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一氧化二氮原位測(cè)量?jī)x（氧化亞氮污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）

氧化亞氮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量污水池或濕地中溶解的氧化亞氮的濃度。系統(tǒng)包含：氧化亞氮電極、水下原位放大器、信號(hào)接收器、軟件。需要接電腦進(jìn)行校正和讀數(shù)。

N2O原位測(cè)量系統(tǒng)
——測(cè)量土壤孔隙水、污水生物處理工藝過程中產(chǎn)生的溶解性N2O ?

Unisense污水中N2O原位測(cè)量系統(tǒng)

????? ? 丹麥Unisense環(huán)境公司的污水中N2O原位測(cè)量系統(tǒng)是世界上唯一能測(cè)量水體中溶解態(tài)N2O的傳感系統(tǒng)，傳感器能夠連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)7天（24小時(shí)/天）地用于原位在線測(cè)量污水池中N2O的動(dòng)力學(xué)，對(duì)污水池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和排放控制。近年來主要通過測(cè)量廢氣來實(shí)現(xiàn)污染監(jiān)測(cè)，但是這種方法成本高、復(fù)雜，使用具有很大的局限性。Unisense環(huán)境公司新型的污水N2O電極適用于污水處理領(lǐng)域。含有內(nèi)置溫度傳感器的不銹鋼套管使其具備了良好的防水特性，能獲得更標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)。

????? ? 污水廠的中央控制系統(tǒng)為電極供電并將電極信號(hào)傳輸至SCADA系統(tǒng)，這種實(shí)時(shí)的N2O輸出數(shù)據(jù)滿足了新的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)要求。其優(yōu)點(diǎn)非常明顯：

成本低：與傳統(tǒng)的廢氣測(cè)量設(shè)備相比，能夠節(jié)約80%的成本
壽命長(zhǎng)：在24小時(shí)/7天連續(xù)工作條件下，電極的使用壽命不低于4個(gè)月
響應(yīng)快：響應(yīng)時(shí)間小于1分鐘
整合性強(qiáng)：能夠集成到SCADA系統(tǒng)中進(jìn)行連續(xù)測(cè)量
獨(dú)立性強(qiáng)：在脫氮過程中測(cè)量不需要?dú)饬?/li>

測(cè)量污水池中的N2O，如大型污水處理廠和小型試驗(yàn)廠
埋在土壤或濕地沉積物中測(cè)量
利用控制器盒驅(qū)動(dòng)和極化電極
輸出信號(hào)4-20mA
軟件自動(dòng)記錄輸出信號(hào)
標(biāo)準(zhǔn)電纜長(zhǎng)5米，可定做長(zhǎng)度

一、污水中N2O原位測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1、污水中溶解態(tài)N2O原位測(cè)量方法：與氣候變化做斗爭(zhēng)

????? ? 將目前的污水生物處理工藝與污水中N2O原位測(cè)量系統(tǒng)相結(jié)合，提供了一個(gè)從污水處理過程中減少溫室氣體（GHG）排放總量的機(jī)會(huì)和潛力。
在污水處理廠努力將總碳排放量最低化、與氣候變化做斗爭(zhēng)的過程中，污水中N2O原位測(cè)量系統(tǒng)是非常有價(jià)值的工具。

2、操作

????? ? 傳感器直接置于活性污泥中，測(cè)量硝化和反硝化過程中N2O的產(chǎn)生。傳感器的防水壓鑄鋁盒既能直接懸掛在水中，隨著水流而自由流動(dòng)；又能固定在適當(dāng)?shù)奈恢?。傳感器?nèi)置一個(gè)溫度電極用于數(shù)據(jù)的后校正。

傳感器的玻璃質(zhì)頂端通過水流所產(chǎn)生的摩擦力來保持清潔。??? ?
傳感器的信號(hào)通過4-20 mA信號(hào)從控制箱傳輸?shù)娇删幊绦蚩刂破鳌?/li>
裝上傳感器后，需要按照標(biāo)準(zhǔn)步驟、用N2O校正器進(jìn)行2點(diǎn)校正。?

