好氧处理的CO2产率及排放特性.docx
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好氧处理的CO2产率及排放特性
《环境生物工程》论文
好氧处理的CO2产率及排放特性
姓名：
杨亚飞
学号：
21418075
摘要
本论文主要总结前人关于“好氧处理的CO2产率及排放特性研究”的研究现状，重点介绍了以往研究的思路、方法，突出了有机碳转化为CO2机以COD记的CO2产率、CO2的排放过程及CO2的利用。
通过查阅文献发现以往研究的不足之处，结合相关文献给出了自己的改进方法，并且给出了自己的实验思路设计。
关键词：
CO2；产率；排放；利用；污水处理厂
Abstract
Inthisthesis,previousstudiesonthestatusof"CO2yieldandemissioncharacteristicsofaerobictreatmentresearch",focusingontheideas,methodsofpreviousstudies,highlightingtheorganiccarbonintoCO2machinetoyieldCO2CODmind,CO2emissionsfromtheprocessandtheuseofCO2.Deficienciesfoundbypreviousresearchliterature,relatedliteraturegiveshisimprovedmethod,andgiveshisownexperimentaldesignideas.
Keywords:
CO2;yield;emissions;use;sewagetreatmentplant
目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1背景1
1.2我国污水处理厂现状简介1
1.3污水处理系统CO2排放研究的意义2
1.4有机碳转化为CO2机理2
2好氧处理CO2产率及排放特性研究现状3
2.1污水处理厂好氧处理实验3
2.1.1采样与分析3
2.1.2CO2的产率及排放特性5
2.2人工模拟好氧处理实验6
2.2.1不同HRT条件下A/A/O系统处理污水过程中CO2的释放研究7
2.2.2不同C/N条件下A/A/O系统处理污水过程中CO2的释放研究8
3CO2的利用[16]9
3.1CO2的回收方法9
3.2CO2的利用途径10
3.2.1物理方法10
3.2.2生化法10
3.2.3化学法10
4以往研究的不足与改进10
4.1不足10
4.2改进10
4.3改进后的实验思路11
参考文献13
1绪论
1.1背景
随着人们环境意识的加强和对环境质量要求的提高，减缓以CO2为主的温室气体排放所引起的全球气候变化问题越来越为国际社会所瞩目。
温室效应的发生主要是由于化石燃料、树木等的燃烧排放出的CO2、CH4等温室气体，这些温室气体允许进入地球大气层的短波太阳辐射通过，而对从地球反射回去的长波红外线辐射有很好的吸收性，从而引起大气温度的升高[1]。
全球变暖给世界各国带来了严重的灾难，造成了洪涝、干旱等自然灾害发生密度的增加、极地地区冰川的融化、全球海平面上升、罕见疾病的出现、稀有物种的消失、极端天气现象频现甚至产生了战争和冲突等严重后果[2]。
温室气体排放量的增加是产生温室效应的根本原因。
温室效应问题己引起了世界各国的高度关注。
发展低碳经济正在得到越来越多国家的认同，同时也促成了包括《京都议定书》、《联合国气候变化框架公约》和《世界气候大会》等在内的针对温室气体减排的国际合作。
各国都在根据各自情况制定行动框架，制定了如碳排放交易、碳补偿、清洁发展机制等温室气体的减排计划，并各自设立了温室气体减排的目标。
1.2我国污水处理厂现状简介
