污水處理廠氨氣揮發(fā)速率及排放因子研究

污水處理廠氨氣揮發(fā)速率及排放因子研究

氨基氣體是世界上最重要的堿性氣體，在環(huán)境和環(huán)境化學(xué)作用方面發(fā)揮著重要作用。首先，氨氣、so2和納米酸物質(zhì)可用于生成含有（nh4）2硫酸和nh4no3的鹽酸鹽。它們不僅會形成灰煙，還會影響空氣的能見度。通過干燥的沉降，你可以到達(dá)土壤。在微生物作用下，土壤氧化，減少生物多樣性。同時，豐富的氮?dú)馊苣z顆粒（nh4hso4、nh4）、nh4和nh4no3）也將導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)中氮的飽和和富營養(yǎng)化。此外，nh3是工廠、污水處理廠、垃圾填埋場等排放的臭氣成分，對干擾和其他環(huán)境條件有重要影響。氨的人為來源十分廣泛,包括農(nóng)業(yè)源和非農(nóng)業(yè)源.一直以來,國內(nèi)外普遍認(rèn)為畜禽飼養(yǎng)、放牧過程以及氮肥施用等農(nóng)業(yè)活動是氨氣的主要來源,因此農(nóng)業(yè)源得到了大量關(guān)注,并已開展了大量與農(nóng)業(yè)源氨排放因子及排放量估算方面的研究.而對于機(jī)動車、工業(yè)生產(chǎn)、固體廢棄物處置和污水處理等非農(nóng)業(yè)源的氨排放研究較為薄弱,尚缺乏氨排放因子計算的實(shí)測數(shù)據(jù).然而,盡管這些非農(nóng)業(yè)源的氨排放量所占比例低于農(nóng)業(yè)源,但是因其處于人口密集的城市區(qū)域,更容易與高濃度的SO2、NOx等一次污染物反應(yīng)形成二次污染物,對城市空氣質(zhì)量和人群健康帶來嚴(yán)重影響.隨著我國城市化加劇,污水處理廠規(guī)模及數(shù)量不斷增大,污水處理廠的氨氣排放特征開始受到關(guān)注.即使在美國和歐洲,直至上世紀(jì)80年代末污水處理廠的氨排放才被列入氨排放清單.前人的研究指出污水處理廠的氨排放因子范圍為12—100μg·m-3,可見關(guān)于污水處理廠的氨排放量估算存在較大的不確定性.尹沙沙采用《珠三角空氣污染物排放清單編制手冊》的氨排放因子估算出2006年珠三角污水處理的氨排放量達(dá)6400噸,發(fā)現(xiàn)該地區(qū)城市污水處理廠的氨排放量不容忽視.但是我國尚沒有專門針對污水處理廠的氨排放因子研究,現(xiàn)有的大多研究僅引用國外的排放因子來估算污水處理廠氨排放量,并不符合國內(nèi)污水處理廠氨氣的實(shí)際排放情況,所以估算結(jié)果并不準(zhǔn)確.本文選取廣州市目前污水處理規(guī)模最大的城市污水處理廠進(jìn)行研究,采用實(shí)際調(diào)查和模擬實(shí)驗(yàn)等方法研究廣州城市污水處理廠的氨排放因子及來源.1材料和方法1.1儀器和化學(xué)試劑1.1.1玻璃棉質(zhì)管的制備雙薄膜泵大氣采樣器(武漢天虹TH-110B),721可見光-紫外分光光度計,U型多孔玻板吸收管(10mL)、玻璃管、特氟龍管、緩沖管(內(nèi)裝玻璃棉),電子天平,20mm比色皿,50mL比色管,100mL容量瓶,500mL容量瓶,1000mL容量瓶,玻璃棒,5mL移液管,洗耳球.1.1.2化學(xué)試劑的配制分析純的氫氧化鉀KOH、碘化鉀KI、二氯化汞HgCl2和酒石酸鈉鉀KNaC4H6O6·4H2O,氯化銨(NH4Cl,優(yōu)級純,在100℃—105℃干燥2h),屈臣氏蒸餾水作無氨水.化學(xué)試劑的準(zhǔn)備和配制方法參考文獻(xiàn).1.2采樣點(diǎn)和樣品采集為了調(diào)查城市污水處理廠氨氣的來源,本研究選取廣州市獵德污水處理廠進(jìn)行實(shí)際調(diào)查.