Novel method for online monitoring of dissolved N2O concentrations through a gas stripping device  

通過氣體吹脫裝置在線監測溶解N2O濃度的新方法  

來源：Environmental Technology, 2015, Volume 36, Issue 13, pages 1680-1690

《環境技術》，2015年，第36卷，第13期，1680-1690頁

 

摘要  

摘要部分闡述了目前廢水處理廠中一氧化二氮（N2O）排放的測量方法，如在線氣相分析或液體抓取采樣。本研究提出了一種新方法，通過氣體吹脫裝置在線監測溶解N2O濃度，適用于曝氣和非曝氣條件或反應器，能夠跟蹤時間和空間上的變化。該方法基于連續流經吹脫瓶的液體樣品，并分析吹脫氣相中的N2O濃度。研究通過理論和實驗評估了該方法在廢水處理背景下的適用性，并討論了設計和操作變量對裝置性能的影響。該方法易于與在線廢氣測量集成，有助于更好地調查處理廠氣體排放的來源。溶解N2O測量有助于減少這些排放，并可應用于其他溶解氣體如甲烷的監測。  

 

研究目的  

研究目的是開發一種新方法來在線監測溶解N2O濃度，以克服現有方法（如抓取采樣或電極測量）的局限性，包括時間分辨率低、易污染和壽命短等問題。該方法旨在提供更可靠、連續的溶解氣體監測，用于廢水處理廠，以更好地理解N2O形成機制，并支持減排控制策略。  

 

研究思路  

研究思路包括理論推導和實驗驗證。首先，基于質量平衡方程建立氣體吹脫裝置的動力學模型，推導出溶解N2O濃度與測量氣相濃度之間的線性關系。然后，設計氣體吹脫裝置，包括吹脫瓶和浮渣捕集瓶，使用氮氣作為吹脫氣體，并通過在線氣相分析儀（如FTIR）測量N2O濃度。裝置應用在full-scale SHARON部分硝化反應器上，進行批次吹脫測試以校準裝置參數，并監測典型操作周期內的溶解N2O濃度變化。同時，與反應器廢氣測量對比，驗證方法的可靠性和性能。研究還評估了裝置的檢測限、帶寬等性能指標，并探討了潛在應用。  

 

測量的數據及研究意義  

1. 批次吹脫測試的氣體N2O濃度剖面和液體N2O濃度剖面，數據來自圖2。研究意義：通過測量吹脫氣體濃度（圖2a）和計算液體濃度（圖2b），驗證了裝置的動力學模型，確定了時間常數（如τ_stripping=1.45 min）和kLa值（0.712 min?1），證明了方法能夠準確反映溶解N2O的 stripping 過程，并為后續連續監測提供校準基礎。  

  

2. SHARON反應器操作周期的數據，包括曝氣流量、溶解氧（DO）濃度、pH、反應器廢氣N2O濃度和吹脫氣體N2O濃度，數據來自圖3。研究意義：這些數據展示了方法在實際廢水處理過程中的應用，通過測量溶解N2O濃度（圖3d）和廢氣濃度（圖3c），計算了N2O形成速率（如好氧形成速率10.8 g N m?3 d?1）和排放量，揭示了N2O在厭氧和好氧條件下的動態變化，有助于識別形成機制和優化操作條件。  

  

3. 氣體吹脫裝置的Bode振幅圖，數據來自圖4。研究意義：Bode圖（圖4）評估了裝置的頻率響應，確定了帶寬（ω_c=1.20 rad min?1）和系統增益（K=-28.5 dB），表明裝置能夠捕捉分鐘級時間尺度的變化，檢測限為0.03 g N m?3，這為方法在常規活性污泥系統中的適用性提供了依據，并指導了設計優化。  

  

 

結論  

1. 新方法通過氣體吹脫裝置成功實現了溶解N2O濃度的在線監測，適用于曝氣和非曝氣條件，能夠跟蹤時間和空間變化。  

2. 方法在SHARON反應器上得到驗證，除了濃度測量外，還能確定N2O形成速率，可靠性高（與廢氣測量差異僅12%）。  

3. 裝置性能可調，檢測限和帶寬滿足常規廢水處理需求，并可擴展至其他氣體如甲烷的監測，具有廣泛應用潛力。  

 

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，它代表了現有的連續測量方法，但存在明顯局限性。文檔中指出，Unisense電極易碎、需要頻繁校準、易污染且壽命短（約4-6個月），這些缺點限制了其在長期在線監測中的應用。相比之下，本研究提出的氣體吹脫裝置克服了這些不足，提供更穩定、可靠的測量。Unisense電極的測量數據在以往研究中用于驗證N2O濃度，但常受溶解氧（DO）和氮氧化物（NO）干擾，影響準確性。新方法通過氣相分析間接測量，避免了直接電極接觸液體，減少了維護需求，并提高了時間分辨率。因此，Unisense電極的測量意義主要體現在作為基準對比，突出了新方法的改進價值，尤其在廢水處理廠這種復雜環境中，新方法更適用于長期、連續的排放監測和控制策略制定。