3、傳感器的更換

傳感器由兩個(gè)部分所組成：傳感器的頭部和傳感器的主體。?????????????????????????????? ?
更換傳感器時(shí)，只需要更換傳感器頭部中的微電極即可。更換和再校正的操作說明將會(huì)隨機(jī)附帶。

二、N2O科學(xué)技術(shù)

1、N2O科學(xué)

????? ? 一氧化二氮（N2O）是對(duì)污水進(jìn)行生物處理的產(chǎn)物，污水處理廠（WWTP）每天都會(huì)產(chǎn)生。
N2O形成的程度是復(fù)雜的，取決于多重影響因子?？傮w來說，計(jì)算N2O的排放及其對(duì)氣候影響的最好方法就是測(cè)量N2O！
N2O是污水處理期間硝化和反硝化過程的產(chǎn)物。有氧和厭氧廢水反應(yīng)器能夠產(chǎn)生N2O，但是正常情況下只有充氣的有氧反應(yīng)器才釋放N2O，因?yàn)槠貧饽軌虬袾2O從液體中帶走到空氣中。然而，在厭氧情況下形成的N2O能夠被水流帶到曝氣區(qū)域并被吹走，因此很多不同的設(shè)備組成能夠?qū)е翹2O的排放。

一氧化二氮形成的主要過程和影響因素如下：

概述圖來自于全球水研究聯(lián)盟的科學(xué)報(bào)告：N2O和CH4排放于污水收集和處理系統(tǒng)。

2、N2O技術(shù)：污水中N2O原位測(cè)量系統(tǒng)是全球唯一能測(cè)量溶解態(tài)N2O的傳感器

????? ? 近年來廢氣測(cè)量技術(shù)是唯一能測(cè)量N2O的技術(shù)，但是這種方法昂貴、高度復(fù)雜難懂、而且容易損壞，所以應(yīng)用很有限。

N2O污水傳感器為電化學(xué)（clark型）傳感器，測(cè)量一氧化二氮還原所產(chǎn)生的電流。這種傳感器技術(shù)由丹麥Unisense公司研究開發(fā)，已經(jīng)過長(zhǎng)期的應(yīng)用驗(yàn)證。
牢固的N2O污水傳感器與溫度傳感器一起內(nèi)置在40mm不銹鋼外殼內(nèi)。
N2O傳感器的工作范圍為0～1.5 N-mg/L N2O（等于0～50 μM）。
檢測(cè)限低于0.1 μM。
傳感器的響應(yīng)時(shí)間≤45秒，使得直接檢測(cè)和廢氣排放控制的獨(dú)特可能性得以實(shí)現(xiàn)。
N2O污水廠控制器設(shè)計(jì)成壓鑄鋁外殼。
多孔使得利用螺絲或U形支架安裝比較容易。
有N2O和溫度的輸出界面。

N2O污水廠控制器		N2O污水專用電極
控制器	TFT觸摸屏控制器，含USB數(shù)據(jù)記錄裝置	尺寸	堅(jiān)穩(wěn)設(shè)計(jì)，44 mm鋁合金外殼（6063-T6），和黑色的聚甲醛乙酰共聚物
盒子尺寸	301.5×283.2×120.5mm? ? 3.2kg	響應(yīng)時(shí)間	<45s
外殼	表面貼裝塑料（ABC）IP67	內(nèi)置溫度微電極	是，N2O信號(hào)溫度補(bǔ)償
固定方式	預(yù)留多孔用于表面安裝或管道安裝――固定板和遮篷可供	檢測(cè)限	0.005 N-mg/L N2O
電纜墊圈	氯丁橡膠圓形密封	工作范圍	0-1.5 N-mg/L N2O (0-50 mM和0-300 mM可選)
電極輸入	2根N2O污水專用電極和內(nèi)置溫度電極	校正	兩點(diǎn)校正，1次/2月
其他輸入	1個(gè)模擬(0..20或4..20 mA)和3個(gè)二進(jìn)制輸入	保證使用壽命	4個(gè)月
電極輸出	N-mg/L N2O，溫度和N2O排放速度	預(yù)期使用壽命	大于6個(gè)月
?其他輸出	7個(gè)模擬(0..20或4..20 mA)和3個(gè)二進(jìn)制輸出 (2個(gè)NO繼電器、1個(gè)開關(guān))、PROFIBUS-DP、(ModBus可選)、USB數(shù)據(jù)記錄可選	?N2O傳感器頭	可替換
用電安全	按照EN 61010，第一部分，過電壓分類III，凈化等級(jí)2	電纜長(zhǎng)度	標(biāo)配5米（長(zhǎng)至100米可選）
?電源	交流電AC 110～240 V，+10 /-15 %；48～63 Hz	?已知相關(guān)干擾	無
	?		?