污水处理厂数量的迅速增加，同时伴随着温室气体排放量的迅猛增长。
为实现我国
“十二五"期间的节能减排的目标，2012年4月19日国务院印发了《“十二五"全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》，该规划明确提出了污水处理事业发展目标，即要求到2015年，我国的污水处理率要达到85％[3]。
因此，对污水处理系统进行合理的温室气体排放评价，并提出可行的节能减排措施，将有利于减缓全球气候变暖。
我国污水处理厂发展迅速，但仍然存在着很多问题：
1．资金不足。
虽然目前我国的污水处理事业发展迅速，污水处理厂的数量和处理能力都得到了很大提高，但因我国经济发展水平在地理位置上分布不均，存在着东部地区经济发展快，污水处理率高，中西部地区经济发展慢，污水处理率低的情况，很多地区存在着建得起厂却运行不起的尴尬局面。
2．监督管理制度不健全。
一些城镇的中小型污水处理厂在实际运行中没有完全按照国家的出水指标检测出水水质，这导致了其统计数据的不准确性，并不能反映污水厂的实际运行情况，不能保证所处理的污水能达标排放，不利于污水处理事业的管理和发展。
3．中水回用率低。
发达国家的中水回用技术发展早且技术比较成熟，1962年，日本就开始了中水回用，1991年进行了“造水计划"，并建立了很多“水再生工厂"。
以色列的中水回用率排在世界前列，46％的中水用于灌溉。
与其相比，我国因为经济发展水平较低、老城区较多、管网多为合流制等原因，中水回用率较低[4][5]。
4．污泥处置利用水平低。
我国污泥处理设施基本健全，但一些污水处理厂为降低成本，只将污泥进行简单处理后便外运或堆放。
如此～来，不仅造成了能源的浪费，未妥善处理的污泥还会产生大量的温室气体，加重温室效应。
目前国外大多将污泥进行了填埋或土地利用，而且用污泥制作建筑材料、燃烧污泥发电等技术也在迅速发展中。
1.3污水处理系统CO2排放研究的意义
在全球变暖趋势逐渐加快的前提下，提出世界各行业进行温室气体的减排己十分迫切。
污水处理厂被公认为是温室气体排放大户的行业之一[6]。
近年来，我国的污水处理事业发展迅速，污水处理厂数量和污水处理量大幅增加，这势必造成了温室气体的大量排放。
而现在人们对生活水平、环境质量的要求逐步提高，进一步导致了污水处理量的增加。
如不尽快找到解决办法，污水处理行业将成为全社会经济快速发展的制约因素。
目前对污水处理厂温室气体排放的研究多处于宏观层面，且有一定的研究成果，微观研究则处于刚刚起步的阶段[7][8][9]，尤其是对污水处理厂温室气体排放量化评价指标及其体系的建立、对节能减排技术问题的分析和研究，例如，对于污水处理系统而言，在对其进行减排工作时，尚存在一些技术问题：
（1）缺乏温室气体排放量化及其评价体系，使对温室气体的减排潜力进行定量评估时有一定难度；
（2）对于污水处理厂温室气体排放的形成过程缺乏一些基础数据，使得目前其排放指标只是基于人均排放量的粗略计算；
污水处理系统温室气体的减排研究从经济方面看，减少了污水处理厂的运行成本，
经济效益更明显；从社会角度看，跟上了全球温室气体减排的步伐，有利于减缓全球气候变暖的趋势；从环境角度看，减少了温室气体的排放即减少了大气污染，使我们的环境质量得到了进一步提高。
因此，温室气体的减排具有很好的经济、社会和环境效益。
本课题的研究估算出温室气体的排放量，并提出合理可行的减排措施，对减缓温室效应、保护我们的生态环境等具有重要意义。
1.4有机碳转化为CO2机理
好氧生物处理过程主要是将废水中的可生物降解的有机碳进行转化。
污水混合液中的污泥絮体中的微生物通过多种途径将小分子的有机污染物摄入体内，在胞内酶的作用下对有机物进行分解代谢和合成代谢（代谢过程如图1-1所示）。
