（环境工程专业论文）城镇污水处理厂中温室气体的释放研究.pdf

山东大学博士学位论文 摘要 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。n 2 0 和 c h 4 是两种重要的温室气体，其温室效应分别是c 0 2 的2 9 8 倍和2 3 倍。污水生 物处理过程是n 2 0 和c h 4 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n 2 0 和c h 4 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c h 4 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n 2 0 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n 2 0 释放通量监测分析发现，n 2 0 的主要释放源是好氧 池，占比约8 0 。a a o 一厂的n 2 0 人均释放系数是1 6 9 - 2 3 4 9 p e r s o n 1 y r 1 ，流 量释放系数是2 3 2 x 1 0 巧 3 2 1 x 1 0 - 5 9 l ，该厂的人均释放系数和i p c c 报告的数据 比较接近，但是流量释放系数要远高于i p c c 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n 2 0 气体释放的主要因素，冬季较低的水 温区间也能促进n 2 0 气体的产生和释放；进水总氮的脱除量是影响全厂n 2 0 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，n 2 0 释放总量占总氮脱除量的比例范围为0 11 9 , - - 0 1 9 5 。 ( 2 ) 开展了常规a a o 工艺城镇污水处理厂中c h 4 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c i - h 释放通量监测，确定了 该厂c l - h 气体的主要释放源是厌氧池和好氧池，约占该厂c h 4 总释放量的4 0 和3 2 1 该厂c h 4 的人均释放系数是8 1 7 - 1 7 6 6 9 p e r s o n 1 y r 1 ，流量释放系数是 山东大学博士学位论文 1 1 2 x l o 4 2 x 1 0 - 4 9 l 。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c h 4 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 c h 4 气体的产生和释放；进水c o d 的脱除量是影响全厂c h 4 气体释放量占c o d 脱除量比例的重要因素。利用监测得到的m m o 污水处理厂的c h 4 释放数据和 相关参数，对c h 4 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c h 4 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n 2 0 和c h 4 的气体释放通 量监测工作。获取了厌氧+ 氧化沟工艺、预缺氧- m m o i 艺和倒置a a o 工艺中 n 2 0 和c 地的流量释放系数，发现三种工艺中n 2 0 和c h 4 的流量释放系数均明显高 于i p c c 报告中的参考值；不同处理工艺中释放的n 2 0 气体总量占总氮脱除量的比 例分别为厌氧+ 氧化沟工艺：o 1 8 3 + 0 0 1 6 ，预缺氧m m o 工艺：o 1 5 6 + 0 0 2 5 和倒置a a i o 工艺：0 1 1 7 - + 0 0 1 0 ；各种工艺中脱除的c o d 转化成c h 4 气体的比 例分别是厌氧+ 氧化沟工艺：0 7 8 9 土0 2 0 3 ，预缺氧刖o 工艺：0 9 3 8 - 4 - 0 2 3 1 和倒置m m o 工艺：0 0 7 8 - + 0 0 1 6 。对三所污水处理厂在实验期间监测到的水质 参数变化和n 2 0 、c h 4 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n 2 0 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c h 4 产生释放的主要因素是污水的氧 化还原电位；倒置m m o t 艺脱除的总氮向n 2 0 的转化率和脱除的c o d 向c h 4 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 m m 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。 关键词：气候变化；温室气体；n 2 0 ；c h 4 ；城镇污水处理厂 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea c c e l e r a t i n go fg i o b a lw a r m i n g ，t h er e d u c t i o no fg r e e n h o u s eg a s ( g h g ) e m i s s i o n sh a sa r o u s e di n t e r n a t i o n a la t t e n t i o n n i t r o u so x i d ef n 2 0 ) a n dm e t h a n e ( c h 4 ) a r et w oi m p o r t a n tg r e e n h o u s eg a s e s ，a n dt h e i rg l o b a lw a r m i n gp o t e n t i a l s ( g w p s ) a r e 2 9 8a n d2 3t i m e sh i g h e rt h a nc 0 2 ，r e s p e c t i v e l y i th a db e e nr e p o r t e dt h a tb i o l o g i c a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s si sa ni m p o r t a n ta n t h r o p o g e n i cs o u r c eo fn 2 0a n dc h 4 t h e r e f o r e , i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h ep r o d u c t i o n ，e m i s s i o na n dr e d u c t i o nc o n t r o