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(jiān)測(cè)溶解N2O濃度的新方法  

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

《環(huán)境技術(shù)》，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(cè)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(jiān)測(cè)溶解N2O濃度，適用于曝氣和非曝氣條件或反應(yīng)器，能夠跟蹤時(shí)間和空間上的變化。該方法基于連續(xù)流經(jīng)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(shí)驗(yàn)評(píng)估了該方法在廢水處理背景下的適用性，并討論了設(shè)計(jì)和操作變量對(duì)裝置性能的影響。該方法易于與在線廢氣測(cè)量集成，有助于更好地調(diào)查處理廠氣體排放的來源。溶解N2O測(cè)量有助于減少這些排放，并可應(yīng)用于其他溶解氣體如甲烷的監(jiān)測(cè)。  

 

研究目的  

研究目的是開發(fā)一種新方法來在線監(jiān)測(cè)溶解N2O濃度，以克服現(xiàn)有方法（如抓取采樣或電極測(cè)量）的局限性，包括時(shí)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(xù)的溶解氣體監(jiān)測(cè)，用于廢水處理廠，以更好地理解N2O形成機(jī)制，并支持減排控制策略。  

 

研究思路  

研究思路包括理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先，基于質(zhì)量平衡方程建立氣體吹脫裝置的動(dòng)力學(xué)模型，推導(dǎo)出溶解N2O濃度與測(cè)量氣相濃度之間的線性關(guān)系。然后，設(shè)計(jì)氣體吹脫裝置，包括吹脫瓶和浮渣捕集瓶，使用氮?dú)庾鳛榇得摎怏w，并通過在線氣相分析儀（如FTIR）測(cè)量N2O濃度。裝置應(yīng)用在full-scale SHARON部分硝化反應(yīng)器上，進(jìn)行批次吹脫測(cè)試以校準(zhǔn)裝置參數(shù)，并監(jiān)測(cè)典型操作周期內(nèi)的溶解N2O濃度變化。同時(shí)，與反應(yīng)器廢氣測(cè)量對(duì)比，驗(yàn)證方法的可靠性和性能。研究還評(píng)估了裝置的檢測(cè)限、帶寬等性能指標(biāo)，并探討了潛在應(yīng)用。  

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義  

1. 批次吹脫測(cè)試的氣體N2O濃度剖面和液體N2O濃度剖面，數(shù)據(jù)來自圖2。研究意義：通過測(cè)量吹脫氣體濃度（圖2a）和計(jì)算液體濃度（圖2b），驗(yàn)證了裝置的動(dòng)力學(xué)模型，確定了時(shí)間常數(shù)（如τ_stripping=1.45 min）和kLa值（0.712 min?1），證明了方法能夠準(zhǔn)確反映溶解N2O的 stripping 過程，并為后續(xù)連續(xù)監(jiān)測(cè)提供校準(zhǔn)基礎(chǔ)。  

  

2. SHARON反應(yīng)器操作周期的數(shù)據(jù)，包括曝氣流量、溶解氧（DO）濃度、pH、反應(yīng)器廢氣N2O濃度和吹脫氣體N2O濃度，數(shù)據(jù)來自圖3。研究意義：這些數(shù)據(jù)展示了方法在實(shí)際廢水處理過程中的應(yīng)用，通過測(cè)量溶解N2O濃度（圖3d）和廢氣濃度（圖3c），計(jì)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(dòng)態(tài)變化，有助于識(shí)別形成機(jī)制和優(yōu)化操作條件。  

  

3. 氣體吹脫裝置的Bode振幅圖，數(shù)據(jù)來自圖4。研究意義：Bode圖（圖4）評(píng)估了裝置的頻率響應(yīng)，確定了帶寬（ω_c=1.20 rad min?1）和系統(tǒng)增益（K=-28.5 dB），表明裝置能夠捕捉分鐘級(jí)時(shí)間尺度的變化，檢測(cè)限為0.03 g N m?3，這為方法在常規(guī)活性污泥系統(tǒng)中的適用性提供了依據(jù)，并指導(dǎo)了設(shè)計(jì)優(yōu)化。  

  

 

結(jié)論  

1. 新方法通過氣體吹脫裝置成功實(shí)現(xiàn)了溶解N2O濃度的在線監(jiān)測(cè)，適用于曝氣和非曝氣條件，能夠跟蹤時(shí)間和空間變化。  

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

3. 裝置性能可調(diào)，檢測(cè)限和帶寬滿足常規(guī)廢水處理需求，并可擴(kuò)展至其他氣體如甲烷的監(jiān)測(cè)，具有廣泛應(yīng)用潛力。  

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義  

使用丹麥Unisense電極測(cè)量溶解N2O數(shù)據(jù)的研究意義在于，它代表了現(xiàn)有的連續(xù)測(cè)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(zhǔn)、易污染且壽命短（約4-6個(gè)月），這些缺點(diǎn)限制了其在長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)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(wěn)定、可靠的測(cè)量。Unisense電極的測(cè)量數(shù)據(jù)在以往研究中用于驗(yàn)證N2O濃度，但常受溶解氧（DO）和氮氧化物（NO）干擾，影響準(zhǔn)確性。新方法通過氣相分析間接測(cè)量，避免了直接電極接觸液體，減少了維護(hù)需求，并提高了時(shí)間分辨率。因此，Unisense電極的測(cè)量意義主要體現(xiàn)在作為基準(zhǔn)對(duì)比，突出了新方法的改進(jìn)價(jià)值，尤其在廢水處理廠這種復(fù)雜環(huán)境中，新方法更適用于長(zhǎng)期、連續(xù)的排放監(jiān)測(cè)和控制策略制定。