Assessment of online monitoring strategies for measuring N2O emissions from full-scale wastewater treatment systems

全規(guī)模污水處理系統(tǒng)氧化亞氮排放的在線監(jiān)測(cè)策略評(píng)估

來源：Water Research, Volume 99, 2016, Pages 171-179

《水研究》，第99卷，2016年，第171-179頁

 

摘要

摘要指出，Clark型N2O傳感器通常用于測(cè)量污水處理廠中的溶解N2O濃度，但此前從未應(yīng)用于評(píng)估全規(guī)模污水處理廠的氣相N2O排放。本研究測(cè)試并驗(yàn)證了一種全規(guī)模N2O氣體傳感器用于在線氣體測(cè)量，評(píng)估了其線性、溫度依賴性、信號(hào)飽和和漂移，然后應(yīng)用于全規(guī)模序批式反應(yīng)器（SBR）處理生活污水。傳感器在測(cè)試濃度范圍內(nèi)（0-422.3、0-50和0-10 ppmv N2O）呈現(xiàn)線性響應(yīng)，線性響應(yīng)高達(dá)2750 ppmv N2O。溫度與傳感器信號(hào)之間的指數(shù)相關(guān)性通過雙指數(shù)方程描述和預(yù)測(cè)，漂移對(duì)信號(hào)影響不顯著。該N2O氣體傳感器用于全規(guī)模SBR的在線N2O監(jiān)測(cè)，結(jié)果與商業(yè)在線氣體分析儀比較。傳感器成功描述了排放，在N2O濃度高于500 ppmv時(shí)比商業(yè)分析儀更準(zhǔn)確。氣體傳感器數(shù)據(jù)還用于驗(yàn)證兩個(gè)基于溶解N2O測(cè)量預(yù)測(cè)N2O排放的模型，一個(gè)基于氧傳輸速率，另一個(gè)基于氣泡表觀速度。使用第一個(gè)模型，N2O排放預(yù)測(cè)與氣體傳感器測(cè)量值吻合度達(dá)98.7%，第二個(gè)模型相似度為87.0%。這是首個(gè)在全規(guī)模污水處理設(shè)施中基于溶解N2O在線數(shù)據(jù)可靠估算氣體排放的研究。

 

研究目的

研究目的是評(píng)估全規(guī)模N2O氣體傳感器在污水處理廠中的應(yīng)用性能，比較其與商業(yè)氣體分析儀的優(yōu)劣，并開發(fā)基于溶解N2O測(cè)量值估算氣體排放的模型，以簡(jiǎn)化N2O排放監(jiān)測(cè)方法，提高全規(guī)模條件下的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性和可靠性。

 

研究思路

研究思路包括首先對(duì)全規(guī)模N2O氣體傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)，測(cè)試線性范圍、溫度依賴性、信號(hào)飽和和漂移。然后，將傳感器部署于全規(guī)模SBR污水處理廠，使用采樣罩收集氣體，同步使用商業(yè)氣體分析儀和溶解N2O微傳感器進(jìn)行比對(duì)監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)采集包括氣相和液相N2O濃度、溫度、溶解氧等參數(shù)。基于溶解N2O測(cè)量值，應(yīng)用五種不同方法估算KLa（質(zhì)量傳輸系數(shù)），并計(jì)算N2O排放量，與直接氣體測(cè)量值比較，驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性。整個(gè)實(shí)驗(yàn)持續(xù)4天，覆蓋好氧和缺氧階段。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 數(shù)據(jù)來自圖1和校準(zhǔn)測(cè)試：測(cè)量了傳感器在不同N2O濃度范圍（0-422.3、0-50、0-10 ppmv）下的線性響應(yīng)，以及在高濃度（1000、2000、3000 ppmv）下的飽和特性。研究意義是驗(yàn)證傳感器具有寬線性范圍和高達(dá)2750 ppmv的檢測(cè)上限，優(yōu)于商業(yè)分析儀（飽和點(diǎn)500 ppmv），確保在高排放峰值時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量，避免低估排放。

 

2 數(shù)據(jù)來自圖2和溫度測(cè)試：測(cè)量了傳感器信號(hào)在15-33°C溫度范圍內(nèi)的指數(shù)依賴性，使用雙指數(shù)方程擬合（如S_N2O(T,C)=1238.3e^(0.002T) + 1.638Ce^(0.009T)）。研究意義是溫度補(bǔ)償模型僅需6個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)即可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)信號(hào)，最大誤差3.0%，使傳感器適用于全規(guī)模廠的溫度波動(dòng)環(huán)境，提高數(shù)據(jù)可靠性。