l o f n 2 0a n dc h 4d u r i n gb i o l o g i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s e s t h i ss t u d ys e l e c t e dt y p i c a lm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s ( w w t p s ) w h e r ed i f f e r e n tb i o l o g i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s e sa r eu s e d b yl o n g - t e r m s y s t e m a t i c a l l yf i e l ds a m p l i n g ，o n s i t em o n i t o r i n gi nt h e s ew 聊sc o m b i n e dw i t h s u b s e q u e n tl a b o r a t o r ya n a l y s e s ，t h e g h g sp r o d u c t i o na n de m i s s i o ns t a t u sa n d v a r i a t i o nt r e n d si nt h ee n t i r ew a s t e w a t e r s l u d g et r e a t m e n tp r o c e s s e si nt h e s e w 门甲s w e r ei n v e s t i g a t e d t h eg h g se m i s s i o nr a n g e sa n de m i s s i o nf a c t o r s ( e f s ) w e r e c a l c u l a t e db a s e do i lt h ee x p e r i m e n t a ld a t a b yc o m p a r i s o nb e t w e e nt h eg h g s e m i s s i o n so fd i f f e r e n tw w t p su s i n gd i f f e r e n tw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s e s ，t h e e f f e c to fb i o l o g i c a lt r e a t m e n tp r o c e s so ng h ge m i s s i o n sw e r ei n v e s t i g a t e dt o d e t e r m i n et h el o w e s tg h ge m i s s i o nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s t h ef a c t o r sw h i c h c a l ls i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c eg h ge m i s s i o n si nw 1 w t p sw e r ei d e n t i f i e db yb o t hi n - s i t u m e a s u r e m e n ti n w 门甲sa n dl a b o r a t o r ya n a l y s i s as i m p l em a t h e m a t i c a lm o d e lw a s e s t a b l i s h e dt oe s t i m a t et h ec h 4e m i s s i o n sa n dt e s t e db ya c t u a le x p e r i m e n t a ld a t a t h e m a i nr e s e a r c hc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) 1 1 1 en 2 0e m i s s i o n sf r o m3w w t p su s i n gt y p i c a la a op r o c e s sw e r e m e a s u r e ds y s t e m a t i c a l l yi nl o n g - t e r me x p e r i m e n t a lp e r i o da n dt h en o 1w w t pi n j i n a nc i t yw a ss e l e c t e df o rn 2 0e m i s s i o n sa n a l y s i sa sat y p i c a la a o 缪矸7 z r e s u l t ss h o w e dt h em a i nn 2 0e m i s s i o ns o u r c e sa r et h eo x i ct a n k s ，w h i c ha c c o u n tf o r m o r et h a n8 0 o ft o t a le m i s s i o n s n ep e rc a p i t ae f sa n df l o wb a s e de f sa r e 1 6 9 2 3 4 9 p e r s o n 1 f 1a n d2 3 2 x1 0 - 5 3 2 1x1 0 5 9 l 1 n ed i s s o l v e do x y g e n ( d o ) m 山东大学博士学位论文 c o n c e n t r a t i o na n dn i t r i t ec o n c e n t r a t i o ni nt h eo x i ct a n k sa r et h ed o m i n a n tf a c t o r s i n f l u e n c i n gn 2 0e m i s s i o n s 1 1 1 el o w e rw a t e rt e m p e r a t u r er a n g ei n w i n t e rc o u l d p r o m o t en 2 0e m i s s i o n s i nt h e s ew w t p s t o t a lr e m o v e dn i t r o g e ni ni n f l u e n t w a s t e w a t e ri sa l li m p o r t a n tf a c t o ri n f l u e n c i n gt h ep r o p o r t i o no fe m i t t e dn 2 0i nt