需要指出的是合成代谢和分解代谢都可以去除有机污染物，其中分解代谢主要生成CO2和H20，并提供微生物生命活动所需要的能量。
而合成代谢主要生成新的原生质体，促进活性污泥或者生物膜的生长。
在污水生物处理中微生物主要以活性污泥和生物膜的形式存在[10]。
同时，合成代谢过程中的内源呼吸过程也将一部分细胞质氧化分解，排放出CO2和H20等气体。
图1.1微生物利用有机物的过程
2好氧处理CO2产率及排放特性研究现状
目前，好氧处理的CO2产率及排放特性研究主要集中在两个方面：
①以现实的污水处理厂为研究对象，研究现实污水处理厂好氧处理工艺的CO2产率及排放特性；②人工模拟的污水好氧处理工艺的CO2产率及排放特性研究。
总之都集中在A2O工艺的CO2产率及排放特性研究上。
2.1污水处理厂好氧处理实验
为了考察现实中污水处理厂的好氧设施CO2的产率及其排放特性，XuYan[11]等设计了如下的实验：
本实验考察了氧化沟、A2O工艺、倒置A2O工艺3中典型的水处理工艺的CO2的产率及其排放特性，并通过实地采集与实验分析完成实验。
这3个处理厂的污水处理情况见表2.1
表2.1三种工艺的污水处理参数
氧化沟
倒置A2O
A2O
处理量（×104m3/d）
7
23
23
污水源
居民、工业
居民
居民
HRT（h）
10
15
15
SRT（d）
12
8
14
污泥回流比（%）
混合液回流比（%）
100
0
100
0
100
300
2.1.1采样与分析
（一）污水液面的气体样品采集
对非曝气污水液面的气体样品采集使用不锈钢材质漂浮型气体通量罩（该塑料材质圆柱状穹顶气体通量罩，通量罩内安装有电子温度计以实时测量通量罩内气体的温度，通量罩凭借密闭环绕的漂浮物（特制加厚汽车轮胎内胎）飘浮于水面，通过通量罩上安装的4条不锈钢锁链人为将其固定于水面的采样位置，尽量减小水面波动导致的通量罩晃动。
气体采样时将通量罩固定于构筑物池体岸边约1米处的水面上，或者在有桥跨（横跨构筑物池体的钢质空中走廊）的构筑物将通量罩固定放置于桥跨下的水面上。
间隔固定时间（每2分钟采集一次，共采集6次）用采样泵从通量罩中抽出气体样品保存至气体采样袋（O．5L、1．0L规格）中带回实验室进行CO2的气体浓度测定，气样采集后在48h内进行测试。
在对晒泥场进行气体通量采样时可将通量罩（卸下漂浮物）直接水平放置在污泥表面，并使通量罩的下边缘插入污泥表面下深度约5cm处以保证气体采样的密闭效果。
对于非曝气污水液面（包括污泥表面），CO2气体的释放通量计算公式如下：
Flux=（V／A）P（dc／dt）
在公式中，V代表通量罩中密闭气体的体积（30L），A代表通量罩密闭的水面面积或污泥表面面积（0．13m2），P是CO2气体在电子温度计所测温度下的气体密度，dc／dt是在同一采样点不同时刻采集的气样测得的CO2浓度的增加速率（对不同时刻测得的CO2气体浓度进行线性拟合求斜率得到）。
CO2的气体释放通量单位根据时间尺度的不同可用mgm-2d-1或mgm-2h-1表示。
对于非曝气污水液面（包括污泥表面），CO2气体的释放通量计算公式如下：
对曝气污水液面的气体样品采集使用大容量的气体采样袋进行（10L到40L规格不等）。
将气体采样袋固定于环形或矩形的塑料材质或木质支架上，采样前先将气袋排空，然后将支架浸入污水液面下5cm处，污水液面曝气释放出的气体进入气袋后会逐渐将气袋充满，然后从气袋中抽取气体样品测定CO2的气体浓度，同时在现场用电子温度计测试并记录采样点液面上的气温[12]。
在采集污泥螺旋输送器出口处的气体通量样品时可将气袋直接固定在出口处采集，在测出气袋收集气体的CO2浓度后可以计算CO2的气体释放通量。
对曝气污水液面（包括污泥螺旋输送器出口）CO2的气体释放通量计算公式如下：
/A
