污水處理廠中溫室氣體氧化亞氮的釋放通量研究

亓鵬玉

摘 要：根據(jù)對(duì)山東省諸城市某污水處理廠所有處理單元的采樣調(diào)查，分析研究了污水處理過程中氧化亞氮（N2O）的釋放通量。結(jié)果表明，污水處理過程中N2O釋放的主要構(gòu)筑物為：厭氧池、缺氧池、好氧池、二沉池和污泥濃縮池。其中，好氧池的釋放量最高，超過了全廠釋放總量的90%。經(jīng)測(cè)算，N2O的人均釋放系數(shù)為2.61～4.01 g/人/年，每處理一噸污水的N2O釋放量為35.7～55mg，污水處理廠釋放的N2O約占去除總氮的0.15%～0.23%。

關(guān)鍵詞：污水處理廠；氧化亞氮；釋放通量；硝化；反硝化

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）04-0007-02

氧化亞氮（N2O）是大氣中的重要的痕量氣體，雖然大氣中N2O的濃度僅是CO2濃度的1/1000，但它的輻射增溫潛勢(shì)是CO2的296倍[1]，并且N2O分子會(huì)對(duì)大氣臭氧層造成破壞[2]目前大氣中N2O的濃度已達(dá)到320×10-9左右，比工業(yè)革命前增長(zhǎng)了大約14%，現(xiàn)在仍以每年約0.3%的速率繼續(xù)增長(zhǎng)[3]。城市污水處理廠是N2O的重要釋放源[4～5]，污水處理過程中的硝化過程和反硝化過程都會(huì)有N2O產(chǎn)生，據(jù)估計(jì)，污水處理過程中N2O的年釋放量為0.3～3.0×1012kg/年，占全球N2O總釋放量的2.5%～25%[6]。國(guó)外對(duì)于污水處理廠N2O的釋放做了細(xì)致的研究工作[4，7～8]，國(guó)內(nèi)對(duì)于N2O的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)室模擬反應(yīng)器中不同工藝和運(yùn)行參數(shù)對(duì)N2O的影響[9～10]，對(duì)于污水處理廠N2O釋放的研究則鮮見報(bào)道。本研究對(duì)城市污水處理廠的N2O釋放規(guī)律進(jìn)行了探討，估算了污水處理廠的N2O釋放量和人均釋放系數(shù)，并研究了主要運(yùn)行參數(shù)對(duì)于N2O釋放的影響，以期為評(píng)價(jià)我國(guó)污水處理過程在全球氣候變化中的貢獻(xiàn)提供科學(xué)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 采樣地點(diǎn)

2016年3月份到9月份，對(duì)山東諸城市銀河污水處理廠的N2O釋放通量進(jìn)行了采樣調(diào)查和研究。諸城市銀河污水處理廠日處理污水8萬(wàn)m3，服務(wù)人口30萬(wàn)。污水處理廠進(jìn)出水的主要水質(zhì)指標(biāo)見表1。

水質(zhì)凈化一廠主體工藝采用厭氧—缺氧—好氧法，即A2/O工藝。工藝流程見圖1。

1.2 樣品采集

對(duì)工藝流程中的主要構(gòu)筑物進(jìn)行了氣體樣品采集，采樣期為2016年3月～9月，每周取樣3次（周一，周三和周五），每次采樣時(shí)間固定（上午8：00～12：00）。每個(gè)構(gòu)筑物在進(jìn)水口、出水口和中間各設(shè)一個(gè)采樣點(diǎn)，最后取平均值。

氣體采樣裝置由橡膠輪胎底座和圓柱形有機(jī)玻璃箱體兩部分組成，箱體直徑0.41m，取樣時(shí)與水面接觸面積為0.13m2。箱體頂部邊緣兩側(cè)對(duì)稱安裝2個(gè)攪拌小風(fēng)扇，由12V蓄電池供電，此裝置根據(jù)Czepiel[4]的漂浮通量箱略作改進(jìn)。采樣時(shí)裝置扣在水面上，采樣箱中的氣體樣品經(jīng)過小風(fēng)扇攪動(dòng)均勻后，由真空采樣泵抽到采樣袋中，然后送往實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。