h e t - 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s c a l ea a ow a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t a p p e n d i x2n i t r o u so x i d ee m i s s i o n sf r o mat y p i c a ln o r t h e r nc h i n e s em u n i c i p a l w a s t e 、a t e rt r e a t m e n tp l a n t v i 山东大学博士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 温室气体的背景资料 全球变暖是人类目前面临的重大环境问题，导致地球冰雪面积减少、海平面 上升和极端天气事件频发，既严重危害自然生态系统的平衡，更是人类食物供应 和居住环境的重大威胁，对人类赖以生存的地球生态环境带来了严峻的挑战。大 气中温室气体( g r e e n h o u s eg a s ，g h g ) 和气溶胶的浓度、地表覆盖率和太阳辐 射的变化能改变地球气候系统的能量平衡，是全球气候变化的驱动因子。这些驱 动因子的变化影响大气中和地表对太阳辐射的吸收、散射和漫射，导致地球能量 平衡产生正或负的变化，从而对全球气候产生变暖或变冷的影响【1 翻。 具有很高可信度的是，自1 7 5 0 年以来，人类活动产生的“净影响已成为 全球变暖的重要原因。自2 0 世纪中叶以来，大部分己观测到的全球平均温度的 升高很可能是由于观测到的人为温室气体浓度增加产生的温室效应导致的。过去 5 0 年以来，各大陆( 南极除外) 都出现了显著的因人为排放大量温室气体导致 的全球变暖迹象【1 捌。 温室效应是由于温室气体有效地吸收地球表面、大气自身和云所发射出的红 外辐射造成的，大气中主要的温室气体按温室效应大小排列，依次为：水蒸气 ( h 2 0 ) 、臭氧( 0 3 ) 、二氧化碳( c 0 2 ) 、氧化亚氮( n 2 0 ) 、甲烷( c h 4 ) 、氢氟 氯碳化物类( c f c s 、h f c s 、h c f c s ) 、全氟碳化物( p f c s ) 及六氟化硫( s f 6 ) 等八种，其中水蒸气和臭氧的数量主要是由大自然平衡所决定，而且全球时空分 布变化较大，因此在进行温室气体减量措施规划时，一般不将这两种气体纳入考 虑，在1 9 9 7 年于日本京都召开的联合国气候变化框架公约( u n f c c c ) 第三 次缔约方大会( c o p 3 ) 上通过的京都议定书中明确指出要对其余六种温室 气体进行控制和削减【3 1 。 自工业化时代以来，由于人类活动己引起全球温室气体排放显著增加，其中 在1 9 7 0 年至2 0 0 4 年期间增加了7 0 。人类的生产和生活活动会导致四种长生命 1 山东大学博士学位论文 期温室气体的大量排放：c 0 2 、c h 4 、n 2 0 和卤烃( 含氟、氯或溴的气体) 【4 】。 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。 c 0 2 是最重要的人为温室气体，在1 9 7 0 年至2 0 0 4 年期间，c 0 2 年排放量已 经增加了大约8 0 ，从2 1 0 亿吨增加到3 8 0 亿吨，在2 0 0 4 年已占到人为温室气 体排放总量的7 7 ( 按c 0 2 当量计算) 。在最近的一个十年期( 1 9 9 5 2 0 0 4 年) ， c 0 2 当量排放的增加速率( 每年9 2 亿吨c 0 2 当量) 比前一个十年期( 1 9 8 5 1 9 9 4 年) 的排放速率( 每年4 3 亿吨c 0 2 当量) 高得多。全球大气中c 0 2 浓度已由工 业化前的约2 8 0 p p m 增加到2 0 0 5 年的3 7 9 p p m 。过去十年的c 0 2 浓度年增长率 ( 1 9 9 5 - 2 0 0 5 年平均值：每年1 9 p p m ) 大于自人类进行连续和直接的大气观测开 始以来( 1 9 6 0 - 2 0 0 5 年平均值：每年1 4 p p m ) 的浓度增长均值，尽管在增长率中 存在年际变率【1 1 。 圃n 秘自雨纯蜷缸使瑚口唧自糍黛，生钧翥醢蜃- 混盘 口c q 源白农盘援弃钫和能毋一屿! 口嘿自农业和置他i 氯粪气# 图1 - 1 全球人为温室气体的排放量( i p c c2 0 0 7 ) 全球大气中c h 4 浓度值从工业化时代前的约7 1 5 p p b 增至2 0 世纪9 0 年代初 的1 7 3 2 p p b ，2 0 0 5 年更是增至1 7 7 4 p p b 。自2 0 世纪9 0 年代初以来，增长率已有 所下降，这与在此期间c h 4 总排放量( 人为和自然排放源之和) 几乎趋于稳定 是一致的。目前全球c h 4 的释放量约是6 0 0 t g c h g y r ( u 】。全球大气中n 2 0 浓度 值已从工业化时代前的约2 7 0 p p b 增至2 0 0 5 年的3 1 9 p p b ，增长了1 8 ，而且正 以每年0 2 5 0 3 1 的速度递增，目前全球每年n 2 0 排放量约为 1 7 7 t g n 2 0 - n y r 1 【1 1 。尽管n 2 0 和c h 4 的大气浓度远低于c 0 2 ，但是由于n 2 0 和 2 伽hu豳豳蹦螂hu曩曩ll 山东大学博士学位论文 c h 4 的全球变暖潜势( g l o b a lw a r m h a gp o t e n t i a l ，g w p ) 较强，按照1 0 0 年的作 用周期计算，二者分别是c 0 2 全球变暖潜势的2 9 8 倍和2 3 倍，其对全球温室效 应的贡献率分别达到7 9 和1 7 1 ( 图1 1 ) ，大气中n 2 0 的体积分数每增加一 倍，将会使全球地表气温平均上升0 4 ，c h 4 的体积分数每增加一倍也会使全 球增温0 3 。c t l 6 。 c h 4 和n 2 0 除了具有很强的温室效应，还会产生其他大气环境效应。c h 4 是 烃类中最简单的化合物，化学性质稳定，严格的说c h 4 不是空气污染物，但大 气对流层中的c h 4 会在太阳辐射下，与n o x 和o h 自由基作用，产生一些活性 物质，如甲醛、过氧化物和臭氧等，最终产物是一氧化碳，造成大气污染危害， 这是c h 4 对大气环境的负效应；此外，c h 4 是平流层中氢的主要来源，约5 6 的平流层氢来自c h 4 ，平流层中的氯( 来自人为排放) 能够分解破坏臭氧，而 c h 4 可与氯作用生成氢氯酸而降低氯含量，从而保护平流层的臭氧免受氯的破坏， 这是c h 4 对大气环境的正效应【1 捌。 n 2 0 是一种长生命周期气体，其在大气中可以稳定存在1 1 4 年，明显长于 c h 4 ( 1 2 年) 和c 0 2 ( 3 0 9 5 年) 。在平流层底部，