公式中，p是CO2在采样点所测温度的气体密度，c是气体样品中测定的CO2浓度，Q是气体流量（样品袋内气体体积／采样耗费的时间），A是气袋支架密闭的污水液面面积（或污泥螺旋输送器出口处密闭的截面积）。
（二）溶解态气体样品的采集
为了研究不同处理构筑物中CO2气体的释放通量变化原因，需要测定污水中溶解态的CO2气体浓度，在采集气体通量样品的同时对污水中溶解态气体样品进行了采集，采用的上部空间法[13]。
在污水处理厂先用取样器取污水样品，静置沉降再经过滤后取30mL上清液于玻璃瓶中，立即加入lmL浓度为3000mg／L的HgCl2浓缩液抑制污水中微生物的活性，然后用高纯氮气对样品瓶中污水液面上部空间进行吹扫以排净空气，再用密闭性好的橡胶塞塞紧后带回实验室，在测试前先用摇床恒温振荡lh，然后抽取玻璃瓶上部空间气体，用气相色谱仪测定气体中CO2的浓度。
根据下式计算可得污水中溶解态CO2气体的浓度：
CO2，dis=（K0+β/22.4）*WCO2，disMCO2P/（R*T）
式中：
CO2，dis是单位体积水样中溶解的CO2浓度（阻以）；
K0是CO2的奥斯托瓦尔德溶解度系数（Ostwaldcoefficient）;
β是取样瓶上部空间体积和水样体积的比值；
WCO2是CO2在上部空间的浓度。
（三）CO2的浓度的测定
CO2的浓度是使用有热导检测器的气相色谱测定，COD、BOD等根据标准方法进行分析（CEPB，2004）。
2.1.2CO2的产率及排放特性
实验期间，测得COD去除率均达到90%以上，效果良好。
可知，虽然3种工艺的处理过程不一样，但CO2排放通量却相似，最高的CO2排放通量都发生在这些过程的好氧区域。
在氧化沟的外部，中间和内部渠道平均CO2排放通量分别为18.0、24.2和39.5g/（m2·hr）。
在倒置A2O和A2O工艺的好氧区中平均CO2排放通量分别是42.5、68.2g/（m2·hr）。
因为该二沉池的CO2排放通量小于0.4g/（m2·hr），可以忽略不计，。
在倒置A2O和A2O工艺的缺氧和厌氧区几乎不生成CO2每个单元的CO2排放通量有季节差异。
三个污水处理工艺的CO2排放因子的范围总结于表2.2中。
表2.2三种处理工艺的排放因子
氧化沟
倒置A2O
A2O
CO2产率（gCO2/kgCODremoved）
146.2-377.5
160.6-294.4
216.2-496.0
CO2产率（gCO2/m3污水）
59.3-112.2
51.8-116.0
79.6-240
基于污水处理流程中污染物的去除率，A2O工艺提出了最高的CO2排放因子，可以达到319.3gCO2/kgCODremoved。
2.2人工模拟好氧处理实验
为了研究好氧处理的CO2产率及排放特性，任延[14]设计了人工模拟的A/A/O污水处理系统。
本试验装置材料是有机玻璃，由合建式厌氧一缺氧一好氧反应器和二沉池构成。
合建式反应器有效容积为48L，分为四个格室，每格长20cm，宽20cm，有效水深30cm，在传统条件下运行，第一个格室是厌氧池，第二个是缺氧池，剩下的两个是好氧池，使厌氧/缺氧/好氧容积比为1:
1:
2。
本试验原水采用济南市某大型污水处理厂的曝气沉砂池出水。
污水水质如下表2.3：
表2.3污水水质
C02的采集和测定方法:
反应器各处理单元格单独密闭，好氧池在出口处采用便携式气体采样泵采集系统上部空间气体于采样袋中。
气体采集开始和结束时，分别取污泥混合液测定混合液中溶解的C02。
采用配有转化炉一氢火焰检测器（FID）的气相色谱仪测定收集气体中的C02浓度。
色谱柱为GDX502填充柱，色谱条件为:
转化炉温度为3750℃，检测器温度为2000℃，柱温为400℃。
所有气体样品均测定3次取平均值。
根据下列公式，计算好氧池中CO2的释放速率，
W=Q·Wair·M·P/（R.T·V1·MLSS）..
