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：根據對山東省諸城市某污水處理廠所有處理單元的采樣調查，分析研究了污水處理過程中氧化亞氮（N2O）的釋放通量。結果表明，污水處理過程中N2O釋放的主要構筑物為：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%。經測算，N2O的人均釋放系數為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：X703 文獻標識碼：A 文章編號：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是CO2的296倍[1]，并且N2O分子會對大氣臭氧層造成破壞[2]目前大氣中N2O的濃度已達到320×10-9左右，比工業革命前增長了大約14%，現在仍以每年約0.3%的速率繼續增長[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有N2O產生，據估計，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]。國外對于污水處理廠N2O的釋放做了細致的研究工作[4，7～8]，國內對于N2O的研究主要集中在實驗室模擬反應器中不同工藝和運行參數對N2O的影響[9～10]，對于污水處理廠N2O釋放的研究則鮮見報道。本研究對城市污水處理廠的N2O釋放規律進行了探討，估算了污水處理廠的N2O釋放量和人均釋放系數，并研究了主要運行參數對于N2O釋放的影響，以期為評價我國污水處理過程在全球氣候變化中的貢獻提供科學基礎。

1 材料與方法

1.1 采樣地點

2016年3月份到9月份，對山東諸城市銀河污水處理廠的N2O釋放通量進行了采樣調查和研究。諸城市銀河污水處理廠日處理污水8萬m3，服務人口30萬。污水處理廠進出水的主要水質指標見表1。

水質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

對工藝流程中的主要構筑物進行了氣體樣品采集，采樣期為2016年3月～9月，每周取樣3次（周一，周三和周五），每次采樣時間固定（上午8：00～12：00）。每個構筑物在進水口、出水口和中間各設一個采樣點，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玻璃箱體兩部分組成，箱體直徑0.41m，取樣時與水面接觸面積為0.13m2。箱體頂部邊緣兩側對稱安裝2個攪拌小風扇，由12V蓄電池供電，此裝置根據Czepiel[4]的漂浮通量箱略作改進。采樣時裝置扣在水面上，采樣箱中的氣體樣品經過小風扇攪動均勻后，由真空采樣泵抽到采樣袋中，然后送往實驗室測定。

1.3 測定方法

氣態N2O由氣相色譜測定。氣相色譜（3420A）配有ECD檢測器，PorapakQ填充柱，檢測器、進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Czepiel[4]的計算公式進行計算。

2 結果與討論

2.1 主要處理構筑物的氧化亞氮釋放通量

污水處理過程中的硝化反應和反硝化反應都會產生N2O[13]。污水處理廠各個構筑物由于運行條件不同和水質變化等原因，N2O釋放通量有很大差異。污水處理廠各個構筑物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筑物為：好氧池、曝氣沉砂池和進水泵房。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行硝化反應時，NH3被氧化NH2OH，NH2OH繼續氧化形成中間產物HNO，當氧氣充足時，HNO氧化為NO2-，當氧氣不足時，兩個HNO分子可以反應生成N2O和H2O，所以當好氧池內的DO波動，供氧不足時便有N2O釋放出來[14]；另一方面氨氧化菌（AOB）反硝化過程會產生N2O。Kim通過實驗發現，好氧段的N2O釋放主要取決于AOB，AOB在NO2-存在時會以NH3為電子供體產生N2O，并且低溶解氧濃度會促進這一過程的發生[15]；第三是由于厭氧池和缺氧池中因反硝化而產生的N2O溶解在水中，隨水流進入到好氧池后，在曝氣區的空氣和機械擾動下逸出到大氣中。

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

2.2 污水處理廠的N2O釋放總量

根據每個構筑物的N2O釋放通量，估算了整個污水處理廠的N2O釋放總量。結果見表2。

從表2可知，各個處理構筑物之間的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，水力停留時間短，所以釋放總量相對較低。缺氧池、厭氧池、二沉池和污泥濃縮池因為水面面積大和水力停留時間長，所以釋放總量較高。

根據各個處理構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。污水處理廠服務人口30萬，經過計算得出N2O的人均釋放系數為2.61～4.01g/人/年；廠區每日處理污水3×105m3，經過計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 結語

（1）污水處理過程中N2O釋放的主要構筑物為：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%。

參考文獻

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