三、N2O對(duì)氣候的影響

????? ? N2O是一種被大大忽視的溫室效應(yīng)氣體，其全球升溫潛能值為CO2的320倍，N2O與臭氧起反應(yīng)而導(dǎo)致臭氧層空洞。
環(huán)球水源研究聯(lián)盟發(fā)布的近期研究聲明：污水處理廠（WWTP）在某些工藝參數(shù)和條件下排放出大量的N2O氣體。荷蘭、法國(guó)、美國(guó)和澳大利亞的研究已經(jīng)表明：對(duì)于某些污水處理廠而言，N2O氣體排放占總碳排放量的90％。
傳統(tǒng)上，污水處理廠的N2O氣體排放量通過利用政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）排放系數(shù)3.2 g N2O/PE/年來進(jìn)行估算，因?yàn)橹苯颖O(jiān)測(cè)排放時(shí)過程復(fù)雜、費(fèi)用高昂。

????? ? 研究建議：在普通項(xiàng)，這種排放系數(shù)很可能被低估10倍。主流科學(xué)家建議：考慮到排放的變化比較大，在不同的污水處理廠間使用這種排放系數(shù)是不恰當(dāng)?shù)?。因此?strong>推薦進(jìn)行在線測(cè)量。

四、N2O排放的監(jiān)測(cè)實(shí)例（丹麥腓特烈港市自來水公司）

????? ? 位于丹麥腓特烈港市的市政Forsyningen自來水公司一直專注于實(shí)施一種方法，能在城市污水處理廠眾多不同的污水處理過程中更好地估計(jì)和量化溫室氣體排放量。
該公司同時(shí)運(yùn)行再循環(huán)和生物膜污水處理過程。由于排放關(guān)鍵數(shù)字不確定性的增加，該公司聯(lián)系Unisense環(huán)境公司，以幫助測(cè)定實(shí)際的N2O碳排放量。采取這項(xiàng)新舉措后，首次檢測(cè)了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)再循環(huán)過程的N2O排放量。

?腓特烈港市污水處理廠

?聚乙烯管

?130,000（分成兩股支流）

?流入量

?300 m3/h

?厭氧水槽的體積

?1195 m3

?曝氣水槽的體積

?2290 m3

?化學(xué)需氧量（COD）、總凱氏氮（TKN）、總蛋白（TP）

?2800噸/年、240噸/年、40噸/年

????? ? 為了節(jié)省能源和提高除氮能力，在好氧區(qū)域采用間歇曝氣操作，進(jìn)行曝氣區(qū)域的反硝化作用，反硝化作用取決于池中的銨濃度。Unisense環(huán)境公司安裝了兩個(gè)污水中N2O原位測(cè)量系統(tǒng)：一個(gè)置于缺氧水槽中，另一個(gè)置于有氧水槽中。為了便于理解N2O的形成，N2O傳感器數(shù)據(jù)通過SCADA系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)集成來記錄所有其他工廠的數(shù)據(jù)。

????? ? 進(jìn)行快速的兩點(diǎn)校正后，傳感器即可用于監(jiān)測(cè)N2O濃度。14天的測(cè)量周期后，從SCADA系統(tǒng)中提取完整的數(shù)據(jù)系列，發(fā)送到Unisense環(huán)境公司用于數(shù)據(jù)分析。使用不同的數(shù)據(jù)管理工具來記錄數(shù)據(jù)的整體相關(guān)性，尤其是N2O的生成量。
從14天測(cè)量周期的數(shù)據(jù)可以很明顯地看出：該周期內(nèi)N2O的排放量變化很大。在此期間的主要排放量與兩個(gè)高負(fù)荷事件相關(guān)：42小時(shí)間的N2O排放量占14天總量的53%。此外，測(cè)量開始時(shí)的低溶氧設(shè)定值導(dǎo)致N2O濃度顯著增加，明顯強(qiáng)化了低氧與N2O形成之間的關(guān)系。在測(cè)量期間，N2O在缺氧水槽中的生成量很低，N2O濃度僅在銨濃度較高的周期內(nèi)增至0.3 N mg/L，并延續(xù)30小時(shí)。在曝氣部分，N2O主要產(chǎn)生于間歇曝氣的缺氧階段，隨后通過曝氣逃逸到大氣中。

