探究造纸污水处理曝气量对各GHG排放源影响的方法转让专利
申请号 : CN202010823577.8
文献号 : CN112062274B
文献日 : 2021-08-10
发明人 : 沈文浩 , 李文青 , 黄菲妮
申请人 : 华南理工大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种探究造纸污水处理曝气量对各GHG排放源影响的方法,其特征在于,所述的方法包括以下步骤:
S1、在ASM1模型的基础上,建立造纸污水处理过程的温室气体排放机理模型,该温室气体排放机理模型包括温室气体直接排放模型和温室气体间接排放模型,过程如下:S11、采用ASM1模型仿真模拟造纸污水A/O处理工艺过程,将ASM1模型的反应器1、2、3、4设定为厌氧反应器,反应器5设定为好氧反应器,各个反应器均包含13种反应组分:快速可生物降解基质SS、溶解性不可降解有机物SI、慢速可生物降解基质XS、颗粒性不可生物降解有机物XI、活性异养微生物XBH、活性自养微生物XBA、颗粒性可生物降解有机氮XND、微生物衰减产生的惰性颗粒物质XP、 和NH3的总和SNH、溶解氧SO、硝态氮或亚硝态氮SNO、溶解性可生物降解有机氮SND、碱度SALK和8个反应过程:异养菌好氧生长、异养菌缺氧生长、自养菌好氧生长、异养菌衰减、自养菌衰减、溶解性可降解有机氮的氨化、慢速可降解有机物水解、慢速可降解有机氮水解;
其中,所述的ASM1模型的输入变量为:进水流量Q、总悬浮固体TSS、快速可生物降解基质SS、溶解性不可降解有机物SI、慢速可生物降解基质XS、颗粒性不可生物降解有机物XI、活性异养微生物XBH、活性自养微生物XBA、颗粒性可生物降解有机氮XND、微生物衰减产生的惰性颗粒物质XP、 和NH3的总和SNH、溶解氧SO、硝态氮或亚硝态氮SNO、溶解性可生物降解有机氮SND和碱度SALK,输出变量为:出水化学需氧量COD、生化需氧量BOD、氨氮、总氮TN和总悬浮固体TSS;
S12、在ASM1模型的基础上,建立温室气体直接排放模型,其中,温室气体直接排放模型的污水生化处理通过4个过程进行,分别是:内源性衰变、BOD去除、硝化过程和反硝化过程,过程中污染物的降解伴随产生温室气体,直接排放至大气;
其中,所述的步骤S12中温室气体直接排放的4个来源分别为:内源性衰变、BOD去除、硝化过程和反硝化过程,温室气体直接排放的计算方法如下:S121、内源性衰变:
微生物细胞内参加内源性衰变的有机碳可写为C5H7O2N的形式,这个过程的化学反应式为:
C5H7O2N+5O2→5CO2+2H2O+NH3 (3)根据式(3)的物质守恒关系,可得微生物细胞内参加内源性衰变的有机碳与产生的CO2质量关系为1.947,可得内源性衰变过程的CO2排放量为式(4):其中,XVSS,decay为微生物细胞内的参加内源性衰变的有机碳,单位:kg/h;
S122、BOD去除:
污水中有机污染物BOD被微生物降解分为两个部分:一部分是被微生物菌群吸收,参与合成微生物细胞;另一部分是在氧气充足的情况下,彻底氧化为CO2和H2O,这部分被消耗的BOD化学简式为C10H19NO3,完全氧化反应化学方程如式(5):
2C10H19NO3+25O2→20CO2+16H2O+2NH3 (5)根据式(5)的物质守恒关系,可得CO2产生量与O2消耗量的比是1.1,在整个BOD去除过程中,产生的CO2量为式(6):
CO2BODremoval=1.100·BODoxidated (6)3
其中,BODoxidated表示有机污染物被微生物氧化所消耗的氧气的量,单位:g/m;
S123、硝化过程:
造纸污水的硝化反应过程吸收消耗CO2,硝化反应总反应过程为式(7):根据物质守恒定律,硝化过程消耗CO2量与消耗氨氮量 的关系为4.490,过程中消耗的CO2量计算如式(8):
CO2,nitrification=4.490·NHnitrification (8)3
其中,NHnitrification为用于硝化过程的氨氮,单位:g/m;
S124、反硝化过程:
在污水脱氮过程中有0.5%去除的含氮物质被还原成N2O,则反硝化过程中N2O的产生量为:
N2Oemission=0.5%·Q·(TNin‑TNout) (9)
3 3
其中,TNin为进水总氮浓度,单位:g/m,TNout为出水总氮浓度,单位:g/m;
S13、在ASM1模型的基础上,建立温室气体间接排放模型,其中,温室气体间接排放模型的工艺过程通过3个过程进行,分别是:污泥处理、电力消耗和化学品添加,在这些过程中间接产生的温室气体排放至大气;
其中,所述的步骤S13中温室气体间接排放的3个来源是:污泥处理、电力消耗和化学品添加,温室气体间接排放的计算方法如下:S131、污泥处理:
微生物细胞的衰变量可写为C5H7O2N的形式,污泥处理的化学反应如式(10):根据物质守恒定律,CO2和CH4与C5H7O2N的化学计量关系分别为0.584和0.354,在污泥处理过程中产生的温室气体量计算如式(11)所示:3
其中,Xsludge为微生物衰变量,单位:g/m, 为CH4的全球增温潜势;
S132、电力消耗:
造纸污水生化处理过程中,电能消耗主要来自曝气机和水泵运转所消耗的电能,进而间接导致大量CO2排放,曝气机和水泵电力消耗间接产生的CO2排放量分别为:CO2,aeration=EFe×AE (12)CO2,pumping=EFe×PE (13)其中,AE为曝气机消耗电能,单位:kwh,PE为水泵消耗电能,单位:kwh,EFe为消耗电能的温室气体排放因子,取值0.8959kg/kwh;
S133、化学品添加:
外部碳源的生产制造同样伴随温室气体的排放,因添加化学品所间接排放的温室气体量为:
CO2,chemicals=EFc×EC (14)其中,EFc为外部碳源的温室气体排放因子,取值1.54g CO2/g碳源,EC为碳源添加量,单位:kg/h;
S2、采集现场污水数据,对进水COD和TN进行组分划分,获得ASM1模型中的变量;
S3、建立温室气体排放实验模型,验证温室气体排放机理模型的准确性,过程如下:S31、收集现场水样并进行预处理:污水水样经离心分离后,静置沉淀20小时,取上层清液;加入0.15mL 1000mg/L的HgCl2溶液,目的是除去污水中的NH3,立刻密封反应瓶;振荡数次,使瓶内上清液与HgCl2溶液充分混合;在恒温15℃条件下,静置24h后,测定反应瓶中气态CO2和N2O含量;
S32、利用气相色谱仪检测反应瓶中的气态CO2和N2O,从而得到气态CO2和N2O含量:用分别为5ppm CH4+505ppm CO2+0.49ppm N2O的标准气体绘制标准曲线,用于检测反应瓶中水样的气态CO2和N2O含量;使用30mL注射器抽取样品瓶中气相的气体,打入气相色谱仪进样口进行测定,得到反应瓶中水样的气态CO2和N2O含量,气态CO2和N2O含量的单位:ppm;
S33、根据道尔顿分压定律和亨利定律计算得到溶解态CO2和N2O浓度:根据道尔顿分压定律,计算气态CO2和N2O的分压:θ
Pi=yi·P (1)θ
其中,yi为i组分气体百分数,P为当时大气压,取值102200Pa;
利用亨利定律,计算液相中溶解态CO2和N2O的浓度:其中,Pi为i组分气体分压,单位:Pa,Hi为15℃时i组分的亨利定律常数,单位:hPa;
S34、建立温室气体排放实验模型,将计算得到的CO2和N2O排放量作为真实值,与通过温室气体直接排放模型计算得到的CO2和N2O排放量进行对比,验证造纸污水处理过程温室气体排放机理模型的准确性;
其中,所述的步骤S34中温室气体排放实验模型的建立方法如下:对于反硝化过程排放的N2O,建立N2O排放实验模型,N2O排放量 计算公式如下:3
其中,VR为好氧反应器体积,取值10066.88m, 为N2O的排放率;
N2O排放率的计算为:
3
其中, 为N2O亨利系数, 为溶解态N2O浓度,单位:mg N2O‑N/m, 为N2O物质‑1 3
传递系数,单位:h ,QA为气体流量,单位:m/h;
CO2排放实验模型的建立方法与N2O的大致相同,基于溶解态CO2浓度建立实验模型;在CO2排放实验模型的建立过程中,相应使用CO2的亨利系数和溶解态的CO2浓度;
S4、设置不同的曝气量作为温室气体排放机理模型的输入,对造纸污水处理过程进行仿真实验,获得各排放源的温室气体排放量;
