Comparison of nitrous oxide(N2O) emissions calculations at a Swedish wastewater treatment plant based on water concentrations versus off-gas concentrations

基于水濃度與廢氣濃度的瑞典污水處理廠一氧化二氮排放計算比較

來源：Advances in Climate Change Research, Volume 7, 2016, Pages 185-191

《氣候變化研究進展》第7卷，2016年，第185-191頁

 

摘要

摘要部分闡述了本研究使用數學模型和溶解N2O水傳感器計算了傳統活性污泥工藝的總N2O排放量，基于水相中的溶解N2O濃度。計算排放量與基于工藝廢氣通風系統中濃度和氣流量的測量排放量顯示出良好一致性。對各種可能影響參數的測試表明模型排放估算穩健可靠，即使輸入數據存在常見不確定性也能提供良好估算。溶解N2O測量維護需求低，因此基于此類測量的N2O排放監測可視為重大實際改進，尤其對非封閉污水處理廠優勢明顯，因無需復雜廢氣測量。傳感器直接連接至廠內監控系統，可實現排放計算集成。

 

研究目的

研究目的是比較基于水濃度和廢氣濃度的N2O排放計算方法，驗證數學模型在估算污水處理廠N2O排放中的準確性和可靠性，評估溶解N2O測量技術在實際應用中的可行性，并為非封閉廠提供簡化監測方案，以促進溫室氣體減排。

 

研究思路

研究思路包括在瑞典Kappala污水處理廠進行為期兩個月的實驗，在封閉活性污泥工藝中同步測量廢氣通風系統中的N2O濃度和氣流速（作為參考），同時使用Unisense的Clark型微傳感器測量水相溶解N2O濃度和溫度。應用基于傳質理論的數學模型，根據溶解N2O數據計算排放量，并與廢氣測量結果對比。進行敏感性分析，測試模型參數（如傳感器校準溫度、反應器尺寸等）變化對估算的影響，以評估模型穩健性。

 

測量的數據及研究意義

1 測量了廢氣通風系統中的N2O濃度隨時間變化，數據來自圖1，顯示日度和周度波動。

研究意義在于提供參考排放基準，揭示工藝操作（如氣流變化）對N2O動態的影響，驗證水基方法的準確性。

 

 

2 測量了水相中的溶解N2O濃度和工藝水溫，數據來自圖2，包括在曝氣和非曝氣區的測量，非曝氣區濃度接近零。

研究意義在于直接捕獲N2O在水相中的產生和消耗動態，證實非曝氣區N2O形成可忽略，簡化模型應用。

 

3 測量了基于水濃度和廢氣濃度計算的N2O排放量，數據來自圖3，顯示兩者趨勢一致。

研究意義在于證明水基模型能準確反映排放動態，減少對復雜廢氣測量的依賴，降低監測成本。

 

4 測量了模型參數變化對排放估算的影響，通過敏感性分析，數據來自圖4a和4b，顯示參數變化對結果影響有限。

研究意義在于驗證模型穩健性，表明即使輸入數據存在不確定性，排放估算仍可靠，增強方法在實際應用中的可信度。

 

 

 

結論

1 基于水濃度計算的N2O排放量與廢氣方法結果高度一致，日排放量0-20 kg N2O-N，證實模型準確性。

2 敏感性分析表明模型對參數變化不敏感，輸入數據不確定性對總排放預測影響小，方法穩健可靠。

3 溶解N2O測量技術維護需求低，可實現連續監測，優于短期廢氣測量，有助于實時理解和減排N2O。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量溶解N2O數據的研究意義在于實現了高精度、實時、連續的水相N2O濃度監測，克服了傳統廢氣測量的復雜性和局限性。電極的Clark型微傳感器設計提供了穩定信號和低維護需求（僅需每周校準），適用于長期部署。通過直接測量水相濃度，研究能捕捉N2O產生和消耗的瞬時動態（如圖2所示），為模型提供可靠輸入。這種測量方式避免了非封閉廠中廢氣采集的難題，降低了監測成本。電極數據與SCADA系統集成支持實時排放計算，促進主動減排策略。此外，敏感性分析驗證了電極數據的魯棒性，增強了方法在多樣化污水處理廠中的適用性，為溫室氣體管理提供了實用工具。