該污水廠位于廣州市中心區(qū),目前的污水日處理能力為6.4×105m3,居廣州市首位,收集和處理珠江前航道以北的大部分市中心區(qū)的生活污水.在該水廠的格柵、沉砂池、A-B工藝的曝氣池、unitank生化池、污泥濃縮池和脫水機(jī)房等污水處理單元排放口布設(shè)采樣點(diǎn).同時,為扣除大氣環(huán)境本底的影響,在該污水廠的上風(fēng)向約500m處設(shè)置背景點(diǎn).該點(diǎn)受污水處理廠的影響較小,周圍500m半徑范圍內(nèi)沒有大的廢氣排放源.環(huán)境空氣樣品和污染源廢氣樣品進(jìn)行同步采樣,使用采樣流量為1L·min-1的采樣泵及U型多孔玻板吸收管采集污水中排放的氨氣.采樣頻率均為4次·d-1,連續(xù)采集了3d,共采集到84個有效樣品.1.3廢水處理廠氨氣循環(huán)速度測定1.3.1大氣氨濃度的計算以納氏試劑分光光度法作為測定水中氨氮濃度和大氣中氨濃度的方法,獲得污水處理單元對應(yīng)的污水氨氮濃度和液面附近的大氣氨濃度.根據(jù)文獻(xiàn),使用下列公式求算污水的氨揮發(fā)速率:J=1.21KL×([TAN]?[NH3]gas,bulkHN)(1)式中,J是氨的揮發(fā)速率,g·m-2·s-1;KL是總傳質(zhì)系數(shù),m·s-1;[TAN]是水樣中氨氮的質(zhì)量濃度,mgN·L-1;[NH3]gas,bulk是氣相中的氨濃度,gN·m-3;HN是亨利常數(shù).1.3.2氨揮發(fā)速率使用密閉室法測定污水的氨揮發(fā)量.往1000mL玻璃瓶中加入800mL樣品,記下樣品液面的周長,并求其接觸面積.用采樣泵抽氣,流量恒定為1L·min-1,氮?dú)鈴膹澒苓M(jìn)入玻璃瓶,在液面上擴(kuò)散帶著揮發(fā)出來的氨氣沿著第二根彎管進(jìn)入吸收管,氨氣在吸收管中被稀硫酸吸收,再使用納氏試劑分光光度法測定吸收液的吸光度,對比標(biāo)準(zhǔn)曲線求其規(guī)定時間內(nèi)的氨揮發(fā)量(如圖1所示).再根據(jù)下列公式求出污水樣品的氨揮發(fā)速率:J=MNH3×10?6S×T×60(2)式中,J是氨的揮發(fā)速率g·m-2·s-1,MNH3是特定測量時間下氨的揮發(fā)量μg,S是揮發(fā)面積m2,T是采氣時間min.對比兩種方法所得氨揮發(fā)速率,選取合適的一組結(jié)果求平均值獲得污水處理廠氨的平均揮發(fā)速率.1.4單位時間單位開放面積污水的揮發(fā)油量氨排放因子可以理解為單位體積污水在其停留時間內(nèi)向大氣中所排放的氨量,單位表征為:g·m-3.污水的氨揮發(fā)速率即單位時間單位開放面積污水的揮發(fā)量.揮發(fā)量與開放面積相乘為單位時間污水的氨揮發(fā)量,除以水力停留時間(單位時間的停留污水量)求得污水處理廠的氨排放因子,公式為:A=J×SQt(3)式中,A為污水處理廠氨排放因子,g·m-3;Qt為總流量,m3·s-1;J為污水處理廠平均氨揮發(fā)速率,g·m-2·s-1;S為污水處理廠敞開的污水總面積,m2.1.5定量的校準(zhǔn)曲線本研究參考國家標(biāo)準(zhǔn)方法和的規(guī)定嚴(yán)格執(zhí)行.采樣管密封并放置在冰塊中保存,在8h內(nèi)完成樣品分析.空白吸光度值不超過0.030,現(xiàn)場空白樣和平行樣占樣品數(shù)量的20%.定量的校準(zhǔn)曲線的R2為0.9993.2結(jié)果與討論2.1污水中氨氮的廢水來源由圖2看出,在廣州獵德污水處理廠的幾個采樣點(diǎn)中,A-B工藝的曝氣池對應(yīng)的氣相氨濃度最高,其次是unitank生化池,格柵和沉砂池的最低.