其中:
W－反应阶段C02的释放速率（g·min-1g·MLSS-1）；
Q－单位时间内的气体流量（L/min）;
Wair－气相色谱测得的CO2浓度（v/v）;
M－CO2的摩尔质量（44g/mol）;
P－大气压强（（1atrm）;
R－气体常数（00.082L*atm*K-1mol-1）;
T－气体温度（K）;
V1－反应器中混合液的体积（L）;
MLSS－悬浮污泥浓度（g/I.）。
溶解态C02的采集和测定同2.1。
2.2.1不同HRT条件下A/A/O系统处理污水过程中CO2的释放研究
由实验知，当污水进入好氧池后，CO2的释放速率迅速升高。
这一方面是因为厌氧池和缺氧池中生成的C02进入好氧池后由于曝气的吹脱作用迅速从水中逸出;另一方面是由于某些异养微生物在好氧条件下的内源呼吸作用大量生成CO2，如聚磷菌在好氧条件下会分解体内贮存的PHB获得能量摄磷，而释放出C02。
由图3-3a还可以发现，当HR'I，由12h缩短到9.6h时，好氧池中的CO2释放速率明显降低。
这可能是因为:
好氧池中存在大量的硝化细菌，这类细菌属于自养微生物，以CO2为唯一碳源。
随着HRT的缩短，进水NH4+-N不断增加，促使硝化细菌生长和代谢活性不断增强，CO2的消耗量增加。
在HRT为9.6h时，自养菌对CO2的消耗量大于异养菌的CO2生成量，致使C02释放速率降低。
在不同的HRT条件下，系统中CO2的释放速率和溶解态CO2浓度并不呈现出相似的变化规律。
例如，HRT为16h时，系统中具有最高的溶解态CO2浓度，但系统中最高的CO2释放速率出现在HRT为12h时。
这表明不同的HRT条件下，影响系统中C02释放的主要因素不同。
这些因素包括:
1）随着HRT的变化，不同的进水流量造成的进水携带入系统中的CO2含量不同;2）由于CO2在水中溶解度较大，随着HRT的变化，进水流量的不同引起的水流搅动强度不同也会影响污水中CO2的释放。
F.Y.Cakir[15]等对通过对大型污水处理厂污水处理过程中温室气体的释放规律研究发现，水流搅动是影响污水中温室气体释放的重要因素;3）进入系统中的NH4十一N的负荷会随HRT的变化而明显改变，这可引起硝化细菌消耗C02速率不同;4）在厌氧条件下，部分产甲烷菌会利用H2和CO2生成CH4，而HRT的长短会显著影响有机物厌氧消化程度，使C02生成量发生变化。
表2.4列出了不同HRT条件下A/A/O系统不同处理单元单位时间内（24h）的CO2的生成量变化，可以看出HRT>12h的情况下，系统中每天生成的C02总量中好氧池的贡献率最大，达到83.65%。
表2.4不同HRT下CO2生成量及转化率
CO2-C转化率=（每天CO2-C生成量）/（每天TOC去除量）*100
2.2.2不同C/N条件下A/A/O系统处理污水过程中CO2的释放研究
由实验得出，分别维持进水碳负荷和氮负荷不变的情况下，在（C/N=3.71）和C1NP（C/N=3.48）的条件下，系统中厌氧池的CO2释放速率低于缺氧池的CO2释放速率，而在C/N>7.10和C/N>7.49的条件下，系统中厌氧池的CO2释放速率大于缺氧池的CO2释放速率，但表2.5显示出在不同C/N条件下单位时间内厌氧池的CO2生成量小于缺氧池的CO2生成量，这可能是因为不同的C/N比条件下，影响厌氧池中CO2释放速率的主要因素不同引起的。
（1）污水输送管道的密闭环境有利于有机物的厌氧分解，促使CO2的生成，由于CO2在水中溶解度较大，生成的CO2大部分溶解在污水中，随系统进水进入厌氧池，由于厌氧池的机械搅拌作用这部分溶解态的C02释放出来。
所以不同的进水C/N条件下，进水中溶解态C02浓度的不同对厌氧池中的CO2释放速率产生影响。
（2）不同C/N比条件下，厌氧池中异养微生物的呼吸作用强度和发酵性细菌对有机物的厌氧分解作用程度的变化引起的单位时间内CO2生成量不同也影响其CO2释放速率。
