulerade effekten kan bli >80% naturlig kväveavskiljning för utsläpp i vissa områden. Det är svårt att utvärdera modellresultaten eftersom inte kväveretentionen går att mäta direkt och retentionen integreras för stora områden och vattendrag. Ofta används andra variabler för att bedöma trovärdigheten i beräkningarna. HBV-NP modellens resultat utvärderas kontinuerligt mot tidsserier av observationer i vattendrag, både för vattenföring och närsalthalt när den används operationellt. Modellen utvärderas både statistiskt och visuellt. Överensstämmelsen med vattenföring och vattenbalans är normalt god, medan närsalthalterna kan avvika en del från uppmätta värden. Känslighetsstudier har visat att modellen är relativt robust. När modellens resultat jämförs med andra modeller eller enkla budgetberäkningar för sjöar uppstår avvikelser, men dessa kan normalt förklaras av olika 2 antaganden och indata. Modellen har inte sämre precision än andra motsvarande modeller, snarare är den något bättre vad gäller vattenföring. När man beräknar hur stor andel av kväveutsläppet från ett enskilt reningsverk som når havet ackumuleras retentionen enligt flödesvägarna i landskapet. De reningsverk vars utsläpp passerar fler sjöar får liten påverkan på havet. Naturlig kväveretention i vattendrag och sjöar reducerar de svenska reningsverkens bidrag till kusten med 3200 ton/år, vilket motsvarar 18% av reningsverkens totala utsläpp. Retentionen varierar dock betydligt mellan olika delar av landet. De flesta reningsverk med större utsläpp finns längs kusten och i södra Sverige, där 90% av retentionen på reningsverksutsläppen sker. I Norrlands inland är reningsverken få och retentionen låg, vilket gör att mängden reducerat utsläpp är låg. Allt tyder på att den beräknade kväveretentionen för Sverige är av rätt storleksordning och att det storskaliga mönstret för Sverige är korrekt, även om avvikelser kan förekomma för enskilda mindre områden och för olika tidsperioder This report has been compiled on request of the Swedish Environmental Protection Agency to facilitate the discussion with the EU Commission. The EU Commission has announced that it will take Sweden to the European Court of Justice for failing to ensure proper treatment of urban waste water according to the Urban Waste Water Treatment Directive (Directive 91/271/EEC). In Sweden natural nitrogen removal (retention) in waterbodies is considered as part of the treatment of emissions, when transported to the sea. Nitrogen retention is a well-known phenomenon that includes several natural biogeochemical processes, which permanently remove nitrogen from the water. The effect may be considerable in areas with many lakes. Sweden has 92 000 lakes larger than 1 hectare. It is rather normal with 30-70% nitrogen retention in Swedish lakes and rivers. The main process for natural nitrogen retention is denitrification, which is the same process that is applied for biological treatment in waste water plants. Natural retention is hard to measure, however, and has to be estimated based on several assumptions like so many other fluxes in nature. In Sweden a model system has been developed for large-scale calculation of nutrient transport, including retention, from land to the sea, with relatively high geographic resolution. The system couples field-scale models with catchment models and is scientifically documented and reviewed. It has been applied since 1997 for international reporting to HELCOM. The catchment model (HBVNP) is tuned and evaluated against monitored time-series of measurements where such are available. The nitrogen retention that is calculated with HBV-NP is composed of nitrogen that is permanently transferred to the atmosphere and sediment, and which therefore will not further contribute to the eutrophication of water systems. 3 Both calculations and measurements show that the retention is largest in the summer, especially in areas with many lakes and high loads. The retention capacity of lakes differs geographically; in the northern part of the country it is low, while the lakes in the southern part of the country are more effective as nitrogen sinks. In Southern Sweden the mean retention is 30-40 kg ha-1 lake yr-1. In total about 30 000 tonnes nitrogen is reduced annually in lakes and rivers, and 70% of this is reduced in southern Sweden. For emissions in the interior of the country, the load is reduced considerably during the transport through rivers and lakes, especially for south-central Sweden where the retention in the lakes is high. The accumulated retention can be over 80% in certain areas. It is difficult to evaluate the model results, since nitrogen retention cannot be measured directly and is integrated for large areas and waterbodies. It is common to use other variables to judge the credibility of the retention calculations. The result of the HBV-NP model is continuously evaluated against time series of observations in watercourses, both discharge and nutrient concentration, when it is used operationally. The model is evaluated both visually and statistically. The agreement for discharge and water balance is normally good, while the nutrient concentration can deviate more from observations. Sensitivity studies show that the model is relatively robust. When the model is compared to other models or budget calculations, the deviations can normally be explained by different assumptions or input data. The HBV-NP model has about the same precision as other similar models, nevertheless, the water discharge normally shows better accuracy. For source apportionment calculations, the retention in the flow paths of the landscape is accumulated for the emissions from specific urban waste water treatment plants (UWWTP). The emissions that pass through many lakes have only small impact on the sea. Natural nitrogen retention in rivers and lakes reduces the Swedish UWWTP:s contribution to the coast with 3200 tonnes per year, which corresponds to 18% of their total emissions. However, the retention varies substantially between different parts of the country. Most of the UWWTP with large emissions are located along the coast and in southern Sweden, where 90% of the natural retention occurs. In the interior of northern Sweden there are few UWWTP and the retention capacity is low, and thus, the amount of reduced nitrogen is also low. Everything indicates that the calculated nitrogen retention for Sweden is of the right magnitude and that the large-scale pattern for Sweden is correct, even if deviation can occur for small specific areas and for different time-periods