S5、采用Pearson相关系数法,计算曝气量与各排放源温室气体排放量之间的相关系数,找出对温室气体影响最大的排放源;
其中,Pearson相关系数的计算公式如下:其中,x,y是变量的向量,i是采样点的个数, 分别为x和y的均值。
2.根据权利要求1所述的探究造纸污水处理曝气量对各GHG排放源影响的方法,其特征在于,所述的步骤S2中,从活性污泥法污水处理工艺现场入水监测系统采集污水进水数据,进水数据包括:COD、TSS、TN、氨氮、流量和DO,将进水数据中COD、TN组分划分为ASM1模型中的7个变量,分别为:快速可生物降解基质SS、溶解性不可降解有机物SI、慢速可生物降解基质XS、颗粒性不可生物降解有机物XI、硝态氮或亚硝态氮SNO、颗粒性可生物降解有机氮XND和溶解性可生物降解有机氮SND。
3.根据权利要求1所述的探究造纸污水处理曝气量对各GHG排放源影响的方法,其特征在于,所述的步骤S4中,首先设置不同的曝气量,曝气量为氧传递系数kLa,将曝气量分别设‑1
置为0、5、10、15和20h ,然后基于步骤S1中建立的温室气体排放机理模型,对造纸污水A/O处理工艺过程进行仿真实验,获得不同曝气量下的各排放源的温室气体排放量,绘制不同曝气量的各排放源温室气体排放量变化趋势图,总结曝气量与各排放源温室气体排放量的关系。
4.根据权利要求1所述的探究造纸污水处理曝气量对各GHG排放源影响的方法,其特征在于,所述的步骤S5中,采用Pearson相关系数法,计算曝气量与各排放源温室气体排放量之间的相关系数,评估曝气量的变化对各温室气体排放源的影响,找出曝气量变化下,对温室气体影响最大的排放源。
说明书 :
探究造纸污水处理曝气量对各GHG排放源影响的方法
技术领域
背景技术
排放,污水中的污染物经过微生物的降解作用所产生的温室气体;(2)间接排放,处理过程
中伴随化学品投放、电能消耗和后续污泥处理所间接产生的温室气体。温室气体排放至大
气,造成对造纸工业“隐形”的二次污染。
低的溶解氧浓度又会引起反硝化过程的N2O大量产生。溶解氧是由曝气机向好氧池中鼓入
空气,氧气溶入水中形成的,溶解氧浓度与曝气机的曝气量成线性关系。因此曝气量是造纸
污水A/O处理工艺过程中一个重要的工艺参数,对温室气体排放量的影响较大。另外,在造
纸污水处理过程中温室气体的排放源较多,各排放源的温室气体排放量受曝气量的影响程
度不同。
将温室气体排放量纳入溶解氧控制系统是目前造纸工业温室气体减排的一个趋势。利用
Pearson相关系数评估曝气量对温室气体排放量的影响程度,探究影响温室气体排放的主
导因素,可以为通过溶解氧控制实现温室气体减排的可行性研究提供理论基础。
发明内容
影响,揭示在曝气量的变化下,对温室气体排放量影响最大的排放源,为实现温室气体减排
的溶解氧优化控制提供理论基础。
接排放模型和温室气体间接排放模型;
器均包含13种反应组分:快速可生物降解基质(SS)、溶解性不可降解有机物(SI)、慢速可生
物降解基质(XS)、颗粒性不可生物降解有机物(XI)、活性异养微生物(XBH)、活性自养微生物
(XBA)、颗粒性可生物降解有机氮(XND)、微生物衰减产生的惰性颗粒物质(XP)、 和NH3
(SNH)、溶解氧(SO)、硝态氮或亚硝态氮(SNO)、溶解性可生物降解有机氮(SND)、碱度(SALK)和8
个反应过程:异养菌好氧生长、异养菌缺氧生长、自养菌好氧生长、异养菌衰减、自养菌衰
减、溶解性可降解有机氮的氨化、慢速可降解有机物水解、慢速可降解有机氮水解;ASM1模
型中的5个化学计量参数和14个动力学参数均根据BSM1(Benchmark Simulation Model
No.1,1号仿真基准模型)手册确定;
机物(XI)、活性异养微生物(XBH)、活性自养微生物(XBA)、颗粒性可生物降解有机氮(XND)、微
生物衰减产生的惰性颗粒物质(XP)、 和NH3(SNH)、溶解氧(SO)、硝态氮或亚硝态氮
(SNO)、溶解性可生物降解有机氮(SND)和碱度(SALK),输出变量为:出水COD、BOD
(Biochemical Oxygen Demand,生化需氧量)、氨氮、TN和TSS(Total Suspended Solids,总
