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

• Den här rapporten har tagits fram på uppdrag av Naturvårdsverket för att underlättadiskussionen med EU-kommissionen, som har annonserat att den tänker stämma Sverigeinför EU-domstolen för otillräckligt genomförande av avloppsdirektivet. Vidbedömningen av vilka reningsverk som omfattas av krav på kväverening tas i Sverigehänsyn till den naturliga avskiljning (retention) som sker i vattendrag under transportenfrån utsläppskälla till havet.Kväveretention är ett vedertaget begrepp som inkluderar ett flertal naturligabiogeokemiska processer som permanent reducerar kväve från vattenfasen i sjöar ochvattendrag. Speciellt stor är effekten i sjörika områden. Sverige har totalt 92 000 sjöarsom är större än 1 ha. Det är inte ovanligt med 30-70% kväveavskiljning i svenskavattendrag och sjöar. Den process som dominerar avskiljningen i naturen ärdenitrifikation, vilket är samma process som utnyttjas för att avlägsna kväve uravloppsvatten 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 förstorskalig beräkning av närsalttransport, inklusive retention, från land till hav med relativthög geografisk upplösning. Systemet kopplar fältskalemodeller med avrinningsmodeller,är vetenskapligt dokumenterat och granskat och har tillämpats storskaligt sedan 1997 förinternationell rapportering till HELCOM. Avrinningsområdesmodellen (HBV-NP)justeras och utvärderas mot mätningar där sådana finns. Den kväveretention som beräknasmed hjälp av HBV-NP modellen utgörs av kväve som permanent avskiljs till atmosfäroch 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 sjöarsretentionskapacitet; i norra delarna av landet är den låg medan sjöarna i de södra delarnaav landet är betydligt effektivare som kvävesänkor. I södra Sverige är medelreduktionen30-40 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 tillhavet kraftigt under transporten genom vattendrag och sjöar, speciellt för sydcentralaSverige 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 mätadirekt och retentionen integreras för stora områden och vattendrag. Ofta används andravariabler för att bedöma trovärdigheten i beräkningarna. HBV-NP modellens resultatutvärderas kontinuerligt mot tidsserier av observationer i vattendrag, både för vattenföringoch närsalthalt när den används operationellt. Modellen utvärderas både statistiskt ochvisuellt. Överensstämmelsen med vattenföring och vattenbalans är normalt god, medannärsalthalterna kan avvika en del från uppmätta värden. Känslighetsstudier har visat attmodellen är relativt robust. När modellens resultat jämförs med andra modeller eller enklabudgetberäkningar för sjöar uppstår avvikelser, men dessa kan normalt förklaras av olika2antaganden och indata. Modellen har inte sämre precision än andra motsvarandemodeller, snarare är den något bättre vad gäller vattenföring.När man beräknar hur stor andel av kväveutsläppet från ett enskilt reningsverk som nårhavet ackumuleras retentionen enligt flödesvägarna i landskapet. De reningsverk varsutsläpp passerar fler sjöar får liten påverkan på havet. Naturlig kväveretention ivattendrag och sjöar reducerar de svenska reningsverkens bidrag till kusten med 3200ton/år, vilket motsvarar 18% av reningsverkens totala utsläpp. Retentionen varierar dockbetydligt mellan olika delar av landet. De flesta reningsverk med större utsläpp finnslängs kusten och i södra Sverige, där 90% av retentionen på reningsverksutsläppen sker. INorrlands inland är reningsverken få och retentionen låg, vilket gör att mängden reduceratutsläpp är låg.Allt tyder på att den beräknade kväveretentionen för Sverige är av rätt storleksordningoch att det storskaliga mönstret för Sverige är korrekt, även om avvikelser kanförekomma för enskilda mindre områden och för olika tidsperioder

• This report has been compiled on request of the Swedish Environmental ProtectionAgency to facilitate the discussion with the EU Commission. The EU Commission hasannounced that it will take Sweden to the European Court of Justice for failing to ensureproper treatment of urban waste water according to the Urban Waste Water TreatmentDirective (Directive 91/271/EEC). In Sweden natural nitrogen removal (retention) inwaterbodies is considered as part of the treatment of emissions, when transported to thesea.Nitrogen retention is a well-known phenomenon that includes several naturalbiogeochemical processes, which permanently remove nitrogen from the water. Theeffect may be considerable in areas with many lakes. Sweden has 92 000 lakes larger than1 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 sameprocess that is applied for biological treatment in waste water plants.Natural retention is hard to measure, however, and has to be estimated based on severalassumptions like so many other fluxes in nature. In Sweden a model system has beendeveloped for large-scale calculation of nutrient transport, including retention, from landto the sea, with relatively high geographic resolution. The system couples field-scalemodels with catchment models and is scientifically documented and reviewed. It has beenapplied since 1997 for international reporting to HELCOM. The catchment model (HBVNP)is tuned and evaluated against monitored time-series of measurements where suchare available. The nitrogen retention that is calculated with HBV-NP is composed ofnitrogen that is permanently transferred to the atmosphere and sediment, and whichtherefore will not further contribute to the eutrophication of water systems.3Both 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 differsgeographically; in the northern part of the country it is low, while the lakes in thesouthern part of the country are more effective as nitrogen sinks. In Southern Sweden themean retention is 30-40 kg ha-1 lake yr-1. In total about 30 000 tonnes nitrogen is reducedannually in lakes and rivers, and 70% of this is reduced in southern Sweden. Foremissions in the interior of the country, the load is reduced considerably during thetransport through rivers and lakes, especially for south-central Sweden where theretention 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 measureddirectly and is integrated for large areas and waterbodies. It is common to use othervariables to judge the credibility of the retention calculations. The result of the HBV-NPmodel is continuously evaluated against time series of observations in watercourses, bothdischarge and nutrient concentration, when it is used operationally. The model isevaluated both visually and statistically. The agreement for discharge and water balance isnormally good, while the nutrient concentration can deviate more from observations.Sensitivity studies show that the model is relatively robust. When the model is comparedto other models or budget calculations, the deviations can normally be explained bydifferent assumptions or input data. The HBV-NP model has about the same precision asother similar models, nevertheless, the water discharge normally shows better accuracy.For source apportionment calculations, the retention in the flow paths of the landscape isaccumulated for the emissions from specific urban waste water treatment plants(UWWTP). The emissions that pass through many lakes have only small impact on thesea. Natural nitrogen retention in rivers and lakes reduces the Swedish UWWTP:scontribution to the coast with 3200 tonnes per year, which corresponds to 18% of theirtotal emissions. However, the retention varies substantially between different parts of thecountry. Most of the UWWTP with large emissions are located along the coast and insouthern Sweden, where 90% of the natural retention occurs. In the interior of northernSweden there are few UWWTP and the retention capacity is low, and thus, the amount ofreduced nitrogen is also low.Everything indicates that the calculated nitrogen retention for Sweden is of the rightmagnitude and that the large-scale pattern for Sweden is correct, even if deviation canoccur for small specific areas and for different time-periods

Ämnesord

NATURVETENSKAP  -- Geovetenskap och miljövetenskap -- Miljövetenskap (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Earth and Related Environmental Sciences -- Environmental Sciences (hsv//eng)

Nyckelord

HBV-NP

retention

övergödning

reningsverk

kväveutsläpp

Vatten

Water

SMED (Svenska MiljöEmissionsData)

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

rap (ämneskategori)