一种原位测定并降低AOA工艺脱氮除磷过程中温室气体排放的装置和方法

本发明属于环境工程污水处理与碳中和领域，特别是涉及一种原位测定并降低aoa工艺脱氮除磷过程中温室气体排放的装置和方法。该装置和方法旨在优化污水处理流程，通过原位监测温室气体排放并采取相应措施进行减排，从而提高污水处理的效率并降低其对环境的影响。

背景技术：

1、在碳中和的背景下，污水处理厂的排放标准逐步收紧，不仅包括污水指标，还包括碳排放。污水处理厂的碳排放量约占全社会总排放量的1％，在环保产业中占比最大。污水处理厂的碳排放包括间接碳排放和直接碳排放。间接碳排放主要来自电力和药剂等能源消耗，而直接碳排放主要来自生物反应过程中产生的co2、n2o和ch4等温室气体。

2、污水处理厂产生的n2o大部分源自生物脱氮过程，是生物脱氮过程中产生的副产物，通常以气态形式逃逸到大气中，并以液相形式随污水排放。co2的产生主要来源于有机物的氧化分解过程。这个过程在生化池的多个区域都可能发生，主要在好氧区进行排放。ch4的产生主要来源于厌氧条件下的有机物分解。厌氧区是ch4产生的主要区域。在厌氧环境中，产甲烷菌会利用有机物进行厌氧分解，生成ch4气体。

3、aoa工艺在厌氧区发生有机物的去除、释磷过程以及反硝化过程；在好氧区发生硝化作用与好氧吸磷作用，去除水中的nh4+与po43-；在缺氧区发生内源反硝化作用与反硝化除磷作用。aoa工艺深度脱氮除磷无需外加碳源，同时能够节省好氧区的曝气量，具有污染物深度削减、污泥产量低和节碳降耗的优势。但是在整个过程中，不可避免会产生co2、n2o和ch4等温室气体。

4、厌氧氨氧化作用是由厌氧氨氧化菌在缺氧条件下，将nh4+与no2-转化为n2，固定co2并产生no3-的生物过程。厌氧氨氧化脱氮过程中不产生n2o，无需曝气与有机碳源，是目前最经济高效的污水脱氮技术。在aoa工艺的后置缺氧区，内源反硝化过程的中间产物no2-可以作为厌氧氨氧化底物，通过内源反短程硝化耦合厌氧氨氧化脱氮。将aoa工艺与厌氧氨氧化结合能够深度削减城镇污水中的营养物，减少氮磷等污染物排放至水环境中，同时能够进一步节能降耗和减少温室气体的排放。当前，针对aoa工艺中温室气体排放的监测和减排技术尚存在不足。一方面，缺乏原位监测温室气体排放的装置，无法实时、准确地掌握温室气体排放情况；另一方面，虽然已有研究尝试通过优化aoa工艺参数、添加外源碳源等方法来降低温室气体排放，但这些方法往往存在成本高、效果不稳定等问题。

5、因此，研发一种能够原位测定并降低aoa工艺脱氮除磷过程中温室气体排放的装置和方法，不仅有助于优化aoa工艺参数，提高厌氧氨氧化过程的稳定性和效率，还能实现温室气体排放的实时监测和有效控制，对于提高污水处理效率、降低温室气体排放、促进可持续发展具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种原位测定并降低aoa工艺脱氮除磷过程中温室气体排放的装置和方法。该装置能够将连续流反应器产生的气体全部收集加以分析，还能够分区收集气体进行具体研究。此外，通过微电级系统能够在线实时监测液相n2o浓度变化。

