污水处理行业温室气体排放分布特征与监测技术.pdf
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1、污水处理行业温室气体排放分布特征与监测技术(深圳市计量质量检测研究院,广东 深圳 518107)摘要:污水处理厂是温室气体排放的重要贡献者。要想实现污水处理行业的碳减排,需要从整体角度了解污水处理厂的温室气体排放。本文总结了污水处理厂中温室气体 CO2、CH4、N2O 的排放分布特征,其中CH4、N2O分别在涉及厌氧、生物脱氮的工艺中产生,并且机械曝气也会导致溶解态温室气体逸散排放。此外,本文还列举了温室气体监测技术方法,简要分析了各监测技术方法优缺点及适用场景。本文为污水处理厂低碳工艺选择以及升级改造工艺提供支持,并为污水处理厂温室气体监测技术选择提供经验借鉴。关键词:污水处理厂;温室气体;
2、排放分布特征;监测技术;低碳工艺中图分类号:X703 文献标志码:A 文章编号:1674-263X(2023)04-0165-04Abstract:Sewage treatment plants are important contributors to greenhouse gas emissions.In order to realize the carbon emission reduction of sewage treatment industry,it is necessary to understand the greenhouse gas emissions of sewage
3、 treatment plants from an overall perspective.In this paper,the emission distribution characteristics of greenhouse gases CO2,CH4 and N2O in sewage treatment plants are summarized,in which CH4 and N2O are produced in anaerobic and biological denitrification processes respectively,and mechanical aera
4、tion can also lead to the emission of dissolved greenhouse gases.In addition,this paper also lists the greenhouse gas monitoring techniques and methods,and briefly analyzes the advantages and disadvantages and applicable scenarios of each monitoring technique and method.This paper can provide suppor
5、t for the selection of low-carbon process and upgrading process in sewage treatment plants,and provide experience for the selection of greenhouse gas monitoring technology in sewage treatment plants.Key words:sewage treatment plant;greenhouse gases;characteristics of emission distribution;monitoring
6、 technology;low carbon processDistribution characteristics and monitoring technology of greenhouse gas emissions in sewage treatment industryYAO Tingting,MA Zhitong,LENG Yaling,LIN Na,FU Xiaolin(Shenzhen Academy of Metrology&Quality Inspection,Shenzhen 518107,China)随着全球变暖对人类和环境的影响日益严重,各行各业的温室气体排放引起了
7、人们的广泛关注。近年来,随着城市化的快速发展,我国已加快建设各类污水处理项目,扩大污水处理能力。Xian 等1统计发现,中国在 1978-2020 年期间,污水处理厂数量由 36 个增加到 2618 个,污水日处理量从 64 万m3上升至 192.67 万 m3 2。然而,随着污水处理厂数量的不断增加,其运行过程中直接或间接排放的CH4、CO2和 N2O 浓度呈明显上升趋势,这对污水处理行业的温室气体排放管理提出了重大挑战。在2016 年,中国整个污水处理行业的温室气体排放量约为 1.97 亿吨(以 CO2当量计算),占全国温室气体排放总量的 1.71%3。此外,污水处理产生的 CH4和 N2
8、O 排放量在 1970-2015 年间翻了一倍,占 2015年全球非 CO2温室气体的 9.6%4。因此,减少污水处理厂的温室气体排放是减缓全球变暖的日益关注的焦点,并将对完成碳达峰碳中和的目标的成败起着至关重要的作用。对于污水处理行业而言,此前研究多数使用宏观估算方法计算温室气体排放量,该方法适用于收稿日期:2023-06-20 作者简介:姚婷婷,高级工程师,研究方向为环境监测技术。姚婷婷,马志同,冷亚玲,林娜,伏晓林Vol.36 No.4Jul.,2023第 36 卷 第 4 期2023 年 7 月黑 龙 江 环 境 通 报HEI LONG JIANG ENVIRONMENTAL JOUR