悬浮固体);
气,温室气体直接排放的计算方法如下:
部分被消耗的BOD化学简式为C10H19NO3,完全氧化反应化学方程如式(3):
为出水总氮浓度(g/m);
算方法如下:
Oxygen,溶解氧),将进水数据中COD、TN组分划分为ASM1模型中的7个变量,分别为:快速可
生物降解基质SS、溶解性不可降解有机物SI、慢速可生物降解基质XS、颗粒性不可生物降解
有机物XI、硝态氮或亚硝态氮SNO、颗粒性可生物降解有机氮XND和溶解性可生物降解有机氮
SND。
混合;在恒温15℃条件下,静置24h后,测定反应瓶中气态CO2和N2O含量;
谱仪进样口进行测定,得到反应瓶中水样的气态CO2和N2O含量(ppm);
室气体排放机理模型的准确性,温室气体排放实验模型的建立方法如下:
质传递系数(h ),QA为气体流量(m/h);
别设置为0、5、10、15和20h ,然后基于步骤S1的温室气体排放机理模型,对造纸污水A/O处
理工艺过程进行仿真实验,获得不同曝气量下的各排放源的温室气体排放量,绘制不同曝
气量的各排放源温室气体排放量变化趋势图,总结曝气量与各排放源温室气体排放量的关
系。
量变化下,对温室气体影响最大的排放源;Pearson相关系数的计算方法如下:
放源。
附图说明
具体实施方式
本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员
在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
速可生物降解基质(SS)、溶解性不可降解有机物(SI)、慢速可生物降解基质(XS)、颗粒性不
可生物降解有机物(XI)、活性异养微生物(XBH)、活性自养微生物(XBA)、颗粒性可生物降解有
机氮(XND)、微生物衰减产生的惰性颗粒物质(XP)、 和NH3(SNH)、溶解氧(SO)、硝态氮或
亚硝态氮(SNO)、溶解性可生物降解有机氮(SND)、碱度(SALK)和8个反应过程:异养菌好氧生
长、异养菌缺氧生长、自养菌好氧生长、异养菌衰减、自养菌衰减、溶解性可降解有机氮的氨
化、慢速可降解有机物水解、慢速可降解有机氮水解;ASM1模型中的5个化学计量参数和14
个动力学参数均根据BSM1手册确定。其中,ASM1模型的输入变量为:进水流量(Q)、总悬浮固
体(TSS)、快速可生物降解基质(SS)、溶解性不可降解有机物(SI)、慢速可生物降解基质
(XS)、颗粒性不可生物降解有机物(XI)、活性异养微生物(XBH)、活性自养微生物(XBA)、颗粒
性可生物降解有机氮(XND)、微生物衰减产生的惰性颗粒物质(XP)、 和NH3(SNH)、溶解氧
(SO)、硝态氮或亚硝态氮(SNO)、溶解性可生物降解有机氮(SND)和碱度(SALK),输出变量为:出
水化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、氨氮、总氮(TN)和总悬浮固体(TSS);
程间接产生的温室气体也同样排放至大气;
间(h),MLVSS为污水中的挥发性悬浮固体浓度(kg/m);
颗粒性不可生物降解有机物(g/m),XBH(i)为第i个反应器的活性异养微生物浓度(g/m),
3
XBA(i)为第i个反应器的活性自养微生物浓度(g/m),XP(i)为第i个反应器的微生物衰减产
3
生的惰性颗粒物质(g/m);
底氧化为CO2和H2O;
BOD的变化量(g/m);
m);
(g/m),Xw为污泥中的生物体浓度(g/m);
性自养微生物浓度(g/m);
m),NHout为出水氨氮浓度(g/m);
其中,TNin为进水总氮浓度(g/m),TNout为出水总氮浓度(g/m);
m),XBA,w为排出污泥的活性自养微生物浓度(g/m),XS,w为排出污泥的慢速可生物降解基质
3 3
(g/m),XP,w为排出污泥的微生物衰减产生的惰性颗粒物质(g/m),XI,w为排出污泥的颗粒性
3
不可生物降解有机物(g/m);
碳源流量(m/h);
物降解基质XS和颗粒性不可生物降解有机物XI四种成分,分别占COD成分的18.11%、