類似的研究表明沉砂池的氨排放較大,但廣州獵德污水處理廠的沉砂池已經(jīng)加蓋,阻止了氨揮發(fā)進(jìn)入大氣,導(dǎo)致其附近的氣相氨濃度較低.污泥濃縮池和脫水機(jī)房均為室內(nèi)處理單元.室內(nèi)空氣流動性差,氨氣積聚,室內(nèi)氨濃度的增加反而會抑制氨氣從污泥濃縮液中揮發(fā).曝氣池和生化池均為開放的污水處理池.揮發(fā)的氨氣不斷被大氣稀釋,氣/液界面的氨濃度差較穩(wěn)定,使氨得以不斷向大氣揮發(fā).并且,獵德一期A-B工藝建成較早,其A、B兩池均是微孔曝氣池.該工藝主要去除有機(jī)物,而脫氮除磷不是重點(diǎn),污水中的氨氮含量會比較高.若曝氣池的曝氣量不足而處理單元的流量很大,還會造成池內(nèi)的局部厭氧,易導(dǎo)致NH3的產(chǎn)生.二期的unitank(組合交替式生物反應(yīng)池)工藝通過調(diào)節(jié)池內(nèi)缺氧-好氧-厭氧狀態(tài)交替進(jìn)行,使其中的含氮有機(jī)物轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮,在好氧硝化作用下轉(zhuǎn)化為硝酸鹽,再反硝化脫氮.氨氮去除率較高,unitank工藝污水的氨氮量會比A-B工藝的小很多.但由于池面不加蓋,在不曝氣的情況下,池中發(fā)生缺氧厭氧反應(yīng)產(chǎn)生的氨會逸出至大氣中,導(dǎo)致氨揮發(fā)量的增加.所以該城市污水處理廠氨氣主要來源于A-B工藝的曝氣池和unitank工藝的生化池,研究主要選擇該廠開放式處理單元A-B工藝的B級曝氣池和unitank工藝的生化池及A-B工藝的沉淀池進(jìn)行采樣.2.2廢水處理廠的氨蒸發(fā)率和氨排放量的確定2.2.1污水中的氨氮濃度如圖3所示,該城市污水廠3個處理單元的氨揮發(fā)速率模型計算值及模擬實(shí)驗(yàn)測量值均呈現(xiàn)為:A-B工藝的B級曝氣池>unitank工藝的生化池>A-B工藝的沉淀池.A-B工藝的曝氣池對氨氮的去除能力不高.unitank工藝的生化池采用缺氧、好氧交替的方式,有效降低污水的氨氮濃度.污水在生化池和曝氣池中有一定的停留時間,在這時間內(nèi),污水的氨氮量會通過揮發(fā)、生化等作用得以減少,沉淀池中的氨氮量會明顯降低.3個池的氨氮濃度呈現(xiàn)A-B工藝的B級曝氣池>unitank工藝的生化池>A-B工藝的沉淀池的趨勢.由于所測空氣中的氨氣濃度比較小,污水的氨氮濃度越高,氣/液氨氮的濃度差越大,有利于氨的傳質(zhì),所以氨揮發(fā)速率會有A-B工藝的B級曝氣池>unitank工藝的生化池>A-B工藝的沉淀池的情況.研究還發(fā)現(xiàn),通過模型計算所得的氨氣揮發(fā)速率均高于模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)際測量值.而且,各處理單元的氨揮發(fā)速率模型計算值之間差別大,但它們的模擬實(shí)測值之間相差較小.模擬實(shí)驗(yàn)采用的是密閉室法,有研究表明,密閉面源上部的揮發(fā)氣體濃度增加會抑制其在面源表面的揮發(fā)速率,可能會導(dǎo)致測量值偏低.實(shí)際污水處理開放單元有持續(xù)的污水供應(yīng),開放的大氣空間不斷稀釋揮發(fā)出來的氨,保證了氣/液氨濃度差的穩(wěn)定,促進(jìn)氨的不斷揮發(fā).而裝置中空氣流量固定,樣品沒有流動,沒有攪拌和調(diào)溫使氨的傳質(zhì)受阻,即使3個樣品具有明顯的液相氨濃度差,其氨揮發(fā)速率的差異也不明顯,因而測量值偏小.