 

3 數(shù)據(jù)來自圖3和表2：測(cè)量了全規(guī)模SBR在4天監(jiān)測(cè)期內(nèi)氣相N2O排放動(dòng)態(tài)，比較氣體傳感器和商業(yè)分析儀的結(jié)果。總排放量氣體傳感器為19.69 kg N-N2O，商業(yè)分析儀為16.91 kg N-N2O，差異14.1%。研究意義是傳感器在高濃度峰值（>500 ppmv）時(shí)更準(zhǔn)確，商業(yè)分析儀飽和導(dǎo)致低估，突出傳感器在捕捉峰值排放方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估溫室氣體排放因子至關(guān)重要。

 

 

4 數(shù)據(jù)來自表3和圖4：測(cè)量了基于溶解N2O傳感器數(shù)據(jù)使用五種方法估算的排放量，與方法5（結(jié)合OTR和動(dòng)態(tài)KLa估算）的預(yù)測(cè)值與氣體傳感器測(cè)量值吻合度達(dá)98.7%。研究意義是驗(yàn)證了溶解N2O測(cè)量可可靠估算氣體排放，簡(jiǎn)化監(jiān)測(cè)設(shè)置；好氧階段貢獻(xiàn)總排放的96.1%，強(qiáng)調(diào)好氧過程的主導(dǎo)作用。

 

 

 

5 數(shù)據(jù)來自表4：測(cè)量了N2O排放因子，氣體傳感器為48.6 g N-N2O/kg NH4去除，商業(yè)分析儀為41.8 g N-N2O/kg NH4去除。研究意義是顯示監(jiān)測(cè)方法對(duì)排放因子的顯著影響，傳感器提供更準(zhǔn)確評(píng)估，支持個(gè)性化減排策略。

 

結(jié)論

1 全規(guī)模N2O氣體傳感器是可靠替代方案，線性范圍寬（至2750 ppmv），溫度補(bǔ)償有效，漂移低（0.016 mV/h），適用于長期監(jiān)測(cè)。

2 傳感器在高濃度（>500 ppmv）時(shí)優(yōu)于商業(yè)分析儀，避免峰值低估，總排放測(cè)量差異14.1%，在低濃度（<500 ppmv）時(shí)差異僅2.0%。

3 基于溶解N2O測(cè)量的排放估算模型（方法5）與氣體傳感器吻合度達(dá)98.7%，方法2為87.0%，證實(shí)溶解數(shù)據(jù)可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氣體排放，簡(jiǎn)化監(jiān)測(cè)流程。

4 好氧階段是N2O排放主貢獻(xiàn)者（96.1%），缺氧階段KLa動(dòng)態(tài)估算（平均0.39 d?1）改善模型準(zhǔn)確性，揭示反應(yīng)器配置影響質(zhì)量傳輸。

5 傳感器清潔對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量重要，定期清潔可減少誤差，新版本傳感器可能無需清潔，提升實(shí)用性。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極（包括氣相和溶解N2O微傳感器）測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義在于，這些傳感器提供了高精度、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)能力，顯著提升了全規(guī)模污水處理廠N2O排放評(píng)估的準(zhǔn)確性和可靠性。具體意義包括：氣相傳感器具有寬線性范圍（高達(dá)2750 ppmv），克服了商業(yè)分析儀的飽和限制（500 ppmv），能準(zhǔn)確捕捉高濃度排放峰值，避免低估溫室氣體排放因子，對(duì)于合規(guī)性和減排策略制定至關(guān)重要。溫度補(bǔ)償模型通過少量校準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，適應(yīng)全規(guī)模廠的溫度波動(dòng)，增強(qiáng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。溶解N2O傳感器與氣相數(shù)據(jù)結(jié)合，驗(yàn)證了基于質(zhì)量傳輸模型的排放估算方法（如方法5吻合度98.7%），證明溶解測(cè)量可替代復(fù)雜的氣相監(jiān)測(cè)，降低設(shè)備成本和維護(hù)需求。此外，同步監(jiān)測(cè)氣相和液相數(shù)據(jù)有助于識(shí)別N2O產(chǎn)生機(jī)制（如好氧主導(dǎo)），為過程優(yōu)化提供見解。總體而言，Unisense電極的應(yīng)用推動(dòng)了在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，支持更可持續(xù)的污水處理運(yùn)營。