4.11%、19.97%和57.81%;将造纸污水进水TN划分为硝态氮或亚硝态氮SNO、颗粒性可生物
降解有机氮XND和溶解性可生物降解有机氮SND三种成分,分别占TN成分的2.23%、91.63%
和6.14%;划分方法如下:
混合;在恒温15℃条件下,静置24h后,测定反应瓶中气态CO2和N2O含量;
分离柱:3m×2mm(内径);30mL注射器;高纯氮气(99.999%)为载气;柱箱温度:60℃;前检测
器温度:250℃;后检测器(μECD)温度:300℃;尾吹气流量:2mL/min;
样口进行测定,得到反应瓶中水样的气态CO2和N2O含量(ppm);
数比值,取值2675K,T为标准温度,取值298.15℃;
质传递系数(h ),QA为气体流量(m/h);
得到溶解态CO2和N2O浓度,然后采用实验模型计算CO2和N2O的排放量,作为真实值;另外,将
25组经过划分处理的进水数据作为输入,基于温室气体直接排放模型,计算得到CO2和N2O的
直接排放量;CO2和N2O排放机理模型的验证结果分别见图4和5,验证直接排放的CO2和N2O的
准确率分别为94.6%和91.1%,说明所建立的温室气体排放机理模型是准确的,可以用于
造纸污水A/O处理工艺过程温室气体排放量的动态监测。
‑1
5、10、15和20h ,在开环条件下进行仿真实验,仿真数据来自广州某造纸厂活性污泥法工艺
现场入水监测系统,共有140个批次,如图6所示;
5h 时,溶解氧的浓度很低,不超过0.1g/m ;在kLa大于10h 的结果中,溶解氧浓度随着kLa
‑1 3 ‑1
的增加而增加,kLa=10h 时,溶解氧浓度约为0.5g/m ,kLa上升到15h 时溶解氧浓度平均
3 ‑1
增加2g/m;kLa为20h 时,溶解氧浓度最高;
解氧浓度较低的条件下,好氧池中的微生物无法达到正常的生长水平,硝化过程受其影响
较大,因而产生较多的温室气体直接排放量;从间接排放温室气体来看,在图8(b)中,kLa越
高,间接排放的温室气体越多,这是因为曝气量越高,因曝气机耗电间接排放的温室气体量
越大,并相应导致温室气体的总排放量也随着曝气量的增加而上升(图8(c));因此,可以得
出:曝气量越高,污水处理过程排放的温室气体量越多的结论;
化的情况下,140个批次产生的平均温室气体排放量,每条线所围成的面积,代表该曝气量
下所产生的温室气体;从图中可以看出,不同曝气量下,虽然各温室气体直接排放源(内源
性衰变、BOD去除、硝化过程和反硝化过程)受到曝气量变化的影响趋势并不相同,但是直接
排放量受曝气量变化的影响总体不大;硝化过程受曝气量变化的影响较为明显,曝气量越
大,其消耗的温室气体越多,这是因为硝化反应主要是在有氧的条件下进行,氧气浓度越
高,硝化反应的活性越高,导致参加反应的CO2消耗量增加;BOD去除过程中排放的温室气体
随着曝气量的增加而增加,但总体相差不大,因为反应器中有机污染物被大量消耗,转化为
温室气体排放到大气中,当反应器中曝气量越高,有机污染物被降解得越充分,排放的温室
气体越多;各温室气体间接排放源(曝气机耗电、水泵耗电、化学品消耗和污泥处理)受到曝
气量变化的影响趋势差异很大,除了曝气机耗电,其余排放源几乎不受曝气量变化的影响;
‑1
从图中可以看出,kLa=20h 的条件下,所产生的温室气体量最大,其中,因曝气机耗电所产
生的温室气体受曝气量的影响最大。
变量的相关性越大,自变量的变化对因变量的影响越大,正负值表示正相关或负相关;
Pearson相关性系数r(x,y)等于它们之间的协方差除以它们各自标准差的乘积;该方法考
虑了均值的影响,采用去中心化的步骤,对数据进行修正;Pearson相关系数的计算如式
(64)所示:
的影响最大,且为正相关,相关系数为0.3162;(2)硝化过程产生的温室气体所受到的影响
也较大,呈负相关,相关系数为‑0.1021;(3)BOD去除、污泥处理和反硝化过程所产生的温室
气体,都与曝气量呈正相关,但相关系数较低,说明受到曝气量变化的影响较小;(4)内源性
衰变所排放的温室气体与曝气量呈负相关,相关系数仅为‑0.0091。
均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。