本發(fā)明屬于環(huán)境工程污水處理與碳中和領(lǐng)域，特別是涉及一種原位測(cè)定并降低aoa工藝脫氮除磷過程中溫室氣體排放的裝置和方法。該裝置和方法旨在優(yōu)化污水處理流程，通過原位監(jiān)測(cè)溫室氣體排放并采取相應(yīng)措施進(jìn)行減排，從而提高污水處理的效率并降低其對(duì)環(huán)境的影響。

背景技術(shù)：

1、在碳中和的背景下，污水處理廠的排放標(biāo)準(zhǔn)逐步收緊，不僅包括污水指標(biāo)，還包括碳排放。污水處理廠的碳排放量約占全社會(huì)總排放量的1％，在環(huán)保產(chǎn)業(yè)中占比最大。污水處理廠的碳排放包括間接碳排放和直接碳排放。間接碳排放主要來自電力和藥劑等能源消耗，而直接碳排放主要來自生物反應(yīng)過程中產(chǎn)生的co2、n2o和ch4等溫室氣體。

2、污水處理廠產(chǎn)生的n2o大部分源自生物脫氮過程，是生物脫氮過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，通常以氣態(tài)形式逃逸到大氣中，并以液相形式隨污水排放。co2的產(chǎn)生主要來源于有機(jī)物的氧化分解過程。這個(gè)過程在生化池的多個(gè)區(qū)域都可能發(fā)生，主要在好氧區(qū)進(jìn)行排放。ch4的產(chǎn)生主要來源于厭氧條件下的有機(jī)物分解。厭氧區(qū)是ch4產(chǎn)生的主要區(qū)域。在厭氧環(huán)境中，產(chǎn)甲烷菌會(huì)利用有機(jī)物進(jìn)行厭氧分解，生成ch4氣體。

3、aoa工藝在厭氧區(qū)發(fā)生有機(jī)物的去除、釋磷過程以及反硝化過程；在好氧區(qū)發(fā)生硝化作用與好氧吸磷作用，去除水中的nh4+與po43-；在缺氧區(qū)發(fā)生內(nèi)源反硝化作用與反硝化除磷作用。aoa工藝深度脫氮除磷無需外加碳源，同時(shí)能夠節(jié)省好氧區(qū)的曝氣量，具有污染物深度削減、污泥產(chǎn)量低和節(jié)碳降耗的優(yōu)勢(shì)。但是在整個(gè)過程中，不可避免會(huì)產(chǎn)生co2、n2o和ch4等溫室氣體。

4、厭氧氨氧化作用是由厭氧氨氧化菌在缺氧條件下，將nh4+與no2-轉(zhuǎn)化為n2，固定co2并產(chǎn)生no3-的生物過程。厭氧氨氧化脫氮過程中不產(chǎn)生n2o，無需曝氣與有機(jī)碳源，是目前最經(jīng)濟(jì)高效的污水脫氮技術(shù)。在aoa工藝的后置缺氧區(qū)，內(nèi)源反硝化過程的中間產(chǎn)物no2-可以作為厭氧氨氧化底物，通過內(nèi)源反短程硝化耦合厭氧氨氧化脫氮。將aoa工藝與厭氧氨氧化結(jié)合能夠深度削減城鎮(zhèn)污水中的營養(yǎng)物，減少氮磷等污染物排放至水環(huán)境中，同時(shí)能夠進(jìn)一步節(jié)能降耗和減少溫室氣體的排放。當(dāng)前，針對(duì)aoa工藝中溫室氣體排放的監(jiān)測(cè)和減排技術(shù)尚存在不足。一方面，缺乏原位監(jiān)測(cè)溫室氣體排放的裝置，無法實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地掌握溫室氣體排放情況；另一方面，雖然已有研究嘗試通過優(yōu)化aoa工藝參數(shù)、添加外源碳源等方法來降低溫室氣體排放，但這些方法往往存在成本高、效果不穩(wěn)定等問題。

5、因此，研發(fā)一種能夠原位測(cè)定并降低aoa工藝脫氮除磷過程中溫室氣體排放的裝置和方法，不僅有助于優(yōu)化aoa工藝參數(shù)，提高厭氧氨氧化過程的穩(wěn)定性和效率，還能實(shí)現(xiàn)溫室氣體排放的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和有效控制，對(duì)于提高污水處理效率、降低溫室氣體排放、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種原位測(cè)定并降低aoa工藝脫氮除磷過程中溫室氣體排放的裝置和方法。該裝置能夠?qū)⑦B續(xù)流反應(yīng)器產(chǎn)生的氣體全部收集加以分析，還能夠分區(qū)收集氣體進(jìn)行具體研究。此外，通過微電級(jí)系統(tǒng)能夠在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液相n2o濃度變化。