1.3 測(cè)定方法

氣態(tài)N2O由氣相色譜測(cè)定。氣相色譜（3420A）配有ECD檢測(cè)器，PorapakQ填充柱，檢測(cè)器、進(jìn)樣口和分離柱的溫度分別為390℃、50℃和50℃，載氣（高純N2）流速30mL·min-1。N2O釋放通量根據(jù)Czepiel[4]的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 主要處理構(gòu)筑物的氧化亞氮釋放通量

污水處理過程中的硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生N2O[13]。污水處理廠各個(gè)構(gòu)筑物由于運(yùn)行條件不同和水質(zhì)變化等原因，N2O釋放通量有很大差異。污水處理廠各個(gè)構(gòu)筑物N2O平均釋放通量見圖2。

從圖2可知，污水處理過程中N2O釋放通量比較高的構(gòu)筑物為：好氧池、曝氣沉砂池和進(jìn)水泵房。好氧池的N2O釋放通量最高。一方面，好氧池的微生物菌群在進(jìn)行硝化反應(yīng)時(shí)，NH3被氧化NH2OH，NH2OH繼續(xù)氧化形成中間產(chǎn)物HNO，當(dāng)氧氣充足時(shí)，HNO氧化為NO2-，當(dāng)氧氣不足時(shí)，兩個(gè)HNO分子可以反應(yīng)生成N2O和H2O，所以當(dāng)好氧池內(nèi)的DO波動(dòng)，供氧不足時(shí)便有N2O釋放出來[14]；另一方面氨氧化菌（AOB）反硝化過程會(huì)產(chǎn)生N2O。Kim通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，好氧段的N2O釋放主要取決于AOB，AOB在NO2-存在時(shí)會(huì)以NH3為電子供體產(chǎn)生N2O，并且低溶解氧濃度會(huì)促進(jìn)這一過程的發(fā)生[15]；第三是由于厭氧池和缺氧池中因反硝化而產(chǎn)生的N2O溶解在水中，隨水流進(jìn)入到好氧池后，在曝氣區(qū)的空氣和機(jī)械擾動(dòng)下逸出到大氣中。

曝氣沉砂池和進(jìn)水泵房水面面積很小，但N2O釋放通量卻相對(duì)較高，僅次于好氧池。原因可能在于曝氣沉砂池和進(jìn)水泵房碳源和氮源豐富，DO濃度相對(duì)較高，反硝化過程進(jìn)行不充分，氮大量轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物N2O而不是終產(chǎn)物N2，大量N2O逸出到大氣中。其它構(gòu)筑物其N2O釋放通量都相對(duì)較低。

2.2 污水處理廠的N2O釋放總量

根據(jù)每個(gè)構(gòu)筑物的N2O釋放通量，估算了整個(gè)污水處理廠的N2O釋放總量。結(jié)果見表2。

從表2可知，各個(gè)處理構(gòu)筑物之間的N2O釋放總量差異很大，釋放量最大的是好氧池，超過全廠釋放總量的90%。雖然進(jìn)水泵房和曝氣沉砂池的單位面積釋放通量很高，但是由于水面面積小，水力停留時(shí)間短，所以釋放總量相對(duì)較低。缺氧池、厭氧池、二沉池和污泥濃縮池因?yàn)樗婷娣e大和水力停留時(shí)間長(zhǎng)，所以釋放總量較高。

根據(jù)各個(gè)處理構(gòu)筑物的釋放量得出污水處理廠N2O的釋放總量，最低為3.91×103kg/年，最高為6.02×103kg/年。污水處理廠服務(wù)人口30萬(wàn)，經(jīng)過計(jì)算得出N2O的人均釋放系數(shù)為2.61～4.01g/人/年；廠區(qū)每日處理污水3×105m3，經(jīng)過計(jì)算得出污水處理廠每處理一噸污水釋放的N2O為35.7 ～55mg，釋放的N2O占去除的總氮的0.15%～0.23%。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）污水處理過程中N2O釋放的主要構(gòu)筑物為：厭氧池、缺氧池、好氧池、二沉池和污泥濃縮池。其中，好氧池氧池的釋放量最高，超過全廠釋放總量的90%。

（2）N2O的人均釋放系數(shù)為2.61～4.01g/人/年，每處理一噸污水的N2O釋放量為35.7～55mg，污水處理廠釋放的N2O約占去除總氮的0.15%～0.23%。

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