城镇污水处理厂中温室气体的释放研究

发布时间：2020-09-02 12:34

　　随着全球变暖加剧,温室气体减排已经引起了国际社会的普遍关注。N2O和CH4是两种重要的温室气体,其温室效应分别是C02的298倍和23倍。污水生物处理过程是N2O和CH4的重要人为释放源。因此,研究城镇污水处理厂污水生物处理过程中N2O和CH4的释放现状和变化规律并探讨减排措施,具有重要的工程实践和社会意义。本论文以采用不同工艺的城镇污水处理厂为研究对象,通过长期系统的现场采样监测和实验室同步分析,研究了污水处理厂污水／污泥处理全工艺流程的温室气体释放状况和变化规律,统计测算了温室气体的释放量范围和释放系数；通过研究不同处理工艺对温室气体释放的影响,筛选确定了温室气体排放较低的推荐处理工艺；通过厂区原位水质监测和实验室分析相结合的方法探讨了在城镇污水处理厂中能显著影响温室气体释放的因素；基于现场实验数据对CH4气体的释放量建立了简易的估算模型。主要研究内容及结论如下： (1)开展了常规A/A/O工艺城镇污水处理厂中N2O气体的释放规律研究工作。通过对以济南市水质净化一厂(简称A/A/O一厂)为代表的A/A/O工艺污水处理厂长期系统的N20释放通量监测分析发现,N20的主要释放源是好氧池,占比约80%。A/A/O一厂的N20人均释放系数是1.69～2.34gperson-1yr-1,流量释放系数是2.32×10-5～3.21×10-5gL-1,该厂的人均释放系数和IPCC报告的数据比较接近,但是流量释放系数要远高于IPCC报告中的数据；好氧池污水中溶解氧浓度和亚硝酸盐浓度是能显著影响N2O气体释放的主要因素,冬季较低的水温区间也能促进N2O气体的产生和释放；进水总氮的脱除量是影响全厂N2O气体释放量占总氮脱除量比例的重要因素,对于采用A/A/O生物脱氮工艺的城镇污水处理厂,N2O释放总量占总氮脱除量的比例范围为0.119-0.195%。 (2)开展了常规A/A/O工艺城镇污水处理厂中CH4气体的释放规律研究工作。以A/A/O一厂为代表,对其进行了长期系统的CH4释放通量监测,确定了该厂CH4气体的主要释放源是厌氧池和好氧池,约占该厂CH4总释放量的40%和32%；该厂CH4的人均释放系数是8.17～17.66gperson-1yr-1,流量释放系数是1.12×104～2.42×104gL-1。好氧池、曝气沉砂池中的溶解氧浓度和高效沉淀池中的水温是影响CH4释放通量的重要因素,夏季较高的水温区间有利于污水处理厂CH4气体的产生和释放；进水COD的脱除量是影响全厂CH4气体释放量占COD脱除量比例的重要因素。利用监测得到的A/A/O污水处理厂的CH4释放数据和相关参数,对CH4的气体释放量建立了简单的估算模型,用现场实测数据对模型进行了检验,表明模型参数设置合理,能够用于CH4释放量的简易估算。 (3)开展了采用不同处理工艺的城镇污水处理厂中N20和CH4的气体释放通量监测工作。获取了厌氧+氧化沟工艺、预缺氧-A/A/O工艺和倒置A/A/O工艺中N20和CH4的流量释放系数,发现三种工艺中N20和CH4的流量释放系数均明显高于IPCC报告中的参考值；不同处理工艺中释放的N20气体总量占总氮脱除量的比例分别为厌氧+氧化沟工艺：0.183±0.016%,预缺氧-A/A/O工艺：0.156±0.025%和倒置A/A/O工艺：0.117±0.010%；各种工艺中脱除的COD转化成CH4气体的比例分别是厌氧+氧化沟工艺：0.789±0.203%,预缺氧-A/A/O工艺：0.938±0.231%和倒置A/A/O工艺：0.078±0.016%。对三所污水处理厂在实验期间监测到的水质参数变化和N2O、CH4的气体释放通量变化联合进行相关性分析发现在实验期间能够统一显著影响不同处理工艺中N20产生释放的主要因素是污水中的亚硝酸盐浓度,能够统一显著影响不同处理工艺中CH4产生释放的主要因素是污水的氧化还原电位；倒置A/A/O工艺脱除的总氮向N2O的转化率和脱除的COD向CH4的转化率均是四种工艺中最低的,在本论文研究的四种污水处理工艺中,倒置A/A/O工艺是适合城镇污水处理厂采用的温室气体释放最低的推荐处理工艺。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2011
【中图分类】：X703
【部分图文】：

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期温室气体的大量排放:COZ、C执、NZO和卤烃(含氟、氯或嗅的气体)l4]。当这些气体的排放量大于其清除量时，大气中温室气体浓度开始上升，导致温室效应开始增强。COZ是最重要的人为温室气体，在1970年至2004年期间，CO:年排放量已经增加了大约80%，从210亿吨增加到380亿吨，在2004年己占到人为温室气体排放总量的77%(按CO:当量计算)。在最近的一个十年期(1995一2004年)，CO:当量排放的增加速率(每年9.2亿吨CO:当量)比前一个十年期(1985一1994年)的排放速率(每年4.3亿吨COZ当量)高得多。全球大气中CO:浓度己由工业化前的约280Ppm增加到2005年的379ppm。过去十年的CO:浓度年增长率(1995一2005年平均值:每年1.gPPm)大于自人类进行连续和直接的大气观测开始以来(1960一2005年平均值:每年1.4ppm)的浓度增长均值，尽管在增长率中存在年际变率L’l。_奴获气体目.沙，，.之

过程图,浓度图,生物化学过程,亚硝化

HAo{_—NOH—NOZ-匾包、。2H2塑匹匕No3-卫鱼匕NZo+HZo图1一3石肖化反应的主要生物化学过程由图1一3可以看出，NZO既不是硝化反应的中间产物也不是最终产物，因此它应该是这一过程的副产物，而且从O的生成主要集中在亚硝化过程。目前普遍认为NZO在硝化过程中通过以下几种方式生成:l)经胺(NHZOH)的氧化过程。在好氧条件下，当系统中NH3入H4+浓度过高或pH过高时，亚硝化过程的第一个中间体NHZoH就会发生累积，进而在经胺氧化还原酶(HAO)的作用下氧化生成NZO。但目前还缺乏对这一生物化学过程的确切描述。2)硝酞基(NOH)的非生物反应。在好氧条件下，亚硝化过程的第二个中间体NOH通过双分子聚合反应生成次亚硝酸盐

效率图,浓度图,厌氧反应,菌群

为污水处理系统中的优势菌群将有利于减少反硝化过程中N20的释放量。对于目前城镇污水处理厂中使用最为广泛的刀刀O工艺，导致污水处理中NZO产生和释放的主要因素如图1一5所示。NZO硝化反应池(好氧池)O_反硝化反应池(缺氧池)仁)低溶解氧高亚硝酸盐浓度高溶解氧高亚硝酸盐低COD/N比一曝气不足一高有机负荷(伴随曝气不足)一曝气不足一低污泥龄一有毒化合物一低温一高氨氮浓度不肖化反应池一COD偏低一进水水质过度曝气一亚硝酸盐一初沉效率过高(从硝化反应池回流)图卜5导致污水处理中从O释放的主要因素

【引证文献】