9、NAL166第 36 卷国家、省份、城市等较为宏观的核算层面,可以粗略的对特定区域的整体情况进行宏观把控,但排放因子受到技术水平、生产状况、能源利用和工艺过程的影响而不确定性较大。例如,对中国污水处理厂排放量的估计差异很大,CH4的估计值为20.51395.8 千吨/年,N2O 的估计值为 0.932.4 千吨/年4。此外,IPCC 中排放因子主要是根据发达国家污水处理厂的测量结果获得的,而这些国家的技术特点与中国不同5。为了提高污水处理厂的温室气体排放量数据准确性,需使用实测法。但目前相关研究较少,因此如何获取准确可靠的温室气体排放数据,提高数据质量成为一个亟待解决的问题。有研究者提出污水处
10、理厂中温室气体排放量与工艺种类等因素有关,并且该数据准确性还与不同监测分析方法有关6。为此,本文总结了污水处理厂温室气体排放特征、分析了温室气体关键控制点以及监测技术,为污水处理行业碳排放监测提供经验和借鉴。2污水处理厂温室气体排放分布特征污水处理厂在运行过程中会间接或直接产生CH4、CO2和 N2O 等温室气体。其中,间接排放是指污水处理厂在运行过程中用电、输水、曝气等环节消耗大量能源和药剂而间接产生的温室气体;直接排放是指厌氧过程中产生的 CH4,脱氮过程中产生的 N2O,以及有机物分解产生的 CO2。一般来说,在污水处理行业中,相比于 CO2,CH4和 N2O 排放存在明显的排放分布特征
11、。CH4由产甲烷菌在厌氧条件的处理单元中产生,其中包括 A2/O、UASB 等处理工艺;N2O 通常在生物脱氮(硝化和反硝化)过程中产生,包括 A2/O、MBR 等处理工艺;CO2则在整个处理工艺中都会产生6。2.1 CO2排放分布特征污水处理厂处理阶段通常分为一级、二级和深度处理。与其他阶段相比,初级处理阶段的能耗较低,间接产生的温室气体排放量较少。对于二级处理,关于能耗所产生的温室气体主要取决于具体不同的处理方法。在活性污泥法中,处理每立方米的污水约消耗 0.24408kWh 的电能。根据我国 2017 发布的全国电网温室气体排放因子为 0.6101 tCO2/MWh,则每立方米的污水约产
12、生 0.1489 kg CO2。对于深度处理,同样也需要大量能耗去除水体中的营养物质,进而释放大量温室气体。目前,使用活性污泥的污水处理厂的能量主要消耗在供氧和曝气(50-60%)、污泥处理和处置(10-25%)和二次沉淀(15%)这三个过程。曝气和污水升级的能耗占污水处理厂的绝大部分,这也是污水处理厂能源性能优化的重点。2.2 CH4排放分布特征在厌氧污水处理中,污水中复杂有机物在兼性与厌氧细菌作用下形成简单有机物。其中,产甲烷菌利用中间产物如乙酸等简单有机物产生 CH4。Wang 等7研究发现在 A2/O 工艺中,CH4排放源排放顺序从大到小依次为:厌氧池、好氧池、曝气沉砂池和污泥浓缩池。
13、所有产甲烷菌都是在厌氧条件下生存的,所以氧气的存在会抑制废水中 CH4的形成和排放。有研究报道,曝气沉砂池和好氧池中的密集的机械曝气会导致废水中溶解氧浓度升高,从而抑制 CH4的形成,但同时也会导致废水中大量溶解态 CH4逸散出来7。Guisasola 等8研究了下水道系统中 CH4的形成,发现下水道系统中可以产生大量的 CH4,并且 CH4的产生与废水的水力停留时间呈正相关。因此,推测污水处理厂中的 CH4排放主要来自于沉砂池、初级沉淀池和曝气池的第一个区域9。Pan 等10研究发现常州市 5 个以 A2/O 为主的生活处理污水厂中,直接排放的 CH4为 2640 kg/d,占温室气体排放总
14、量的 71%。2.3 N2O 排放分布特征N2O 是生物脱氮过程中通过微生物氮循环的分解代谢途径产生的中间产物,产生 N2O 的三种主要生物途径为羟胺(NH2OH)氧化、硝化反硝化和异养反硝化。有研究表明,与氧化沟、MBR、CAST、A2/O 工艺相比,SBR 工艺可能具有更高的 N2O 排放能力,这也意味着 SBR 工艺也可能具有作为控制 N2O 排放的潜力11。Kampschreur 等12提出 N2O主要在硝化和反硝化过程中产生,并且主要发生在污水处理厂中活性污泥单元中。此外,他们还提到 N2O 排放还涉及到沉砂池、预沉淀池、二级澄清池、污泥储罐和厌氧污泥消化池等污水处理单元。Czepi
15、el 等13通过某个污水处理厂研究发现,90%的 N2O 排放来自活性污泥单元,5%来自沉砂池,5%来自污泥储罐。Zhang 等14人提出在 540 C 的温度下,N2O 的溶解度范围为 2132747mg N2O/L,比 CH4气体的溶解度高约 17 倍。由于 N2O 在水中的溶解度比较高,溶解态 N2O 的气化逸散也会导致污水处理厂中温室气体的排放。3污水处理厂温室气体监测现状3.1 污水处理厂温室气体监测方法目前固定污染源排放的温室气体 CO2、CH4、和N2O监测方法主要分为手工监测和自动监测两大类。黑 龙 江 环 境 通 报167第 4 期组分标准名称标准编号监测方式CO2固定污染源
16、废气 二氧化碳的测定 非分散红法HJ 8702017手工固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法 二氧化碳奥氏气体分析仪法GB16157-1996手工固定污染源废气 气态污染物(SO2、NO、NO2、CO、CO2)的测定便携式傅里叶变换红外光谱法HJ 1240-2021自动温室气体 二氧化碳和甲烷观测规范 离轴积分腔输出光谱法QX/T 429-2018自动气体中甲烷、氧化亚氮和二氧化碳浓度测定 气相色谱法T/LCAA 005-2021手工CH4固定污染源废气 甲烷、总烃和非甲烷总烃的测定 气相色谱法HJ 382017手工沼气中甲烷和二氧化碳的测定 气相色谱法NY/T 17002009手工
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