Control strategies for nitrous oxide emissions reduction on wastewater treatment plants operation

污水處理廠運行中減少氧化亞氮排放的控制策略

來源：Water Research, Volume 125, 2017, Pages 466-477

《水研究》第125卷，2017年，第466-477頁

 

摘要

摘要闡述了通過應用合適的控制策略來減少污水處理廠運行過程中的溫室氣體排放，特別關注于降低硝化過程中產生的氧化亞氮排放。不完全硝化會導致亞硝酸鹽積累從而引發(fā)N2O排放。為避免N2O排放峰值，本文提出通過操縱好氧池中的溶解氧設定點來實施串級控制配置，該策略與文獻中已應用的氨氮串級控制相結合，同時考慮出水污染物和運行成本。研究使用考慮溫室氣體排放的基準仿真模型No. 2 Gas進行仿真，結果表明所提出的控制策略相較于默認控制策略能減少29.86%的N2O排放，同時在水質和成本之間保持了良好的平衡。

 

研究目的

研究旨在設計并評估特定的控制策略，以有意義地減少污水處理廠（WWTPs）的溫室氣體排放，尤其是硝化過程中的N2O排放，同時兼顧出水水質、運行成本和排放限值違規(guī)等常規(guī)評價標準。

 

研究思路

研究基于基準仿真模型No. 2 Gas (BSM2G) 平臺，該模型擴展了BSM2，包含了甲烷、二氧化碳和N2O的排放估算。研究提出了四種控制策略（CS1-CS4），重點設計了一種通過操縱三個好氧反應器的溶解氧設定點來控制其亞硝酸鹽濃度的串級控制配置（CS1），以直接針對N2O產生關鍵因素。為了平衡其他性能指標，將CS1與傳統(tǒng)的控制第五個反應器氨氮濃度的串級策略（CS2）進行組合。組合方式包括加權求和（CS3）和基于決策規(guī)則的切換控制（CS4）。所有策略均使用比例積分控制器，并通過仿真對比其與默認控制策略（CS0）在全年動態(tài)進水條件下的性能。

 

測量的數據及研究意義

1 出水水質指數和運行成本指數：數據來自表4中的EQI和OCI值。研究意義在于綜合評估控制策略對水體污染物去除效果和經濟性的影響，是衡量策略整體性能的關鍵指標。

 

2 排放限值違規(guī)時間百分比：數據來自表4中SNtot,e, SNH,e, COD, TSS, BOD5的違規(guī)時間百分比。研究意義在于反映控制策略滿足法定排放標準的可靠性，是污水處理廠穩(wěn)定運行的重要保障。

3 溫室氣體排放量：數據來自表4中的N2O排放量、電力消耗產生的CO2量以及總溫室氣體排放量。研究意義在于直接量化策略對環(huán)境的影響，特別是N2O減排效果，凸顯了控制策略在應對氣候變化方面的潛力。

4 關鍵過程變量動態(tài)變化：數據來自圖3、4、5、6、7中展示的溶解氧、亞硝酸鹽、N2O、總氮和氨氮等變量隨時間（尤其是夏季和冬季典型時段）的變化曲線。研究意義在于揭示不同控制策略下污水處理過程的內部機理，例如高低溶解氧對硝化完全程度及N2O產生途徑的影響，為策略優(yōu)化提供深入見解。

 

 

 

 

 

結論

1 單獨應用以降低N2O為唯一目標的亞硝酸鹽控制策略或傳統(tǒng)的氨氮控制策略，雖然能在某個特定指標上表現良好，但都會在其他關鍵指標上產生不可接受的負面影響，例如氨氮控制策略會導致N2O排放量急劇增加。

2 通過加權求和或智能切換方式將亞硝酸鹽控制和氨氮控制策略組合后（CS3和CS4），能夠實現多項性能指標的協(xié)同優(yōu)化，在顯著減少N2O排放（最高可達29.86%）的同時，改善出水水質、降低運行成本并減少違規(guī)時間，取得了令人滿意的綜合效果。

3 研究表明，針對N2O減排設計控制策略時，必須綜合考慮其對出水水質和運行成本的影響，組合控制是一種有效的解決方案，為實現污水處理廠的低碳、高效和穩(wěn)定運行提供了有前景的技術途徑。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

本文是一篇基于數學模型仿真的研究，所有結果均通過Benchmark Simulation Model No. 2 Gas (BSM2G) 平臺計算獲得，并未涉及實際使用丹麥Unisense電極或其他物理傳感器進行實驗測量。因此，本文檔中不存在與使用丹麥Unisense電極測量數據相關的內容或研究意義。論文的貢獻在于通過仿真環(huán)境設計和驗證控制策略的概念有效性，為后續(xù)可能的中試或實際污水處理廠應用提供理論依據和先導性研究。在實際應用中，若要實施本文所提出的基于亞硝酸鹽濃度的控制策略，則需要使用如Unisense電極這類能夠可靠、精確測量低濃度亞硝酸鹽的傳感器。