模型計算的揮發(fā)速率受氨在氣/液間的濃度差影響比較大,3個污水處理單元污水的氨氮濃度均有明顯差異,而對應(yīng)空氣中的氨濃度小,使氣/液間的濃度差也有明顯差異,導(dǎo)致氨揮發(fā)速率計算值的差別較大.2.2.2a-b工藝的氨排放由于氨排放因子計算需要考慮較多影響因素,應(yīng)用時會受到較多限制,因此本研究根據(jù)實(shí)際測量的氨揮發(fā)速率獲得氨排放因子將能夠反映真實(shí)排污水平(圖4).A-B工藝B級曝氣池的氨排放因子較高,為0.205g·m-3;unitank工藝的生化池的氨排放因子為0.033g·m-3;A-B工藝的沉淀池的氨排放因子較低,為0.0085g·m-3.由式(3)看出,氨排放因子與氨的揮發(fā)速率和開放面積呈正相關(guān),與污水的流量呈負(fù)相關(guān).所以,在流量相近的情況下,氨揮發(fā)速率越大,揮發(fā)面積越大,氨的排放因子就越大.A-B工藝的B級曝氣池的氨揮發(fā)速率最大,氨排放因子也很高;二期的unitank工藝和一期A-B工藝的沉淀池相比,氨揮發(fā)速率相近,而unitank工藝的開放面積較大,使其污水氨排放因子比一期A-B工藝的沉淀池大.結(jié)合污水處理廠進(jìn)水的氨氮濃度和所測的3個污水處理單元污水樣品的氨氮濃度求出污水處理廠的平均氨氮濃度,并利用理論計算方法求出獵德污水處理廠的平均氨揮發(fā)速率為21.06μg·m-2·s-1,再得出該污水處理廠的氨排放因子為0.28g·m-3.2.3氨排放因子如表1,與國外研究相比,國內(nèi)《珠三角空氣污染物排放清單編制手冊》的氨排放因子較高,為3.2g·m-3;Coe等于1998年在美國環(huán)保局的報告中指出污水處理廠的氨排放因子為0.15g·m-3,這與本研究的結(jié)果比較相近.2.4itank工藝的生物處理技術(shù)根據(jù)所求算的氨排放因子和該污水處理廠的污水處理量,得出A-B工藝的曝氣池的氨貢獻(xiàn)率達(dá)34.2%,unitank工藝的生化池的氨貢獻(xiàn)率為4.2%,比例較大.原因可能是A-B工藝的脫氮措施不足,高氨氮含量所致的高氣/液氨濃度差促進(jìn)氨氣揮發(fā);而unitank的生化池沒有加蓋,厭氧情況下氨態(tài)氮易逸散到空氣中.建議污水處理廠改進(jìn)A-B工藝以有效脫氮,并適當(dāng)對unitank處理單元加蓋以減少該處理單元的氨排放.2.5外場實(shí)驗(yàn)觀測方法模擬實(shí)驗(yàn)存在一些不確定性因素,例如,樣品代表性、模擬實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計和實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定合理性等.本研究為了減少不確定性,采用外場實(shí)際觀測方法,選擇氨氣濃度高的污水處理單元作為采樣點(diǎn),并采用通入氮?dú)夥p少外來氨氣對于模擬實(shí)驗(yàn)的干擾.若今后選取更多的污水處理廠進(jìn)行實(shí)測研究,并改進(jìn)模擬實(shí)驗(yàn)裝置,例如增加攪拌、風(fēng)速調(diào)節(jié)、溫度的控制條件,可以獲得更準(zhǔn)確的氨揮發(fā)速率和排放因子.3城市水處理廠氨回收及氨排放的研究(1)模型計算和模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)測得出城市污水處理廠氨揮發(fā)速率最高的是A-B工藝的曝氣池,unitank工藝的生化池次之,A-B工藝的沉淀池最低,這主要與氣/液界面