2、一種原位測(cè)定并降低aoa工藝脫氮除磷過程中溫室氣體排放的裝置和方法，其特征在于：如圖1所示，該裝置包括進(jìn)水箱(1)，集氣式連續(xù)流aoa反應(yīng)器(2)，精確曝氣系統(tǒng)(3)，氣體收集系統(tǒng)(4)，微電極系統(tǒng)(5)和二沉池(6)；集氣式連續(xù)流aoa反應(yīng)器包括厭氧區(qū)(2.1)，好氧區(qū)(2.2)，缺氧區(qū)(2.3)，多功能口(2.4)，攪拌系統(tǒng)(2.5)和厭氧氨氧化填料(2.6)；精確曝氣系統(tǒng)包括曝氣頭(3.1)，曝氣泵(3.2)，氨氮在線監(jiān)測(cè)儀(3.3)，溶解氧在線監(jiān)測(cè)儀(3.4)和pcl控制系統(tǒng)(3.5)；氣體收集系統(tǒng)包括干燥管(4.1)，濕式氣體流量計(jì)(4.2)，氣體采樣袋(4.3)和氣相色譜儀(4.4)；微電極系統(tǒng)包括n2o微電極(5.1)，皮安表(5.2)和主機(jī)(5.3)。進(jìn)水從進(jìn)水箱通過進(jìn)水泵(1.1)進(jìn)入集氣式連續(xù)流aoa反應(yīng)器，沿水流方向依次經(jīng)過厭氧區(qū)、好氧區(qū)和缺氧區(qū)，隨后進(jìn)入二沉池，二沉池底部污泥通過第一污泥回流泵(6.1)回流至厭氧區(qū)前端，通過第二污泥回流泵(6.2)回流至缺氧區(qū)前端。

3、降低aoa工藝脫氮除磷過程中溫室氣體排放的方法，其特征在于：

4、1)溶解氧調(diào)控策略：

5、精確曝氣系統(tǒng)設(shè)置在好氧區(qū)末端，通過氨氮在線監(jiān)測(cè)儀控制好氧末氨氮濃度在3-5mg/l，通過溶解氧在線監(jiān)測(cè)儀控制好氧末溶解氧濃度在1-2mg/l。當(dāng)氨氮濃度大于5mg/l或溶解氧濃度低于1mg/l時(shí)，通過plc控制系統(tǒng)提高曝氣量，當(dāng)氨氮濃度小于3mg/l或溶解氧濃度高于2mg/l時(shí)，通過plc控制系統(tǒng)降低曝氣量。

6、2)第二污泥回流比調(diào)控策略：

7、微電極系統(tǒng)設(shè)置在缺氧區(qū)末端，通過n2o微電極實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶解態(tài)n2o濃度。當(dāng)n2o-n濃度低于0.1mg/l時(shí)，無需開啟第二污泥回流；當(dāng)n2o-n濃度高于0.1mg/l時(shí)，開啟第二污泥回流強(qiáng)化缺氧區(qū)反硝化性能，第二污泥回流比設(shè)置為50-100％。

8、3)生物強(qiáng)化策略：

9、提高反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度并穩(wěn)定在5000-8000mg/l，此外在缺氧區(qū)投加厭氧氨氧化填料，填充比為20-30％。

10、其特征在于：氣體收集系統(tǒng)通過好氧區(qū)提供的正壓可以將厭氧區(qū)和缺氧區(qū)內(nèi)的頂空氣體一同收集，進(jìn)一步通過氣相色譜儀直接測(cè)出氣相中的co2、ch4和n2o體積濃度。

11、其特征在于：如圖2所示，攪拌口下方設(shè)有液封槽，在液封槽中注滿水，防止氣體從攪拌口處逸出。

12、其特征在于：如圖3所示，反應(yīng)器密封蓋和連續(xù)流水處理反應(yīng)器之間用密封膠貼合，防止氣體從縫隙逸出。

13、通過微電極系統(tǒng)直接測(cè)出液相中的n2o濃度。經(jīng)過干燥后的氣體收集到氣體采樣袋后通過氣相色譜儀直接測(cè)出氣相中的co2、ch4和n2o體積濃度。體積濃度換算成質(zhì)量濃度的公式如下：

14、

15、式中，m為co2、ch4和n2o的分子質(zhì)量；cv為體積濃度，ppm；pa為測(cè)定時(shí)的氣壓，kpa；t為測(cè)定時(shí)的溫度，℃

16、本發(fā)明具有以下優(yōu)勢(shì)：

17、(1)aoa工藝技術(shù)能夠在厭氧區(qū)對(duì)內(nèi)碳源充分貯存，減少好氧區(qū)ch4的排放；在好氧區(qū)對(duì)溶解氧的精確調(diào)控能夠大幅度減少曝氣能耗，減少co2排放；后置缺氧區(qū)內(nèi)源反硝化能夠?qū)⑷芙鈶B(tài)的n2o完全去除；

18、(2)既能將連續(xù)流aoa反應(yīng)器中產(chǎn)生的氣體按功能區(qū)分別收集，也能夠全部收集；

19、(3)能夠在線監(jiān)測(cè)連續(xù)流各功能區(qū)中的液相n2o產(chǎn)生情況；

20、(4)反應(yīng)器密封蓋能夠保證非曝氣區(qū)更好的厭氧環(huán)境，使得厭氧微生物能更好地發(fā)揮作用；

21、(5)本發(fā)明收集的氣體不僅能夠用于co2、ch4和n2o分析，也可以用于分析反應(yīng)器中產(chǎn)生的其它氣體，如h2s等；

22、(6)結(jié)合厭氧氨氧化技術(shù)，減少對(duì)外部碳源的依賴，提高脫氮效率的同時(shí)，減少反硝化過程中溫室氣體的排放。