还可以看出，不同C/N比条件下好氧池的CO2释放速率都高于厌氧池和缺氧池的C02释放速率。
影响好氧池中C02释放速率的主要因素包括:
（1）缺氧池中生成的CO2随水流进入好氧池后在机械搅拌和曝气引起的水流湍动作用下大部分别吹脱释放出来，所以进入好氧池中溶解态C02浓度的高低影响着其CO2释放速率;
（2）好氧池中一些异养微生物如反硝化细菌、聚磷菌的内源呼吸作用会生成大量的C02，但好氧池中的自养微生物硝化细菌利用CO2作为碳源会消耗好氧池中相当量的CO2，所以好氧池中单位时间内CO2总生成量对其CO2释放速率产生影响。
表2.5所示维持系统进水氮负荷不变的情况下，在C1NP（C/N=3.48）的处理条件时，单位时间内好氧池的CO2生成量却低于缺氧池中单位时间内CO2的生成量，这表明进入好氧池中溶解态CO2浓度的高低对其CO2释放速率的影响占主要地位。
表2.5不同C/N下CO2生成量及转化率
3CO2的利用[16]
3.1CO2的回收方法
1）溶剂吸收法
该法包括物理吸收法和化学吸收法，物理法是利用CO2在某些溶剂中溶解度大，在加压时吸收。
减压时释放，如加压水洗法，低温或常温甲醇洗法都是常用的CO2回收法。
该法投资少，但效率过低。
化学法是利用碱性溶液吸收CO2，并在加热、减压条件下生成物进行分解生成CO2。
2）低温蒸馏法
该法适用于CO2浓度在60%（V）以上的高浓度的混合气体，但成本高、效果差，不适用。
3）变压吸附法
该法利用吸附剂对不同气体吸附量、吸附速率、吸附力的差异，吸附容量随压力变化而变化的特性在加压下完成混合气体吸附与分离过程，二在降压下完成吸附剂的再生过程，采用多塔循环操作，从而实现气体分离和连续操作之目的CO2。
4）膜分离法
膜分离工艺装备简单、寿命长、操作简单，是近几年发展起来的技术先进、能耗低、效果好、经济合理，但很难得到高浓度的CO2。
5）组合分离法
根据前述4种方法可以扬长避短,两种方法进行组合,以达到最佳的效果。
3.2CO2的利用途径
3.2.1物理方法
（一）气体、液体及固体CO2直接利用
气体CO2应用成熟的涂经为：
用于焊接保护气，具有高效率、低成本的焊接方法。
CO2液态及干冰应用途径最广，利用途径有：
做烟丝膨胀剂，可提高烟丝质量，用作饮料添加剂，尤其适用于契税、啤酒、可乐，干冰制冷，用作运输储存。
（二）超临界CO2应用
视频工业采用超临界CO2萃取工艺，制作某些食品已在国内外广泛应用，例如利用CO2超临界从咖啡豆中萃取咖啡因，从烟叶中萃取尼古丁等。
具有工艺简单、选择性好等特点。
超临界CO2技术应用于星系系统，可清洗洗去李静为0.05μm的污物。
3.2.2生化法
利用CO2覆盖植物，提高光和效率、使作物早熟、产量提高、品质改良，特别是在作物大棚中应用效果更好。
以CO2为底气，混合环氧乙烷，用于医疗器械物品、皮毛、食品等消毒灭菌。
3.2.3化学法
以CO2为材料制作无机化工用品，主要有轻质CaCO3、NaCO3、K2CO3等基本化工原料，广泛用于冶金、化工等行业。
以CO2为材料还可制取一些有机化工产品，主要有尿素、甲醇、碳酸丙烯酯等。
以CO2为材料与一些有机化合物共聚、缩合在催化剂的作用下进行反应，生成聚碳酸酯、聚脲等。
4以往研究的不足与改进
4.1不足
根据查阅的相关文献可知，相关课题的研究主要有以下不足：
a）以往关于CO2产率及排放特性的研究主要集中在A2O污水处理工艺上，但A2O工艺只是污水好氧处理工艺的主要工艺，不能代表全部的好氧处理工艺。
b）以往关于CO2产率及排放特性的研究主要集中在以观测为基础的宏观研究中，淡化了微生物的群落结构等微观研究。
c）太过于集中强调CO2总产量，忽视了同一单元不同区域如沿程水流的CO2产率。
4.2改进
针对以上研究的不足，提出以下该机方法：
A.研究更多的现在广泛应用的好氧处理工
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