????? ? 最后，用同行陪審和驗(yàn)證模型進(jìn)行排放量的計(jì)算來評(píng)估N2O排放量，并且推斷出其二氧化碳當(dāng)量。將得到的結(jié)果與曝氣得到的二氧化碳當(dāng)量進(jìn)行比較，然后提交給自來水公司的管理部門，作為2天咨詢服務(wù)的一部分。測(cè)量周期中總碳排放量計(jì)算為10噸二氧化碳當(dāng)量，其中N2O推算出的二氧化碳當(dāng)量占總排放量的59％。

????? ? 從短期監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析得到一個(gè)簡(jiǎn)短的列表，包括存在的問題和可能的解決方案：

N2O濃度和排放量變化很大。
溶解氧的控制對(duì)于避免N2O產(chǎn)生量和排放量的升高非常重要。
應(yīng)通過調(diào)節(jié)進(jìn)水量來避免短期的高銨鹽負(fù)荷。
提高化學(xué)需氧量（COD）的反硝化作用這一控制策略有可能減少N2O排放量。
使用間歇曝氣策略的能耗優(yōu)化措施必須與N2O監(jiān)測(cè)相結(jié)合，以避免產(chǎn)生過多的N2O排放。

????? ? 采用這種投資較小的Unisense污水中N2O原位測(cè)量系統(tǒng)后，自來水公司切實(shí)了解了其N2O排放的來源和原因，現(xiàn)在能夠采取相關(guān)行動(dòng)以將N2O對(duì)氣候的影響降到最低。

腓特烈港市污水處理廠的標(biāo)準(zhǔn)再循環(huán)設(shè)置

NH4+、NO3- 、O2 和N2O數(shù)據(jù)系列圖（14天測(cè)量周期中的一個(gè)6天區(qū)段），包括低氧設(shè)定值和兩個(gè)高負(fù)荷期中的一個(gè)。

從算得的N2O排放量和用于曝氣的功率（kWh）推導(dǎo)出14天的累計(jì)二氧化碳排放量。所用的二氧化碳當(dāng)量系數(shù)為：296kg CO2/kg N2O和0.418 kg CO2 / kWh。

丹麥Unisense微電極

測(cè)量參數(shù)：	尖端直徑：	測(cè)量方式：	優(yōu)點(diǎn)：	推薦研究領(lǐng)域：
O2	5微米	●直接測(cè)液、氣體	★精度高(10-7-10-9mol/L)	A.水-沉積物界面生物地球化學(xué)過程
pH	10微米	●穿刺測(cè)量	★檢測(cè)下限低(標(biāo)準(zhǔn)0.3μmol/L	B.生物膜、污泥顆粒、包埋菌顆粒、
氧化還原電位	25微米	●靠近樣品測(cè)量	,NO可達(dá)4nmol/L)	固態(tài)發(fā)酵樣品微觀結(jié)構(gòu)和傳質(zhì)機(jī)理
N2O	50微米	擴(kuò)散邊界層	★不破壞被測(cè)點(diǎn)微環(huán)境(反復(fù)	C.根際微環(huán)境
NO	100微米	●微電極尖端包不	穿刺樣品值基本不變)	D.動(dòng)植物組織器官或食品內(nèi)部性質(zhì)
H2S	500微米等	銹鋼外殼監(jiān)測(cè)土壤、	★響應(yīng)快(90%響應(yīng)時(shí)間1-3秒	E.材料腐蝕界面
H2		堆肥或固廢樣品	，最快50毫秒)	F.電池陰陽極界面
溫度	NO3-、NO2-、NH4+、H+、Ca2+、等		★不易受攪拌干擾(普通電極	G.微小液滴
微流速	等unisense公司提供合適尖端外徑（		攪拌停止時(shí)信號(hào)下降30-50%	H.溶液化學(xué)催化快速動(dòng)力學(xué)
擴(kuò)散率	如:生物膜10~15um；大腦皮層3um)		，微電極信號(hào)下降在1%以內(nèi))	I.微電極外包保護(hù)套監(jiān)測(cè)反應(yīng)器或
其他 --->	的微電極胚，測(cè)量前灌Lix和試劑。		★電極壽命1-2年以上	土壤及固廢樣品