2、一种原位测定并降低aoa工艺脱氮除磷过程中温室气体排放的装置和方法，其特征在于：如图1所示，该装置包括进水箱(1)，集气式连续流aoa反应器(2)，精确曝气系统(3)，气体收集系统(4)，微电极系统(5)和二沉池(6)；集气式连续流aoa反应器包括厌氧区(2.1)，好氧区(2.2)，缺氧区(2.3)，多功能口(2.4)，搅拌系统(2.5)和厌氧氨氧化填料(2.6)；精确曝气系统包括曝气头(3.1)，曝气泵(3.2)，氨氮在线监测仪(3.3)，溶解氧在线监测仪(3.4)和pcl控制系统(3.5)；气体收集系统包括干燥管(4.1)，湿式气体流量计(4.2)，气体采样袋(4.3)和气相色谱仪(4.4)；微电极系统包括n2o微电极(5.1)，皮安表(5.2)和主机(5.3)。进水从进水箱通过进水泵(1.1)进入集气式连续流aoa反应器，沿水流方向依次经过厌氧区、好氧区和缺氧区，随后进入二沉池，二沉池底部污泥通过第一污泥回流泵(6.1)回流至厌氧区前端，通过第二污泥回流泵(6.2)回流至缺氧区前端。

3、降低aoa工艺脱氮除磷过程中温室气体排放的方法，其特征在于：

4、1)溶解氧调控策略：

5、精确曝气系统设置在好氧区末端，通过氨氮在线监测仪控制好氧末氨氮浓度在3-5mg/l，通过溶解氧在线监测仪控制好氧末溶解氧浓度在1-2mg/l。当氨氮浓度大于5mg/l或溶解氧浓度低于1mg/l时，通过plc控制系统提高曝气量，当氨氮浓度小于3mg/l或溶解氧浓度高于2mg/l时，通过plc控制系统降低曝气量。

6、2)第二污泥回流比调控策略：

7、微电极系统设置在缺氧区末端，通过n2o微电极实时监测溶解态n2o浓度。当n2o-n浓度低于0.1mg/l时，无需开启第二污泥回流；当n2o-n浓度高于0.1mg/l时，开启第二污泥回流强化缺氧区反硝化性能，第二污泥回流比设置为50-100％。

8、3)生物强化策略：

9、提高反应器内的污泥浓度并稳定在5000-8000mg/l，此外在缺氧区投加厌氧氨氧化填料，填充比为20-30％。

10、其特征在于：气体收集系统通过好氧区提供的正压可以将厌氧区和缺氧区内的顶空气体一同收集，进一步通过气相色谱仪直接测出气相中的co2、ch4和n2o体积浓度。

11、其特征在于：如图2所示，搅拌口下方设有液封槽，在液封槽中注满水，防止气体从搅拌口处逸出。

12、其特征在于：如图3所示，反应器密封盖和连续流水处理反应器之间用密封胶贴合，防止气体从缝隙逸出。

13、通过微电极系统直接测出液相中的n2o浓度。经过干燥后的气体收集到气体采样袋后通过气相色谱仪直接测出气相中的co2、ch4和n2o体积浓度。体积浓度换算成质量浓度的公式如下：

14、

15、式中，m为co2、ch4和n2o的分子质量；cv为体积浓度，ppm；pa为测定时的气压，kpa；t为测定时的温度，℃

16、本发明具有以下优势：

17、(1)aoa工艺技术能够在厌氧区对内碳源充分贮存，减少好氧区ch4的排放；在好氧区对溶解氧的精确调控能够大幅度减少曝气能耗，减少co2排放；后置缺氧区内源反硝化能够将溶解态的n2o完全去除；

18、(2)既能将连续流aoa反应器中产生的气体按功能区分别收集，也能够全部收集；

19、(3)能够在线监测连续流各功能区中的液相n2o产生情况；

20、(4)反应器密封盖能够保证非曝气区更好的厌氧环境，使得厌氧微生物能更好地发挥作用；

21、(5)本发明收集的气体不仅能够用于co2、ch4和n2o分析，也可以用于分析反应器中产生的其它气体，如h2s等；

22、(6)结合厌氧氨氧化技术，减少对外部碳源的依赖，提高脱氮效率的同时，减少反硝化过程中温室气体的排放。